DE3544887A1 - Brennkammer fuer eine wirbelschichtfeuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer mit einer Wirbelschichtfeuerung, mit einem Düsenboden, mit einer Brennstoffzuführung oberhalb des Düsenbodens, mit einer Primärluftzuführung unterhalb des Düsenbodens, mit einem Abgaskanal am oberen Ende der Brennkammer, sowie mit Wärmetauscherheizflächen.

Stationäre Wirbelschichtfeuerungen, bei denen die Luft­ bzw. Gasgeschwindigkeit so gewählt wird, daß sich eine obere Grenze für die Wirbelschicht einstellt, und zirku­ lierende Wirbelschichtfeuerungen, bei der die Luft bzw. Gasgeschwindigkeit so groß gewählt wird, daß ein Groß­ teil der Feststoffteilchen nach oben aus der Wirbel­ schicht ausgetragen, in Zyklonen abgeschieden und dann entweder direkt oder über einen Aschekühler in das Wir­ belbett zurückgeführt werden, sind bekannt (VGB-Kraft­ werkstechnik, Heft 8, Aug. 1963, Aufsatz: "Auslegung und Disposition des Heizkraftwerkes 1 der Stadtwerke Duis­ burg AG mit zirkulierender, atmosphärischer Wirbelschicht­ feuerung" von W. Wein). Wirbelschichtfeuerungen haben allgemein den Vorteil, daß in ihnen auch Brennstoffe schlechterer Qualität, wie Abfallstoffe verbrannt werden können und daß man bereits bei dar Verbrennung in der Wirbelschicht eine Entschwefelung der Rauchgase durch Zugabe von Kalk erzielen kann.

Außerdem entsteht bei Wirbelschichtfeuerungen aufgrund der im Vergleich zu Kohlestaubfeuerungen niedrigeren Verbrennungstemperatur weniger NO _x . Gegenüber der nor­ malen stationären Wirbelschichtfeuerung hat aber die zirkulierende Wirbelschichtfeuerung noch den zusätzli­ chen Vorteil, daß durch den Feststoffumlauf eine höhere Verweilzeit der Brennstoffe und Zuschlagstoffe erreicht wird, was sich positiv auf den Ausbrand und die Ent­ schwefelung auswirkt. Infolge einer vollständigeren Umsetzung kommt man so bei gleicher Entschwefelung mit einem geringeren Calcium zu Schwefelverhältnis aus. Dafür haftet der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung gegenüber der stationären Wirbelschichtfeuerung der Nachteil an, daß der apparative Aufwand viel größer ist. So sind zusätzlich mehrere Zyklonstufen zur Abtrennung der mit dem Abgas mitgeführten und wieder zurückzufüh­ renden Feststoffpartikel und außerdem ein Aschekühler zur Temperaturhaltung in der Wirbelschicht erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zu treiben­ den apparativen Aufwand gegenüber bekannten Anlagen zur zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung zu vermindern. Dabei sollte diese Verminderung des apparativen Aufwan­ des nicht auf Kosten der SO₂ - Emission, der NO _x - Verminde­ rung und des Ausbrandes erfolgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bereits vorgeschlagen wor­ den, eine Ringblende in die Brennkammer zwischen dem Düsenboden und dem Abgaskanal einzusetzen, um den Quer­ schnitt der Wirbelschicht dadurch im oberen Bereich der Brennkammer einzuengen und zwischen Ringblende und Ab­ gaskanal tangential einmündende und leicht nach unten gerichtete Sekundärluftdüsen zur Erzeugung eines längs der Brennkammerwand nach unten strömenden Sekundärluft­ schlauches vorzusehen. Darüber hinaus sollten gemäß diesem Vorschlag zwischen Ringblende und Brennkammer­ wand schlitzförmige Öffnungen vorgesehen werden, um die mit dem Sekundärluftschlauch mit nach unten transpor­ tierten Feststoffpartikel in den unteren Bereich der Brennkammer zu leiten. Durch diese vorgeschlagene Lösung werden alle nicht vollständig ausgebrannten Partikel durch die in den Bereich oberhalb der Ringblende ent­ stehende Drehströmung nach außen getragen und dort von dem abwärts gerichteten Sekundärluftstrom erfaßt und nach unten durch die Schlitze zwischen Ringblende und Brennkammerwand hindurch in den unteren Bereich der Wir­ belschicht zurücktransportiert. Dabei bewirkt die einge­ setzte Ringblende eine Einschnürung der aufstreigenden Wirbelschicht und trennt diese von dem im Randbereich abwärts strömenden Sekundärluftstrom. Die Drehströmung­ des oberen Abschnitts der Wirbelschicht wird durch in die Ringblende eingebaute, tangential mündenden Sekun­ därluftdüsen noch verstärkt. Es ist eine Eigenart dieser ansonsten gut funktionierenden Brennkammer, daß immer noch ein beachtlicher Aufwand getrieben werden muß und die Ringblende sowohl thermisch als auch abrasiv stark beansprucht wird und daher einem gewissen Verschleiß ausgesetzt ist.

