DE3614177A1 - Sekundaerluftzufuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Sekundärluftzuführung nach An­ spruch 1 in einer Feststoffeuerung.

Der praktische Kesselbetrieb hat gezeigt, daß die Bedin­ gungen der Sekundärluftzufuhr und die Feuerraumgeometrie einen erheblichen Einfluß auf Verbrennungs- und Strömungs­ vorgänge im Feuerraum haben.

Je minderwertiger der Festbrennstoff ist, d.h. je kleiner der Heizwert, je größer der Aschegehalt, die Feuchte und die Gehalte an Schadstoffbildnern sind, desto sorgfältiger müssen die chemisch-physikalischen Bedingungen der Ver­ brennung bei der Kessel- und Rostkonstruktion berücksich­ tigt werden. An moderne Feuerungen werden im wesentlichen folgende Forderungen, für die u.a. in der TA Luft Quanti­ täten angegeben werden, gestellt:

MaximalMinimal

CO₂-BildungCO-Bildung SO₂-BildungSO₃-Bildung
NO _x -Bildung AusbrandUnverbranntes im Rauchgas
O₂-Überschuß

Diese Forderungen sind nicht allein durch die Feuerraumge­ staltung und die Sekundärluftzuführung zu erfüllen. Die Ge­ staltung des Rostgewölbes, die Art des Rostes, die Position des Feuerraumes zum Rost, die Primärluftzuführung und der eigentliche Feuerraum sind konstruktiv aufeinander abzu­ stimmen. Für die Primärluftzuführung gilt entsprechendes wie für die Sekundärluftzufuhr: Die optimale Verteilung auf den Rost und die geeignete Menge müssen herausgefunden wer­ den.

Wenn die Rauchgase vollkommen ungestört den Feuerraum durch­ strömen, stellt sich aufgrund des Temperaturquergradienten ein mit einer laminaren Strömung vergleichbares Geschwin­ digkeitsprofil ein. Als Feuerraum wird hier der gesamte über dem Rostgewölbe liegende Strahlungsraum angesehen. Der Temperaturverlauf ist im Feuerraum sehr viel stärker vom Einfluß der Gasstrahlung abhängig als im Bereich der Be­ rührungsheizflächen. In Wandnähe kann sich das Rauchgas we­ gen der kürzeren Strahlungswege stärker abkühlen als in der Strömungsmitte.

Die mittleren Reynoldszahlen sind im Feuerraum so groß, daß man mit Sicherheit von einem turbulenten Strömungszustand ausgehen kann. Die mittleren Reynoldszahlen liegen in der Größenordnung 10⁴ bis 10⁵. Messungen des radialen Tempera­ turverlaufes und der radialen Geschwindigkeitsverteilung haben gezeigt, daß die in der Strömung durch Turbulenz her­ vorgerufene Quervermischung zu klein ist, eine Glättung des Temperatur- und Geschwindigkeitsprofiles zu bewirken. Trotz der hohen Reynoldszahlen, bei denen Flüssigkeitsströmungen oder kalte Gasströmungen quasi pfropfenförmige Geschwindig­ keitsprofile haben würden, stellen sich in Feuerräumen Ge­ schwindigkeitsprofile ein, die in Wandnähe wesentlich schwä­ cher gekrümmt sind. In Wandnähe sind die Rauchgasgeschwin­ digkeiten wesentlich niedriger als im Strömungskern.

Die niedrigen Rauchgastemperaturen und die niedrigen Rauch­ gasgeschwindigkeiten in der Nähe der Feuerraumwände wirken sich in verschiedener Hinsicht negativ aus. Die Reaktions­ geschwindigkeit zur Nachverbrennung flüchtiger Brennstoffan­ teile zur CO-Nachverbrennung und zur Nachverbrennung unver­ brannter oder mangelhaft ausgebrannter Feststoffteilchen wird erheblich herabgesetzt.

Die niedrigen Rauchgastemperaturen bewirken außerdem eine Verminderung der Rauchgasgeschwindigkeit. Die in Wandnähe strömenden Rauchgasanteile benötigen daher eine größere Zeit, den Weg durch den Feuerraum zurückzulegen, als die in der Mitte des Feuerraumes strömenden Rauchgasanteile. Beides zu­ sammen, die mangelnde Umsetzung noch verbrennbarer Rauchgas­ anteile und die größere Aufenthaltszeit dieser Anteile er­ höhen die Wahrscheinlichkeit, daß es zu Korrosionen an der Feuerraumwand kommt. Aus alten Schadensberichten über kohle­ gefeuerte Kessel ist seit langer Zeit der schädliche Einfluß von CO im Rauchgas bekannt.

