DE3718484A1 - Feuerungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Wärmeenergietech­ nik und betrifft insbesondere Feuerungsanlagen.

Die vorliegende Erfindung kann ihre Anwendung in Kes­ seln finden, in denen beim Verfeuern von Brennstoffen Schlackenrückstände entstehen.

Besonders wirksam kann die vorliegende Erfindung in Kraftwerkkesselaggregaten von einer verhältnismäßig größeren Leistung mit flüssigem Schlackenabzug verwendet werden.

In modernen Energieanlagen für die Erzeugung der Wär­ me- und Elektroenergie werden feste Brennstoffe verfeuert, bei denen der Aschegehalt, bezogen auf die Brennstoffmasse (A ^P ) 35 bis 50% erreicht. Ein Teil dieser Masse u. z. 15 bis 20% setzt sich in der Schlackenkammer an den Wänden der Feuerungsanlage (im folgenden "Feuerung" genannt), welche unterhalb der Formkühlkasten der Brenner angeordnet ist, und auf dem Boden der Feuerung ab. Die schmelzflüssige Schlackenmasse fließt über die Wände und Bodenflächen der Feuerung ab, gelangt in das Schlackenloch und von dort in das Granulierbad. Die erstarrte granulierte Schlacke wird als Trübe zur Lagerung an Aschen- und Schlackenhalden des Wärmekraftwerkes befördert.

Beim normalen Betriebsverlauf einer Kraftwerkfeuerung muß die Verweilzeit der schmelzflüssigen Schlackenmasse in der Schlackenkammer beschränkt werden. Eine Schlackenstau­ ung, insbesondere im Bereich des Schlackenloches führt zur Betriebsstörung, was eine Zerstörung des Bodenfutters, ein Durchbrennen der Kühlrohre der Feuerung, ein Durchbruch der Schlacke ins Kesselhaus, eine Wasserstoffexplosion zur Fol­ ge haben kann.

Eine Untersuchung der Havarieursachen ergab, daß ein Teil des Bodenfutters und der zwischen den Blöcken gele­ genen Nähte durch Verbindungen auf der Basis von Eisen me­ tallisiert ist. Durch die nachfolgenden Analysen wurde nach­ gewiesen, daß unter Bedingungen der für die Schlackenkam­ mer der Feuerung kennzechnenden Reduktionsatmosphäre und hoher Temperaturen in der Schlacke eine Reduktionsreaktion von Eisen- und Siliziumoxiden unter Bildung von Ferrosili­ zium abläuft. Bei einer Verzögerung des Schlackenabzuges durch das Schlackenloch entsteht auf dem Boden eine Schlac­ kenschicht, in der eine Trennung der Schlackenschmelze statt­ findet, wobei das entstandene Ferrosilizium (FeSi) als Werk­ stoff mit einer hohen Dichte auf den Boden ausfällt. Die FeSi-Schicht tritt mit dem Werkstoff des Futters und mit der Stampfmasse der Nähte der Feuerungsbodensektionen in Wechselwirkung, zerstört diese und dringt zu den Kühlroh­ ren ein. Infolge einer hohen Wärmeleitfähigkeit der FeSi- Schicht brennt sie die Rohre durch oder fließt hinter die Abschirmung aus. Am häufigsten liegt die Durchbruchstelle in der Nähe des Schlackenloches.

Aus diesem Grunde sollen in der Schlackenkammer Be­ dingungen für einen möglichst schnellen Schlackenabfluß geschafft werden, damit sich die Schlacke im Bodenbereich der Feuerung nicht aufhalten und ansammeln kann. Anderer­ seits sollte das spontan vor sich gehende Prozeß der Ge­ winnung von Ferrosilizium aus dem unbrennbaren Teil fester organischer Brennstoffe zu einer regelrechten Technologie zur Nebenerzeugung von Ferrosilizium mit einem Siliziumge­ halt von 12 bis 35% gestaltet werden. Eine solche silizium­ arme Legierung FeSi findet ihre Anwendung in Gieß- und Be­ ruhigungsprozessen für Schmelzen, d. h., sie stellt eine Marktware dar. Ausgehend davon muß eine der Feuerung eines Wärmekraftwerkes angeschlossene Vorrichtung geschafft wer­ den, die es gestattet, den Prozeß des Herausführens des Schlackenrückstandes nach dem Brennstoffverfeuern zu ver­ bessern und dann die Reduktion von Ferrosilizium als Pro­ dukt der abfallarmen Technologie einzuleiten.

