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Die Erfindung betrifft eine Wirbelschichtfeuerung mit einem
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Anströmboden für das Einblasen von Verbrennungsluft und einem mit
der Wirbelschicht verbundenen Bettaschebunker.
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Wirbelschichtfeuerungen, insbesonbere für einen Dampferzeuger, eignen
sich wirtschaftlich und verbrennungstechnisch besonders für ein breites Brennstoffband
hinsichtlich Heizwert, Asche- und Wassergehalt. Ausserdem lässt sich eine minimale
Schwefelemission etwa als SO2 durch Zudosieren von Zusatzstoffen wie Kalkstein einstellen.
Wegen der Verbrennung bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur von 800 bis
9000C ergibt sich ausserdem eine sehr niedrige N0x-Emission. Schliesslich sind noch
die verhältnismässig niedrigen Investitionskosten einer Wirbelschichtfeuerung erwähnenswert.
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Gegenüber diesen Vorteilen besteht ein wesentlicher Nachteil der Wirbelschichtfeuerung
im Vergleich zu konventionellen Staub- und Rostfeuerungen in einer unzureichenden
Teillastregelung. Der Betrieb einer Wirbelschichtfeuerung lässt sich normalerweise
nur von Nennlast beziehungsweise Vollast bis auf 75 bis 80% der Nenn- bzw. Vollast
herunterregeln, so dass eine Anpassung der Dampferzeugung, beispielsweise an einen
starken Schwankungen unterliegenden Strom- oder Wärmebedarf auf Schwierigkeiten
stösst. Der Grund für die verhältnismässig schlechte Anpassungsfähigkeit der Wirbelschichtfeuerung
besteht darin, dass aus der Wirbelschicht ständig Wärme abgeführt werden muss, um
die vorgegebene Verbrennungstemperatur von etwa 800 bis 900 0C aufrechtzuerhalten.
Demzufolge befinden sich in der Wirbelschicht Kühlrohre. Die von den Heizflächen
der Kühlrohre aufgenommene Wärme Q errechnet sich aus
Q = k . F
. 4 t (1) mit # t = tW - t H . (2) In diesen Gleichungen bedeuten Q die von den
Heizflächen aufgenommene Wärme, k die Wärmedurchgangszahl, F die in der Wirbelschicht'
befindliche Heizfläche, tH die Heizflächentemperatur, tW die Wirbelbett-Temperatur
und t die Differenz zwischen der Wirbelschichttemperatur und der Heizflächentemperatur.
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Die in die Wirbelschicht eingebaute Heizfläche F besitzt naturgemäss
eine konstante Grösse. Auch die Wärmedurchgangszahl k, die bei einer Wirbelschicht
vergleichsweise sehr hoch liegt, ist im Gegensatz zu den konventionellen Staub-und
Rostfeuerungen praktisch unabhängig von der Last. Somit handelt es sich nur bei
der Temperaturdifferenz # t zwischen der Wirbelschichttemperatur tW und Heizflächentemperatur
tH um eine Variable. Dies hat zur Folge, dass mit sinkender Last die Wirbelschichttemperatur
schnell abnimmt und bei einem Teillastbetrieb mit etwa 75 bis 80% der Nennlast beziehungsweise
Vollast eine untere Grenze erreicht, bei der gerade noch ein ausreichender Verbrennungsverlauf
gegeben ist.
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Zur Behebung dieses Mangels wurde bereits vorgeschlagen, die Wirbelschicht
in mehrere Wirbelschichtzellen aufzuteilen und bei sinkender Last eine oder mehrere
Zellen ganz abzuschalten. Eine derartige Wirbelschichtfeuerung ist wegen
ihres
komplizierten Aufbaues aufwendig und teuer; sie lässt betriebliche Erschwernisse
beim Zu- und Abschalten einzelner Wirbelschichtzellen erwarten. Hinzu kommt, dass
bei Laständerungen nur ein diskontinuierliches bzw. stufenweises Anpassen der Wirbelschichtfeuerung
möglich ist.
