DE3107355C2 - Verfahren zur Erzeugung einer Wirbelschicht mit Wirbelschichtmassenregulierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Wirbelschicht mit Wirbelschichtmassenregulierung durch Rückführung ausgetragenen Materials, Eintragung neuen Materials und durch Abzug von Material für eine Wirbelschichtfeuerung eines Dampferzeugers, wobei sich der horizontale Wirbelschicht-Querschnitt nach oben verjüngt und die seitlichen Begrenzungen der Wirbelschicht Heizflächen bilden.

Um Dampf in einer Brennkammer mit Wirbelschichtfeuerung zu erzeugen, bedarf es einerseits Heizflächen zur Aufnahme der freigesetzten Brennstoffwärme, andererseits für optimale Reaktionsfähigkeit eines physikalisch bedingten Verhältnisses zwischen der Korngröße des Wirbelmaterials und der Wirbeigeschwindigkeit. Dabei besteht einerseits die Möglichkeit, grobe Partikel mit langsamer Wirbelgeschwindigkeit und dadurch großen Wirbelkammerquerschnitten optimal zu fluidisieren, andererseits feine Partikel mit hohen Wirbelgeschwindigkeiten und dadurch kleinen Wirbelkammerquerschnitten optimal zu fluidisieren. Die Verwirklichung einer optimalen Fluidisierung für ein möglichst großes Partikelgrößenspektrum erfordert jedoch unterschiedliche Wirbelgeschwindigkeiten in ein und derselben Wirbelkammer.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die freigesetzte Brennstoffwärme sowohl an Wandheizflächen der Brennkammer als auch an in die Wirbelschicht eingetauchte Heizflächen zu übertragen. Dabei sind jedoch zwangsläufig eingetauchte Heizflächen starken Erosionskräften ausgesetzt.

Aus der DE-OS 28 19 185 ist eine langsame und stationäre Wirbelschicht mit wirbelschichtgemäß definierbarer Oberfläche bekannt, die an einer der Begrenzungswände durch eine Leitblechanordnung, die winklig in Richtung der Wirbelschicht angestellt ist, zu einer besonderen, beeinflußbaren, inerten Umwandlung (Zirkulation) veranlaßt wird. Durch diese von außen auf die Wirbelschicht einwirkenden Maßnahmen wird jedoch die Art der Wirbelschicht, auch in bezug auf das Korn-Zwischenraum-Volumenverhältnis, nicht so verändert, daß nicht zwischen dieser Wirbelschicht und den resultierenden gasförmigen Verbrennungsprodukten weiterhin von einer definierbaren Oberfläche der Wirbelschicht gesprochen werden kann.. Bei dieser Wirbelschicht kann nur das physikalisch zulässige KorngröGenspektrum eingesetzt werden, welches wirbelschichtumspülte und damit eingetauchte Heizflächen erfordert, die gleichzeitig die erzeugte Wirbelschicht in Module abtrennen. Nachteile in bezug ?uf eine gute Wärmeüb'irtragungsvoraussetzung an die Heizflächen sind daher unvermeidbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelschicht zu schaffen, die während des Betriebes gute Wärmeübertragungsvoraussetzungen an die Heizflächen bildet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher nach der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Steuerung der Wirbelschicht derart erfolgt, daß aus einer unteren, langsamen, stationären Schichtung mit großem horizontalem Wirbelschicht-Querschnitt mit einem Korn-Zwischenraum-Volumenverhältnis fc mit einem Wert ε = 0,45 bis 0,75 in eine obere, schnellere Schichtung mit kleinerem horizontalem Wirbelschicht-Querschnitt mit einem Korn-Zwischenraum-Volumenverhältnis ε mit einem Wert ε = 0,75 bis 1,00 überführt wird, und die in der Wirbelschicht freigesetzte Brennstoffwärme bis zu einer Wirbelschichttemperatur im Bereich von 750° bis 950° ausschließlich an die Brennkammer-Wand-Heizflächen übertragen wird.

