DE3031419C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer zur Wirbelschicht- Verbrennung und mit Düsenöffnungen im Boden der Kammer zum Einblasen von Fluidisierungs- und Verbrennungsluft.

Wie bekannt, wird bei der Wirbelbett-Verbrennung im un­ teren Teil der Brennkammer eine Wirbelschicht aus einem inerten Material, wie beispielsweise Sand, Asche, Kalk­ stein oder Dolomit, aufrechterhalten, in der die Verbren­ nung erfolgt. Als einer der wesentlichen Vorteile dieser Technik sei die in bezug auf die in einer umgebenden Luft­ masse direkt erfolgende Verbrennung niedrige Verbren­ nungsstemperatur angeführt, wodurch der Gehalt der Rauch­ gase an gewissen schädlichen Stoffen wie z. B. Stickstoff­ oxiden, herabgesetzt wird. Bei Anwendung eines inerten Materials, das mit Schwefel chemisch reagiert, läßt sich stark schwefelhaltiger fester oder flüssiger Brennstoff mit minimaler Emission von Schwefelverbindungen verbren­ nen, so daß kostspielige Anlagen zur Entschwefelung der Rauchgase eingespart werden können.

Es ist bekannt, die Luft, die außer zur Unterhaltung der Verbrennung dazu dient, die Wirbelschicht im Schwebezustand zu halten, durch Düsenöffnungen einzublasen, die in einem aus keramischem Material hergestellten Boden in der Brenn­ kammer ausgebildet sind. Ebenfalls ist bekannt, die Luft durch Düsen einzublasen, die von einem aus Stahl hergestell­ ten Boden emporragen, so daß sich zwischen den Kammerbo­ den und der Ebene in der die Düsenöffnungen liegen, eine stilliegende Schicht aus dem inerten Material bildet, wenn sich die Brennkammer in Betrieb befindet. Da in dieser Schicht keine Verbrennung erfolgt, wird sie als eine ther­ mische Isolation des Kammerbodens, der somit während des Betriebs auf einer Temperatur gehalten werden kann, die niedriger ist als die in der Wirbelschicht herrschende.

Bei beiden diesen bekannten Konstruktionen kann der Kam­ merboden jedoch unter gewissen Umständen, insbesondere nach einer Unterbrechung der Verbrennung, auf Grund zu starker Erhitzung durch das darüberliegende glühende Material be­ schädigt werden. Man hat auch festgestellt, daß die Tem­ peraturverteilung auf die Fläche des Kammerbodens bei den bekannten Konstruktionen sehr ungleichmäßig werden kann, was dazu führen kann, daß sich der Kammerboden infolge ungleichförmiger Wärmedehnung wirft.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Stand der Technik zu verbessern, und die Erfindung besteht darin, daß die Düsenöff­ nungen in Blechelementen ausgebildet sind, welche auf die Oberseite einer Membranwand aufgeschweißt sind, die aus kühlmittelführenden Rohren besteht welche im Abstand von­ einander angebracht und unter den Blechelementen mechanisch miteinander verbunden sind mit Hilfe von zwischen benach­ barten Rohren eingeschweißten Flossen, und das Mittel zum Einleiten von Luft zwischen die Flossen und die Blech­ elemente sowie Mittel zum Zuführen von Kühlmittel zu den Rohren vorgesehen sind.

