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Kessel zur Wirbelschicht-Verbrennung
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Die Erfindung betrifft einen Kessel zur Wirbelschicht-Verbrennung
in einer Wirbelschicht aus inertem Material, die beim Getrieb des Kessels in der
Brennkammer des Kessels aufrechterhalten wird durch Einblasen von Verbrennungs-und
Fluidisierungsluft durch den Boden der Kammer hindurch, und zwar aus einer unter
dieser befindlichen Windkammer, in die eine Leitung für die Zufuhr von Verbrennungs-
und Fluidisierungsluft einmündet, welcher Kessel wenigstens einen Kanal für die
Entnahme von Wirbelschichtmaterial aus der Brennkammer hat.
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Wie bekannt, erfolgt bei der Wirbelschicht-Verbrennung die Verbrennung
in einer fluidisierten Schicht oder Wirbelschicht aus einem inerten BSterial, wie
eispielsweise Sand, Asche, Kalkstein oder Dolomit, die mit Hilfe der eingeblasenen
Luft im unteren Teil der Brennkammer aufrechterhalten wird. Als einer der wesentlichen
Vorteile diese Technik sei die in bezug auf die in einer umgebenden Luft masse direkt
erfolgende Verbrennung niedrigere Verbrennungstemperatur angeführt, wodurch der
Gehalt der Rauchgase an gewissen schädlichen Stoffen, wie z.B. Stickstoffoxyden,
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 verbrennen, so dass kostspielige Anlagen
zur Entschwefelung der Rauchgase eingespart werden können Die Aschemenge, die nach
der Verbrennung des Brennstoffes zurückbleibt, sammelt sich zu einem grossen Teil
in der Wirbelschicht und vergrossert somit deren Volumen. Durch intermittierendes
Abziehen von Material aus der Wirbel-
schicht durch den oder die
erwähnten Entnahmekanäle lässt sich die Dicke der Schicht in etwa konstant oder
jedenfalls innerhalb gegebener oberer und unterer Grenzen halten, was eine Vorallssetzung
für einen korrekten Betrieb des Kessels ist.
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Bei bekannten Kesseln der erwähnten Art wird das abgezogene Material
mit Hilfe eines Schneckenförderers entfernt, der auf Grund der hohen Temperatur
des Materials, die typisch 700-900°C beträgt, wassergekühlt sein muss. Da das Material
infolge seiner gekörnten Struktur die Wärme nur schlecht leitet, muss der Förderer
eine erhebliche Länge besitzen, damit das Material während seines Transports gründlich
umgerührt werden kann, so dass praktisch alle seine einzelnen Partikeln in direkte
Berührung mit gekEhlten Flächen kommen, bevor es die Anlage zwecks weiterer Manipulation
verlasst. Die bekannten Anlagen zum Abtransport von Wirbelschichtmaterial sind deshalb
sowohl platzraubend als auch kostspielig.
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Ein der vorliegenden Erfindung geriässer Kessel ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Entnahmekanal in die Windkammer einmündet, dass der Boden der Windkammer
perforiert ist, dass Mittel zum Einleiten eines sekundären Luftstromes in die Windkammer
durch ihren Boden hindurch vorgesehen sind und dass zum periodischen Abziehen von
Wirbelschichtmaterial eine Austrittleitung, die ein Absperrelement enthält, zwischen
dem Boden der Windkammer und der Mündung der Luftzufuhrleitung in die Windkammer
einmündet.
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Durch die Erfindung werden erhebliche Ersparnisse an sowohl Anlage-
als auch Betriebskosten fur den Kessel und eine Reduktion des Gesamtplatzbedarfes
der Kesselanlage erreicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das heisse Material,
das aus der Wirbelschicht abgezogen wird, in der unter der Brennkammer befindlichen
Windkammer, wo das Material unter der Einwirkung des sekundären Luftstromes eine
sekundäre Wirbelschicht bildet, abgekühlt wird. Infolge
der intensiven
Turbulenz in der sekundären Wirbelschicht wird das Material schnell und effektiv
auf eine so niedrige Temperatur abgekühlt, dass es anschliessend durch eine einfache,
ungekühlte Austrittleitung aus der Windkammer entfernt werden kann. Die gesamte
Wärmemenge, die im abgezogenen BIaterial gebunden ist, wird durch Erwärmen der Sekundärluft
rückgewonnen, die zusammen mit der Primärluft, die über der sekundären Wirbelschicht
in die Kammer eingeleitet wird, durch den perforierten Boden der Brennkammer hindurch
in die Brennkammer hineinströmt. Unverbrannte Reste des Brennstoffes, die zusammen
mit dem abgezogenen Wirbelschichtmaterial in die Windkammer hinuntergelangen, werden
dort verbrannt, wodurch die Wärmewirtschaftlichkeit zusätzlich verbessert wird.