Es ist eine Feuerungsanlage für die Verfeuerung ei­ nes festen Brennstoffes (DE, C 8 94 298) bekannt, die ei­ ne Brennkammer, in deren unteren Teil eine Schlackenkam­ mer mit einem Kanal für den Abzug der flüssigen Schlacke in Verbindung stehenden Schlackenloch vorgesehen ist, sowie eine Düse enthält. Die Düse ist unterhalb des Schlackenloches relativ zu einer Horizontalachse drehbar angeordnet. Die Düse hat die Aufgabe, eine Erstarrung der flüssigen Schlackenschmelze im Bereich des Schlackeloches zu verhindern und im Betriebszustand ist die Flamme dieser Düse auf das Schlackenloch gerichtet. Bei der Erzeugung der Wärme- und Elektroenergie kann der Reduktionsprozeß von Ferrosilizium aus der bis zum schmelzflüssigen Zustand während der Brennstoffverfeuerung erwärmten Schlacken ei­ ner solchen Feuerung nicht gestaltet werden.

Es ist eine Feuerungsanlage für die Verfeuerung ei­ nes festen Brennstoffes (SU, A 8 40 567) bekannt, die eine Brennkammer für den festen Brennstoff, in deren unte­ rem Teil sich eine Schlackenkammer mit einem mit einem Ka­ nal für den Abzug der flüssigen Schlacke in Verbindung stehenden Schlackenloch befindet sowie eine Düse zum Zu­ führen eines Reduktionsmittels in die Schlacke enthält.

Die Schlackenkammer hat einen ringförmigen Boden des­ sen Oberfläche mit einer ständigen Neigung in Richtung zu dem Schlackenloch hin ausgeführt ist.

Diese Feuerungsanlage wird wie folgt betrieben. Die sich bei der Brennstoffverfeuerung bildende Schlacke fließt in die Schlackenkammer mit dem ringförmigen Boden ab, durch welche die durch einen ringförmigen Sammler verei­ nigten Düsen geführt sind; durch die Düsen werden Produkte einer unvollständigen Verbrennung (Kohlenoxid und Kohlen­ stoff) zugeführt, die in der Brennkammer bei einer Oxyda­ tionszahl von 0,8 bis 0,95 entstehen. Das Reduktionsmittel perlt durch die Schicht der schmelzflüssigen Schlacke hin­ durch und gewährleistet somit den Verlauf der Oxydations­ reaktionen von Eisen- und Siliziumoxiden. Das Ferrosili­ zium fließt in einen Behälter ab, die Schlacke wird in ein Granulierbad geleitet, während die gasförmigen Produkte in einen Abhitzekessel geleitet werden.

Beim Betrieb einer solchen Feuerungsanlage findet in­ folge eines Oxydationsmittelmangels eine unvollständige Verbrennung des Brennstoffes statt. Das beeinflußt die Wärmebelastung des Abhitzekessels und bewirkt eine Ver­ minderung der Leistung der Feuerungsanlage. Außerdem kön­ nen die durch die Abmessungen der Feuerungsanlage begrenz­ ten Abmessungen des Bodens eine hinreichende Zeitdauer für den Verlauf von Reduktionsreaktionen von VeSi, nicht ge­ währen, während die ständige Neigung der Bodenoberfläche keine ausreichende Zeitdauer für die Trennung der Schlac­ ke und des Ferrosiliziums zuläßt. Das Volumen und die Qua­ lität der Reduktionsprodukte sind nicht stabil, da das Reduktionsmittel selbst instabil ist. Die Menge und die Zusammensetzung des Reduktionsmittels werden dadurch be­ stimmt, wie der Prozeß der Vorbereitung und der Verfeue­ rung eines festen Brennstoffes vor sich geht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feu­ erungsanlage für die Verfeuerung eines festen Brennstoffes zu schaffen, in der durch eine Vereinigung des Prozesses der Erzeugung der Wärme- und Elektroenergie mit dem Re­ duktionsprozeß der Reduktionsgrad von Ferrosilizium aus der Schlacke erhöht wird.

