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Wasserrohr-Dampferzeuger
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wasserrohr-Dampferzeuger
mit zirkulierender Feuerung für die Beheizung mit Kohlenstaub oder Ö1, zur weitgehenden
Einbindung des in den Flammengasen enthaltenen Schwefeldioxids innerhalb der Brennkammer(n)
und zur Verringerung der während der Verbrennung entstehenden NO -VerbindunJen.
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Es ist allgemein bekannt, daß es bei Wirbelschichtfeuerungen, in
denen die Verbrennung bei Temperaturen zwischen 900 OC und 950 OC abläuft, durch
Zugabe von Kalk- oder Dolomitstaub möglich ist, das in den Flammengasen enthaltene
Schwefeldioxid weitgehend in Gips umzuwandeln. Überdies kann infolge der niedrigen
Verbrennungstemperaturen die Entstehung von NOx-Verbindungen gering gehalten werden.
(Diese niedrigen Verbrennungstemperaturen verhindern auch ein "keramisches Brennen"
des Kalk- oder Dolomitstaubes. Nur dadurch wird dessen chemische Aktivität zur Bindung
des SO2-Gases aufrecht er halten).
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Wegen dieser technischen Merkmale der Wirbelschichtfeuerungen erübrigt
sich bei diesen die Anbringung gesonderter Rauchgasentschwefelungsanlagen und Rauchgasentstickungsanlagen,
was zu erheblichen Vereinfachungen der wärme- bzw. energieerzeugenden Blöcke und
zu einer Senkung der Investitions-und Betriebskosten führt.
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Nachteilig bei Wirbelschichtfeuerungen ist es allerdings, daß ihre
oberen teistungsgrenzen verhältnismäßig niedrig liegen. So hat die größte derzeit
in der Bundesrepublik Deutschland in der Inbetriebnahmephase befindliche Wirbelschichtanlage
eine Nenndampfmenge von 300 t/h.
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Vergleichsweise produzieren kohlenstaubgefeuerte 300 bzw. 600 MWe-Blöcke
Nenndampfmengen von 900 bzw. 1800 t/h.
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Es wurden an braunkohlenstaubgefeuerten Wasserrohr-Dampferzeugern
auch Versuche durchgeführt, durch Einbringung von Kalk- oder Dolomitstaub in die
Brennkammer eine Entschwefelung der Rauchgase innerhalb derselben zu erreichen.
Leider war der dabei erzielte Entschwefelungsgrad zu gering.
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Überdies wurde vom Verfasser mit der Anmeldung P 32 06 409.8 ein
Vorschlag für einen Wasserrohrkessel mit integrierter Rauchgasentschwefelung ausgearbeitet.
Diese Lösung sollte eine Steigerung der Rauchgasentschwefeung durch eine gleichmäßige
und intensivere Zumischung des Kalk- bzw.
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Dolomitstaubes zu den Rauchgasen erreichen.
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In Fortführung dieser Anmeldung P 32 06 409.8 - um eine weitere Verbesserung
der SO2-Einbindung aus dem Flammengas zu erreichen - und um auch bei Nenndampfleistungen
von 900 bzw. 1800 t/h noch eine ausreichende brennkammerinterne Rauchgasentschwefelung
durchführen zu können, wird ein Wasserrohr Dampferzeuger für die Beheizung mit Kohlenstaub
oder öl vorgeschlagen, der eine odere mehrere Brennkammern mit in den Brennkammerwänden
angeordneten Kohlenstaub- oder ölbrennern sowie mehrere der Brennkammer bzw. den
Brennkammern rauchgas'-seitig nachgeschaltete Konvekticnsheizflächenbündel aufweist
und bei dem während des Betriebes Kalk- oder Dolomitstaub in die Brennkammer(n)
eingebracht wird. Dieser Wasserrohr-Dampferzeuger ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Brennkammer bzw. den Brennkammern einerseits und den Konvektionsheizflächenbündeln
andererseits rauchgasseitig mehrere Ascheabscheidezyklone und eine Trennwand bzw.
mehrere Trennwände angeordnet sind und daß während des Betriebes das
Flammengas
von der Brennkammer bzw. den Brennkammern über die Ascheabscheidezyklone zu den
Konvektionsheizflächenbündeln strömt.