Nach Öffnen des Absperrelementes in der Austrittleitung kann das abgekühlte Material
allein mit Hilfe des Sekundärluftstromes, d.h. ohne mechanische Förderelemente,
aus der Windkammer heraustransportiert werden. Da die Asche und das eigentliche
inerte Wirbelschichtmaterial oft unterschiedliche Partikelgrössen haben, kann der
pneumatische Abtransport des SWaterialgemisches aus der Windkammer dazu ausgenutzt
werden, durch Windsichtung eine gewisse Zerlegung des Gemisches in seine Bestandteile
zu bewirken, wodurch ein wesentlicher Anteil des inerten Materiales mit geringfügigem
Kostenaufwand rückgewonnen werden kann, z.B. um erneut in die Brennkammer eingeleitet
oder anderweitig verwendet zu werden, falls das Material auf Grund chemischer Reaktionen
mit Bestandteilen des Brennstoffes zu einer erneuten Anwendung in der Wirbelschicht
ungeeignet geworden sein sollte.
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Um eine geeignete Dicke der sekundären Wirbelschicht in der Windkammer
aufrechtzuerhalten, ist es zweckmässig, dass die Fläche des perforierten Bodens
der Windkammer kleiner ist als die Fläche des Bodens der Brennkammer.
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Die Mündung des Entnahmekanals in der Windkammer kann mit
Vorteil
gegen die in die Kammer einmündende Luftzufuhrleitung abgeschirmt sein. Dadurch
wird ein unerwünschtes Mitreissen des abgezogenen Materials durch den nach oben
gerichteten und durch den Boden der Brennkammer hindurchtretenden Luftstrom begrenzt.
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Wenn sich der Entnahmekanal durch den Boden der Brennkammer hindurcherstreckt,
Pann dicht unter dem Kammerboden ein perforierter Schieber in den Kanal eingebaut
sein. Dadurch kann auch in den Betriebsperioden, die zwischen den intermittierenden
Entnahmen von 'I'Ji Wirbelschichtmaterial liegen, ein in allem wesentlichen gleichformiger
Luftdurchtritt durch die gesamte Bodenflãche der Brennkammer aufrechterhalten werden.
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Die Mittel zum Einleiten des sekundären Luftstromes können eine Zweigleitung,
die von der zur Kammer führenden Hauptluftzufuhrleitung ausgeht, sowie ein Absperrelement
in der Zweigleitung umfassen, und in die Hauptleitung kann zwischen der Zweigleitung
und der Windkammer eine einstellbare Drossel eingeschaltet sein. Durch Drosselung
des Primarluftstromes, wenn das Absperrelement in der Zweigleitung offen ist, kann
man auf einfache Weise einen geeigneten Uberdruck im Sekundär luftstrom zur Fluidisierung
der sekunderen Wirbelschicht hervorbringen und gleichzeitig einen fast unveränderten
Gesamtmengenstrom der durch den Boden der Brennkammer hindurchströmenden Luft beibehalten.
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Alternativ können die Mittel zum Einleiten des sekundären Luftstromes
in die Windkammer ein separates Gebläse umfassen. Bei dieser Ausführungsform ist
es möglich, den Mengenstrom der Sekundärluft und deren überdruck in bezug auf den
Druck in der Windkammer vollig unabhängig vom Frimärluftstrom zu steuern.
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Das Absperrelement in der Austrittleitung kann von einem Temperaturfühler
gesteuert werden, der in der Windkammer zwischen deren Boden und der Mündung der
Hauptluftzufuhrleitung in der Kammer angeordnet ist. Dadurch kann das
intermittierende
Abziehen von Material aus der Windkammer eingeleitet werden, wenn der Temperaturfühler,
der sich bei geschlossenem Absperrelement in der sekundären Wirbelschicht befindet,
anzeigt, dass sich das Material auf eine geeignete Temperatur abgekühlt hat.
