DE3712039C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungskessel, insbesondere für die Müllverbrennung, bestehend aus einem Feuerraum mit einem Feuerrost, und mit einer oberhalb des Feuerrostes angeordneten Aufgabe, wobei der Feuerraum in seinem oberen, dem Feuerrost gegenüberliegenden, in Richtung eines Rauchgasabzuges weisenden Bereich eine symmetrisch zur Achse des Rauchgasabzuges angeordnete Drosselung aufweist und wobei im Bereich der Drosselung eine Lufteindüsvorrichtung angeordnet ist, die mehrere Düsenöffnungen besitzt.

Ein derartiger Verbrennungskessel ist aus der Zeitschrift "Müll und Abfall" 7/78, Seite 222 bekannt. Die hierbei vorgesehene Drosselung stellt eine symmetrische Einschnürung dar, durch die eine starke Verwirbelung der aufsteigenden Rauchgase ausgelöst werden soll. Durch diese starke Wirbelbildung wird eine gleichmäßige Strömung der Rauchgase verhindert, so daß es zu Anbackungen an den schrägen Wandflächen des Rauchgasabzuges kommen kann, da aufgrund der ungleichmäßigen Strömungsstruktur keine gleichmäßige, vollständige Nachverbrennung erfolgen kann. Die im Bereich der Drosselung vorgesehenen Lochöffnungen in der Feuerraumwandung dienen dazu, sogenannte Schleierluft zuzuführen. Diese Schleierluft, die auch als Schleich- oder Falschluft bezeichnet wird, soll an den Innenseiten der Feuerraumwandungen entlangströmen, um die Wandungen vor aggressiven Stoffen zu schützen. Diese Schleierluft nimmt aber nicht an der Verbrennung teil, da sie aufgrund ihrer Strömung längs der Wandungen nicht alle CO-Moleküle im Rauchgasstrom zur Bildung von CO₂ kontaktieren kann. Zudem senkt diese Schleierluft aufgrund der Nicht-Teilnahme an der Verbrennung die Temperatur im Feuerraum, was insofern zu Problemen führt, als gemäß der gesetzlichen "TA-Luft" eine Feuerraumtemperatur von 850°C keinesfalls unterschritten werden darf. Zwar soll durch die Einschnürung in Verbindung mit der Eindüsung von Sekundärluft die Bildung von aggressiven CO-Strähnen verhindert werden, was jedoch offensichtlich nur sehr unvollständig gelingt, da die eingedüste Zeitluft nicht alle in dem Rauchgasstrom vorhandenen CO-Moleküle kontaktieren und damit CO₂ bilden kann.

Weiterhin ist aus der DE-PS 30 38 875 ein Verbrennungskessel bekannt, bei dem der Übergang vom Feuerraum zum Rauchgasabzug durch nasenförmige Vorsprünge der Wandungen des Feuerraums eingeschnürt ist. Diese unsymmetrische Einschnürung ist aber insofern nachteilig, als hierdurch eine gleichmäßige Strömung der Rauchgase im Feuerraum verhindert wird und es ebenfalls zu Anbackungen an den schrägen Wandflächen kommen kann, da aufgrund der ungleichmäßigen Strömungsstruktur keine gleichmäßige Verbrennung auftritt. Der bei dieser Druckschrift vorhandene Düsenkasten besitzt Düsenöffnungen, die so angeordnet bzw. ausgerichtet sind, daß ein Nachverbrennen der Rauchgase erst oberhalb der nasenförmigen Vorsprünge erfolgt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungskessel der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß eine optimale Verwirbelung und Durchmischung der Rauchgassträhnen mit der Sekundärluft im Feuerraum vor der Drosselung erfolgt und wobei in der Nachverbrennungszone des Rauchgasabzuges Anbackungen an den Wandungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Drosselung venturirohrartig ausgebildet ist und daß in Strömungsrichtung der Rauchgase unmittelbar vor der Drosselung in deren freiem Querschnitt mindestens ein Düsenbalken angeordnet ist, der mehrere, derart in Richtung des Feuerraums weisende Düsenöffnungen besitzt, daß aus den Düsenöffnungen austretende Luftstrahlen vor der Drosselung ein sich lückenlos über den Rauchgasquerschnitt erstreckendes Gitter bilden.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird am Übergang vom Feuerraum zum Rauchgasabzug dort praktisch eine Nachverbrennungskammer gebildet, und zwar bedingt durch die durch die Drosselung bewirkte Durchmischung der Rauchgase in diesem Bereich. Diese Durchmischung wird dadurch erzielt, daß vor der Drosselung ein Rauchgasstau, in der Drosselung eine Rauchgasbeschleunigung und hinter der Drosselung eine Rauchgasabbremsung auftritt. Hierbei ist der Druckabfall durch die Drosselung zwischen Feuerraum und Rauchgasabzug gering, da Ablösewirbel bei der Strömungsverzögerung im Diffuserbereich des venturirohrartigen Abschnittes vermieden werden. Hierdurch ist der freie Abzug der Rauchgase ohne Anbackungen an den Seitenwänden gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, wenn im Bereich des engsten Querschnittes der Drosselung eine Strömungsgeschwindigkeit von 8 bis 10 m/s und im in Strömungsrichtung dahinterliegenden, auf den Querschnitt des Rauchgasabzugs erweiterten Bereich eine Strömungsgeschwindigkeit von 4 bis 5 m/s vorhanden ist. Weiterhin bewirkt die Drosselung, durch die erhöhte Verweilzeit der Rauchgase im Feuerraum, einen vollständigeren Abbau der halogenierten Kohlenwasserstoffe, da hierdurch eine vollständigere Verbrennung der Rauchgase in einem Temperaturbereich von 900°C bis 1100°C erfolgt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten und werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsge­ mäßen Verbrennungskessel in Prinzipdar­ stellung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen Verbrennungs­ kessels.