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Dabei sind die Ascheabscheidezyklone zur Gänze oder teilweise innerhalb
der Brennkammer(n) - vorzugsweise in deren oberem(n) Bereich(en) - angeordnet.
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Oder die Ascheabscheidezyklone sind zur Gänze oder teilweise außerhalb
der Brennkammer(n) - vorzugsweise an deren vertikalen Wänden - angeordnet.
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Während des Betriebes werden die in den Ascheabscheidezyklone abgeschiedenen
Stäube (Aschestaub mit Unverbranntem, Kalk-, Dolomitstaub) in den über den Kohlenstaub-
bzw. ö1-brennern befindlichen Teil der Brennkammer bzw. in die über den Kohlenstaub-
oder ölbrenner befindlichen Teile der Brennkammer rückgeführt. Dadurch wird ein
Dampferzeuger mit zirkulierender Feuerung geschaffen, der einen sehr guten Ausbrand
der Kohle und - durch den rezirkulierenden Kalk- oder Dolomitstaub - eine hohe Einbindung
des in dem Flammengas enthaltenen Schwefeldioxids erreicht.
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Durch die Rezirkulation des Kalk- oder Dolomitstaubes kann auch dessen
Zugabemenge verringert werden.
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Die maximale Temperatur des Flammengases wird dabei durch die wärmeentziehende
Wirkung der Tauchheizflächen, durch die Zumischung von rückgeführtem "kalten Rauchgas
und durch eine zweistufige Verbrennung unter einen Wert von 950 OC gehalten, so
daß auch hier ein keramisches Brennen" des Kalk- oder Dolomitstaubes vermieden wird.
Durch diese niedrige Verbrennungstemperatur wird auch die Bildung von NOx-Verbindungen
in engen Grenzen gehalten.
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Die Reingaskanäle der Ascheabscheidezyklone sind durch die Trennwand
bzw. Trennwände hindurchgeführt und/oder m diese herumgeführt und münden in den
rauchgasseitigen Bet-eich der Konvektionsheizflächenbündel ein.
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Die Ascheabscheidezyklone können auch an der Trennw<nd bzw. an
den Trennwänden aufgehängt sein.
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Die Trennwand ist bzw. die Trennwände sind als doppelwandige, gasdichte
Konstruktion(en) ausgeführt und besteht bzw.
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bestehen aus miteinander verschweißten Rohren, die während des Betriebes
von einem Kühlmedium (Speisewasser, Dampf, The@moöl, Verbrennungsluft, kaltes Rauchgas)
durchströmt sind.
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Die Ascheabscheidezyklone - oder ein Teil derselben sind in an sich
bekannter Weise doppelwandig ausgeführt und während des Betriebes ebenfalls von
einem Kühlmedium durch strömt. Vorzugsweise sind die doppelwandigen Ascheabschei(iezyklone
von rückgeführtem Rauchgas oder von einem Gemisch aus rückgeführtem Rauchgas und
Verbrennungsluft durchström@@ wobei das rückgeführte Rauchgas zwischen dem(n) Speisewas@@@
vorwärmer (n) und dem (n) Luftvorwärmer(n) des Dampferzeuger rückgesaugt wird.
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Diesem rückgesaugten Rauchgas bzw. Rauchgas/Verbrennungsluftgemisch
kann auch Kalk- oder Dolomitstaub beigemisch< sein, wobei dieses Trägergas über
die hohle und gasdichte Trennwand bzw. über die hohlen und gasdichten Trennwände
zu den doppel wandigen Ascheabscheidezyklone und zu den an den unteren Bereichen
der Abscheidezyklone befindlichen Kalkstaube-inblasedüsen bzw. Dolomitstaubeinblasedüsen
strömt.