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Der Boden der Windkammer kann treppenförmig mit wenigstens zwei in
unterschiedlichen Höhen liegenden Abschnitten ausgebildet sein, die durch Zwischenwände
voneinander abgetrennt sind, welche sich öffnen und schliessen lassen, und der aus
der Brennkammer kommende Fntnahmekanal mündet dann über dem am höchsten liegenden
Abschnitt, während die Austrittleitung über dem am niedrigsten liegenden Bodenabschnitt
aus der Kammer herausführt. Durch Öffnen und Schliessen der Zwischenwände im Gleichtakt
mit dem Abziehen von Material aus der primären Wirbelschicht und dem Entfernen von
abgekühltem Material aus der Windkammer können die in dieser Kammer ablaufenden
Vorgänge, und zwar die Nachverbrennung von brennbaren Bestondteilen im Wirbelschichtmaterial
bzw. das Abkühlen des Materials, dazu gebracht werden, praktisch in je einer Zone
der Windkammer über den entsprechenden Abschnitten des Kammerbodens zi; erfolgen.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische
Zeichnung näher erklärt. Es zeigt Fig. 1 einen lotrechten Längsschnitt durch den
unteren Teil einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kessels, Fig.
2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 einen dem Schnitt nach
Fig. 2 entsprechenden Schnitt durch eine geänderte Ausführungsform des Kessels.
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Der in den Fig. 1 und 2 sehr vereinfacht dargestellte Kessel hat eine
Brennkammer 1, die durch vier lotrechte Seitenwande 2, einen perforierten Boden
3 und eine nicht eingezeichnete -Decke begrenzt wird, in der eine Abzugoffnung für
die Rauchgase ausgebildet sein kann. Eine Windkammer 4
mit zwei
sich gegenüberliegenden, nach unten konvergierenden Seitenwänden 5 und 6 ist unter
dem Boden 3 der Prennkammer angeordnet. Der Boden 7 der Windkammer ist auf gleiche
Weise wie der Boden 3 der Prennkammer perforiert, und unter dem Boden 7 befindet
sich eine sekundäre Windkammer 8.
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Eine Hauptleitung 9 für die Zufuhr von Verbrennungs- und Fluidisierungsluft
führt durch die Seitenwand 5 der Windkammer 4 in die Windkamer hn3;ein. Vcn der
Leitung c geht eine Zweigleitung 10 aus, de in die sekundäre Windkammer 8 einmündet.
Absperr- und Droseleleente 11 und 12, die sich individuell betätigen lassen und
auf der Zeichnung als Drehklappen dargestellt sind, sind in die Leitung 9 zwischen
dem Anschluss der Zweigleitung 10 und der zündung in der Windkammer 4 bzw. in die
Zweigleitung eingeschaltet.
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Rin lotrechtes Rohr 13 erstreckt sich durch den Boden 3 der Brennkammer
hindurch in die Windkammer 4 hinab, wo es ueber dem Boden 7 dieser Kammer in einer
tiefer als die Mündung der Luftleitung a liegenden Ebene mündet. Das Rohr 13 enthält
dicht unter dem Erennkam erboden 3 ein Absperrelement 15, das als ein Schieber dargestellt
und mit Öffnungen versehen ist, die den Offnungen im perforierten Kammerboden 3
entsprechen. Vom unteren Teil der Windkammer 4, und zwar von einer dicht über deren
Boden 7 befindlichen Stelle, geht ein Austrittrohr 16 aus, das ebenfalls ein Absperrelement
17 enthält, welches als Schieber dargestellt ist.
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Wie bereits erläutert, erfolgt die Verbrennung in einer Wirbelschicht
aus einem geeigneten partikelförmigen Material, das von unten her in fluidisiertem
Zustand gehalten wird durch Einblasen von Luft, die durch die Leitung 9 zugeführt
wird und durch die Windkammer 4 und durch die Öffnungen im Kammerboden 3 sowie durch
die Öffnungen im Schieber 15, wenn dieser geschlossen ist, nach oben strömt. In
den Fig. 1 und 2 ist die Wirbelschicht lediglich durch ihre unregelmässige - und
sich während des Eetriebes ständig än-
dernde - Oberfläche 18 angedeutet.