Zu ähnlichen Korrosionserscheinungen kann es durch Chlor- und Schwefelangriff kommen.

Kleine Schwefelsäurekonzentrationen können unter Umständen starke Korrosionserscheinungen hervorrufen und zwar um so eher, je stärker die Rohrwand verschmutzt ist und je höher die Temperatur des Schmutzbelages ist.

Alle konstruktiven Maßnahmen der Feuerraumgestaltung und der Sekundärluftzufuhr, die eine Glättung des Geschwindig­ keits- und Temperaturprofiles, also eine intensive Querver­ mischung bewirken, führen zwangsläufig zur Verminderung der geschilderten Gefahren.

In der Regel kann man das Rauchgas nicht im gesamten Strö­ mungsquerschnitt total vermischen. Es werden lediglich ein­ geschränkte Bereiche am Feuerraumein- und -austritt oder an den Feuerraumwänden total vermischt. Rauchgasanteile, die in diese Mischbereiche gelangen, halten sich dort sehr unter­ schiedliche Zeiten lang auf. Die einzelnen Rauchgasanteile sollen sich aber möglichst alle gleich lang, wie das bei einem Geschwindigkeitsprofil mit pfropfenförmigem Verlauf der Fall wäre, im Feuerraum aufhalten. Dem Grenzfall des pfropfenförmigen Geschwindigkeitsprofils nähert man sich desto mehr, je mehr Bereiche totaler Vermischung, die den ganzen Strömungsquerschnitt erfaßt, hintereinandergeschaltet sind.

Technisch werden die Bereiche totaler Vermischung durch Tur­ bulatoren, das sind nasenförmige Verbiegungen der Feuerraum­ vorder- und -rückwand, und durch Sekundärluftzufuhr erzeugt. In der Regel werden durch diese Maßnahmen nur Teilbereiche des Strömungsquerschnittes vermischt. Bei genauerer Betrach­ tung des Strömungsbildes dieser Bereiche wird man oft keine Vermischung, sondern einzelne Rückströmstrecken erkennen. Lediglich ersatzweise, wenn es um die mathematische Be­ schreibung der gesamten Rückströmstrecken geht, kann man den Begriff totale Vermischung zu ihrer Beschreibung an­ setzen.

Eine günstige Vermischungssituation kann erreicht werden, wenn mehrere Bereiche totaler Vermischung kaskadenartig in Reihe geschaltet sind, also mehrere Turbulatoren in Strömungsrichtung hintereinanderliegen.

In der Regel lassen sich schon aus Konstruktionsgründen nicht mehr als zwei Turbulatoren im Feuerraum unterbringen.

Mit den üblichen Sekundär-/Primärluftverhältniswerten würde keine ausreichende Quervermischung zu erreichen sein. Die Sekundärluftmengen müßten erheblich vergrößert werden. Das bedeutet, daß größere Rostflächen unterstöchiometrisch ar­ beiten müßten.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch die erfindungsgemäße Verbrennungsführung und Feuerraumgestaltung die in den vor­ anstehenden Abschnitten dargelegte Problematik der Schad­ stoffbildung durch unzureichende Strömungsbedingungen im Feuerraum zu lösen.

Das Gesamtkonzept besteht aus Verbrennungsführung und Feuer­ raumgestaltung. Das Gesamtkonzept ist in skizzenhafter Form, unterteilt in das Rostraumkonzept R und das Feuerraumkon­ zept F, in Bild 1 zu sehen. Der Rostraum R wird vom Rostge­ wölbe 1, dem Feuerraumeintrittsquerschnitt 2 und dem Rost 3 abgegrenzt. Der Rost ist in drei Zonen, in denen, von der Beschickungsseite her gesehen, der Brennstoff getrocknet, verschwelt und verbrannt wird, aufgeteilt.

Das Rostgewölbe 1 gibt den abströmenden Rauchgasen durch zwei Turbulatoren 4 einen im Vergleich zum Strömungsquer­ schnitt des Feuerraumes kleinen Querschnitt frei. Von der Größe des Feuerraumströmungsquerschnittes 2 abhängig, lie­ gen die Turbulatoren 4 auf einer Höhe oder sind versetzt zueinander angeordnet.