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Durch die über den Brennkammerquerschnitt gleichmäßig verteilte und
wiederholte Einblasung von Kalk- und Dolomitstaub und rückgeführtem Rauchgas wird
die Einbindung des Schwefeldioxids verbessert und - in Verbindung mit der wärmeentziehenden
Wirkung der Tauchheizflächen - die Verbrennungstemperatur auf unter 950 OC abgesenkt.
Letzteres reduziert die Bildung von NOx -Verbindungen. Da dem Trägergas des Kalk-
bzw. Dolomitstaubes auch ein Teil der Verbrennungsluft (als tertiäre Verbrennungsluft)
zugemischt ist, wird in der Brennkammer ein zweistufiger Ablauf der Verbrennung
erreicht, wodurch die maximale Flammentemperatur ebenfalls abgesenkt wird. (Die
erste Stufe der Verbrennung erfolgt im Brennerbereich und im unteren Bereich der
Tauchheizfläche, während die zweite Stufe der Verbrennung im oberen Bereich der
Tauchheizfläche und über derselben abläuft).
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Sind in der Brennkammer die Ascheabscheidezyklone in zwei Etagen
übereinander angeordnet, so sind die Reingaskanäle der unteren Abscheidezyklone
zwischen den oberen Abscheidezyklonen nach oben zur Trennwand geführt. Weiters sind
in diesem Falle die Staubrückführrohre der oberen Asche ab scheidezyklone zwischen
den unteren Abscheidezyklone nach unten geführt.
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Besitzt die Trennwand am oberen Ende bzw. im oberen Bereich der Brennkammer
eine horizontale oder schräge Lage, so ist an bzw. über ihr eine Blaseinrichtung
zum Entfernen des Feinstaubes angeordnet.
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Sind die Konvektionsheizflächenbndel über der Brennkammer angeordnet
(Einzugbauweise), so besitzt die dazwischen befindliche Trennwand eine horizontale
oder annähernd horizontale Lage. Dabei steht die Trennwand mit den umgebenden Brennkammerwänden
über rauchgasdichte Kompensatorelemente in Verbindung.
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Sind die Konvektionsheizfiächenbündel hingegen neben der Brennkammer
angeordnet (Zweizugbauweise), so weist die Trennwand eine vertikale oder schräge
Lage auf.
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Eine weitere Maßnahme dafür, die Verbrennungstemperatur unter 950
OC zu halten, besteht darin, daß in der Brennkammer über den Kohlenstaub- bzw. ölbrennern
eine gekühlte Tauchheizfläche angeordnet ist. Die Rohre dieser gekühlten Tauchheizfläche
sind so zu gestalten, daß durch sie die Durchmischung des Flammengases begünstigt
wird.
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Der lichte vertikale Abstand N zwischen der obersten Rohrlage der
Tauchheizfläche und den unteren Enden der Ascheabscheidezyklone bzw. deren Staubrückführrohre
soll wenigstens einen Meter und höchstens zwei Meter betragen. Überdies sind die
Rohre der Tauchheizfläche gegen die Staubrückführrohre der Ascheabscheidezyklone
hin mit Schutzabdeckungen versehen.
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Durch diese Ausführung reicht die Wirkung des rückgeführten Rauchgases
mit der zugemischten tertiären Verbrennungsluft und des rückgeführten Kalk-/Dolomitstaubes
bis in die Tauchheizfläche hinein, ohne daß deren Rohre einen übermäßigen Verschleiß
ausgesetzt sind.
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Um die im Aschetrichter der Brennkammer anfallende Asche vor ihrer
Ausbringung etwas zu kühlen - und dadurch den durch die ausgetragene Asche bewirkten
Wärmeverlust klein zu halten und die Ascheaustragsschnecke temperaturmäßig nicht
zu hoch zu belasten -, ist im unteren Trichterbereich eine Kühlschlange angeordnet.
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Erfolgt die Beheizung des Wasserrohr-Dampferzeugers durch öl (Schweröl)
oder eine heizwertreiche Kohle, so soll als weitere Maßnahme zur Absenkung der Brennkammertemperatur
die spezifische Brennkammer-Wärmebelastung bei Nennlastbetrieb höchstens 200 kW/m3
betragen.