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Die Zufuhr von Brennstoff zur Brennkammer 1 kann auf jede beliebige
geeignete Weise erfolgen, und zwar direkt in die Wirbelschicht hinein oder von oben
her in die Schicht hinab. Zur Steuerung der Verbrennungstemperatur können in denjenigen
Teil der Brennkamrer, der von der Wirbelschicht eingenommen wird, eine oder mehrere
Rohrschlangen eingebaut sein, die von einem regelbaren Mengenstrom von Wasser durchflossen
werden. Tm übrigen kann die im Kessel entwikkelte Wärmeenergie in jeder geeigneten
Weise nutzbar gemacht werden, z.B. zur Erzeugung von Dampf oder Heisswasser in Rohren,
aus denen die Seitenwände 2 des Kessels aufgebaut sind, oder zur Erstellung heisser
Rauchgase, z.E. für eine Trocknungsanlage.
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Das weiter vorn erwähnte lotrechte Rohr 13 dient zum periodischen
Entnehmen von Material aus der Wirbelschicht in der Brennkammer 1, wenn, wie bereits
erklärt, beim Betrieb des Kessels die Dicke dieser Schicht zunimmt. Zu diesem Zweck
wird das Absperrelement 15 für einen Zeitraum geeigneter Länge geöffnet, so dass
Material durch das Rohr in die Windkammer 4 hinabströmt. Gleichzeitig wird die bei
normalem Betrieb geschlossene Klappe 12 in der Zweigleitung 10 geöffnet, und die
Klappe 11 in der Hauptleitung 9 wird so eingestellt, dass sie den Hauptluftstrom
passend drosselt. Durch die Zweigleitung 10 stromt nunmehr Luft in die sekundäre
Windkammer 8 hinein und durch den perforierten Boden 7 der primaren Windkammer 4
nach oben, wodurch bewirkt wird, dass das in die Kammer 4 hinabströmende Material
eine sekundäre Wirbelschicht bildet, die in den Fig. 1 und 2 durch ihre Oberfläche
19 angedeutet ist. Der Schieber 17 bleibt vorläufig noch geschlossen.
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Wie eingangs erklärt, bewirkt die durch den Kammerboden 7 strömende
Sekundarluftmenge eine Abkühlung der sekundären Wirbelschicht und gleichzeitig eine
Nachverbrennung eventueller Reste brennbaren Materiales, die von dem durch das
Rohr
13 aus der Frennkamirer abgezogenen Material mitgenommen worden sind. Die dadurch
entwickelte Wärmemenge wird an den Sekundärluftstrom abgegeben, der zusammen mit
dem Primärluftstrom aus der Leitung 9 als vorerhitzte Verbrennungs- und Fluidisierungsluft
in die Brennkammer 1 weiterströmt, und wird auf diese Weise im Verbrennungsvorgang
wieder zurückgewonnen.
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Sobald die eventuelle Nachverbrennung beendet und die Abkühlung des
Materiales in der sekundären Wirbelschicht in der Windkammer 4 weit genug fortgeschritten
ist, was mit Hilfe eines in der Wirbelschicht angeordneten Temperaturfühlers 20
registriert werden kann, öffnet man den Schieber 17, und dadurch wird infolge des
Überdruckes, der in der Windkammer 4 herrscht, das Material in der sekundären Wirbelschicht
durch das Austrittrohr 16 hinausgeblasen.
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Wenn die Windkammer 4 entleert ist, wird die Klappe 12 geschlossen
und die Klappe 11 ganz geöffnet, wonach der Betrieb fortsetzt, bis der Schieber
15 das nächste Mal zum Abziehen von Material aus der primären Wirbelschicht in der
Brennkammer geöffnet werden muss.
