DE3614177C2 - Brennkammer - Google Patents
BrennkammerInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
- F23L9/00—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel
- F23L9/02—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel by discharging the air above the fire
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft, eine, über einer Feststoffeuerung eines Dampferzeugers angeordnete
Brennkammer mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
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:
Maximal | |
Minimal | |
CO₂-Bildung | |
CO-Bildung | |
SO₂-Bildung | SO₃-Bildung |
NOx-Bildung | |
Ausbrand | Unverbranntes 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
schwindigkeltsprofile ein, die in Wandnähe wesentlich schwä
cher gekrümmt sind. In Wandnähe sind die Rauchgasgeschwin
digkelten 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 Rauchgasantelle. Beides zu
sammen, die mangelnde Umsetzung noch verbrennbarer Rauchgas
antelle 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 Geschwindigkeltsprofil 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-/Primärluftverhaltniswerten würde
keine ausreichende Quervermischung zu erreichen sein. Die
Sekundärluftmengen müßten erheblich vergrößert werden. Das
bedeutet, daß größere Rostflächen unterstöchiometrisch ar
beiten müßten.
Eine andere Möglichkeit der Rauchgasvermischung ist in der PS 808 869 beschrieben. Es
wird dort die Sekundärluft ausdrücklich nur in zwei übereinanderliegenden Ebenen dem
Rauchgas zugeführt, wobei bei einer Staubfeuerung die Luft, die im Bereich der Staubeinbla
sung zugegeben wird, nicht als Sekundärluft bezeichnet werden kann. Es ist dies die für die
Staubbrenner erforderliche Primärluft.
Bei nur zwei übereinanderliegenden Einblasebenen für die Sekundärluft kann die Durch
mischung der Rauchgase nicht optimiert werden.
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 Fig. 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. Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Verweilzelten 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 Verbrennungsablauf
beeinflußt. Die Verbrennungstemperatur 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. NOx-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 angeordnete Brennkammer, bestehend
aus einem Rostraum R mit darüberliegendem Feuerraum F, dadurch gekennzeichnet, daß
die zur Verbrennung und Verrührung der Brenngase notwendige Luft über Sekundär
luftdüsen (6), mittels Zuführungslanzen (5) über den zugquerschnitt des Feuerraumes (F)
verteilt sind, dem den Feuerraum (F) in vertikaler Richtung durchströmenden Gasstrom in
mehreren übereinanderliegenden bis zur Decke des Feuerraumes (F) reichenden Abschnit
ten in horizontaler oder annähernd horizontaler Richtung, den Erfordernissen der Verbren
nung entsprechend geregelt, zugeführt wird.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungslanzen (5)
aus Rohren bestehen, die von der Decke des Feuerraumes lotrecht in den Feuerraum (F)
hineinragen.
3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungslanzen
(5) mit Austrittslöchern versehen sind, aus denen die Sekundärluft in horizontaler
Richtung in die Brenngase strömt.
4. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungslanzen
(5) derart den Strömungsquerschnitt des Feuerraumes ausfüllen, daß die aus den Zufüh
rungslanzen (5) ausströmende Sekundärluft alle strömungsbereiche der Rauchgase er
reicht.
5. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittslöcher
durch die Sekundärluft die Zuführungslanzen (5) verläßt, nur so groß sind, daß die austre
tenden Luftstrahlen einen verhältnismäßig kleinen mittleren Durchmesser haben.
6. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand
der Luftaustrittslöcher (6) in den Zuführungslanzen (5) nur so groß ist, daß sich die hori
zontal oder annähernd horizontal austretenden Luftstrahlen gegenseitig beeinflussen.
7. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftrohre
sich nur in Wandnähe der Feuerraumwände (7) befinden.
8. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmenge jeder
Zuführungslanze (5) unabhängig von den anderen Zuführungslanzen zu regeln ist.
9. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle im Strömungs
querschnitt des Feuerraumes untergebrachten Zuführungslanzen (5) abhängig voneinander
geregelt werden.
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
EP3798513B1 (de) | 2019-09-26 | 2022-06-01 | ÖKOFEN Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft m.b.H. | Heizeinrichtung |
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DE3715648A1 (de) * | 1987-05-11 | 1988-11-24 | Thermo Anlagen Technik Miehe G | Verfahren und einrichtung zur thermischen verwertung von brikettierten brennbaren fest-stoffen, vornehmlich solchen aus abfaellen, bestehend aus mindestens drei in reihe geschalteten teilanlagen wie brennraeumen und gasreinigungen |
DE3803134C2 (de) * | 1988-02-03 | 1997-03-06 | Erk Eckrohrkessel | Primärmaßnahmen zur Schadstoffverminderung bei der Verbrennung |
DE20011685U1 (de) * | 2000-07-05 | 2001-02-22 | Bergholz Guenter | Kamineinsatz für häusliche Feuerstätten |
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1986
- 1986-04-26 DE DE19863614177 patent/DE3614177C2/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
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