Ein erfindungsgemäßer Verbrennungskessel 1, insbesondere ein Müllverbrennungskessel, wie in Fig. 1 dargestellt, besteht aus einem Feuerraum 2, in dessen Boden ein Verbrennungsrost 3 angeordnet ist. Hierbei handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Walzenrost, der schräg zur Horizontalen nach unten geneigt verläuft. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Walzenrost aus sechs hintereinander angeordneten, parallel zueinander verlaufen­ den Walzen. Unterhalb des Verbrennungsrostes 3 befinden sich Zuführungen 4 zum Zuführen kalter Verbrennungsluft, soge­ nannter Primärluft, in die den Rost 3 umgebende Verbren­ nungszone 5. Die über die Zuführungen 4 zugeführte Verbren­ nungsluft wird von einem Unterwindventilator aus dem Müllbunker angesaugt. Dabei wird diese Ansaugung so durchge­ führt, daß die Staubfracht der angesaugten Luft möglichst gering ist. Durch große Ansaugquerschnitte, d. h. geringe Strömungsgeschwindigkeiten, wird die Luft vorzugsweise direkt an der kesselhausseitigen Bunkerwand entnommen. Durch geeignete Maßnahmen ist dabei sichergestellt, daß die Ansauggeräusche den Schallpegel im Bunker nur unwesentlich erhöhen. Die Primärluftansaugkanäle sind an den Staubanfall­ punkten mit ausreichend großen und leicht zugänglichen Reinigungsöffnungen versehen. In den Feuerraum 2 mündet oberhalb des oberen Endes des Verbrennungsrostes 3, gesehen in Transportrichtung des Mülls, siehe Pfeil X, eine Müllauf­ gabe 6. Die Austrittsöffnung 7 der Müllaufgabe 6 erweitert sich über Schrägflächen 8, 9 in den Feuerraum 2. Der Feuerraum 2 oberhalb des Verbrennungsrostes 3 besteht aus einem unteren Abschnitt 2 a, der oberhalb des unteren Endes des Rostes im Bereich einer den Kesselausgang bildenden Öffnung 10 und den beiden unteren Walzen des Walzenrostes ausgebildet ist, so daß dieser Abschnitt sich etwa im unteren Drittel des Verbrennungsrostes 3 befindet und von einer Deckenwandung 11, die parallel zum Rost 3 verläuft, nach oben begrenzt wird. Die Höhe des Abschnitts 2 a oberhalb des Verbrennungsrostes 3, d. h. oberhalb der Walzen, entspricht etwa dem Durchmesser der Walzen. Die Zone entspricht etwa der Abkühlzone der Verbrennungsschlacke. Im Anschluß an den Abschnitt 2 a erweitert sich der Feuerraum 2 noch oben und mündet in einen Rauchgasabzug 12, wobei die Breite des Rauchgasabzuges 12 etwa der halben Länge des Rostes 3 entspricht und im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise ca. 5 m beträgt, und zwar in Anpassung an die gewünschte Verbrennungsleistung des erfindungsgemäßen Verbrennungskessels 1. Die etwa horizontale Verbindungs­ öffnung 13 zwischen dem Feuerraum 2 und dem Rauchgasabzug 12 liegt unmittelbar oberhalb der Einmündung der Müllaufgabe 6. Der Feuerraum 2 weist eine Rückwand 14 auf, die sich von der Deckenwandung 11 aus vertikal nach oben erstreckt und sich unmittelbar in die Rückwand 15 des Rauchgasabzuges 12 verlängert. Die Vorderwand 16 des Rauchgasabzuges 12 verläuft parallel zu dessen Rückwand 15 und erstreckt sich vom Ende der Schrägfläche 9, die sich an die Müllaufgabe 6 anschließt, nach oben. Der Bereich des Rauchgasabzuges 12 unmittelbar in Strömungsrichtung der Rauchgase gesehen hinter der Verbindungsöffnung 13 weist eine Drosselung 17 auf, die im dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel als Venturirohr ausgebildet ist. Dieses Venturirohr 17 stellt eine Nachbrennkammer dar, in dem das Rauchgasgemisch zunächst eine Beschleunigung auf ca. 8 bis 10 m/s erhält und dann eine Geschwindigkeitsverringerung auf etwa 4 bis 5 m/s. Hierdurch ergeben sich Relativbewegungen innerhalb des Rauchgasstromes, so daß eine intensive Mischung der Rauch­ gas- und Temperatursträhnen erfolgt. Dies bewirkt eine verbesserte Verbrennung des Rauchgasgemisches und damit einen erhöhten Abbau der darin enthaltenen Schadstoffe, insbesondere der darin enthaltenen halogenierten Kohlenwas­ serstoffe (z. B. Dioxine).

