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GASVORWÄRMER
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Die Erfindung betrifft einen Gasvorwärmer, der vorzugsweise dampfbeheizt
ist und der die durch eine Rauchgasentschwefelungsanlage gereinigten Rauchgase wieder
aufheizt, z.B. von 650C auf 110°C.
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Bei der Wiederaufheizung der in einer REA gereinigten Rauchgase treten
die folgenden Probleme auf: 1. Belagbildung Da im gesättigten Rauchgas noch zusätzlich
Tröpfchen aus dem Wäscher mitgeschleppt werden, außerdem Kondensat durch Unterkühlung
an den Wänden anfällt, werden diese Tropfen bevorzugt auf den ersten Rohrreihen
des
Wärmetauschers verdampft. Die in den Tropfen gelösten Salze bilden dabei einen starken
Belag auf den Rohren. Wenn dieser Belag nicht entfernt wird, kann innerhalb kurzer
Zeit der Kanalquerschnitt sich erheblich reduzieren - was einen erhöhten Druckverlust
bedeutet - sowie die nötige Wärmeleistung des Wärmetauschers wegen der isolierenden
Wirkung dieser Schichten abnehmen.
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2. Korrosion, Werkstoffe Gerade die ersten beaufschlagten Rohrreihen
sind erhöht korrosionsgefährdet. Bisherige Versuche haben gezeigt, daß selbst hochwertige
(dementsprechend teure) Legierungen diesem Korrosionsangriff nicht befriedigend
standhalten. Versuche mit beschichteten Rohren, emaillierten Rohren etc. verliefen
bisher nicht positiv. Aus diesen Gründen wird sogar an den Einsatz von Graphitrohren
gedacht. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß aus heutiger Sicht noch kein geeigneter
Werkstoff vorliegt, der auch experimentell erprobt wurde. Aussagen zur Lebensdauer
sind daher nur sehr vage bzw. kaum möglich.
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Zur Verminderung der Verschmutzung werden derzeit die beiden folgenden
Wege beschritten: 1. Die Rohre werden in kurzen Abständen (mehrfach pro Tag) mit
dampfbeaufschlagten Lanzen gereinigt. Eine gründlichere Abreinigung durch separate
Wäscher erfolgt dann in größeren Abständen. Hierbei taucht das Problem auf, daß
während der Reinigungsphase durch den verstärkten Auswurf die zulässigen Immissionswerte
schnell Gberschritten werden können. Ein weiteres Problem kann die Verunreinigung
der Lanzen selbst darstellen, da sie, wie die ersten Rohrreihen auch, stark verkrusten
können (eine
mögliche Abhilfe sind ziehbare Lanzen, sogenannte Lanzenschraubblaser).
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2. Ein Teil des aufgeheizten Rauchgases wird zurückgeführt und dem
Hauptstrom beigemischt. Hierdurch sollen die im Rauchgas vorhandenen Tropfen vor
Auftreffen auf die ersten Rohrreihen verdampft werden. Dies erfordert ein zusätzliches
Gebläse, die entsprechenden Kanäle sowie ein wirksames Mischsystem für die beiden
Ströme. Zusätzlich sind ausreichend lange Vermischungs- und Verdampfungsstrecken
bereitzustellen. Der Mischer erzeugt zum einen einen Druckverlust und wenn er im
Kanal installiert ist, unterliegt er ebenfalls der Verschmutzung sowie Korrosion.
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Wegen der Belagbildung und der Korrosionsgefahr der ersten beaufschlagten
Bohrreihen wurden daher bisher bevorzugt Wärmetauscher vorgeschlagen, die aus zwei
Stufen bestehen. Die erste Stufe besteht aus wenigen Rohrreihen (z.B. 3), die aus
Glattrohren (wegen besserer Reinigungsmöglichkeit) gefertigt sind. Außerdem wird
für diese erste Stufe ein hochwertiger Werkstoff gewählt.
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Die zweite Stufe ist die eigentliche Hauptstufe des Wärmetauschers.
Sie hat (z.B. 90 %) der insgesamt benötigten Heizfläche. Zur Reduzierung der Druckverluste,
aus preislichen Gründen und zur Reduzierung der Abmessungen werden für diese Stufe
in der Regel Rippenrohre vorgesehen.