Mit der vorliegenden Erfindung soll daher ein weiterer Weg gewiesen werden, um bei einer zirkulierenden Wirbel­ schichtfeuerung mit möglichst geringem apparativen Auf­ wand eine sichere Rückführung der nicht verbrannten Bestandteile in die Wirbelschicht zu gewährleisten. Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind den Ansprüchen 2 bis 18 zu entnehmen.

Bei der vorliegenden Lösung wird erfindungsgemäß ein radiales Austragen der mitgerissenen Feststoffpartikel aus der aufsteigenden Wirbelschicht durch eine starke Drehströmungskomponente der Wirbelschicht um die Symme­ trieachse der Brennkammer infolge eines einer Drehströ­ mung wenig Widerstand bietenden zylindrischen Querschnitts der Brennkammer und der am Außenumfang der Brennkammer in die obere Hälfte der Brennkammerwand tangential mündenden Sekundärluftdüsen, welche zugleich eine ab­ wärts gerichtete Mantelströmung erzeugen, bewirkt. Die ausgeschleuderten Feststoffpartikel werden längs der Innenwand der Brennkammer zurück in den unteren Bereich der Brennkammer transportiert. Dabei ist es ein besonderer Vorteil dieser Lösung, daß leichtere, weitgehend verbrannte Feststoffpartikel im Grenzbe­ reich der abwärts gerichteten Mantelströmung und der aufsteigenden Wirbelschicht eher in die zentrale Wir­ belschicht eingeleitet werden als schwere Feststoff­ partikel, die bis zum Düsenboden zurückgeführt werden können.

Eine besonders vorteilhafte Konstruktion ergibt sich durch die zentrische Befestigung eines zylindrischen Körpers auf dem Düsenboden. Ein solcher, zentrisch zur Symmetrieachse der Brennkammer und der Wirbelschicht angeordneten zylindrischen Körper verhindert, daß die Partikel in dem unteren Bereich der Wirbelschicht radial bis ins Zentrum strömen können. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil im Zentrum der Wirbelschicht längs der Symmetrieachse der Brennkammer eine nur geringe Fliehkraftkomponente wirksam ist und daher läng der Symmetrieachse der Brennkammr aufsteigende Partikel mit dem Abgas durch den Abgaskanal entweichen könnten. Diese Konstruktion ist zugleich auch die Voraussetzung für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.

Bei Verwendung eines zentral auf dem Düsenboden aufge­ setzten zylindrischen Körpers kann dieser als Hohlkörper ausgebildet und an einem Luftzuführungskanal angeschlos­ sen bzw. mit der Primärluft verbunden sein und an seinem oberen Ende annähernd tangential zu seinem Umfang und schräg nach oben ausgerichtete Luftdüsen tragen. Hier­ durch wird es möglich, im Zentrum der zirkulierenden Wirbelschicht nicht nur Frischluft, sondern zusätzliche Drehmomente oder Drehimpulse zu übertragen und dadurch die Abtrennung der unvollständig verbrannten Feststoff­ partikel bzw. Zuschlagstoffe vom Abgas der Brennkammer zu verbessern.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand zweier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer mit einem zylindrischen, auf dem Düsenboden aufgesetzten Körper,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Linie IV-IV der Fig. 3.