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In diesem Falle wird - um die maximale Flammentemperatur auch hier
unter 950 OC zu halten - durch die 51- bzw. Kohlebrenner mit der primären und/oder
sekundären Verbrennungsluft auch rückgeführtes Rauchgas in die Brennkammer eingeblasen,
das zwischen dem(n) Speisewasservorwärmer(n) und dem(n) Luftvorwärmer() rückgesaugt
wird. (Dieses rückgeführte Rauchgas wird zweckmäßig der primären und/oder sekundären
Verbrennungsluft beigemischt und mit dieser durch die Brenner in die Brennkammer
eingeblasen).
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Überdies sind die Brenner räumlich mit ausreichenden Abständen voneinander
in den Brennkammerwänden anzuordnen.
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In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsformen des Vorschlages beispielhaft
dargestellt.
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Es zeigt: Figur 1 einen vertikalen Längsschnitt der ersten Ausführungsform
nach der Linie A-B in Figur 3 Figur 2 einen Horizontalschnitt der ersten Ausführungsform
nach der Linie C-D in Figur 1 Figur 3 einen Horizontalschnitt der ersten Ausführungsform
nach der Linie E-F in Figur 1 Figur 4 einen Horizontalschnitt der ersten Ausfüh
rungsform nach der Linie G-H in Figur 1 Figur 5 einen vertikalen Längsschnitt der
zweiten Ausführungsform nach der Linie J-K in Figur 6.
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Figur 6 einen Horizontalschnitt der zweiten Ausfüh rungsform nach
der Linie L-M in Figur 5.
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Bei.der in Figur 1 bis Figur 4 dargestellten ersten Ausführungsform
ist der Wasserrohr-Dampferzeuger als Einzug-*Konstruktion ausgebildet.
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Die Brennkammer 1 ist durch die Brennkammerwände 2 begrenzt, die
aus verschweißten Rohren gebildet und außen isoliert sind.
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Die Konvektionsheizflächenbündel 3 sind über der Brennkammer 1 angeordnet.
Zwischen der Brennkammer 1 und dem die Konvektionsheizflächenbündel 3 enthaltenden
Rauchgaszug ist die horizontale Trennwand 4 angeordnet.
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Die Trennwand 4 ist als gasdichte, selbsttragende doppelwandige Kastenkonstruktion
ausgebildet und besteht aus miteinander verschweißten und gekühlten Rohren. Mit
den umgebenden Brennkammerwänden 2 ist die Trennwand 4 über rauchgasdichte Kompensatorelemente
5 verbunden.
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Die Kohlenstaubbrenner 6 bzw. ölbrenner sind in den Ecken der Brennkammer
1 angeordnet. Ihre Achsen tangieren -in Figur 4 - an einen Brennkreis (Eckenfeuerung).
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Unter dem Brennkammertrichter 7 ist eine Ascheaustragschnecke 8 angeordnet.
Im unteren Teil des Brennkammertrichters 7 und über der Ascheaustragschnecke 8 befindet
sich eine Kühlschlange 9 zur Abkühlung der hier anfallenden Asche Über den Kohlenstaubbrennern
6 bzw. ölbrennern ist eine Tauchheizfläche 10 angeordnet, deren Rohre nach oben
hin Schutzabdeckungen tragen.
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In Figur 1 sind zwei mögliche Anordnungen der doppelwandigen und
gekühlten Ascheabscheidezyklone 11, 11' gezeigt: Bei der in der linken Hälfte von
Figur 1 dargestellten Anordnung besitzt der Dampferzeuger nur brennkammerinterne
Ascheabscheidezyklone
11 und diese sind in zwei Etagen übereinander
unter der Trennwand 4 angebracht. Bei der in der rechten Hälfte von Figur 1 gezeigten
Anordnung sind brennkammerinterne Ascheabscheidezyklone 11 in einer Etage unter
der Trennwand 4 und brennkammerexterne Abscheidezyklone 11' außen an einer Brennkammerwand
2 angeordnet.
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Die unter der Trennwand 4 befindlichen brerinkammerinternen Ascheabscheidezyklone
11 sind an ersterer aufgehängt.
