DE4011649C2 - Vorrichtung zur Wärmeerzeugung aus gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen - Google Patents

Vorrichtung zur Wärmeerzeugung aus gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen

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Description

Die Erfindung findet Anwendung auf dem Gebiet der Verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen und/oder der energetischen Verwertung von brennbaren Abprodukten mit oder ohne Zugabe von Additiven zur Schadstoffbindung in einem Apparat zur Wärmeerzeugung.
Die bekannten technischen Lösungen zur Verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen oder Abprodukten in einer Wirbelschichtanlage erforderten eine stationäre Wirbelschicht oder eine zirkulierende Wirbelschicht mit den hohen technologischen Anforderungen an
  • - Anströmbodengestaltung zur Erzeugung des Fluidisierungszustandes der Wirbelschicht mittels Luft,
  • - Aufbereitung des Brennstoffes extern oder intern im Apparat, z. B. Etagenböden,
  • - die Anlage zur Rückführung des Inertmaterials bei der zirkulierenden Wirbelschicht,
    wobei der Arbeits- und Leistungsbereich durch die Hydrodynamik der Wirbelschicht in engen Grenzen gehalten wird.
Nach dem Jahrbuch der Dampferzeugertechnik, Ausgabe 1985/86 - S. 295, werden Wirbelgasgeschwindigkeiten bis 3 m/s bei der stationären Wirbelschicht und bis 10 m/s bei der zirkulierenden Wirbelschicht realisiert. Die Querschnittbelastung beträgt 1 bis 2 MWth pro m2 bei der stationären und 4 bis 6 MWth pro m2 bei der zirkulierenden Wirbelschicht.
Damit ist die Leistungssteigerung oder die rasche Anpassung an spezielle Brennstoffe ohne umfangreiche Änderungen des Anlagensystems nicht möglich.
Aus dem Patent US 3 417 978 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung und Verbrennung von flüssigen Brennstoffen in einer Wirbelschicht bekannt. Bei diesem Verfahren wird oberhalb eines Anströmbodens, der konisch angeordnet ist und seine tiefste Stelle im Zentrum des Anströmbodens hat, ein Feststoff dadurch fluidisiert, daß durch den Anströmboden ein Fluidisierungsgas hindurchtritt. Das entspricht dem Grundprinzip einer Wirbelschicht.
Im Unterschied dazu liegt dem DE 40 11 649 eine Vorrichtung zu Grunde, bei der das Fluidisierungsgas nur über eine im untersten Zentrum des Apparates befindliche Entrittsöffnung zugeführt wird. Dieses Prinzip entspricht dem der Strahlschicht.
Aus der US 3 417 978 ist bekannt, daß der Verbrennungsapparat nur im Bereich des Anströmbodens konisch ist. Die Verbrennungszone (Wirbelschicht) erstreckt sich deutlich über diesen konischen Bereich hinaus in den zylindrischen Bereich. In DE 40 11 649 ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches gesagt, daß der Verbrennungsapparat sich konisch nach oben im Winkel von 7 Grad bis 30 Grad öffnet. Gemäß Beschreibung bedeutet dies, daß die Verbrennung in diesem konischen Teil stattfindet.
Aus der US 3 417 978 ist bekannt, daß der Anströmboden die Durchfallsicherung für das Schüttgut ist. Darüber hinaus ist ersichtlich, daß der flüssige Brennstoff durch eine Düse geführt wird. Diese Düse ist so ausgebildet, daß sie als Durchfallsicherung dient. Über die Größe der Düsenöffnung ist nichts ausgesagt. Jedoch kann sie sehr klein gehalten und damit durchfallsicher werden, da Verbrennungsluft zu einem wesentlichen Teil über den Anströmboden der Verbrennungszone zugeführt werden kann.