In der Fig. 1 ist eine in Längsrichtung geschnittene erfindungsgemäße Brennkammer 110 dargestellt. Die Brenn­ kammer hat einen zylindrischen Querschnitt. Sie wird am unteren Ende von einem Düsenboden 111 abgeschlossen. Im Düsenboden sind in gleichbleibendem Abstand Luftdüsen 112 eingelassen. In den Raum unterhalb des Düsenbodens mündet eine Luftzuführungsleitung 113. Letztere ist so­ wohl an einer Frischluftleitung 114 als auch an einer Rauchgasleitung 115 angeschlossen. Über in beiden Leitun­ gen eingebaute Verstelleinrichtungen 116, 117 kann ein bestimmtes Frischluft-Rauchgasgemisch eingestellt werden. Unmittelbar oberhalb des Düsenbodens 111 mündet ein Brennstoffzuführungskanal 118 in der Brennkammerwand 119. Im oberen Drittel der Brennkammer münden in verschiedenen Ebenen am Umfang um 90° gegeneinander versetzt angeord­ nete Sekundärluftdüsen 120 bis 127 in der Brennkammer­ wand. Wie die Fig. 2 zeigt münden diese Sekundärluftdüsen tangential und leicht nach unten geneigt in der Brenn­ kammer. Auch diese Sekundärluftdüsen 120 bis 127 sind, wie die Luftzuführungsleitung 113 zum Düsenboden 111 so­ wohl an der Frischluftleitung 114 als auch an der Rauch­ gasleitung 115 angeschlossen. Auch hier sind in den Anschlußleitungen Verstelleinrichtungen 128, 129 zur Einstellung des Frischluft-Rauchgasgemisches vorgesehen. An der Brennkammer sind Wärmetauscherrohre 130 ange­ bracht, die an einem hier nicht weiter dargestellten Wasserdampfkreislauf angeschlossen sind.

Beim Betrieb der Brennkammer 110 wird über die an die Frischluft- und Rauchgasleitung angeschlossene Luftzu­ führungsleitung 113 ein Frischluft-Rauchgasgemisch als sogenannte Primärluft in den Raum 133 unter den Düsen­ boden 111 eingeblasen. Dieses Frischluft-Rauchgasgemisch läßt sich durch die in der Frischluftleitung 114 und Rauchgasleitung 115 eingesetzten Verstelleinrichtungen 116, 117 nach Bedarf einstellen. Diese durch die Luft­ zuführungsleitung 113 zuströmende Primärluft bläst durch die Luftdüsen 112 des Düsenbodens 111 nach oben in die Brennkammer und wirbelt dabei die über den Brennstoff­ und Kalkzuführungskanal 118 zugeführten Brennstoff- und Kalkteilchen auf. Durch die aufsteigende Primärluft wer­ den diese Brennstoffteilchen nach oben mitgerissen, ver­ wirbelt und bei der herrschenden Temperatur mit dem Sauerstoffteil der Primärluft teilverbrannt.