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Es ist deshalb aus der deutschen Offenlegungsschrift 2a 48 497 bekannt,
den Anströmboden höhenverstellbar zu lagern, um auf diese Weise gleichsam mit einer
vertikal wandernden Wirbelschicht zu arbeiten und folglich die Heizflächen je nach
Lastanforderung mehr oder weniger in die Wirbelschicht eintauchen zu lassen. Als
Hubelemente für den Anströmboden dienen zum Beispiel Hydraulikzylinder, auf deren
Kolbenstangen der Anströmboden über Stempeln gelagert ist. Bei dieser Lösung ist
die Hubvorrichtung zwangsläufig durch den Windkasten unterhalb des Anströmbodens
geführt, so dass die Verwendung sehr heisser Gase, wie beispielsweise beim Anfahren
der Wirbelschicht zu Schwierigkeiten führt. Dann muss nämlich die Hubvorrichtung
mit ihren Durchführungsdichtungen im Windkastenunterboden für die hohe Wärmebelastung
ausgelegt sein und aus entsprechend teuren Materialien bestehen.
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Es ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 56 870 auch bekannt,
im Hinblick auf einen verbesserten Teillastbetrieb die Bettasche stufenweise zuzuführen
bzw. abzuziehen, so dass sich unterschiedliche Höhen der Wirbelschicht ergeben;
hierzu dienen Überlaufrohre und ein oder mehrere Bettaschebunker, die über Förderleitungen
mit der Wirbelschicht in Verbindung stehen. Dies hat den Nachteil, dass das Fördersystem
aufwendig und die Bettaschebunker für ein schnelles
Wiederanfahren
der Wirbel schicht mittels besonderer Aggregate stets auf der notwendigen Temperatur
gehalten werden müssen.
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Der Erfindung liest die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelschichtfeuerung
zu schaffen, die ein kontinuierliches Anpassen an wechselnde Lastbedingungen und
demzufolge eine Teillastregelung in einem weiten Lastbereich ermöglicht und ein
Anfahren der Wirbelschicht mit hoher Gastemperatur erlaubt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sich bei einer Wirbelschichtfeuerungjder
eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss der Bettaschebunker in direkter Verbindung
mit der Wirbelschicht seitlich des Anströmbodens nach unten erstreckt und einen
höhenverstellbaren Boden aufweist. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit,
gleichsam mit einer vertikal wandernden Wirbelschicht zu arbeiten, bzw. die Heizflächen
je nach Last mehr oder weniger in die Wirbelschicht eintauchen zu lassen, ohne dass
sich dabei temperaturempfindliche Teile innerhalb des Windkastens befinden oder
aufwendige Transportvorrichtungen für das Wirbelgut Wirbelbettmaterial erforderlich
sind. Folglich ist auch die Gestaltung des Windkastens zu einer Brennkammer ohne
weiteres möglich.
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Durch Absenken des Anströmbodens der Wirbelschicht ist es möglich,
das Produkt k . F der Gleichung (1) dadurch zu verändern, dass die oberen Bereiche
der Wirbelschichtheizflächen aus der Wirbelschicht herausgebracht werden und demzfolge
insoweit keine Wärme mehr aus der Wirbelschicht ableiten. Hinzu kommt, dass die
Wirbelschichtfeuerung im
Falle eines Dampferzeugers die Möglichkeit
bietet, die Überhitzerheizfläche insgesamt oder zum Teil im oberen Bereich anzuordnen.
Dabei lässt sich durch Absenken der Wirbelschicht die Heissdampftemperatur regeln
und durch Freiliegen des überhitzers ein Anfahren mit trockenem Überhitzer praktizieren.
Des weiteren ist es möglich, die Wirbelschichtfeuerung an unterschiedliche Brennstoffqualitäten
anzupassen.
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Ausserdem bietet sich die Möglichkeit, Auslegungsungenauigkeiten der
Wirbelschichtfeuerung auszugleichen. Das ist beim gegenwärtigen Entwicklungsstand
angesichts der nicht exakt definierten Wärmedurchgangswerte besonders interessant.
Durch Absenken des Anströmbodens der Wirbelschich beziehungsweise durch Freilegen
von Heizflächen können geforderte Wirbelschicht-Temperaturen und/oder Heizflächen-Idedium-Temperaturen
den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.