Die erfindungsgemäße glattflächige Ausgestaltung des Feuerraums 2 oberhalb der Trocknungs- und Verbrennungszone des Verbrennungsrostes 3 ohne Vorsprünge und Nasen verhin­ dert das Auftreten von Anbackungen. Darüber hinaus ermög­ licht die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine gleichmäßige Strömung der Rauchgase, wodurch das Verbrennungsverhalten im Sinne einer gleichmäßigen Verbrennung verbessert wird. Dies wird noch dadurch unterstützt, daß bedingt durch die am Ausgang des Feuerraums angeordnete Drosselung zunächst ein Stau erzeugt wird, der die Verweilzeit der Rauchgase im Feuerraum verlängert, wobei dies auch deshalb besonders vorteilhaft ist, da gerade im Bereich vor der Drosselung eine Temperaturzone vorhanden ist, die einen Temperaturbe­ reich von etwa 900° bis 1050°C aufweist, und gerade dieser Temperaturbereich für die Verbrennung der in den Rauchgasen enthaltenen halogenierten Kohlenwasserstoffe maßgeblich ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn innerhalb der Verbin­ dungsöffnung 13 zwischen dem Feuerraum 2 und dem Rauchgasab­ zug 12, d. h. vor dem Eintritt in das Venturirohr 17, eine Eindüsvorrichtung 18 für weitere Zuluft vorgesehen ist. Diese über die Eindüsvorrichtung 18 zugeführte Zuluft wird im folgenden als Sekundärluft bezeichnet. Die Eindüsvorrich­ tung 18 ist derart ausgestaltet, daß die aus dieser austre­ tenden Luftstrahlen ein quasi lückenloses Gitter bilden, so daß keine Rauchgassträhne diesen Bereich durchdringen kann, ohne intensiv mit der eingedüsten Sekundärluft in Berührung zu kommen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht diese Eindüsvorrichtung 18 aus einem Düsenbalken, welcher sich quer zur Richtung des Rauchgasstromes von der Vorder- zur Rückseite des Rauchgasabzuges 12 erstreckt und in den Wandungen gelagert ist. Je nach Größe des Querschnitts der Verbindungsöffnung 13 können aber auch zwei oder mehr beabstandete, parallele Düsenbalken 18 vorgesehen sein. Ein derartiger erfindungsgemäßer Düsenbalken 18 besteht aus einem druckfesten, hitzebeständigen Material und weist vorzugsweise einen etwa quadratischen Querschnitt auf, wobei in zwei benachbarten Seiten Düsenöffnungen 19 ausgebildet sind, die in Zeilenanordnung in den Kastenseiten 20, 21 angeordnet sind. Ein derartiger Düsenbalken ist an sich aus der DE-PS 30 38 875 bekannt, jedoch wirkt er bei der vorliegenden Erfindung gerade entgegengesetzt zu der Wirkungsrichtung gemäß der DE-PS 30 38 875. Der Düsenbalken 18 ist derart angeordnet, daß die die Düsenöffnung 19 aufweisenden Kastenseiten 20, 21 schräg zur Rauchgasabzug­ längsachse, vorzugsweise unter einem Innenwinkel von 45°, dem Feuerraum 2 zugekehrt verlaufen. Infolge der zeilenar­ tigen Anordnung der Düsenöffnungen 19 bilden die austreten­ den Luftstrahlen ein lückenloses Gitter, so daß keine Rauchgassträhne diesen Bereich durchdringen kann, ohne intensiv mit der eingedüsten Luft in Berührung zu kommen. Dabei ist die Eindüsrichtung der Sekundärluft der Abzugs­ richtung des Rauchgases entgegengesetzt, so daß hierdurch Turbulenzen im Bereich vor der Drosselung 17 erzeugt werden, wodurch die Verweilzeit der Rauchgase in diesem Bereich, der ein Temperaturniveau von 900°C bis 1050°C aufweist, zusätzlich erhöht wird und eine Verweildauer der Rauchgase in diesem Bereich von ca. 8 Sekunden erreicht wird. Hier­ durch wird der Abbau der halogenierten Kohlenwasserstoffe gewährleistet. Die Sekundärluft kann aus den Düsenöffnungen 19 mit einer Geschwindigkeit von über 50 m/s austreten. Weiterhin wird durch die Lufteindüsung bewirkt, daß die in den Rauchgasen mitgeführten brennbaren Bestandteile infolge der intensiven Versorgung mit Sauerstoff schon in der oberen Feuerraumzone vollständig ausbrennen. Die Sicherstellung des Ausbrandes bei allen Betriebszuständen innerhalb des Feuerungsleistungsdiagrammes wird durch die neuentwickelte Gestaltung des Feuerraums ebenso gewährleistet, wie insbe­ sondere auch die Verhinderung der Entstehung von halogenier­ ten Kohlenwasserstoffen. Eindeutig positive Resultate bezüglich der PCDD/F-Verminderung zeigen Untersuchungen bei Erhöhung der Turbulenz und Verweilzeit der Verbrennungsgase in heißen Temperaturzonen, wie dies erfindungsgmäß bewirkt wird. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist es möglich, bei den Verbrennungstemperaturen, die eine Müllfeuerung bietet, bei einer homogenen Erwärmung der Rauchgase auf 1000°C über eine Dauer von 2 Sekunden, die unerwünschten entstandenen Produkte, wie insbesondere halogenierte Kohlenwasserstoffe, abzubauen.