Diese Aufgabe wurde durch die Schaffung einer Feuerungs­ anlage für die Verfeuerung eines festen Brennstoffes gelöst, enthaltend eine Brennkammer, in deren unterem Teil eine Schlackenkammer mit einem Schlackenloch, welches mit einem Kanal für den Abzug der flüssigen Schlacke in Verbindung steht, vorgesehen ist, sowie eine Düse zum Zuführen eines Reduktionsmittels in die Schlacke, die erfindungsgemäß zu­ sätzlich ein Schlackenreduktionsbad hat, das mit dem Kanal für den Abzug der flüssigen Schlacke in Verbindung steht und bei dem der Boden mit einem in Richtung vom Eintritt zum Austritt hin relativ zum Horizont veränderlichen Nei­ gungswinkel ausgeführt ist, während an dem untersten Ab­ schnitt des Bodens eine Absetzkammer vorgesehen ist, wobei die Düse zum Zuführen des Reduktionsmittels in die Schlac­ ke im Gewölbe des Bades, dem Bodenabschnitt mit dem rela­ tiv zum Horizont maximalen Neigungswinkel gegenüberliegend, angeordnet ist.

Durch die Verwendung eines abgesonderten Schlacken­ reduktionsbades, das durch den Kanal für den Abzug der flüssigen Schlacke mit der Feuerungsanlage in Verbindung steht, werden günstige Voraussetzungen für die Vereinigung des Prozesses der Erzeugung der Energie (Wärme- und Elektro­ energie) mit dem Prozeß der Ferrosiliziumerzeugung geschaf­ fen. Sie zeigen sich darin, daß die Hochtemperatur des Brennstoffes in der Feuerung zur Überführung der Schlacke in einen schmelzflüssigen Zustand ausgenutzt wird und die Schlacke in diesem Zustand bei der Reduktion und der Ab­ scheidung der Metallegierung FeSi erhaltenbleibt.

Durch die Ausführung des Bodens mit einem relativ zum Horizont veränderlichen Neigungswinkel wird eine Überein­ stimmung der Fließgeschwindigkeit der Schlacke mit der Zeitdauer der Reduktion von Eisen- und Siliziumoxiden ge­ währleistet. Es werden auch bessere Bedingungen für die Entwicklung und Vergrößerung der entstandenen Ferrosilizi­ umtropfen mit anschließender schichtenweiser Trennung der Reaktionsprodukte geschaffen.

Durch die Anordnung der Absetzkammer an dem untersten Abschnitt der Bodenoberfläche sammelt sich die FeSi-Le­ gierung in einer Stelle an.

Durch die Anordnung der Düsen gegenüberliegend dem Bodenabschnitt mit dem relativ zum Horizont maximalen Nei­ gungswinkel wird ein wirksames Eindringen der festen Teil­ chen des Reduktionsmittels in die schmelzflüssige Schlacke gewährleistet. Die hohe Fließgeschwindigkeit der Schlacke gewährleistet ein Zerfließen der Schlacke über die Ober­ fläche dieses Abschnittes in einer dünnen Schicht und eine gleichmäßige Einführung des festen Reduktionsmittels in die Schlackenschmelze.

Der Boden des Schlackenreduktionsbades wird zweck­ mäßigerweise mit in bezug auf die Absetzkammer gegenläufig geneigten Abschnitten ausgeführt.

Es ist vorteilhaft, daß die Winkel der relativ zum Horizont gegenläufig geneigten Abschnitte im wesentlichen 2 bis 5° betragen.

Es ist wünschenswert, daß vor dem dem Eintritt in das Schlackenreduktionsbad nächstliegenden Bodenabschnitt ein dritter Abschnitt mit einem Neigungswinkel relativ zum Ho­ rizont im wesentlichen von 20 bis 30° vorgesehen wird.