Durch formgebende Einwirkungen von außen werden auf die Wirbelpartikel und die Gasströmung in der Wirbelschicht Kräfte ausgeübt, die zur Folge haben, daß die Wirbelgeschwindigkeit sich ändert und dadurch die Wirbelpartikel korngrößenmäßig separiert werden. Diese formgebenden Einwirkungen finden derart statt, daß der Anteil der groben Wirbelpartikel im unteren Teil der Wirbelkammer durch ein Wirbelkammerquerschnittsangebot und daraus resultierenden langsamen Wirbelgeschwindigkeiten für deren optimale Fluidisierung verbleiben, während andererseits der Anteil der feinen Wirbelpartikel bei kleinstem Wirbelkammerquerschnittsangebot und daraus resultierenden höchsten Wirbelgeschwindigkeiten im oberen Teil der Wirbelkammer optimal fluidisiert und nach oben ausgetragen werden.

Die Abhängigkeit zwischen dem Wirbelkammerquerschnittsangebot und den daraus resultierenden zugehörigen Wirbelgeschwindigkeiten ist so gewählt, daß die Wirbelschicht aus einem Zustand mit einem Korn-Zwi-

schenraum-Volumenverhältnis ε = 0,45 bis 0,75 im Bereich des größten Wirbelkammerquerschnittsangebotes und einem Wert ε = 0,75 bis 1,00 im Bereich des kleinsten Wirbelkammerquerschnittsangebotes übergeht.

Dabei ist das Verhältnis von in der Wirbelschicht freizusetzender Brennstoffwärme und der zur Verfügung stehenden Wirbelkammerheizfläciien derart, daß auf zusätzlich in die Wirbelschicht eingetauchte Heizflächen verzichtet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiter dadurch ausgestattet, daß der aus dem Bereich des kleinsten Querschnitts der Brennkammer mit dem Rauchgasstrom ausgetragene Feinkornanteil des Wirbelmaterials unmittelbar danach abgeschieden und direkt vollständig in den Bereich des g.-ößten Querschnitts der Brennkammer zurückgeführt wird.

Da der ausgetragene Feinkornanteil prinzipbedingt noch Unverbranntes beinhalten kann, führt ein solches Verfahren des Zurückführens in den Bereich des größten Querschnitts der Brennkammer infolge der dort herrschenden geringen Wirbelgeschwindigkeiten zu hohen Verweilzeiten des Feinkornanteils und erhöht damit die Ausnutzung der Brennstoffenergie.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der gesamte Brennstoff im Bereich des größten Querschnitts der Brennkammer eingebracht wird.

Eine solche Maßnahme führt dazu, daß der grobe Anteil des Brennstoffs direkt in den Wirbelschichtbereich, in dem er bestimmungsgemäß fluidisiert werden muß, eingebracht wird und der Feinanteil zunächst \u diesem Bereich der langsamen Wirbelgeschwindigkeiten entgast wird, ehe er in die Bereiche höherer Wirbelgeschwindigkeiten transportiert wird und ausbrennt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Wirbelschicht durch rückgeführte Rauchgase als Luft-Rauchgasgemisch-Versorgung des Bodens und/oder als zusätzliche Luft-Rauchgas-Eindüsung im Bereich der Höhe des Beginns des kleinsten Brennkammerquerschnitts steuerbar ist.

Diese Maßnahme ist dann von Vorteil, wenn für einen guten Wärmeübergang an die Brennkammerwandheizflächen der Fluidisierungsgrad der Wirbelschicht aufrechterhalten werden soll, durch den für die Verbrennung im Teillastbereich in stöchiometrisch richtigem Verhältnis zur eingebrachten Brennstoffmenge einzubringenden Sauerstoffanteil die Luftzufuhr reduziert werden muß.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur ist das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel einer Wirbelschichtbrennkammer zur Dampferzeugung näher beschrieben.