Weiterhin können vorteilhafterweise, wie in Fig. 2 darge­ stellt ist, in der Vorderwand im Bereich der Schrägfläche 9 kurz vor dem Übergang zum Venturirohr 17 sowie in der Rückwand 14 kurz oberhalb des Endes der Deckenwandung 11 Tertiärluftdüsen 22 angeordnet sein. Durch diese wird Tertiärluft in den Rauchgasstrom eingeblasen, und zwar mit einer Geschwindigkeit vorzugsweise von mehr als 60 m/s. Hierdurch soll eine gute Durchmischung erreicht werden, wobei die Eindringtiefe der Luftstrahlen und die Verteilung der Düsen derart bemessen sind, daß der Rauchgasstrom, insbesondere im Wandungsbereich vollständig erfaßt wird. Diese Düsen sind als Ergänzung zu den Düsenbalken 18 vorteilhaft, da mit ihnen insbesondere die Bereiche in Nähe der Wandungen hinreichend mit Luft durchdrungen werden, um eine vollständige Verbrennung auch in diesem Bereich zu bewirken.

Das Sekundär- und Tertiärluftsystem sind völlig getrennt vom Primärluftsystem ausgebildet. Die Ansaugung erfolgt durch separate Luftgebläse unterhalb der Kesseldecke. Mit Rück­ sicht auf Geräuschentwicklung sind sämtliche Ansaugkanäle und druckseitige Luftkanäle so dimensioniert, daß die Strömungsgeschwindigkeit von 15 m/s nicht überschritten wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Luftkanäle ausreichend ausgesteift sind, und die Verbindungen der Kanäle und der Aufhängungen an Gebäudeteilen, Kessel- und Feuerungsgerüst elastisch und körperschalldämmend ausgeführt sind.