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Die bisher verwendeten Wärmetauscher-Konzepte weisen die folgenden
Mängel bzw. Nachteile auf: 1. Durch die Ablagerungen auf den Rohren werden prinzipiell
die Rauchgase zusätzlich gereinigt, so daß insgesamt gesehen der Verunreinigungsgrad
geringer als unmittelbar
hinter dem Wäscher ist. Andererseits wird
dieser Vorteil jedoch nicht genutzt, da ja während der Reinigung diese Schadstoffe
- nun jedoch in konzentrierter Menge - durch den Kamin abgeführt werden. Da hierbei
sogar eine Oberschreitung der zulässigen Immissionswerte entstehen kann, müssen
die Reinigungsintervalle entsprechend kurz sein, d.h. die REA muß geringere als
die maximal zulässigen Werte erreichen. Der hierfür benötigte Dampf erhöht außerdem
die laufenden Betriebskosten.
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2. Für die Rückführung eines Teils der aufgeheizten Rauchgase werden
Gebläse Kanäle, Mischer und Vermischungsstrecken benötigt. Dies benötigt erhöhte
Investitionskosten sowie erhöhte Betriebskosten (Gebläse, Druckverlust).
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3. Die Versuche, die bisher mit verschiedenen Werkstoffen durchgeführt
wurden, ermöglichen z.Zt. noch nicht eine gesicherte Werkstoffwahl. Korrosionsraten,
Einsatzdauer etc. sind nur ungenügend bekannt.
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4. Wegen dieser Unsicherheiten und Mängel besteht erhöhte Gefahr für
den Ausfall des Wärmetauschers, wodurch ein Abfahren des Kessels nötig wird, um
den Wärmetauscher zu reparieren bzw. auszuwechseln. Dies ist ein hoher Verlust für
den Betreiber. Die Obernahme von Gewthrleistungen ist für den Hersteller aus obigen
Gründen eben-£alls mit einem großen Risiko verbunden.
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5. Eine Inspektion des Wärmetauschers, um z.B. die noch zu erwartende
Standzeit abzuschätzen, insbesonders der ersten besonders gefährdeten Rohrreihen,
ist außerhalb der Betriebsphase praktisch nicht möglich. Der Kanalquerschnitt ist
zu groß und die Verschmutzung erlaubt nicht eine direkte Beurteilung der Korrosionsraten.
Dies bedeutet ebenfalls ein erhöhtes Betriebsrisiko für den Betrei-
ber.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Mängel
der bis her verwendeten Wärmetaus cher-Konz epte zu verbessern, insbesondere einen
Wärmetauscher zu schaffen, dessen erste Stufe auf einfache Weise ohne Unterbrechung
des Betriebs gereinigt werden kann, wobei auf die Rückführung eines Teils der aufgeheizten
Rauchgase verzichtet wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Stufe
des Wärmetauschers konstruktiv derartig gestaltet ist, daß sie während des Betriebs
sehr einfach ausgewechselt werden kann.
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Die leichte und einfache Auswechselbarkeit der ersten Wärmetauscherstufe
während des Betriebs kann auf verschiedene konstruktive Weise erreicht werden: Gemäß
einer Ausführungsform kann die erste Stufe, ähnlich wie ein Dia im Wechselmagazin
eines Diaprojektors, seitlich im Strömungskanal verschoben werden, so daß die verschmutzte
Heizfläche für Reinigung und Inspektion zugänglich wird und die vorher bereits gereinigte
inspizierte und ggfs. reparierte Fläche in den Rauchgaskanal zurAckkommt. Aus Platzgründen
kann die Heizfläche dabei mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig ausgeführt werden,
d.h.
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die Heizfläche der erste Stufe überdeckt jeweils nur einen Teil, bevorzugt
50 % des Kanalquerschnitts. Die Öffnungen in den Wänden des Strömungskanals können
durch Register verschlossen werden.
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Gemäß einer weiteren konstruktiven Ausbildung können die Heizflächen
der ersten Stufe dadurch gewechselt werden, daß die Heizflächen ähnlich wie die
Flügel einer Drehtür ausgebildet sind. Die erste Stufe des Wärmetau-
schers
besteht aus einem Element, das als vierflügeliges Drehkreuz ausgebildet ist, dessen
Flügel im rechten Winkel zueinander stehen, wobei das in einer Ebene liegende Flügelpaar
aus einer durchgehenden, gleichzeitig einen Teil der Kanalwand bildenden Platte
und das andere Flügelpaar aus zwei Heizflächen besteht. Die Dampfzufuhr und Kondensatabfuhr
erfolgt entweder über flexible Leitungen oder über um 180O drehbare, druckdichte
Armaturen.
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Die Zu- und Abfuhr ist bevorzugt in der Achse des Drehkreuzes angeordnet.
