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W a s 5 e r r o h r k e s s e 1 Die Erfindung bezieht sich auf einen
Wasserrohrkessel mit einer oder mehreren separaten Vorbrennkammern.
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Durch die Bestrebungen zur Einsparung von Heizöl und aus Gründen
der Kostensenkung ergibt sich bei einer Reihe von bestehenden ölgefeuerten Kraftwerkblöcken
das Problem der Umstellung des Brennstoffes von Öl auf Kohle. (In den USA sollen
über 80 Kraftwerksblöcke von Öl auf Kohle umgestellt werden.) Bei dieser Umstellung
der Kesselfeuerung von Heizöl auf Kohle ergeben sich eine Reihe von Forderungen,
deren Erfüllung für eine einwandfreie und rasche Lösung dieses Problems wesentlich
ist. Diese Forderungen sind: a) Die Dampfleistung des Kessels und die Dampfzustände
am Kesselaustrftt sollen nach der Umstellung dieselben sein wie während des Heizölbetriebes.
Auch der Kesselwirkungsgrad soll nach der Umstellung ein hoher sein.
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b) Das Volumen für die Verbrennung des Kohlenstaubes (Brennkammervolumen)
ist zu vergrbßern, wobei auf die zigenschaften der zur Verfeuerung gelangenden kohle
(z.B. Ascheerweichungspunkt) besondere Rücksicht zu nehen ist.
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c) Die Entfernung von unverbrannten Kohlenteilchen aus der Brennkamner
ist sicherzustellen.
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d) Die Nachschaltheizflächen sind für die Kohlenstaubfeuerung zu vergrößern
und ihre Durchtrittsquerschnitte für die Rauchgase zu erweitern.
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e) Die Frischluft- und Saugzuggebläse sind für die Förderung größerer
Gasvolumina abzuändern bzw. auszutauschen.
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£) Für die Entstaubung der Rauchgase sind Filter zu installieren.
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g) Für die Bereitstellung des Kohlenstaubes ist eine zentrale Mahlanlage
(am Block) zu erstellen, oder es hat die Anlieferung des Kohlenstaubes in entsprechenden
Transportbehältern zu erfolgen.
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h) Die baulichen Änderungen an den bestehenden Gebäuden sind auf ein
Minimum zu beschränken.
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j) Die Gesamtstillstandszeit des Blockes, die für die Umstellung erforderlich
ist, soll so kurz wie möglich sein (Umstellung möglichst während einer Sommerperiode).
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Um den h'orderungen a), b), c), d), h) und j) zu entsprechen, wird
für die Umstellung der Peuerung ein Wasserrohrkessel mit einer Brennkammer und einem
oder mehreren Berührunsheizflächenzügen vorgeschlagen, der erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist, daß er eine oder mehrere Vorbrennkammern besitzt, die während
des Be-triebes von den i'lammengasen von oben nach unten durchströmt wird bzw. werden,
und daß die Austrittsöffnung(en) der Vorbrennkammler(n) in an sich bekannter Weise
- vorzugsweise über Verbindungskanäle - in die Brennkammer münden.
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Dabei wird die Vorbrennkammer bzw. werden die Vorbrennkammern zweckmäßig
an der Stirnseite der Brennkammer angeordnet, wo - zufolge der Brenneranordnung
bei der Ölkesselausführung - meist ein (wenn auch beschränkter) Platz für die Aufstellung
derselben vorhanden ist. Die Änderungen an dem vorhandenen
Ölkessel
werden so gering wie möglich gehalten.
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Die lichte Höhe einer Vorbrentammer ist wenigstens doppelt so groß.
als deren lichte Tiefe Xin der Horizontalen gemessen). Besitzt der Wasserrohrkessel
mehrere Vorbrennkammern, so sind diese so dimensioniert, daß eine weitgehende Vorfertigung
in der Werkstätte und ein Transport von dort ins Eraftwerk meist noch möglich ist.
Dabei weisen die Vorbrennksmmern in an sich bekannter Weise kreisförmige oder kreisähnliche
lichte Horizontalquerschnitte auf.
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Die Einblasung des Kohlenstaubes und der Verbrennungsluft während
des Betriebes erfolgt in den oberen Hälften der Vorbrennkammern über Brenner. U.
zw.- erfolgt diese Einblasung des kohlenstaubes und der Verbrennungsluft vorzugsweise
tangential oder angenähert tangenial an die Zylinderwände der Vorbrennkammern. Dies
gibt eine intensive Durchmischung von Gas und Brennstoff und beschleunigt so den
Verbrennungsablauf.