Die Wirbelschichtbrennkammer 1 besteht aus Seitenwänden 2, 3, parallelen Seitenwänden 4, 4a, die ganz oder teilweise als Heizflächen ausgebildet sind, und einem Anströmboden 5 mit beliebigem Grundriß. Angeschlossen an diese Kammer ist ein Partikelrückführsystem 6 mit Rückführrohr 7, ein Brennstoffbeschikkungssystem 8 mit Eintragrohr 9 und ein Materialabzugsrohr 10. Die Gasversorgung der Wirbelschichtbrennkammer erfolgt durch Luftzuführungen 11 und 12, sowie durch zumischbare Rauchgasströme 13 und 14, die von eiern Hauptrauchgasstrom 15 aus dem Partikelrückführsystem 6 abgezweigt werden. Die Wirbelschichtbrennkammer 1 ist ganz mi; Wirbelschichtmaterial ausgefüllt. Das Spektrum der Partikeigrößen der Wirbelschicht ist über die Höhe der Wirbelschicht gesehen unterschiedlich, und zwar nimmt die Korngröße im wesentlichen mit zunehmender Wirbelschichthöhe ab. Diese Partikelgrößenabnahme ist bedingt durch Einwirkungen, die von der Formgebung der Wirbelbrennkammerseitenwand 3 ausgehen. Die Wirbelbrennkammerwand 3 verläuft nämlich im unteren Bereich parallel zur Kammerwand 2, verläuft dann unter konstanter Querschnittsverengung der Wirbelkammer bis zu einer physikalisch bedingten Wirbelschichthöhe und verläuft dann wieder parallel zur Wirbelschichtkammerseitenwand 2. Die Wirbelschicht selbst ist demnach in die Bereiche I, II, III aufgeteilt, wobei der Bereich 1 die größten Wirbelschichtpartikel bei größtem Wirbelschichtkammerquerschniusangebot, der Bereich III die kleinsten Wirbelschichtpariikel bei kleinstem Wirbelschichtkammerquerschnittsangebot beinhaltet, und der Bereich II das Übergangsgebiet zwischen den Bereichen I und III darstellt und zur Separierung des als Gemenge unterschiedlicher Korngrößen eingegebenen Brennstoffes und des inerten Wirbelmaterials dient. Die Summe der drei Wirbelschichtbereiche I, II, III führt damit zu einer optimalen Fluidisierung des eingegebenen Materials mit größtmöglichem Korngrößenspektrum bei gleichzeitig entsprechend minimiertem Wirbelkammerraum.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer Wirbelschicht mit Wirbelschichtmassenregulierung durch Rückführung ausgetragenen Materials, Eintragung neuen Materials und durch Abzug von Material für eine Wirbelschichtfeuerung eines Dampferzeugers, wobei sich der horizontale Wirbelschicht-Querschnitt nach oben verjüngt und die seitlichen Begrenzungen der Wirbelschicht Heizflächen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Wirbelschicht derart erfolgt, daß aus einer unteren, langsamen, stationären Schichtung mit großem horizontalem Wirbelschicht-Querschnitt mit einem Korn-Zwischenraum-Volumenverhältnis ε mit einem Wert ε = 0,45 bis 0,75 in eine obere, schnellere Schichtung mit kleinerem horizontalem Wirbelschicht-Querschnitt mit einem Korn-Zwischenraum-Vulumenverhältnis ε mit einem Wert ε = 0,75 bis 1,00 überführt wird, und die in der Wirbelschicht freigesetzte Brennstoffwärme bis zu einer Wirbelschichttemperatur im Bereich von 750° bis 950° ausschließlich an die Brennkammer-Wand-Heizflächen übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Bereich des kleinsten Querschnitts der Wirbelschicht mit dem Rauchgasstrom ausgetragene Feinkornanteil des Wirbelmaterials unmittelbar danach abgeschieden und direkt vollständig in den Bereich des größten Querschnitts der Wirbelschicht zurückgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Brennstoff im Bereich des größten Querschnitts der Wirbelschicht eingebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht durch rückgeführte Rauchgase als Luft-Rauchgasgemisch-Versorgung des Bodens und/oder als zusätzliche Luft-Rauchgas-Eindüsung im Bereich der Höhe des Beginns des kleinsten Wirbelschichtquerschnitts steuerbar ist.