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Eine konstruktive Abwandlung der vorstehend geschilderten Ausführungsform
besteht darin, zwar die beiden Heizflächen drehbar auszugestalten, die öffnungen
der Kanalwand jedoch durch Schiebetüren zu verschliessen. In diesem Fall ist die
Drehtür also nur zweiflüglig ausgebildet.
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Die drehbar ausgestaltete Heizfläche lässt sich bei geringem Platzbedarf
in der Gesamtanlage ebenso wie bei der ersten Ausführungsform zweiteilig ausführen,
d.h. auf beiden Seiten des Kanals wird je ein drehbares Register angeordnet.
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Bei beiden Ausfthrungsformen gelangt beim Wechsel das verschmutzte
Element in eine Kammer, in der die Reinigungsanlagen installiert sind. Die Reinigungsanlagen
können in der Höhe verstellbar angeordnet sein.
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Bei beiden Ausführungsformen befindet sich die Hauptstufe des Wärmetauschers,
in der z.B. 90 % der Wärme übertragen werden, in Strömungsrichtung hinter den auswechselbar
ausgestalteten Heizelementen der ersten Stufe. Diese zweite Stufe und zugleich Hauptstufe
des Wärmeaustauschers ist fest installiert. Sie wird nicht ausgewechselt und nur
durch Bläser, die zwischen der ersten und zweiten
Stufe geschützt
angeordnet sind, in grösseren Abständen, falls erforderlich, gereinigt.
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In den seitlich zur Strömungsrichtung angeordneten, d.h. aussen liegenden
Reinigungskammern können Fenster zur Inspektion vorgesehen sein. Ferner können diese
Kammern zum Zweck der Inspektion und Reparatur begangen werden. Für diesen Zweck
wird Umgebungsluft mit leicht höherem Druck als dem Rauchgasdruck in die Kammer
gegeben.
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Durch diese Sperrluft ist es möglich, sich in den Kammern aufzuhalten.
Da die an den Strömungskanal angrenzenden Reinigungskammern begehbar sind, ist es
möglich, von hier aus auch die rinnenförmigen Kondensatabscheider im Rauchgaskanal
zu reinigen. Diese Rinnen sind vorgesehen, um das an den Kanalwänden anfallende
Kondensat abzuleiten. Sie unterliegen besonders der Gefahr der Verschmutzung. Ebenfalls
können die drehbaren Kanalwände beidseitig gereinigt und repariert werden. Innerhalb
der Kammern kann die erste Heizstufe während des Betriebs, falls eine Reparatur
nicht mehr möglich ist komplett ausgewechselt werden. Je nach räumlichen Verhältnissen
wird dieses Auswechseln seitlich nach oben oder unten geschehen.
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Mit der Erfindung werden die folgenden Vorteile erzielt: 1. Verringerung
der Immissionswerte Da die verschmutzte Heizfläche außerhalb des Rauchgaskanals
gereinigt werden kann, gelangen diese Verunreinigungen nicht in die Umgebung. Hierdurch
werden im Vergleich zu anderen Konzepten die Immissionswerte verringert. Bei anderen
Systemen ist eine kontinuierliche Reinigung (gegebenenfalls mehrmals pro Tag) erforderlich,
um während des Reinigungsprozesses die Immissionswerte nicht zu überschreiten. Beim
vorgeschlagenen
System erfolgt das Wechseln und Reinigen erst, wenn die Flächen so stark verschmutzt
sind, daß der Wärmeaustausch unter einen vorgegebenen zulässigen Wert fällt. Dieser
Wert kann durch Temperaturmessung hinter der Wärmetauscherstufe ermittelt werden.
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Aus diesem Grund ist die Reinigung nur seltener nötig.
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Da die erste Stufe außerhalb des Kanals gereinigt wird, ist es auch
nicht nötig, im Kanal selbst vor der ersten Stufe einen Bläser vorzusehen. Der besseren
Zugänglichkeit wegen und aus räumlichen Gründen ist es außerdem möglich, statt der
mehrfach vorhandenen Bläser außerhalb des Kanals nur noch einen einzelnen verschiebbaren
Bläser vorzusehen.
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2. Verringertes Betriebsrisiko Für den Betreiber der Anlage ergibt
sich durch diese Konzeption eine deutliche Verringerung des Betriebsrisikos.
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3. Die erste Stufe ist zweifach vorhanden und kann im Schadensfall
bzw. bei Inspektion noch vor Auftreten eines grösseren Schadens ausgewechselt werden.
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4. Der Kessel braucht zum Wechsel der ersten Stufe nicht abgefahren
zu werden, da dieser Wechsel ja während des Betriebes möglich ist.