Die unter den Blechelementen liegende Membranwand ist auf Grund ihrer Konfiguration auch bei variierenden Tem­ peraturen in sich formstabil, und das Hindurchströmen ei­ nes Kühlmittels durch die Rohre der Wand sichert eine gleichförmige, geeignet niedrige Temperatur der Wand. Die direkte, wärmeleitende Verbindung zwischen der Membranwand und den Blechelementen, in denen die Düsenöffnungen ausge­ bildet sind, sichert eine entsprechende Stabilität der Kon­ figuration der Blechelemente und beschützt diese Elemente gegen unzulässig hohe Temperaturen. Die Anordnung der Blechelemente auf der Oberseite der Membranwand ermöglicht eine gleichmäßige und dichtsitzende Verteilung der Düsen­ öffnungen auf die gesamte Fläche des Kammerbodens. Ein wei­ terer wichtiger Vorteil der Erfindung ist, daß die Brenn­ kammer als eine ganzgeschweißte und damit vollständig gas­ dichte Konstruktion ausgeführt werden kann, weil die ge­ kühlte Membranwand in jedem Betriebszustand auf in allem wesentlichen der gleichen Temperatur wie die Seitenwände der Kammer gehalten und deshalb ohne Bedenken direkt mit diesen verschweißt werden kann, was sich bei den bekann­ ten Konstruktionen, bei denen, wie bereits erwähnt, der Kammerboden in gewissen Situationen wesentlich heißer wer­ den kann als die gekühlten Seitenwände, nicht machen läßt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Blech­ elemente aus planen Streifen, die jeweils an zwei benach­ barte Rohre der Membranwand angeschweißt sind. Dadurch wird eine maximal wärmeleitende Verbindung zwischen den Blechelementen und den Rohren erzielt.

Die Blechelemente sind bevorzugter Weise dünner als die Flossen, so daß die Formstabilität der Membranwand im we­ sentlichen von den zwischen den Rohren eingeschweißten Flossen gesichert wird.

Die Flossen können auf an sich bekannte Weise derartig an die Rohre angeschweißt sein, daß sie sich in einer Ebene mit den Mittellinien der Rohre befinden, so daß der Querschnitt der Membranwand bezogen auf die durch die Mit­ tellinien der Rohre verlaufende Ebene symmetrisch ist.

Die Mittel zum Einleiten von Luft zwischen die Flossen und die Blechelemente können von Öffnungen in den Flossen gebildet werden, wodurch maximale Gleichförmigkeit der Luft­ ströme durch die einzelnen Düsenöffnungen sicherge­ stellt und außerdem die Zufuhr der Fluidisierungs- und Verbrennungsluft durch eine unter der Membranwand ange­ ordnete zusammenhängende Windkammer ermöglicht wird, die aus ungekühlten Blechen gebaut sein kann.

Das Erzielen der angestrebten Gleichförmigkeit der Luft­ ströme durch die Düsenöffnungen kann zusätzlich dadurch unterstützt werden, daß das Gesamtareal der Öffnungen in den Flossen größer ist als das Gesamtareal der Düsenöff­ nungen. Der größte Teil des Strömungswiderstandes, der der Fluidisierungsluft entgegengebracht wird, tritt dann in den Düsenöffnungen auf.

Die Öffnungen in den Flossen können zweckdienlich als längliche, parallel mit den Rohren der Membranwand verlaufende Schlitze ausgebildet sein.

Wenn die Seitenwände der Brennkammer als Rohrwände ausge­ bildet sind, können die Rohre der Membranwand mit den Roh­ ren der Seitenwände in Strömungsverbindung stehen. Dadurch wird ermöglicht, den Boden und die Seitenwände der Brenn­ kammern auf praktisch genau derselben Temperatur zu halten und somit thermische Spannungen in den Verbindungen zwi­ schen diesen Wänden auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 stark schematisch einen lotrechten Schnitt durch einen Kessel mit einer erfindungsgemäßen Brennkammer,

Fig. 2 in großem Maßstab den mit II in Fig. 1 ge­ kennzeichneten Bereich des Bodens und einer sich anschlie­ ßenden Seitenwand der Brennkammer entsprechend dem Schnitt II-II in Fig. 3, und

Fig. 3 im selben Maßstab einen Schnitt entlang der Li­ nie III-III in Fig. 2.

Der in Fig. 1 sehr vereinfacht dargestellte Kessel hat ei­ ne Brennkammer 1, die durch 4 lotrechte Seitenwände 2, einen perforierten Boden 3, der im folgenden eingehender beschrieben wird, sowie eine Decke 4 mit einem Abzug 5 für Rauchgase abgegrenzt wird. Eine Windkammer 6 mit einem Lufteintritt 7 erstreckt sich unter dem perforierten Kam­ merboden 3.