Aus der US 3 417 978 ist die Möglichkeit bekannt, unterschiedliche Brennstoffe der Verbrennungszone zuzuführen. Alle Brennstoffe werden aber erst innerhalb der Wirbelschicht, d. h. nach Verlassen der Düsen, vermischt. Eine Mischkammer zur Mischung Brennstoff/Luft unterhalb des Apparates ist nicht aufgezeigt. Die Vorrichtung enthält lediglich die für Wirbelschichten bekannte Art des klassierenden Abzuges. Hierbei handelt es sich nicht um eine Mischeinrichtung.
Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Wärmeerzeugung aus gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen und/oder energetischen Verwertung von brennbaren Abprodukten mit oder ohne Zugabe von Additiven zur Verfügung zu stellen, die eine über dem heute bekannten Stand der Technik liegende spezifische Leistungsdichte hat und hinsichtlich der Leistung anpaßbar für alle Leistungsgrößen von Wärmeerzeugungsanlagen ist. Dadurch wird es möglich, Wärmeerzeugungsanlagen bei gleicher Größe mit wesentlich höherer Leistung zu errichten, was wesentliche wirtschaftliche Vorteile bringt. Ferner wird mit der Erfindung das Ziel verfolgt, Brennstoffe unterschiedlicher Aggregatzustände und Konsistenz in einer Vorrichtung gegebenenfalls auch gleichzeitig zu verbrennen, was ebenfalls zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen führt, da z. B. keine brennstoffabhängigen Anlagenanpassungen erforderlich sind. Durch Zugabe von Additiven sollen primäre Maßnahmen zur Schadstoffeinbindung innerhalb der Verbrennungsstoffe realisiert werden, was aufwendige Maßnahmen zur Abgasreinigung vermeidet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch einfach aufgebauten Mehrstoffbrenner mit hoher Leistungsdichte und hoher Brennstoffvariabilität zu entwickeln.
Dabei werden die physikalischen, wärmetechnischen und verbrennungstechnischen Wirkprinzipien der intern zirkulierenden Strahlschicht, eine spezielle Ausführungsform der Wirbelschicht, genutzt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst. In einem Reaktor mit 7° bis 30° Öffnungswinkel wird von unten Luft als Wirbelmedium und Oxidator mit so hoher Geschwindigkeit (größer 10 m/s) zugeführt, so daß infolge des im Reaktor befindlichen Wärmeträgermaterials definierter Menge und Körnung eine intern im Reaktor zirkulierende Strahlschicht existiert. Zum Anfahren und zur Leistungsregelung wird im Bereich der Mischeinrichtung und/oder im unteren Bereich der Strahlschicht Brenngas eingebracht und damit die Strahlschichttemperatur zwischen 750°C und 950°C geschaffen und/oder gehalten. Im Sonderfall kann jede andere beliebige Schichttemperatur eingestellt werden.
Nach Erreichen der Betriebstemperatur von 750°C bis 950°C wird das Brenngas reduziert und/oder völlig abgestellt und gleichzeitig, unter Beachtung des Luftbedarfes zur Oxidation gleitend, ein Ersatz des Brenngases durch einen festen oder flüssigen Brennstoff und/oder brennbarer Abprodukte realisert. Die Schichttemperatur wird mit Hilfe der Brennstoffmenge geregelt. Die Brennstoffe werden von unten, oben oder seitlich in die Strahlschicht eingeführt. Die hohen Luftgeschwindigkeiten, die - bezogen auf den Eintrittsquerschnitt - bis 80 m/s betragen, gestatten eine hohe Variabilität des Brennstoffes, da die notwendige Luftmenge im breiten Spektrum anpaßbar ist, ohne die intern zirkulierende Strahlschicht in ihrer Funktionalität zu beeinflussen.
Die Vermischung des Brennstoffes mit Luft erfolgt im annähernd stöchiometrischen Verhältnis ohne spezifische zusätzliche Vorrichtungen. Das Verbrennen von zwei oder drei Brennstoffen ist zeitgleich möglich und das Wechseln des Brennstoffes kann gleitend, ohne Leistungsunterbrechung und ohne technologische Umrüstung durch Umstellung des Luftregimes, erfolgen.
