DE4308001A1

DE4308001A1 - Primary measure for reducing pollutants in flue gases from a combustion plant

Info

Publication number: DE4308001A1
Application number: DE4308001A
Authority: DE
Inventors: Michael Beyer
Original assignee: Erk Eckrohrkessel GmbH
Current assignee: Erk Eckrohrkessel GmbH
Priority date: 1993-03-13
Filing date: 1993-03-13
Publication date: 1994-09-15

Abstract

To improve combustion when solid fuels are used, the combustion gases are admixed in the furnace, via water-cooled air lances which are arranged in various planes of the furnace downstream behind one another at right angles to the flue gas flow, with air, recirculated flue gas or oxygen at high temperatures, systematically in low-oxygen regions, in a very wide variety of directions with respect to the flue gas.

Description

Feuerräume von Dampf- oder Heißwasserkesseln, insbesondere bei Feststoffeuerungen werden zwar rechnerisch turbulent von den Rauchgasen durchströmt, eine ausgeprägte Turbulenz kann sich je doch bei der üblicherweise großen Schlankheit der Feuerräume nicht ausbilden. Das bedeutet, daß die Gasströmung tatsächlich nur sehr schwach turbulent ist. Das Geschwindigkeitsprofil ähnelt eher ei ner laminaren Strömung. Dadurch bilden sich Rauchgassträhnen, die mit Schadstoffen und unverbrannten Anteilen des Brennstoffs bela stet sind aus.Combustion chambers of steam or hot water boilers, especially at Solids renewals are mathematically turbulent from the Flue gases flow through, a pronounced turbulence can ever but not with the usually great slenderness of the fireboxes form. That means the gas flow is actually very low is slightly turbulent. The speed profile is more like egg a laminar flow. This creates streaks of flue gas that loaded with pollutants and unburned parts of the fuel are out.

Die Verbrennung ist unvollkommen, weil Entgasungsprodukte wie z. B. CO mit O₂ nicht genügend durchmischt werden. Um eine genügende Durchmischung der Rauchgase zu erreichen, wird üblicherweise in ausreichender Höhe über dem Verbrennungsrost der Feuerraumquer schnitt durch sogenannte Umlenknasen, die auch Turbulatoren ge nannt werden, eingeengt. Verweilzeitmessungen der Anmelderin haben gezeigt, daß durch diese die Rauchgase zwar beschleunigt, aber nicht genügend durchmischt werden.The combustion is imperfect because degassing products such as B. CO with O _{2 are} not mixed sufficiently. In order to achieve sufficient mixing of the flue gases, the cross section of the combustion chamber is usually cut to a sufficient height above the combustion grate by so-called deflection noses, which are also called turbulators, and are then concentrated. Residence time measurements by the applicant have shown that the flue gases are accelerated by these, but are not mixed sufficiently.

Es ist auch üblich, im Bereich dieser Turbulatoren Sekundärluft einzublasen. Eine Methode zur Sekundärlufteinblasung ist in der DE 37 12 039 beschrieben. Es sind hier ein oder zwei luftgekühlte Luft verteilungsbalken kurz vor dem engsten Querschnitt des ersten Rauchgaszuges angebracht. An den unteren Seiten dieser mit quadra tischem Querschnitt ausgeführten Luftverteilungsbalken sind Luft verteilerdüsen in der Weise vorgesehen, daß die austretenden Luft strahlen dem Rauchgasstrom nahezu entgegenströmen und einen Luft schleier bilden, den die Rauchgase durchdringen müssen.It is also common in the area of these turbulators to have secondary air blow in. One method of secondary air injection is in the DE 37 12 039. There is one or two air-cooled air here distribution bar just before the narrowest cross section of the first Flue gas flue attached. On the lower sides of this with quadra Air cross-section beams are air distributor nozzles provided in such a way that the exiting air radiate the flow of flue gas almost in the opposite direction and air form a veil that the flue gases must penetrate.