Wie bereits erläutert, erfolgt die Verbrennung in einer Wirbelschicht aus einem geeigneten partikelförmigen Mate­ rial, daß von unten her in fluidisiertem Zustand gehalten wird durch ein Einblasen von Luft, die durch den Eintritt 7 zugeführt wird und durch die Kammer 6 und die Öffnungen im Kammerboden 3 hindurch nach oben strömt. In Fig. 1 ist die Wirbelschicht lediglich durch ihre unregelmäßige - und sich während des Betriebes ständig ändernde - Oberfläche 8 angedeutet.

Die Zufuhr von Brennstoff zur Brennkammer 1 kann auf je­ de beliebige geeignete Weise erfolgen, und zwar direkt in die Wirbelschicht hinein oder von oben her in die Schicht hinab. Es könnten auch herkömmliche, nicht eingezeichnete Mittel zum stetigen oder intermittierenden Zuführen frischen Materials zur Wirbelschicht oder Abziehen verbrauchten Ma­ terials zusammen mit der bei der Verbrennung von festen Brennstoff gebildeten Asche vorgesehen sein. Zur Steuerung der Verbrennungstemperatur können in denjenigen Teil der Brennkammer, die von der Wirbelschicht eingenommen wird, eine oder mehrere Rohrschlangen eingebaut sein, die von einem regelbaren Mengenstrom von Wasser durchflossen werden.

Die Konstruktion des perforierten Kammerbodens 3 und des­ sen Verbindung mit den Seitenwänden 2 der Brennkammer ist aus den Fig. 2 und 3 näher ersichtlich. Der Kammerboden 3 besteht aus parallelen Rohren 9, die untereinander mit Hilfe von Flossen 10 verbunden sind, welche jeweils zwi­ schen zwei benachbarten Rohren 9 in der Ebene eingeschweißt sind, in der die Mittellinien der Rohre verlaufen. Zwischen den Oberseiten jedes Paares von benachbarten Rohren 9 ist ein planer Blechstreifen 11 eingeschweißt, und die Blech­ streifen 11 sind mit Düsenöffnungen 12 perforiert, die gleichmäßig auf die Länge jedes Streifens verteilt sind, und zwar im gezeigten Ausführungsbeispiel in drei parallelen Reihen. In jeder Flosse 10 sind entsprechende, gleichmäßig verteilte Öffnungen 13 vorgesehen, die im vorliegenden Bei­ spiel als längliche Schlitze ausgebildet sind. Wenn durch den Eintritt 7 Luft in die Kammer 6 unter den Kammerboden 3 eingeleitet wird, strömt die Luft durch die Schlitze 13 nach oben und weiter durch die Öffnungen 12 und tritt von unten her in die darüberliegende Schicht aus inertem Ma­ terial ein, die durch Wahl einer geeigneten Strömungsge­ schwindigkeit im fluidisierten Zustand versetzt wird, so daß die Verbrennung in der Materialschicht erfolgen kann.

Längs der mit der Längsrichtung der Rohre 9 parallelver­ laufenden Seitenränder des Kammerbodens 3 sind dessen Flos­ sen 10 und Blechstreifen 11 mit einem in Längsrichtung ver­ laufenden Rohr 14 verschweißt, welches zusammen mit ent­ sprechenden, nicht eingezeichneten, querverlaufenden Roh­ ren an den beiden anderen Seitenrändern des Kammerbodens einen Bodenrahmen im Kessel bildet. Jedes dieser Rohre steht in Strömungsverbindung mit angeschweißten lotrechten Rohren 15, welche Teile der Seitenwände 2 des Kessels bil­ den und mit Hilfe von angeschweißten lotrechten Flossen 16 miteinander zu einer dichten Membranwand verbunden sind. Die ungekühlten Wände der Windkammer 6, von denen in den Fig. 2 und 3 eine gezeigt und mit 17 bezeichnet ist, sind an die Unterseiten der Rohre 14 angeschweißt. Die Rohre 9 im Kammerboden 3 stehen auf nicht näher dargestellte Weise in Strömungsverbindung mit den Rohren 14 und damit auch mit den lotrechten Rohren 15 der Seitenwände des Kes­ sels, so daß sie während des Betriebes von einem geeig­ neten Kühlmittel, üblicherweise Wasser, durchflossen wer­ den. Den Umständen entsprechend können diese Strömungsver­ bindungen derartig ausgebildet sein, daß die Rohre 9 vom Speisewasser des Kessels durchflossen werden, bevor die­ ses in die Rohre 14 gelangt und von dort aus weiter in die lotrechten Rohre 15 strömt, doch können die Rohre 9 und 15 alternativ auch in strömungstechnischer Hinsicht paral­ lelgeschaltet sein. Wenn der Kessel zur Dampferzeugung eingerichtet und mit einem Oberbehälter zur Trennung von Wasser und Dampf ausgerüstet ist, kann das durch die Rohre 9 strömende Kühlmittel auch auch den Oberbehälter entnom­ mener Dampf sein. Für den Fall, daß der Kessel ausschließ­ lich heiße Rauchgase erzeugt, z. B. für eine Trocknungsan­ lage, kann das in den Rohren erhitzte Kühlmittel zum Vor­ wärmen der Verbrennungsluft ausgenutzt werden.