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Der Bettaschebunker kann aus mehreren Teilbunkern bestehen, die mit
der Wirbelschicht entweder über deren Seitenwände oder Bodenabschnitte in Verbindung
stehen und mit ihr in jedem Falle eine räumliche Einheit bilden. Dabei entspricht
das gesamte Bunkervolumen vorzugsweise dem Volumen des Wirbelbettmaterials, um beispielsweise
im Falle von Reparaturarbeiten ein schnelles und völliges Entleeren der Wirbelschicht
ohne besondere Vorrichtungen zu ermöglichen.
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Nachstellbare, sich bevorzugt mittels Federkraft am oberen und/oder
am unteren Rand des höhenverstellbaren Bodens andrückende Dichtleisten g-ewåhrleisten
eine dauerhafte Abdichtung gegen ein Durchrìe-seln~von Wirb'e'lbettmaterial.
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Lufteinblaseöffnungen, beispielsweise Schlitzdüsen im höhenverstellbaren
Boden des Bettaschebunkers ermöglichen eine gleichmässige Zufuhr von Kühlluft in
das Wirbelbett, die eine zu hohe Temperaturbelastung im Bereich der Transportwege
beim Abziehen von Wirbelbettwaterial aus dem Bettaschebunker vermeidet. Hierzu kann
sich unterhalb der untersten Hubstellung des höhenverstellbaren Bodens ein Kaltluftanschluss
befinden, durch den sich die Kaltluft unabhängig von der Hubstellung des Bodens
bedarfsgerecht in den Bettaschebunker einspeisen lässt.
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Das Abziehen des Wirbelbettmaterials aus dem Bettaschebunker kann
durch ein oder mehrere Auslassöffnungen im höhenverstellbaren Boden des Bettaschebunkers
geschehen. In diesem Falle ist der Abtransport der Bettasche besonders einfach,
wenn sich unterhalb der untersten Stellung des höhenverstellbaren Bodens ein oder
mehrere Trichter befinden, die Durchtrittsöffnungen zum Beispiel für den Hubzylinder
einer hydraulischen Hubvorrichtung aufweisen können.
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Das den Bettaschebunker verlassende Wirbelbettmaterial kann zwecks
Weiter- oder Wiederverwendung mit Hilfe eines Schwingsiebes in Grob- und Feingut
aufgeteilt werden; eine Anordnung des Schwingsiebes unterhalb des unteren Randes
des Ausgangskanals hat dann den Vorteil, dass der sich bei ruhendem Schwingsieb
bildende Schüttgutkegel als Verschluss des- Bettaschebunkers dient. Zur Vereinfachung
des Weitertransportes des Siebgutes können Bettaschetrichter derart angeordnet sein,
dass das Grobgut und das Feingut in getrennte Trichter gelangt.
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Das Anfahren der Wirbelschicht und das Teillastfahren wird dadurch
wärmetechnisch verbessert, dass der Windkasten als ggf. unterteilte Brennkammer
mit einem oder mehreren Anfahrbrennern ausgestattet ist. Brennkammerwände aus fluidgekühlten
Siederohren verbessern zudem den Wärmehaushalt des Gesamtsystems und seine betriebliche
Flexibilität. Eine Kombination der Funktionen des Wärmeaustausches und eines Traggerüstes
wird durch vorzugsweise senkrechte Rohr-Steg-Rohrwände innerhalb eines als Anfahrbrennkammer
dienenden Windkastens erreicht, die im weiteren Verlauf durch Aussparungen im Anströmboden
hindurchtreten und im Bereich der Wirbelschicht als Tragrohre für die dortigen Kühlrohre
dienen und gegebenenfalls oberhalb der Wirbelschicht Sekundärluftkanäle mit Düsen
(Sekundärluft-Einspeisesystem) tragen bzw.
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als solches ausgebildet sind, sowie gegebenenfalls im weiteren Verlauf
als Tragrohre für Kühlrohre im Nachbrennraum dienen.