Durch eine gegenläufig geneigte Ausführung der Boden­ abschnitte mit einem geringen (2 bis 5°) Neigungswinkel relativ zum Horizont werden Bedingungen für eine maximale Haltezeit für die Schlacke bei ihren minimalen Fließge­ schwindigkeiten oberhalb des Bodenabschnittes, wo sich die Absetzkammer befindet, geschaffen. Eine starke Änderung des Neigungswinkels des Bodens relativ zum Horizont (20 bis 30°) am dritten Abschnitt trägt dazu bei, daß der Schlackenstrom an der Grenze mit dem Abschnitt mit einem relativ zum Horizont geringen 2 bis 5° Neigungswinkel in­ tensiver durchgemischt wird.

Dank der obenerwähnten konstruktiven Lösungen kann der Reduktionsgrad von Ferrosilizium aus der Schlacke im Vergleich zu den Feuerungsanlagen bekannter Konstruktionen erhöht werden. In der vorliegenden Anlage wird die von der schmelzflüssigen Schlacke gespeicherte Wärme während der Prozesse der Reduktion und der Trennung der Verarbeitungs­ produkte verwertet.

Die vorliegende Erfindung wird anhand des nachstehend angeführten konkreten Ausführungsbeispiels einer erfindungs­ gemäßen Feuerungsanlage für die Verfeuerung eines festen Brennstoffes unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in der in schematischer Darstellung die er­ findungsgemäße Feuerungsanlage im Querschnitt, mit Teil­ ausriß gezeigt ist.

Die erfindungsgemäße Feuerungsanlage enthält eine Brennkammer 1, eine Schlackenkammer 2 mit einem Schlacken­ loch 3. Die Schlackenkammer 2 ist mit einem Kanal 4 für den Abzug der flüssigen Schlacke verbunden. Der Kanal 4 steht mit einem Schlackenreduktionsbad 5 in Verbindung. Das Schlackenreduktionsbad 5 stellt einen isothermischen Raum mit einem Gewölbe 6 und einem Boden 7 dar, die mit einem Feuerfeststoff ausgekleidet sind. Das Schlackenreduktions­ bad 5 hat eine mit dem Kanal 4 verbundene Eintrittsöffnung 8 sowie eine Austrittsöffnung 9 für den Abzug der verarbei­ teten Schlacke. Der Boden 7 des Schlackenreduktionsbades ist mit gegenläufig geneigten Abschnitten 10 und 11 ausge­ führt. Die Neigungswinkel a und β der gegenläufig ge­ neigten Abschnitte 10 und 11 des Bodens 7 relativ zum Hori­ zont betragen im wesentlichen 3,5°.

Bei den anderen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können diese Winkel α und β im wesentlichen 2 bis 5° betragen.

Bei geringeren als 2° Neigungswinkeln ist das Schlac­ kenfließen durch eine geringe potentielle Fallhöhe des ge­ neigten Bodens 7 erschwert. Bei Neigungswinkeln von über 5° werden beim Fließen kleine kugelförmige Tropfen des re­ duzierten Ferrosiliziums mitgerissen und zur Austritts­ öffnung 9 befördert. Dadurch wird die Masse des auszu­ bringenden Ferrosiliziums vermindert, während dessen Ver­ luste zunehmen. Bei Neigungswinkeln der Abschnitte 10 und 11 gleich 3,5° wird die Fließgeschwindigkeit der Schlac­ kenschmelze für eine vollständige Reduktion der Oxide, vor allem der Eisenoxide, hinreichend sein.

Vor dem der Eintrittsöffnung 8 des Schlackenreduk­ tionsbades 5 nächstliegenden Abschnitt 10 des Bodens 7 ist ein dritter Abschnitt 12 des Bodens 7 vorgesehen. Dieser Abschnitt 12 liegt mit einem Neigungswinkel γ relativ zum Horizont, der im wesentlichen 25° beträgt.

Bei den anderen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann dieser Winkel γ im wesentlichen 20 bis 30° betragen.

Der Neigungswinkel γ wurde ausgehend von der Fließ­ geschwindigkeit des Schlackenfilmes auf dem Abschnitt 12 des Bodens 7 gewählt.