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Die Reingaskanäle lla der brennkammerinternen Ascheabscheidezyklone
11 sind durch die kastenförmige Trennwand 4 nach oben hindurchgeführt.
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Bei den in der linken Hälfte von Figur 1 in zwei Etagen übereinander
angeordneten brennkammerinternen Ascheabscheidezyklonene 11 sind die Reingaskanäle
lla der unteren Abscheidezyklone 11 zwischen den oberen Ascheabscheidezyklonene
11 nach oben zur Trennwand 4 geführt. Die Staubrückführrohre llb der oberen Abscheidezyklone
11 sind zwischen den unteren Ascheabscheidezyklone 11 nach unten geführt.
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In der rechten Hälfte von Figur 1 sind innerhalb der Brennkammer
1 die internen Ascheabscheidezyklone 11 nur in einer Etage angeordnet. Hier sind
aber außerhalb der Brennkammer 1 noch weitere externe Ascheabscheidezyklone 11'
angeordnet, die von der Brennkammer 1 her mit Flammengas beaufschlagt sind.
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Die Reingaskanäle lla' der externen Ascheabscheidezyklone 11' sind
um die Trennwand 4 herum in den rauchgasseitigen Bereich der Konvektionsheizflächenbündel
3 geführt. Die Staubrückführrohre llb' der Ascheabscheidezyklone 11' münden in die
Brennkammer 1 ein.
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Der vertikale Abstand N zwischen den unteren Ende der internen Ascheabscheidezyklone
11 bzw. derer Staubrückführrohre lib und der obersten Rohrreihe der Tauchheizfläche
10 beträgt mindestens 1 Meter und höchstens 2 Meter. Dadurch reicht die Wirkung
des mit Kalk-/Dolomitstaub beladenen Trägergases (dieses tritt über die an den unteren
Bereichen der Ascheabscheidezyklone 11 bzw. der Staubrückführrohre llb' angeordneten
Kalkstaubeinblasedüsen llc in die Brennkammer 1 ein) bis in den oberen Bereich der
Tauchheizfläche 10. Die in den Ascheabscheidezyklonen 11, 11' abgeschiedenen Stäube
(Aschestaub mit Unverbrenntem, Kalk-/Dolomitstaub) werden ebenfalls an diesen Stellen
in die Brennkammer 1 rückgeführt.
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Über der horizontalen Trennwand 4 sind Blaseinrichtungen 12 zur Entfernung
des sich dort absetzenden Feinstaubes angebracht.
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Während des Betriebes tritt der Kohlenstaub - dem auch schon ein
Teil des Kalk- bzw. Dolomitstaubes beigemischt sein kann - mit der Primärluft und
der separaten Sekundärluft über die Kohlenstaubbrenner 6 in den unteren Bereich
der Brennkammer 1 ein, wo die Zündung erfolgt und die erste Stufe der Verbrennung
beginnt. Diese setzt sich bis in den unteren Bereich der Tauchheizfläche 10 fort.
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Im oberen Bereich der Tauchheizfläche 10 und darüber erfolgt die
Zumischung des Trägergases und der Stäube aus den Kalkstaubeinblasedüsen Ilc und
den Staubrückführrohren leib, alb', und es läuft hier - durch die im Trägergas enthaltene
tertiäre Verbrennungsluft - die zweite Stufe der Verbrennung (bei einer Temperatur
von höchstens 950 oC) ab.
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Das Flammengas durchströmt dann die Ascheabscheidezyklone 11, 11'
und gelangt durch die Trennwand 4 hindurch bzw. um
diese herum
in den die Konvektionsheizflächenbündel 3 enthaltenden Rauchgaszug.
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Das Trägergas gelangt über die beiden Verteilkanäle 13 - in denen
zweckmäßig die gleichmäßige Zumischung von Kalk-und/oder Dolomitstaub erfolgt -
und die gasdichte, kastenförmige Trennwand 4 sowie die doppelwandigen Ascheabscheidezyklone
11, 11' zu den Kalkstaubeinblasedüsen llc.