Durch eine Schrägstellung der Luftdüsen 112 im Düsen­ boden 111 kann der Wirbelschicht zusätzlich zu ihrer vertikalen Bewegung eine Drehbewegung um die Symmetrie­ achse 131 der Brennkammer aufgeprägt werden. Die aus den Sekundärluftdüsen schräg tangential nach unten bla­ sende Sekundärluft sorgt für den Restausbrand und beför­ dert die radial nach außen getragenen Brennstoffteilchen längs der Außenwand der Brennkammer spiralförmig nach unten und läßt sie, vermischt mit den aus dem Brennstoff­ zuführungskanal 118 frisch zuströmenden Brenn- und Zu­ schlagstoffen oberhalb des Düsenbodens 111 in die Wir­ belschicht zurückströmen. Zugleich überträgt dieser längs der Außenwand zirkulierende Sekundärluftschlauch einen Drehimpuls auf den oberen Teil der Wirbelschicht, der dort die Feststoffpartikel allmählich durch die Fliehkraft nach außen drückt. Diese gelangen schließlich in die Nähe der Brennkammerwand 119 und in den dort spiralförmig abwärts strömenden Sekundärluftstrom. Das enstehende, mit leichten Ascheteilchen beladene Rauch­ gas wird zentrisch aus der Brennkammer nach oben über den Abgaskanal 132 ausgetragen. Zur Sicherstellung, daß längs der Symmetrieachse 131 der Brennkammer, d.h. in Bereichen, in denen die Fliehkraft gering ist, unvoll­ ständig verbrannte Feststoffteilchen aufsteigen und mit in den Abgaskanal gerissen werden können, kann eine hier nicht weiter dargestellte Düse so ausgerichtet sein, daß ihr Luftstrahl durch die Symmetrieachse 131 der Brennkammer hindurchbläst. Dadurch werden die in diesem Bereich aufsteigenden Feststoffteilchen in den äußeren Bereich der Wirbelschicht befördert und damit voll von der Drehströmung erfaßt.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen Brennkammer 134. Auch hier befindet sich ein Düsenboden 135 im unteren Bereich der Brennkammer und mündet in den Raum unterhalb des Düsenbodens 135 eine Luftzuführungsleitung 137. Oberhalb des Düsenbodens mündet ein Brennstroffzuführungskanal 138 in der Wand 139 der Brennkammer 134. Im oberen Drittel der Brennkammer sind in verschiedenen Ebenen wiederum Sekundärluftdüsen 140 bis 147 angeordnet, die tangential zur Brennkammer­ wand 139 und leicht abwärts ausgerichtet sind. Zur Symme­ trieachse 148 der Brennkammer 134 fluchtend, ist auf dem Düsenboden 135 ein bis nahezu in der Mitte der Brennkam­ mer 134 aufragender hohlzylindrischer Körper 149 ange­ bracht. Dieser hohlzylindrische Körper ist mit seinem Hohlraum an den Raum 136 unterhalb des Düsenbodens 135 und damit auch an die Luftzuführungsleitung 137 ange­ schlossen. Er ist an seinem oberen Ende geschlossen. Un­ mittelbar unterhalb seines oberen Endes sind jedoch an seinem Umfang Bohrungen 150 bis 155 eingelassen, die im wesentlichen tangential zur Außenwand 156 des hohlzylin­ drischen Körpers 149 und schräg nach oben ausgerichtet sind. Die Anordnung der Sekundärluftdüsen 140 bis 147 in der Brennkammerwand und der Bohrungen 150 bis 155 im hohlzylindrischen Körper ist auch aus der Fig. 4 zu entnehmen.

Die Brennkammerwand 139 trägt Wärmetauscherrohre 158, die Teil eines hier nicht weiter dargestellten Wasser­ dampfkreislaufes sind. Auch der hohlzylindrische Kör­ per 149 kann in hier nicht weiter dargestellter Weise auf der Innenseite mit Wärmetauscherrohren versehen sein durch die er gekühlt wird und die an dem hier nicht weiter dargestellten Wasserdampfkreislauf angeschlossen sind.

Ähnlich wie beim Betrieb der Brennkammer 110 der Fig. 1 und 2 werden auch hier durch den Brensstoffzuführungs­ kanal 158 zugeführte Brennstoffpartikel durch die aus den Luftdüsen 157 des Düsenbodens 135 ausblasende Pri­ märluft hochgewirbelt und verbrennen teilweise bei den dort herrschenden Temperaturen mit dem Sauerstoff der Primärluft. Der Restausbrand erfolgt mit der Sekundärluft.

Im Bereich der Bohrungen 150 bis 155 am oberen Ende des hohlzylindrischen Körpers 149 wird im mittleren Wirbel­ schichtbereich nicht nur zusätzliche Primärluft zuge­ führt, sondern wird der Wirbelschicht durch deren Ein­ strömrichtung zusätzlich auch noch ein Drehimpuls um die Symmetrieachse 148 der Brennkammer 134 übertragen. Dieser Drehimpuls wird durch die tangential in die Brenn­ kammer mündenden Sekundärluftdüsen 140 bis 147 und die durch sie einströmende Sekundärluft noch verstärkt. Durch diesen Drehimpuls um die Symmetrieachse der Brenn­ kammer werden die schwereren, noch nicht vollständig verbrannten Partikel wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 allmählich nach außen und in den Bereich der dort spiralförmig abwärts strömenden Sekundärluft getrieben. Mit dieser werden sie zusammen mit dem über den Brennstoffzuführungskanal 138 zuströmenden Brenn­ stoffpartikeln in den unteren Teil der Wirbelschicht zurücktransportiert. Der hohlzylindrische Körper 149 verhindert darüber hinaus auch, daß Brennstoffteilchen längs der Symmetrieachse der Brennkammer aufsteigen können und so nicht in die abwärts gerichtete Drehströ­ mung gelangen. Die verstärkte Drehmomentimpulsübertra­ gung auf die Wirbelschicht im oberen Bereich der Brenn­ kammer 134 infolge der am oberen Ende des hohlzylindri­ schen Körpers 149 ausströmenden Primärluft führt auch infolge des Fehlens zentrisch zur Symmetrieachse auf­ steigender Wirbelschichtbereiche zu einer verbesserten Abscheidung von unvollständig oder unverbrannten Brenn­ stoffpartikeln aus den Verbrennungsgasen.