Bei Neigungswinkeln γ von über 30° wird die Dicke des Schlackenfilmes gering sein, so daß eine Unterbrechung der kontinuität des Stromes möglich wird. Das führt zu einer Verunreinigung des Abschnittes 12 und zu einer Störung der gleichmäßigen Zuführung des Reduktionsmittels infolge der Bildung von an Karbiden mit einem hohen Schmelzpunkt ge­ sättigten Schlackenablagerungen.

Bei Neigungswinkeln γ von unter 20° nimmt die Dicke der über den gegebenen Teil des Bodens 7 fließenden Schlac­ ke zu, während sich die Fließgeschwindigkeit vermindert. Die Oberfläche der Schlacke wird mit einer Reduktionsmittel­ schicht überdeckt, die Temperatur der Schlacke sinkt und die Zähflüssigkeit der schmelzflüssigen Masse nimmt zu. Das führt zur Bildung von Ablagerungen der erstarrten Schlac­ kenmasse und zu einem Verschließen der Eintrittsöffnung 8 des Schlackenreduktionsbades 5.

Bei Neigungswinkeln γ des dritten Abschnittes 12 des Bodens 7 relativ zum Horizont gleich im wesentlichen 25° wird es währleistet, daß die Fließgeschwindigkeit der Schlacke und die Dicke des Schlackenschmelzefilms der Zu­ führungsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels entsprechen.

Bei anderen Ausführungsvarianten der vorliegenden Er­ findung kann der Boden 7 des Schlackenreduktionsbades mit beliebigen in Richtung vom Eintritt zum Austritt hin rela­ tiv zum Horizont veränderlichen Neigungswinkeln ausge­ führt werden. Diese Winkel α, β, γ werden in Übereinstim­ mung mit der Zähflüssigkeit der Schlacke bei bestimmten Temperaturen gewählt.

An dem untersten Abschnitt des Bodens 7 des Schlacken­ reduktionsbades 5 befindet sich eine Absetzkammer 13 mit Öffnungen 14 für den Abzug der Legierung FeSi. Durch die zunehmende Tiefe des Schlackenreduktionsbades 5 in der Nähe der Absetzkammer 13 wird die durchschnittliche Fließge­ schwindigkeit der Schlacke in diesem Bereich vermindert. Dadurch kann die Eisen-Silizium-Legierung absinken und auf dem Boden des Bades 5 eine Ferrosiliziumschicht bilden.

Am Gewölbe 6 des Schlackenreduktionsbades 5 ist dem dritten Abschnitt 12 des Bodens 7 gegenüber eine Öffnung 15 vorgesehen. In dieser Öffnung 15 befindet sich eine Düse 16 zur Zuführung eines festen staubförmigen Reduktionsmittels zu der Oberfläche des Schlackenfilmes auf diesem Abschnitt 12 des Bodens 7. Das Reduktionsmittel dringt in die Schlac­ kenoberfläche ein und wird durch die turbulente Strömung des Schlackenstromes mit der Schlacke gut durchgemischt. Dadurch, daß die Düse 16 gegenüber dem Abschnitt 12 mit dem relativ zum Horizont maximalen Neigungswinkel γ ange­ ordnet ist, kann die Kraft der dynamischen Bewegung der Reduktionsmittelteilchen zum Einführen derselben in die Schlackenschicht ausgenutzt werden. Die Verbrennungspro­ dukte gelangen dabei in die Feuerungsanlage durch das Schlackenloch 3, indem sie die aus der Schlackenkammer 2 abfließende Schlacke zusätzlich durchwärmen.

Die Brennkammer 1 hat Brenner 17 zum Zuführen eines Gemisches aus einem staubförmigen festen Brennstoff und einem Oxydationsmittel.

Die Feuerungsanlage für die Verfeuerung eines festen Brennstoffes wird wie folgt betrieben.

In die Brennkammer 1 wird durch die Brenner 17 ein Gemisch aus einem festen Brennstoff und einem Oxydations­ mittel zugeführt.

Im Ergebnis der Brennstoffverfeuerung in der Brennkam­ mer 1 entsteht eine Schlackenschmelze. Sie fließt über die Wände der Schlackenkammer 2, sammelt sich im Unterteil an und gelangt durch das Schlackenloch 3 in den Kanal 4 für den Abzug der Schlacke.