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Bei der in Figur 5 und Figur 6 dargestellten zweiten Ausführungsform
ist der Wasserrohr-Dampferzeuger als Zweizug-Konstruktion ausgebildet und besitzt
eine Frontfeuerung, bei der die Kohlenstaubbrenner 6 bzw. ölbrenner in der Stirnwand
2 de-r Brennkammer 1 angeordnet sind.
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Die vier Konvektionsheizflächenbündel 3 sind neben der Brennkammer
1 - im zweiten Rauchgaszug - angeordnet (Zwei zug Konstruktion).
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Die Brennkammerrückwand 2' setzt sich oben in der doppel wandigen,
kastenförmigen und gasdichten Trennwand 4 fort, die eine vertikale Lage aufweist.
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Unter dem Brennammertrichter 7 ist wieder eine Ascheaustragschnecke
8 und über dieser eine Kühl schlange 9 für die hier anfallende Asche angeordnet.
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Über den Kohlenstaubbrennern 6 bzw. ölbrennern befindet sich ebenfalls
eine Tauchheizfläche 10, deren Rohre nach oben hin wieder Schutzabdeckungen tragen.
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Der Dampferzeuger besitzt acht brennkammerinterne und vier brennkammerexterne
Ascheabscheidezyklone 11, 11', die wieder doppelwandig ausgeführt sind.
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Die Reingaskanäle lla der internen Ascheabscheidezyklone 11 sind
durch die Trennwand 4 hindurchgeführt. Die Reingaskanäle lla' der externen Ascheabscheidezyklone
11' sind über dem Dampferzeuger um die Trennwand 4 herumgeführt und münden in den
zweiten Rauchgaszug.
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Die Staubrückführrohre llb, leib' der Ascheabscheidezyklone 11, 11'
- an deren unteren Ende die Kalkstaubeinblasedüsen llc angeordnet sind - haben von
der obersten Rohrreihe der Tauchheizfläche 10 wieder einen vertikalen Abstand N,
der mindestens 1 Meter und höchstens 2 Meter beträgt.
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Während des Betriebes erfolgt die Verbrennung wieder zweistufig bei
einer maximalen Flammentemperatur von 950 OC und es strömt das Flammengas von der
Brennkammer 1 wieder über die Ascheabscheidezyklone 11, 11' zu dem die Konvektionsheizflächen
3 enthaltenden zweiten Rauchgaszug.
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Das Trägergas des Kalk-/Dolomitstaubes gelangt wieder über die doppelwandige,
gasdichte Trennwand 4 und die doppelwandigen Abscheidezyklone 11, 11' zu den Kalkstaubeinblasedüsen
llc.
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Erfolgt die Befeuerung des Wasserrohr-Dampferzeugers mit öl (Schweröl),
so sind - da die ölflamme normalerweise wesentlich
heißer als
die Kohlenstaubflamme ist - zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um die maximale
Brennkammertemperatur auf 950 OC zu begrenzen: Eine Maßnahme besteht in der Anwendung
großer Brennkammern, daß die spezifische Brennkammer-Wärmebelastung bei Nennlast
höchstens 200 kW/m3 beträgt. Auch müssen die einzelnen ölbrenner ausreichende Abstände
voneinander aufweisen.
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Eine andere zusätzliche Maßnahme besteht in der Zumischung von "kaltem",
rückgeführten Rauchgas zur primären Verbrennungsluft und dem Einblasen desselben
durch die Brenner.
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Dieses "kalte" Rauchgas wird - ebenso wie jenes für das Trägergas
- zweckmäßig zwischen den Speisewasservorwärmern und Luftvorwärmern des Dampferzeugers
abgesaugt.
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Diese zusätzlichen Maßnahmen können auch dann angewendet werden,
wenn die Beheizung des Dampferzeugers mit heizwertreicher Kohle erfolgt und er eine
große Nenndampfleistung besitzt.
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In diesem Falle kann das "kalte", rückgeführte Rauchgas auch der sekundären
Verbrennungsluft beigemengt werden, die ebenfalls durch die Brenner in die Brennkammer(n)
einströmt.