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Dadurch, daß alle Vorbrennksmmern an der Stirnseite der Brennkammer
angeordnet sind, gibt dies eine verhältnismäßig einfache Anordnung der Kohlenstaub-
und Verbrennungsluftleitungen.
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Die Wände der Vorbrennkammer(n) sind in an sich bekannter Weise weitgehend
oder zur Gänze mit Kühlrohren abgekleidet oder aus Kühlrohren gebildet, die vorzugsweise
an das Hochdruckrohrsystem des Kessels angeschlossen sind.
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Zur Verbesserung der Zündbedingungen sind die Kühlrohre der Vorbrennkammer(n)
in an sich bekannter Weise wenigstens teilweise mit Stampfmasse abgekleidet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zweigen die Austrittsöffnungen
der Vorbrennkammer(n) von deren unteren Hälfte(n) ab.
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Die lichte(n) Höhe(n) der Vorbrennkammer(n) stimmt bzw.
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stimmen mit der lichten Höhe der Brennkammer überein oder ungefähr
überein. Die lichte(n) Höhe(n) der Vorbreunkammer(n) kann bzw. können auch größer
als die lichte Höhe der Brennkammer sein.
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Besitzt der Wasserrohrkessel mehrere Vorbrennkammern, so können deren
lichte Höhen auch unterschiedlich groß sein.
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Zur Beherrschung des S02-Problems der Rauchgase (Umweltweltverschmutzung)
wird nach einem anderen Merkmal der Erfindung während des Betriebes Kalkstaub über
Düsen in die Brennkammer eingeblasen, der sich dort mit den aus den Vorbrennkammern
kommenden Flammengasen vermischt und mit dem S02 chemisch reagiert.
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Am Boden der Brennkammer ist wenigstens eine Austragsvorrichtung
(z.B. Transportschnecke) für unverbrannte Kohlekörnchen angeordnet. Durch diese
Lösung entfällt die Notwendigkeit, die Brennkamaer mit einem steilen Trichter auszurüsten.
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Um die bei Kohlenstaubfeuerung zusätzlich erforderlichen (Hochdruck)-Heizflächen
unterbringen zu können, ist bzw.sind rauchgasseitig zwischen dem eigentlichen Kessel
und den Luftvorwärmen in an sich bekannter Weise ein oder mehrere Nachschaltheizflächenblöcke
angeordnet.
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Besitzt der Wasserrohrkessel nur eine separate - prismatische - Vorbrennkammer,
so können die Kohlenstaubbrenner in an sich bekannter Weise in deren. beiden Seitenwänden
angeordnet sein. Dabei sind die Achsen der Brenner vorzugsweise schräg nach oben
gerichtet uad schließen mit der Horiontalen einen Winkel 6 ein, dessen Größe wenigstens
10 Winkelgrade, vorzugsweise aber 20 bis 40 Winkelgrade beträgt. Dies gibt besonders
lange Flammenwege in der Vorbrennkammer und daher eine gute Zündung und eine gute
Durchmischung des Kohlenstaubes mit der Verbrennungsluft.
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Um den Anfall an unverbranntem Kohlegrieß in der Brennkammer zu verringern,
beträgt der vertikale-Abstand Y zwischen dem tiefsten Bereich des Brennkammerbodens
und den unteren Begrenzungswänden der Verbindungskanäle bzw. des Verbindungskanals
zwischen Vorbrennkainmer(n) und Brennkammerstirnwand wenigstens ein Sechstel, vorzugsweise
aber ein Viertel der lichten Höhe der Brennkammer. Bei dieser Ausführung liegt bzw.
liegen die Oberkante(n) der Vorbrennksmmer(n) höher als die Oberkante des von Überhitzerrohren
nicht gefüllten Teiles der Brennkammer.
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Um den Anfall an unverbranntem Kohlegrieß in der Brennkammer weiter
zu verringern, sind unter den Einmündungen der Verbindungskanäle bzw. unter der
Einmündung des Verbindungskanals in der Brennkammerstirnwand Tertiärluftdüsen angebracht,
die in die Brennkammer zeigen und deren Achsen schräg nach oben gerichtet sind.
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Eine weitere Verringerung des Anfalls von Kohlegrieß in der Brennkammer
wird dadurch erreicht, daß unter den
Einmündungen der Verbindungskanäle
bzw. unter der Einmündung desVerbindungskanals s die Brennkammerstirnwand ein oder
mehrere Umlenkschilde angeordnet sind, der bzw. die aus hochtemperaturfesten Materialien
besteht bzw. bestehen und während des Betriebes von Tertiärluft gekühlt ist bzw.
sind.