Wie bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, daß das Gesamt­ areal der Schlitze 13 größer ist, als das Gesamtareal der Düsenöffnungen 12. Es ist außerdem vorteilhaft, daß die kleinste Dimension der Schlitze 13, d. h. deren Breite, größer ist als der Durchmesser der bevorzugter Weise kreis­ förmigen Düsenöffnungen 12, so daß das Material aus der Wir­ belschicht, welches gegebenenfalls durch die Öffnungen 12 hindurchfällt, z. B. bei einer Unterbrechung des Ver­ brennungsvorgangs, dann ungehindert durch die Schlitze 13 hin­ durch nach unten fortsetzt, ohne die Zwischenräume zwischen den Flossen und den Blechstreifen 11 zu verstopfen. Die Ab­ messungen der Öffnungen 12 sind jedoch normalerweise so re­ lativ klein, z. B. zwischen 3 und 6 mm, daß selbst relativ feinkörniges Material in der Wirbelschicht keine wesentli­ che Neigung aufweist, durch die Öffnungen hindurchzufallen, sondern statt dessen bei Unterbrechung des Luftstromes ei­ ne Brücke über diese bildet.

Claims (8)

1. Brennkammer zur Wirbelschicht-Verbrennung und mit Düsen­ öffnung (12) im Boden der Kammer (1) zum Einblasen von Fluidisierungs- und Verbrennungsluft, dadurch gekennzeich­ net, daß die Düsenöffnungen (12) in Blechelementen (11) ausgebildet sind, welche auf die Oberseite einer Membran­ wand aufgeschweißt sind, die aus Kühlmittel führenden Roh­ ren (9) besteht, welche im Abstand voneinander angebracht und unter den Blechelementen (11) mechanisch miteinander verbunden sind mit Hilfe von zwischen benachbarten Rohren eingeschweißten Flossen (10), und das Mittel zum Einlei­ ten von Luft zwischen die Flossen, und die Blechelemente so­ wie Mittel zum Zuführen von Kühlmittel zu den Rohren (9) vorgesehen sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechelemente (11) aus planen Streifen bestehen, die jeweils an zwei benachbarte Rohre (9) der Membranwand angeschweißt sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blechelemente (11) dünner als die Flossen (10) sind.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flossen (10) derartig an die Rohre (9) angeschweißt sind, daß sie sich in einer Ebene mit den Mittellinien der Rohre befinden.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zum Einleiten von Luft zwi­ schen die Flossen (10) und die Blechelemente (11) von Öff­ nungen (13) in den Flossen gebildet werden.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtareal der Öffnungen (13) in den Flossen (10) größer ist als das Gesamtareal der Düsenöffnung (12).

7. Brennkammer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungen (13) in den Flossen (10) aus läng­ lichen, parallel mit den Rohren (9) verlaufenden Schlitzen bestehen.

8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1-7, und mit Rohr­ wänden als Seitenwänden (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (9) der Membranwand mit den Rohren (15) der Sei­ tenwand in Strömungsverbindung stehen.