Im unteren Bereich des Feuerraumes erzeugen die Turbulato­ ren eine starke Quervermischung, von der alle den einzel­ nen Rostzonen entstammenden Rauchgasanteile erfaßt werden. Den Vermischungsbereich verläßt ein homogener Rauchgas­ strom mit einem hohen Anteil verbrennbarer Gas- und Staub­ fraktionen. Der zur Nachverbrennung erforderliche Sauer­ stoff wird durch Sekundärluftblaslanzen 5, die lotrecht durch den oberen und mittleren Feuerraumbereich laufen, nachgeliefert. Hierbei ist die Sekundärluftmenge wesentlich größer als die Primärluftmenge, damit eine Glättung des Ge­ schwindigkeitsprofils erreicht werden kann.

Neben der Luftversorgung für die Nachverbrennung haben die Blaslanzen die Aufgabe, die Rauchgasgeschwindigkeit im ganzen Querschnitt des Feuerraumes konstant zu halten. Im mittleren Feuerraumbereich sollte die Sekundärluft vorwie­ gend gegen die Feuerraumwände strömen, um eine intensive Nachverbrennung, mit der der stärkeren Rauchgasabkühlung in Wandnähe entgegengesteuert wird, hervorzurufen. Im obe­ ren Feuerraumbereich sollte die Sekundärluftmenge gleich­ mäßig, damit auch die Rauchgasfraktionen in der Feuerraum­ mitte nachoxidiert werden, verteilt sein. In engen Feuer­ räumen erfolgt die Sekundärluftzufuhr von den Feuerraumwän­ den her.

Das Lanzenlängen-Durchmesserverhältnis und die Anzahl der Lanzen sind rechnerisch so abzustimmen, daß das Lanzenma­ terial ausreichend gekühlt wird und der Vordruck zur Ver­ teilung der Sekundärluftmenge hinreichend klein ist. Die Bemessung der Luftdüsen hängt in erster Linie von der Höhe des zulässigen Vordruckes ab. Die den Düsen entströmende Sekundärluftmenge erzeugt in der Rauchgasphase einen Frei­ strahl (s. Bild 3).

Der Freistrahl muß auf der ganzen Länge einer vorgegebenen Eindringtiefe turbulent sein, um die Stoffüber­ gangsbedingungen zu verbessern. Zum einen vermischt sich der Freistrahl durch die Querbewegung der Turbulenzballen selbst, zum anderen werden größere Bereiche der umgebenden Gasphase in den Freistrahl hineingezogen. Aus der geforder­ ten Turbulenzbedingung, der vorgegebenen Eindringtiefe und dem in Bild 3 angegebenen Scheitelwinkel des Freistrahls läßt sich die von einer Düse abzugebende Sekundärluftmenge errechnen.

In der Realität werden sich nur geringfügige Abweichungen von der in Bild 3 dargestellten Situation ergeben. Sekun­ därluft und Rauchgas haben zwar unterschiedliche Tempera­ turen und eine unterschiedliche Zusammensetzung, durch die intensive Vermischung der Sekundärluft mit dem Rauchgas im Freistrahl werden diese Unterschiede aber sehr schnell kompensiert. Der rein physikalischen Vermischung überlagert sind zudem Verbrennungsreaktionen, durch die die Freistrahl­ temperatur angehoben wird. Der Raum zwischen den einzel­ nen Freistrahlen ist so klein gehalten, daß eine gegensei­ tige Beeinflussung der Freistrahlen erfolgt. Insgesamt stellen sich im Vergleich zu einem leeren Feuerraum sehr ausgeglichene Temperaturprofile quer zur Hauptströmungsrich­ tung ein. Damit verbunden sind große reaktionstechnische Vorteile, wie nahezu gleichgroße Verweilzeiten der Reaktions­ partner, gleichmäßige Reaktionsgeschwindigkeiten und eine Homogenisierung der Nachverbrennungsreaktionen.

Bei diesem Feuerungskonzept gibt es im Gegensatz zur reinen Rostfeuerung keinen Verbrennungsschwerpunkt mehr. Nachver­ brennung im Feuerraum und Rostfeuerungen bzw. Vorverbrennung sind "partnerschaftlich" miteinander verbunden. Im Gegen­ satz zu konventionellen Verbrennungssystemen werden im Feuerraum gezielte Verbrennungsvorgänge eingeleitet. Durch Veränderungen der Sekundärluftverteilung wird die Nachver­ brennung im Feuerraum optimiert. Die Sekundärluftmenge je­ der einzelnen Lanze oder einzelner Lanzenreihen ist getrennt regelbar.