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Zur besseren Reinigung des Brennkammerbodens von dem sich dort ablagernden
Kohlegrieß sind über demselben Preßluft-und/oder Dampfdüsen angeordnet, die den
Kohlegrieß diskontinuierlich zur Austragsvorrichtung (z.B. Pörderschnecke) hinblasen.
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Um die Konstruktion der Hochdruckrohre der separaten Vorbrennkammer(n)
zu vereinfachen, sind diese - soferne der Wasserrohrkessel ein Trommelkessel ist
- während des Betriebes von einem Dampf-Wassergemisch durchströmt, das in an sich
bebekannter Weise von einer oder mehreren Umwälzpumpen umgewältz wird.
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Die Umwälzpumpe(n) saugt bzw. saugen dabei aus der Kesseltrommel
Wasser an und fördert bzw. fördern dieses als Dampf-Wassergemisch über die Hochdruckrohre
der Vorbrennkammer(n) in die Kesseltrommel zurück (La-Sont-Prinzip).
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Nach einem anderen, wesentlichen Merkmal der Erfindung ist der Nachschaltheizflächenblock
bzw. sind die Nachsehaltheizflächenblöcke zu den Berührungsheizflächen des ursprünglichen
Kessels - oder zu einem Teil derselben - rauchgasseitig parallel geschaltet. Dies
ist deswegen besonders vorteilhaft, weil bei der Umstellung der Kesselfeuerung von
Öl/Gas auf Kohle - unter Beibehaltung der Kesselnennleistung - die Rauchgasmenge
sich etwa verdoppelt, die zulässige Rauchgasgeschwindigkeft
in
den Berührungsheizflächen des ursprünglichen Kessels (wegen möglicher Erosion der
Rohre durch-Asche) aber auf ungefähr den halben Wert zurückgeht.
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Weiters sind auch die Hochdruckheizflächen des Nachschaltheizflächenblockes
bzw. der achschalheieflachenblöcke zu den Berührungsheizflächen des ursprünglichen
Kessels speisewasserseitig und/oder datnpfseitig parallel geschaltet. Dabei können
während des Betriebes die Kühlmassenströme durch die Berührungsheizflächen des ursprünglichen
Kessels und durch die dazu speisewasser- bzw. dampfseitig parallel geschalteten
Hochdruckheizflächen des Nachschaltheizflächenblockes bzw. der Nachschaltheizflächenblöcke
in an sich bekannter Weise durch wenigstens eine DreiwegeaTmatur gegeneinander vertrimmt
und der Beheizung angepaßt werden.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Hochdruckheizflächen
des Nachschaltblockes bzw. der Nachschaltblöcke in an sich bekannter Weise als~Doppelrohrheizflächen
ausgebildet, deren Innen- und Außenflächen während des Betriebes vom Rauchgas beaufsch,agt
sind und deren Kühlmedium zwischen den Innenrohren und Außenrohren strömen.
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Durch diese Ausbildung der Hochdruckheizflächen der Nachschaltblöcke
bekommen letztere eine lange und schlanke Gestalt und können leicht transportiert
und im Kesselhaus besser - vorzugsweise mit lotrechter Längsachse - angeordnet werden.
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9n den Zeichnungen sind drei Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Es zeigt: Fig. 1 den vertikalen Längsschnitt durch die erste Ausführungsform nach
der Linie A - B in Fig. 2 eines Wasserrohrkessels mit einer prismatischen Vorbrennkammer
und Deckenbrennern.
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Fig. 2 den Horizontalschnitt durch die erste Ausführungsform nach
der Linie C - D in Fig. 1 Fig. 3 den vertikalen Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform
nach der Linie E - F in Pig. 4 eines Wasserrohrkessels mit drei kreiszylindrischen,
vertikalen Vorbrennksmmern.
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Fig. 4 den Horizontalschnitt durch die zweite Ausführungsform nach
der Linie G - H in Fig. 3.
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Fig. 5 den vertikalen Längsechnitt durch die dritte Ausführungsform
nach der Linie J - K in Fig. 6 eines Wasserrohrkessels mit einer prismatischen Vorbrennkammer
und Seitenwandbrennern.
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Fig. 6 den Horizontalschnitt durch die dritte Ausführungsform nach
der Linie L - M in Fig. 5.
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Fig. 7 den vertikalen Querschnitt durch die Vorbrennkammer der dritten
Ausführungsform nach der Linie N - O in Fig. 5.