Die Zufuhr von Sekundärluft und vorzugsweise auch von Tertiärluft gemäß der Erfindung ermöglicht eine Verminderung der zugeführten Primärluftmenge auf etwa g = 1 bis 1,2 (λ = Luftüberschußzahl), so daß in der Verbrennungszone 5 eine unvollständige Verbrennung erfolgt und der Verbren­ nungsvorgang verzögert wird. Hierdurch reduziert sich die NO _x -Gasbildung im Feuerraum. Die erfindungsgemäße Zufuhr der Sekundärluft mit der Vermischung im Venturirohr 17 sichert die abschließende vollkommene Verbrennung und die Einhaltung einer Luftüberschußzahl von ca. λ = 1,5-1,8 im Rauchgasab­ zug. Somit kann durch die Erfindung der NO _x -Anteil im Rauchgas insgesamt bei vollständiger Verbrennung verringert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, wenn wie in Fig. 1 dargestellt ist, mit dem Sekundär­ luftsystem eine Ammoniak-Anlage 24 verbunden ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, über die Düsenbalken 18 in den Bereich der Verbindungsöffnung 13 Ammoniak einzudüsen, das sich dort innig mit dem Rauchgasstrom vermischt, wobei die Eindüsung in einem Feuerraumbereich erfolgt, in dem ein effektives Temperaturniveau von ca. 1000°C herrscht. Bei diesem Temperaturniveau ist der Stickoxidanteil wie folgt, 5 bis 10% NO₂ und 90 bis 95% NO. Indem nun gemäß der Erfindung im Bereich der Verbindungsöffnung vor dem Venturi­ rohr 17 Ammoniak eingedüst wird, erfolgt eine selektive Reduktion der Stickoxide, so daß durch die Zugabe von Ammoniak Stickstoff und Wasser entstehen, und zwar ohne daß hierzu Katalysatoren erforderlich sind. Auch hier gewähr­ leistet die Erfindung eine gleichmäßige Durchdringung des Rauchgases mit Ammoniak, und zwar sowohl im Feuerraum als auch im Anschluß an den Feuerraum im Nachbrennbereich des Venturirohrs. Zwar ist aus der DE-PS 24 11 672 an sich ein Verfahren zum Entfernen von Stickstoffmonoxid aus sauer­ stoffhaltigen Verbrennungsabgasen durch selektive Reduktion mit Ammoniak bekannt, jedoch ergibt sich die Anwendbarkeit dieses Verfahrensprinzips bei der Müllverbrennung erst in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Prinzip der Eindüsung des Ammoniaks mit dem erfindungsgemäßen Sekundärluftsystem, wobei eine Mischung aus Sekundärluft und Ammoniak ebenfalls eingedüst werden kann.

Claims (5)

1. Verbrennungskessel, insbesondere für die Müllverbren­ nung, bestehend aus einem Feuerraum mit einem Feuer­ rost, einer oberhalb des Feuerrostes angeordneten Aufgabe, wobei der Feuerraum in seinem oberen, dem Feuerrost gegenüberliegenden, in Richtung eines Rauchgasabzuges weisenden Bereich eine symmetrisch zur Achse des Rauchgasabzuges angeordnete Drosselung aufweist und wobei im Bereich der Drosselung eine Luft-Eindüsvorrichtung angeordnet ist, die mehrere Düsenöffnungen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselung (17) venturirohrartig ausgebildet ist, und daß in Strömungsrichtung der Rauchgase unmittelbar vor der Drosselung in deren freiem Querschnitt mindestens ein Düsenbalken (18) angeordnet ist, der mehrere, derart in Richtung des Feuerraumes weisende Düsenöffnungen besitzt, daß aus den Düsenöffnungen austretende Luftstrahlen vor der Drosselung (17) ein sich lückenlos über den Rauchgasquerschnitt erstreckendes Gitter bilden.

2. Verbrennungskessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenbalken (18) einen quadratischen Querschnitt besitzt, wobei in zwei benachbarten, dem Feuerraum (2) zugekehrten, zur Strömungsrichtung geneigt verlaufenden Kastenseiten (20, 21) die Düsenöffnungen (19) in Zeilenanordnung ausgebildet sind.

3. Verbrennungskessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des engsten Querschnitts der Drosselung eine Strömungsgeschwindigkeit von 8 bis 10 m/s und im in Strömungsrichtung dahinterliegenden, auf den Querschnitt des Rauchgasabzugs (12) erweiterten Bereich eine Strömungsgeschwindigkeit von 4 bis 5 m/s vorhanden ist.

4. Verbrennungskessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenbalken (18) zusätzlich mit einer Ammoniakgas-Anlage (24) verbunden ist.

5. Verbrennungskessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Düsenbalken (18) parallel zueinander derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen und den jeweils benachbarten Wänden (15, 16) des Rauchgasabzuges (12) dieselben Abstände gegeben sind.