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5. Durch die gute Zugänglichkeit kann die außenliegende Heizstufe
besonders sorgfältig und sicher inspiziert werden.
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6. Die Reinigungsanlagen selbst sind nicht den hohen Belastungen im
Kanal ausgesetzt und können gut gewartet werden.
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7. Reduzierung der Betriebskosten Da kein Mischer, kein Gebläse für
Rückführung der Teilmengen des Rauchgases und keine zusätzliche Mischstrecken zur
Vorverdampfung der Tropfen erforderlich sind, verringern sich die Betriebskosten.
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Zum einen entsteht kein zusätzlicher Druckverlust
durch
den Mischer, da dieser ja nicht vorhanden ist.
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Auch das Risiko des Verschleißes oder der Verunreinigung des Mischers
entfällt.
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Weiter entstehen keine zusätzlichen Druckverluste durch ansonsten
nötige Mischstrecken, da diese ebenfalls nicht benötigt werden. Der Dampfbedarf
zum Reinigen der Flächen wird verringert, da nur in größeren Intervallen gereinigt
werden muß. Eventuell kann ganz auf Dampf für die Reinigung verzichtet werden und
ein mechanisches Reinigungssystem, z.B. rotierende Bürsten, eingesetzt werden. Für
harte Verkrustungen konnte auch gestrahlt werden. Bei leichten Verunreinigungen
könnte mit Luft gereinigt werden.
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Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert:
Figur 1 zeigt das Schema derjenigen Ausführungsform, bei der die Heizfläche der
ersten Stufe ungeteilt ist und nach Art eines Diamagazins seitlich aus dem Strömungskanal
in eine Reinigungskammer verschoben werden kann.
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Figur 2 zeigt schematisch eine abgewandelte AusfGhrungsform von Figur
1, bei der die Heizelemente der ersten Stufe unterteilt sind, so daß der Platzbedarf
für die Reinigungskammern geringer ist. Es sind zwei unterteilte, hintereinander
angeordnete Heizflächenelemente vorgesehen, sowie je zwei links und rechts vom Strömungskanal
angeordnete, in ihrer Grösse dem einzelnen unterteilten Heizflächenelement entsprechende
Re inigungs kammern.
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Figur 3 zeigt in perspektivischer Seitenansicht, wobei ein Teil der
Wand des Strömungskanals entfernt ist, die zweite Ausführungsform, bei der die Heizflächenelemente
aus dem Strömungskanal herausgedreht werden können.
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Figur 4 zeigt eine Abwandlung der Aus führungs form von Figur 3, bei
der die Heizflächenelemente drehbar ausgestaltet sind, die Öffnungen zwischen Strömungskanal
und Reinigungskammer jedoch durch Schiebetüren verschlossen sind.
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Figur 5 zeigt in Vorderansicht und Draufsicht die Ausführungsform
von Figur 3.
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Im einzelnen stellt 1 ein Heizelement in ungeteilter Bauart dar, das
in einer Reinigungskammer 2 seitlich verschiebbar angeordnet ist.
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In Figur 2 sind zwei hintereinander angeordnete Heizelemente 1 und
1' vorgesehen, die jeweils hälftig geteilt sind und seitlich in Reinigungskammern
2 und 2' von halber Tiefe der Reinigungskammer von Figur 1 geschoben werden.
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In Figur 3 sind die Heizflächen 1 und 1' drehbar nach Art einer Flügeltür
angeordnet, wobei das Heizelement 1 im Strömungsweg, das andere in der Reinigungskammer
2 liegt. Die beiden anderen Flügel der Drehtür 3 und 3' verschließen die Öffnungen
in der Kanalwand zwischen Strömungskanal und Kammer. Die Dampfzufuhr 4 liegt in
der Achse des Drehkreuzes, ebenso wie die Kondensatabfuhr 5. Mit 6 wird die Kanalwand,
mit 7 die Kondensatrinne bezeichnet. 8 stellt die Hauptstufe (zweite Stufe des Gasvorwärmers)
dar.
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In Figur 4 besteht die einzige konstruktive Abweichung von Figur 3
darin, daß die Öffnungen zwischen Strömungskanal und Reinigungskammer 2 durch Schiebetüren
9 (statt Drehflügel 3 in Figur 3) verschlossen werden.
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In Figur 5 sind die Heizflächenelemente 1 und 1' als Glattrohr-Wärmetauscher
augestaltet. Ferner sind noch die Reinigungseinrichtungen 10 zur Reinigung der Heizflächen
der ersten Stufe gezeichnet, die in der Höhe verfahrbar sind.