Die Auskleidung und/oder Umkleidung der Vorrichtung erfolgt mit Wärmedämmstoffen.
Das innerhalb der Vorrichtung zirkulierende Wärmeträgermaterial und die Innenwand liefern im Betriebszustand das Zündpotential für die Brennstoff-Luftgemische.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 näher erläutert werden.
Die Vorrichtung zur Wärmeerzeugung besteht aus nachfolgenden Anlagenteilen. Der Apparat (1) hat einen konischen Grundkörper mit einem Öffnungswinkel von 7° bis 30°, nach oben öffnend. Von unten tritt in die Vorrichtung das Wirbelmedium/Oxidationsmittel Luft (3) ein. Im Bereich der Strahlschicht wird über ein Verteilerrohr Brenngas (4) zugeführt, welches zur Temperaturregelung der Strahlschicht (5) dient.
Das Anfahren und Aufheizen der Vorrichtung erfolgt dadurch, daß Brenngas über die Mischeinrichtung (10) zugeführt wird, die Mischung erfolgt und dieses Gemisch mittels Zündbrenner (Anfahrbrenner) gezündet wird.
Nach Aufheizen der Vorrichtung und Überschreiten der Zündtemperatur dient die Innenwand der Vorrichtung und das Wärmeträgermaterial als Zündinitial und der Anfahrbrenner kann abgeschaltet bzw. entfernt werden. Die heißen Abgase aus der Strahlschicht werden im konvektiven Wärmetauscher (6) energetisch ausgenutzt, bevor die abgekühlten Abgase über (7) die Anlage verlassen.
Nach Erreichen der Betriebstemperatur der Stahlschicht (5) von 750°C bis 950°C kann das Umstellen auf einen anderen festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff erfolgen. Zu diesem Zweck wird über (9) dieser Brennstoff mengengeregelt zugeführt und ggf. gleichzeitig mit Sekundärverbrennungsluft (8) in die Strahlschicht (5) eingebracht und gelangt dort zur Verbrennung. Im Falle des festen Brennstoffes ist dieser so aufbereitet, daß er an der internen Zirkulation der Strahlschicht teilnimmt.
Die Regelung der Strahlschichttemperatur erfolgt mit Hilfe der Temperaturüberwachung (11) und der Stellglieder für die Luftzufuhr (12) und die Brennstoffzufuhr (13). Die Verbrennungsluft wird durch das Gebläse (14) bereitgestellt.
Bezugszeichenliste
(1)
Verbrennungsapparat
(2)
Wärmedämmung (feuerfest)
(3)
Luftzufuhr (Oxidationsmittel)
(4)
Brenngaszufuhr
(5)
Strahlschicht
(6)
Wärmeübertragungssystem
(7)
Abgasaustritt
(8)
Sekundärluftzufuhr
(9)
Brennstoffzufuhr für flüssige und feste Brennstoffe
(10)
Mischeinrichtung
(11)
Thermoelement
(12)
Stellorgang für Luft
(13)
Stellorgang für flüssige und feste Brennstoffe
(14)
Luftgebläse

Claims (1)

  1. Verbrennungsvorrichtung zur Wärmeerzeugung aus festen, flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen und/oder brennbaren Reststoffen in einer Strahlschicht (5), in der monodisperses Schüttgut als Wärmeträgermaterial und/oder Additiv intern zirkuliert und der über verschiedene Aufgabestellen feste, flüssige (9) und/oder gasförmige (4) Brennstoffe zur Verbrennung zugeführt werden, versehen mit einer feuerfesten Wärmedämmung (2) und abgasseitig nachgeordnetem Wärmeübertragungssystem (6), gekennzeichnet dadurch, daß der Verbrennungsapparat (1) konisch nach oben mit einem Öffnungswinkel von 7° bis 30° geöffnet ist, von unten ein Gasstrahl (3) mit einer Geschwindigkeit größer 10 m/s in die Strahlschicht (5) eintritt, sich unterhalb der Strahlschicht (5) eine Mischeinrichtung (10) befindet und der Reaktor ohne bzw. mit Durchfallsicherung für das monodisperse Schüttgut versehen ist.
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