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Die Bauteile der in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform, die
mit den in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen identisch sein können, sind mit denselben
Bezugsziffern versehen. Die wesentliche Abweichung von der zuerst beschriebenen
Ausführungsform liegt in der Ausgestaltung des perforierten Bodens 22 der primären
Windkammer 21, der treppenformig mit drei Abschnitten 23, 24 und 25 ausgebildet
ist, die sich in sukzessiv abnehmender Höhe über dem Boden der sekundären Windkammer
26, die sich unter dem Boden 22 befindet, quer durch die Kammer erstrecken. An den
Ubergängen zwischen den einzelnen Abschnitten sind querverlaufende Zwischenwände
27 vorgesehen,die aus ihren auf der Zeichnung wiedergegebenen Stellungen im Uhrzeigersinn
geschwenkt werden können und dadurch erlauben, dass Material von einem höher gelegenen
Abschnitt des Bodens 22 zu einem
tiefer gelegenen Abschnitt gelangt.
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Das von der Brennkammer 1 ausgehende Entnahmerohr 13 mündet mit einer
schrägen Nündungsfläche 14 über dem am höchsten gelegenen Abschnitt 23, und zwar
in kleinem Abstand von der einen schrägen Seitenwand der Kammer 21. Das Austrittrohr
16 für das abgekühlte Material mündet über dem am niedrigsten angeordneten Abschnitt
25. Die Zuleitung 28 für Sekundärluft zur Klammer 26, die im Boden der Kammer mündend
dargestellt ist, kann, wie in Fig. 1 gezeigt ist, von der llauptluftleitung 9 abgezweigt
sein, könnte aber auch an die Druckseite eines nicht eingezeichneten, separaten
Gebläses angeschlossen sein. Diese Anschlussmöglichkeit liegt selbstverständlich
auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 vor.
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Die Ausfvhrungsform nach Fig. 3 kann in der Weise betrieben werden,
dass die Nachverbrennung brennbarer Restandtei le des Materiales, das aus der Brennkamner
1 abgezogen wird, ganz oder in allem wesentlichen r jr dem Abschnitt 23 erfolgt,
während über den sich anschliessenden Abschnitten 24 und 25 praktisch nur ein Kühlen
des Materiales auf eine geeignete Austritttemperatur erfolgt. Während der Wachverbrennung
und der Kühlung werden die Zwischenwände 27 in den gezeigten geschlossenen Stellungen
gehalten, und wenn der nicht eingezeichnete Schieber im Rohr 13 geöffnet wird, um
Material aus der Brennkammer abzuziehen, werden gleichzeitig die Wände 27 geöffnet,
so dass sich das auf dem Boden 22 liegende Material sukzessiv auf die tiefer gelegenen
Podenabschnitte verlagert, bis das Material zum Schluss durch das Austrittrohr 16
entfernt wird.
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Es liegt auf der Hand, dass die Anzahl der Rohre 13 zur Entnahme von
Material aus der Brennkammer sowie die Anordnung der Rohre in der Draufsicht mit
der Grösse der Fläche des Bodens 3 und mit der generellen Ausgestaltung der primären
Windkammer und deren Anschluss für den Durchtritt der Verbrennungsluft variieren
kann. Die perforierten Boden in
der Prennkammer und der primären
Windkammer können insbesondere so ausgebildet sein, wie es in der (der dänischen
Patentanmeldung Nr. 3611/79 entsprechenden) deutschen Parallelanmeldung Wr.P 30
31 419.3 beschrieben ist, können jedoch auch von herkömmlicher Art sein. Das Rohr
oder die Rohre zur Entnahme von Material aus der Brennkammer könnten auch aussen
am Kessel angeordnet und mit Einström- und Ausströmmündungen in den Wänden der Brennkammer
bzw. der primären Windkammer versehen sein.
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Die oben erwähnten Schieber und Klappen und eventuellen anderen Betätigungselemente,
die im Zusammenhang mit einer periodischen Materialentnahme aus der Wirbelschicht
in der Brennkammer in Funktion treten, können automatisch gesteuert sein, wodurch
der Funktionsablauf z.B. durch ein Signal von einem Fühler ausgelöst werden kann,
der das Druckgefälle in der primären Wirbelschicht misst, das von der Dicke der
Schicht abhängt. Dementsprechend kann das Absperrelement in der Austr itt leitung
aus der primären Windkammer durch ein Signal vom Temperaturfühler in der sekundären
Wirbelschicht geöffnet werden.
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