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Bei der in Pig. 1 und Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform
der Erfindung besteht der eigentliche (ursprüngliche) Kessel aus der Brennkammer
1 und dem Berührungsheizflächenzug 2. Die Wände der Brennkammer 1 sind mit Rohren
3' des Hochdrucksystems 3 des Sessels abgekleidet. Die Berührungcheizflächen (Überhitzer,
Speisewasservorwärmer) des Berührungsheizflächenzuges 2 gehören ebenfalls zum Hochdruckrohrsystem
3 des Kessels.
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An der Stirnseite der Brennkammer 1 ist eine separate, prismatische
Vorbrennkammer 4 angeordnet, die einen rechteckigen Horizontalquerschnitt aufweist.
Die Kohlenstaubbrenner 5 sind als Wirbelbrenner ausgebildet und in der Vorbrennkammerdecke
angeordnet. Die Vorbrennkammer 4 wird
während des Betriebes von
den Flammengasen von oben nach unten durchströmt. Die Wände der Vorbrennkammer 4
sind ebenfalls mit Rohren 3" des Hochdruckrohrsystems 9 abgekleidet. (Diese sind
zur Verbesserung der Zündbedingungen wenigstens zum Teil mittels Stampfmasse abgekleidet.)
Die Austrittsöffnungen 6 der Vorbrennkammer 4 stehen über Verbindungskanäle 7, 7',
7" mit der Brennkammer 1 in Verbindung.
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Am Boden der Brennkammer 1 ist als Austraggerät 8 für unverbrannte
Kohleteilchen eine horizontale Förderschnecke angebracht.
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In die Brennkammer i wird während des Betriebes zur Bindung des S02
der Flammengase über die Düsen- 9 Kalkstaub eingeblasen.
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Auf der Rückseite des eigentlichen Kessels (Brennkammer 1 und Berührungsheizflächenzug
2) sind zwei Drehluftvorwärmer 10 angeordnet. Zwischen dem eigentlichen Kessel und
den zwei Drehluftvorwärmern 10 sind zwei Nachschaltheizflächenblöcke 11 aufgestellt,
die die bei Kohlefeuerung zusätzlich notwendigen Berührungsheizflächen enthalten.
(Die Berührungsheizflächen im Nachschaltheizflächenzug -2 des Kessels -werden bei
Umstellung auf iQohlefeuerung- aufgelöckert" und dadurch in ihrer Größe verringert.)
Diese Nachschaltheizflächenblöcke 11 können in der Werkstätte vorgefertigt und zum
Kraftwerk transportiert werden.
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Bei der in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsform
der Erfindung sind an der Stirnseite der Brennkammer 1 drei separate Vorbrennkwnmern
4' angeordnet, die kreisförmige lichte Horizontalquerschnitte und vertikale Achsen
aufweisen.
Die lichte Höhe H der Vorbrennkamern 4' ist mehr als doppelt so groß als deren lichte
Tiefe T (Innendurchmesser) und stimmt mit der lichten Höhe H' der Brennkammer 1
ungefähr überein.
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Die Brenner 5' für die Einblasung von Kohlenstaub und Verbrennungsluft
sind in den oberen Hälften der Vorbrennkammern 4' angeordnet und tangieren - im
Horizontalsohnitt - an die vertikalen Zylinderwände der Vorbrennkammern 4'. Durch
diese Art der Einblasung wird der Verbrennungsablauf intensiviert.
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Die Austrittsöffnungen 6 der drei Vorbrennkammern 4' stehen wieder
über drei Verbindungfskanäle 7, 7, 7', 7'" mit der Brennkammer 1 in Verbindung.
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In letztere wird während des Betriebes wieder Xalkstaub über die
Düsen 9 eingeblasen.
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Die übrigen Positionen der zweiten Ausführung der Erfindung stimmen
mit den Positionen der ersten Ausführungsform dann überein, wenn die Positionsnummern
dieselben sind.
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Bei der in Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten dritten Ausführungsform
der Erfindung besitzt der Wasserrohrkessel wieder nur eine prismatische, separate
Vorbrennkammer 4''. Die Kohlenstaubbrenner 5 " sind in den beiden vertikalen Seitenwänden
der Vorbrennkammer 4'' angeordnet. Die Achsen der Kohlenstaubbrenner 5" sind schräg
nach oben gerichtet und schließen mit der Horizontalen einen Winkel von 30 Winkelgraden
ein. Der lange Weg der Flammen ist besonders
in Fig. 7 gut erkennbar.