Die Schlacke fließt dann auf den geneigten Boden 12 des Schlackenreduktionsbades 5 ab und zerfließt als ein dünner Schlackenfilm über die Oberfläche des dritten Ab­ schnittes 12 des Bodens 7. Dem Schlackenfilm wird mittels der Düse 15 ein staubförmiges Reduktionsmittel, z. B. Koh­ le, Graphit, granulierter Koks zugeführt. An der Oberflä­ che des Reduktionsmittels, das mit der Schlacke umgeben ist, findet eine Reduktionsreaktion von Eisen und Silizium statt, die eine Ferrosiliziumlegierung (FeSi) bilden. Das Vorhandensein von drei Abschnitten 12, 10, 11 des Bodens 7 läßt ausreichend genug Zeit für die Herstellung von End­ produkten der Reduktionsreaktion zu. Der Prozeß geht bei einer hohen Temperatur von etwa 1500 bis 1600°C vor sich. Die Tropfen von Ferrosilizium, das eine höhere Dichte als die Schlacke hat, fallen unter der Einwirkung der Schwer­ kraft auf dem Boden 7 aus und sammeln sich in der Absetz­ kammer 13 an. Je nach der Ansammlung von Ferrosilizium in der Absetzkammer 13 wird dieses durch die Öffnung 14 für den Abzug der Legierung FeSi abgezogen.

Die Schlacke, welche die Ferrosiliziumschicht von oben bedeckt, setzt ihre Bewegung fort und wird durch die Aus­ trittsöffnung 9 aus dem Schlackenreduktionsbad 5 abgezogen.

Somit gestattet die Verwendung der vorliegenden Er­ findung es, durch eine Vereinigung des Prozesses der Er­ zeugung von Wärme- und Elektroenergie mit dem Reduktions­ prozeß den Reduktionsgrad von Ferrosilizium aus der Schlacke zu erhöhen, das ein für die Hüttenindustrie notwendiges Produkt darstellt.

Die Entfernung von Eisen aus der Schlacke gestattet es außerdem, diese Schlacke im Bauwesen weit anzuwenden.

Claims (4)

1. Feuerungsanlage für die Verfeuerung eines festen Brennstoffes, enthaltend eine Brennkammer (1), in deren unterem Teil eine Schlackenkammer (2) mit einem Schlacken­ loch (3), welches mit einem Kanal (4) für den Abzug der flüssigen Schlacke in Verbindung steht, vorgesehen ist sowie eine Düse (16) zum Zuführen eines Reduktionsmittels in die Schlacke, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätz­ lich ein Schlackenreduktionsbad (5) hat, das mit dem Ka­ nal (4) für den Abzug der flüssigen Schlacke in Verbindung steht und bei dem der Boden (7) mit einem in Richtung vom Eintritt zum Austritt hin, relativ zum Horizont veränder­ lichen Neigungswinkel ausgeführt ist, während an dem unter­ sten Abschnitt des Bodens (7) eine Absetzkammer (13) vor­ gesehen ist, wobei die Düse (16) zum Zuführen des Reduk­ tionsmittels in die Schlacke im Gewölbe (6) des Bades (5), dem Abschnitt (12) des Bodens (7) mit dem relativ zum Hori­ zont maximalen Neigungswinkel gegenüberliegend, angeord­ net ist.

2. Feuerungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Boden (7) des Schlackenreduktionsbades (5) mit in bezug auf die Absetzkammer (13) gegenläufig geneigten Abschnitten (10, 11) ausgeführt ist.

3. Feuerungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Neigungswinkel der gegenläufig geneigten Abschnitte (10, 11) relativ zum Horizont 2 bis 5° beträgt.

4. Feuerungsanlage nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem dem Eintritt in das Schlacken­ reduktionsbad (5) nächstliegenden Abschnitt (10) des Bo­ dens (7) ein dritter Abschnitt (12) mit einem Neigungs­ winkel (12) relativ zum Horizont von 20 bis 30° vorgesehen ist.