Der Vorteil der Gleichgewichtigkeit von Vor- und Nachver­ brennung läßt sich gut am Beispiel der Stickoxidbildung darstellen:

Die Stickoxidbildung wird durch die Parameter

• - Verbrennungstemperatur
• - Sauerstoffpartialdruck bzw. Luftüberschußzahl
• - Verweilzeit und Verbrennungsblauf

beeinflußt. Die Verbrennugnstemperatur hängt in erster Li­ nie vom Luftüberschuß ab. Mit steigenden unterstöchiome­ trischen Sauerstoffpartialdrücken nimmt die Verbrennungs­ temperatur stark zu, erreicht im stöchiometrischen Punkt das Maximum und fällt mit steigenden überstöchiometrischen Werten ab. Hohe Verbrennungstemperaturen begünstigen die NO-Bildung ebenso wie hohe Sauerstoffpartialdrücke. Da das Sauerstoffangebot bei hohen Verbrennungstemperaturen knapp ist, verschiebt sich das Maximum der NO-Bildung in den über­ stöchiometrischen Bereich. Bei diesem Feuerungssystem sind grundsätzlich niedrige NO bzw. NO _x -Konzentrationen im Rauch­ gas zu erwarten, da die Verbrennung weitgehend unterstöchio­ metrisch (Sauerstoffmangel) abläuft und die Nachverbrennung infolge der intensiven Sekundärluftzumischung bei verhält­ nismäßig niedrigen Temperaturen stattfindet.

Wegen der im Vergleich zu konventionellen Feuerungen ver­ besserten Verbrennungsluftverteilung auf die Vor- und Nach­ verbrennung sind insgesamt niedrigere erforderliche Luft­ überschußzahlen zu erwarten. Die Verbrennungstemperaturen können über eine längere Zeit auf einem mittleren Niveau gehalten werden, wodurch die Schad- und Luftstoffbildung (z.B. SO₃ und polyzyklische, aromatische Kohlenwasser­ stoffe) sowie Korrosionsvorgänge unterdrückt werden.

Claims (9)

1. Über einer Feststoffeuerung eines Dampferzeugers ange­ ordnete Brennkammer, bestehend aus einem Rostraum R mit darüberliegendem Feuerraum F, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbrennung der Brenngase notwendige Sekun­ därluftmenge über Sekundärluftdüsen 6 dem den Feuer­ raum F in vertikaler Richtung durchströmenden Gasstrom in mehreren übereinanderliegenden, bis zur Decke des Feuerraumes F reichenden, Abschnitten in horizontaler oder annähernd horizontaler Richtung zugeführt wird.

2. Sekundärluftzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sekundärluftlanzen 5 aus Rohren bestehen, die von der Feuerraumdecke lotrecht in den Feuerraum F hineinragen.

3. Sekundärluftzuführung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärluftlanzen 5 mit Aus­ trittslöchern versehen sind, aus denen die Sekundärluft in horizontaler oder annähernd horizontaler Richtung in die Brenngase strömt.

4. Sekundärlufzuführung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärluftlanzen 5 derart den Strömungsquerschnitt des Feuerraumes ausfüllen, daß die aus den Sekundärluftlanzen 5 ausströmende Sekundärluft alle Strömungsbereiche der Rauchgase erreicht.

5. Sekundärluftzuführung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittslöcher, durch die Sekun­ därluft die Sekundärluftlanzen 5 verläßt, nur so groß sind, daß die austretenden Luftstrahlen einen ver­ hältnismäßig kleinen mittleren Durchmesser haben.

6. Sekundärluftzuführung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vertikale Abstand der Luftaus­ trittslöcher 6 in den Sekundärluftlanzen 5 nur so groß ist, daß sich die horizontal oder annähernd horizontal austretenden Luftstrahlen gegenseitig beeinflussen.

7. Sekundärluftzuführung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärluftrohre sich nur in Wand­ nähe der Feuerraumwände 7 befinden.

8. Sekundärluftzuführung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Luftmenge jeder Sekundärluft­ lanze 5 unabhängig von den anderen Sekundärluftlanzen zu regeln ist.

9. Sekundärluftzuführung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle im Strömungsquerschnitt des Feuer­ raumes untergebrachten Sekundärluftlanzen 5 abhängig voneinander geregelt werden.