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Um den Anfall an unverbrenntem Kohlengrieß in der Brennkammer 1 zu
verringern, beträgt der vertikale Abstand Y zwischen dem tiefsten Bereich des Brennkammerbodens
und den unteren Begrenzungswänden der Verbindungskanäle 7, 71 , 7' zwischen Vorbrennkammer
4'' und Brennkammerstirnwand etwa ein Viertel der lichtes Höhe H' der Brennkammer
1. Die Oberkante der Vorbrennkammer 4'' liegt höher als die Oberkante des von Überhitzerrohren
nicht gefüllten Teiles der Brennkammer 1.
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Um den Anfall an Kohlegrieß in der Brennkammern weiter zu verringern,
sind unter den Einmündungen der Verbindungskanäle 7, 7' 7" in der Brennksmmerstirnwand
Tertiärluftdüsen 12 angebracht, die in die Brennkammer 1 zeigen und deren Achsen
schräg nach oben gerichtet sind.
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Eine zusätzliche Verringerung des Anfalls von Eohlegrieß in der Brennkammer
1 wird dadurch erreicht, daß unter den Einmündungen der Verbindungskanäle 7, 7',
7'' in die Brennkammerstirnwand ein Umlenkschild 13 aus hochtemperaturfesten Materialien
angeordnet iot. Dieser Umlenkschild 13 ist während des Betriebes durch Tertiärluft
gekühlt.
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Zur besseren Reinigung des Brennkammerbodens von dem sich dort ablagernden
Kohlegrieß sind über demselben Preßluft-bzw. Dampfdüsen 14 angeordnet, die zur Förderschnecke
8 hinblasen und die während des Betriebes periodisch betätigt werden.
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Das System der Hochdruckrohre 3'' der Vorbrennkammer 4'' ist während
des Betriebes von Kesselwass-er bzw. einem
Dmpf-Wassergemisch durchströmt,
das von einer Umwälzpumpe 15 aus der Kesseltrommel 3a über die Saugleitung 16 angesaugt
wird und über die Hochdruckrohre 3" und die gemeinsame Druckleitung 17 in die Kesseltrommel
3a zurückgefördert wird.
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Ein wesentliches erfindungsmäßiges Merkmal der dritten Ausführungsform
des umgebauten Wasserrohrkessels besteht darin, daß die beiden Nachschaltheizflächenblöcke
11' zu den Berührungsheizflächen 2 des ursprünglichen Kessels rauchgasseitig parallel
geschaltet sind. Dadurch können in den letzteren nach der Umstellung der Feuerung
unzulässig hohe Rauchgasgeschwindigkeiten vermieden werden. (Eine "Auflockerung"
der Berührungsheizflächen 2 erübrigt sich dann bei der Umstellung der Feuerung sogar,
was zu einer Verbilligung und Verkürzung fades Umbaues beiträgt.) Die Hochdruckheizflächen
(Ekonomiser) 11X der beiden Nachschaltheizflächenblöcke 11' sind zu den Berührungsheizflächen
2 (Ekonomiser) des ursprünglichen Kessels speisewasserseitig ebenfalls parallel
geschaltet. Auch können die beiden Speisewasserströme durch die Berührungsheizflächen
2 des ursprünglichen Kessels und durch die dazu parallel geschalteten Hochdruk-hei-z-flächen
11X der beiden Nachschaltheizflächenblöcke 11' während des Betriebes in an sich
bekannter Weise durch eine Dreiwegearmatur 18 gegeneinander vertrimmt und der Beheizung
angepaßt werden. Es ist auch eine rauchgasseitige Vertrimmung der Beheizung mittels
Rauchgasklappen möglich.
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Nach einem anderen vorteilhaften erfinderischen Merkmal sind die
Hochdruckheizflächen (Ekonomiser) 11X der beiden
Nachschaltheizflächenblöcke
11' in an sich bekannter Weise als Doppelrohrheizflächen mit lotrechter Längsachse
ausgebildet, deren Innen- und Außenflächen während des Betriebes vom Rauchgas beaufschlagt
sind und bei denen das Speisewasser zwischen den Innenrohren und Außenrohren strömt.
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Diese Ausführung gibt den Nachschalteizflächenblöcken 11' eine lange
und schlanke Gestalt und sie könnten dadurch leichter transportiert und besser im
Kesselhaus angeordnet werden.
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Sind in den Nachschaltheizflächenblöcken ii' auch tiberhitzerheizflächen
angeordnet, so können: auch diese als Doppelrohrheizflächen gestaltet sein.
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Die ubrigen Positionen der dritten Ausführung der Erfindung stimmen
mit den Positionen der ersten Ausführungsform dann überein, wenn die Positionsnummern
dieselben sind.
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L e e r s e i t e