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Ein Durchfallen von Bettasche durch den Anströmboden wird dadurch
vermieden, dass der Anströmboden etwa aus Siederohren mit aufekeilten Gussstäben
besteht, die miteinander siphonartig ausgebildete Schlitzdüsen bilden und vorzugsweise
unter Verwendung einer wär.meleitenden Paste auf die Siederohre aufgebracht sind.
Das Festklemmen von Wirbelbettpartikeln wird durch ein in Strömungsrichtung des
Wirbelgases sich Erweitern der Schlitzdüsen auf einfache Weise erreicht.
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Die Verwendung von stückigem Brennstoff wird bei der erfindungsgemässen
Wirbelschichtfeuerung im Hinblick auf Transportvereinfachung und Dosiergenauigkeit
verbessert, wenn
der Brennstoff mit mindestens einem Dichtstromförderer
pneumatisch als Pfropfen mit niederer Fördergeschwindigkeit in die Wirbelschicht
eingebracht wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine
schematische Darstellung der Gesamtanlage; Fig. 2 einen Schnitt durch Fig. 1 entlang
der Linie II-II; Fig. 3 eine vergrösserte Darstellung des Bettaschebunkers gemäss
Fig. 1 und Fig. 4 einen Schnitt durch einen Anströmboden.
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In Fig. 1 ist ein Wirbelschichtapbarat 1 dargestellt, der aus einem
Anströmboden 2 mit einem sich darunter befindenden Windkasten 3, Seitenwänden 4
sowie Kühlrohren 5 innerhalb der wirbelnden Wirbelschicht 6 besteht. Die Wirbelschicht
6 steht an einer Seite in direkter Verbindung mit einem sich seitlich des Anströmbodens
2 nach unten erstrekkenden Bettaschebunker 7 mit einem höhenverstellbaren Boden
8. Die zu verbrennende Kohle wird bei 9 mittels eines einen Kohlebunker 11 nachgeordneten
Dichtstromförderers 10 der im wesentlichen etwa 99% aus inertem Material wie Sand
oder Asche bestehenden Wirbelschicht 6 aufgegeben. Bei 12 wird die Primärluft zum
Aufwirbeln des Wirbelbettmaterials in den Windkasten 3 eingespeist, An derselben
Stelle sind auch Anfahrbrenner 13 angeordnet. Es können auch mehrere Windkästen
mit einer entsprechenden Zahl von Primärlufteinlaßstellen, Anfährbrennern sowie
Kohleaufgabestellen und Dichtstromförderern nebeneinander liegen. (Fig. 2). Im Gasraum
oberhalb
der Wirbelschicht 6 befinden sich Sekundärluftdüsen 14.
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Sowohl die Primär- als auch die Sekundärluft kann in einem mehrstufigen
Luftvorwärmer 15 im Gegenstrom zu den Rauchgasen der Wirbelschicht von z.B. 40 auf
2800C vorgewärmt werden. Die den Gasraum oberhalb der Wirbelschicht verlassenden
Rauchgase weisen typischerweise eine Temperatur von 8500C auf und kühlen sich in
einem nachgeschalteten Gegenstromwärmeaustauscher 16 unter Vorwärmung des Wassers
im Wasser/Dampf-Kreislauf auf etwa 3500C ab, um nach Passieren eines Zyklons 17
den Luftvorwärmer 15 mit einer Temperatur von etwa 1400C zu verlassen und von dort
aus in einen hier nicht dargestellten Kamin zu gelangen. Das Wasser des Wasser/Dampf-Kreislaufes
erwärmt sich im Wärmeaustauscher 16 zwischen der Einspeisestelle 18 und der Wasser/Dampf-Vorlage
(Trommel) 19 auf z.B. 2500C. Das Siedewasser verlässt die Trommel 19 z.B. mit einer
Temperatur von 2800C und einem Druck von 60 bar oder auch höheren Temperaturen,
wie z.B. 3100C und entsprechend höheren Drücken, um parallel die mit Siederohren
bestückten Seitenwände 4 des Wirbelschichtapparates 1 und den ebenfalls aus Siederohrwänden
47, 50 bestehenden Windkasten 3 zu durchströmen. Der Sattdampf aus der Trommel 19
strömt durch die Kühlrohre 5 (Überhitzerrohre) und wird dort auf beispielsweise
5300C überhitzt.
