DE4011649C2 - Vorrichtung zur Wärmeerzeugung aus gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen - Google Patents
Vorrichtung zur Wärmeerzeugung aus gasförmigen, flüssigen und festen BrennstoffenInfo
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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.
(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)
- 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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