Claims (18)

1. Brennkammer mit einer Wirbelschichtfeuerung mit einem Düsenboden, mit einer Brennstoffzuführung ober­ halb des Düsenbodens, mit einer Primärluftzuführung unterhalb des Düsenbodens, mit einem Abgaskanal am obe­ ren Ende der Brennkammer sowie mit Wärmetauscherheiz­ flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (110, 134) zur Abtrennung und Rück­ führung der unverbrannten Feststoffpartikel in den unte­ ren Bereich der Wirbelschicht einen zylindrischen Quer­ schnitt hat, senkrecht steht und im oberen Bereich der Brennkammerwand (119, 139) im wesentlichen tangential und zugleich nach unten geneigte Sekundärluftdüsen (120 bis 127, 140 bis 147) besitzt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Körper (149) zentrisch zur Symme­ trieachse (148) der Brennkammer (134) auf dem Düsenboden (135) befestigt ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper (149) als Hohlkörper ausge­ bildet ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper (149) zur Unterstützung der Drehströmung der Wirbelschicht um die Symmetrie­ achse (148) der Brennkammer (134) an einem Luftzu­ führungskanal (137) angeschlossen ist und an seinem oberen Ende annähernd tangential zu seinem Umfang ausgerichtete Luftdüsen (150 bis 155) trägt.

5. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüsen (150 bis 155) des zylindrischen Körpers (149) zugleich in Blasrichtung schräg nach oben gerichtet sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper (149) eine Länge von zumin­ dest einem Drittel der Höhe der Brennkammer (134) hat.

7. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (156) des zylindrischen Körpers (149) Wärmetauscherheizflächen trägt.

8. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper (149) an einem Primärluft­ kanal (137) angeschlossen ist.

9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüsen (112) im Düsenboden (111) gegenüber der Symmetrieachse (131) der Brennkammer (110) gleich­ sinnig zur tangentialen Einströmrichtung der Sekundär­ luftdüsen (120 bis 127) geneigt sind.

10. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslenkung der im Bereich der Symmetrieachse (131) der Brennkammer (110) aufsteigenden Brennstoff­ partikel eine Luftdüse derart angeordnet und ausge­ richtet ist, daß ihr Luftstrahl die Symmetrieachse der Brennkammer im mittleren Höhenbereich der Brennkammer durchquert.

11. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftdüsen (120 bis 127, 140 bis 147) sowohl am Abgaskanal (132, 159) als auch an der Frisch­ luftleitung (114) angeschlossen sind und das Mischver­ hältnis von Frisch- und Abluft über in den Leitungen eingebaute Stellglieder (116, 117, 128, 129) einstell­ bar ist.

12. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (112, 157) des Düsenbodens (111, 135) an einer Frischluftleitung (114) angeschlossen sind.

13. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (112, 157) des Düsenbodens sowohl am Ab­ gaskanal (132, 159) als auch an der Frischluftleitung (114) angeschlossen sind und das Mischverhältnis von Frisch- und Abluft über in den Leitungen eingebaute Stellglieder (116, 117, 128, 129) einstellbar ist.

14. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammerwand (119, 139) über angeschweißte Wärmetauscherrohre (130, 158) gekühlt wird.

15. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammerwand als Flossenrohrwand ausgebildet ist.

16. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärluftdüsen ringförmig an der oberen Kalotte der Brennkammer angeordnet sind.

17. Brennkammer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftdüsen am Boden einer den zentrisch in der oberen Kalotte angeordneten Abgaskanal ringförmig umschließenden Ringkammer angeordnet sind.

18. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der Sekundärluftdüsen mit schrägge­ stellten Leitblechen bestückt sind.