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Das Anfahren der Wirbelschicht 6 erfolgt mit den etwa 9000C heissen
Abgasen der Anfahrbrenner 13, die durch das Wirbelbettmaterial unter dessen Aufheizung
auf etwa 7500C sprudeln, ohne es aufzuwirbeln.
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Aus Fig. 2 ergibt sich, dass die Kapazität des Bettaschebunkers 7
in der untersten Stellung seines Bodens 8 dem Materialvolumen der Wirbelschicht
6 entspricht. Des weiteren unterteilen Rohr-Steg-Rohrwände 20 den Windkasten 3 horizontal
in mehrere Anfahrbrennkammern; sie treten in ihrem weiteren Verlauf durch Aussparungen
im Anströmboden 2 hindurch und dienen im Bereich der Wirbelschicht 6 als Tragrohre
für die dortigen Kühlrohre 5. Oberhalb der Wirbelschicht befinden sich Sekundärluftdüsen
14 in den Rohrwänden 20, die schliesslich im weiteren Verlauf als senkrechte Tragrohre
durch den Nachbrennraum 21 geführt sind und dort weitere Kühlrohre 22 tragen.
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In Fig. 3 ist der Bettaschebunker 7 im Detail dargestellt.
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Danach sind an den äusseren oberen und unteren Rändern 23, 24 des
höhenverstellbaren Bodens 8 nachstellbare, sich z.B.
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mittels Federkraft andrückende Dichtleisten 25, 26 zum Abdichten des
Bodens 8 gegenüber den Bunkerseitenwänden 27 in jeder Höhenstellung angeordnet.
Schlitzförmige Lufteinblaseöffnungen 28 im Boden 8 machen diesen gasdurchlässig
für die bei 29 unterhalb der untersten Hubstellung des Bodens 8 eingespeisten Kaltluft,
mit der sich das im Bettaschebunker befindliche Wirbelbettmaterial durchströmen
und abkühlen lässt. Auf diese Weise wird auch ein Eindringen von Rauchgasen in den
Bettaschebunker wirkungsvoll unterdrückt.
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Der Bettaschebunker 7 ist unterhalb der untersten Hubstellung des
Bodens 8 mittels einer Blechkonstruktion mit Trichtern 30, 31 abgeschlossen, die
eine Durchtrittsöffnung 32 für eine teleskopartige, den Boden 8 hebende und senkende
Hubvorrichtung 33 bilden.
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Das Wirbelbettmaterial kann den Bettaschebunker durch eine oder mehrere
Auslassöffnungen 34 im Boden 8 verlassen und gelangt durch einen Auslasskanal 35
auf ein unter dessen unterem Ende sich befindendes Schwingsieb 36, das mit einem
Vibrator 37, Federn 38 und Stromversorgungsleitungen 39 ausgestattet ist. Im Ruhezustand
des Schwingsiebes bildet sich unterhalb des Auslasskanals 35 eine Ascheschüttung
40, die ein weiteres Auflaufen von Wirbelbettmaterial verhindert, während beim Betrieb
des Schwingsiebes 36 das Grobgut in den Trichter 31 und das Feingut in den Trichter
30 fällt. Beide Trichter können mit Doppelpendelklappen 41 ausgestattet sein. Das
Grobgut aus dem Trichter 31 bzw. das Feingut aus dem Trichter 30 wird mittels eines
Wagens 42 bzw. einer Pneumatikförderleitung 43 abgefördert.
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Aus Fig. 4 ergibt sich die siphonartige Gestaltung von sich in Strömungsrichtung
des Wirbelgases erweiternden Schlitzdüsen 44 im Anströmboden 2, die sich zwischen
Gußstäben 45, 46 ergeben werden, die ihrerseits auf etwa parallelverlegten, gekühlten
Rohrleitungen 4-7 mit einer Zwischenlage einer wärmeleitenden Paste 49 aufgebracht
sind.