Bei dieser Art der Luftzuführung muß die Luft verhältnismäßig kalt den Rauchgasen zugeführt werden, um trotz des notwendigerweise hochlegierten Materials der Luftverteilungsbalken diese nicht zu hoch thermisch zu belasten. Außerdem kann es vorkommen, daß die Rauchgase nicht genügend durchmischt werden. Hinter dieser Luft einblasung ist keine Möglichkeit einer Durchmischung mehr gegeben.With this type of air supply, the air must be relatively cold to be supplied to the flue gases despite the necessarily high-alloy material of the air distribution bar does not admit this high thermal stress. It can also happen that the Flue gases are not mixed sufficiently. Behind this air Blowing in is no longer possible.

Dieser möglicher Nachteil soll durch eine Luftzuführung nach der DE-OS 36 14 177 aufgehoben werden, weil bei dieser die Luft in meh reren Ebenen im Feuerraum den Rauchgasen zugeführt wird. Mit der DE-OS 36 14 177 soll eine nahezu vollkommene Durchmischung der Rauchgase erreicht werden. Außerdem kann die Sekundärluft dem für die Nachverbrennung erforderlichen Sauerstoffbedarf angepaßt werden.This possible disadvantage is said to be due to an air supply after the DE-OS 36 14 177 are canceled, because in this the air in meh levels in the combustion chamber are fed to the flue gases. With the DE-OS 36 14 177 is said to be almost completely mixed Flue gases can be reached. In addition, the secondary air the afterburning required oxygen requirement adjusted become.

Der Nachteil dieser Art der Luftzuführung ist darin zu suchen, daß die zugeführte Luft nur rechtwinklig oder nur mit geringer Neigung oder Steigung dem Rauchgas zugeführt werden kann.The disadvantage of this type of air supply is that the air supplied is only rectangular or only slightly inclined or slope can be supplied to the flue gas.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Sekundärluft, das rezirkulierte Rauchgas oder den Sauerstoff, im nachfolgenden Text zusammenfassend als Luft bezeichnet, derart den Rauchgasen zuzu führen, daß eine optimale Verwirbelung, Durchmischung und damit bester Ausbrand der Rauchgase erreicht wird. Diese Verwirbelung und Durchmischung wird dadurch erreicht, daß dem Rauchgas die Luft rauchgasstromabwärts, dem für die Nachverbrennung erforderlichen Sauerstoffbedarf angepaßt, in verschiedenen Ebenen des ersten Rauchgaszuges in unterschiedlichen Freistrahlrichtungen zugege führt wird. Die Temperatur der Luft ist mit Rücksicht auf das Ma terial der Lanzen nicht beschränkt. Durch die Wasserkühlung kann für die Lanzen sogar unlegiertes Material verwendet werden.The object of the present invention is the secondary air, the recirculated flue gas or oxygen, in the text below collectively referred to as air, such as the flue gases cause an optimal swirl, mixing and thus best combustion of the flue gases is achieved. This swirl and mixing is achieved in that the flue gas contains the air flue gas downstream, the one required for the afterburning Adjusted oxygen demand in different levels of the first Flue gas flue in different free jet directions leads. The temperature of the air is due to the Ma material of the lances not limited. The water cooling can unalloyed material can even be used for the lances.

Durch diese Art der Luftzuführung und Verbrennung kann die bei den bisher ausgeführten Brennkammern vorgeschriebene mittlere Verweil zeit der Rauchgase verkürzt werden bei verbessertem Ausbrand. Eine Folge davon ist, daß das Bauvolumen der Brennkammer verkleinert werden kann.This type of air supply and combustion can be used in the previously established combustion chambers prescribed average dwell time time of the flue gases can be reduced with improved burnout. A The consequence of this is that the construction volume of the combustion chamber is reduced can be.

Fig. 1 zeigt den Feuerraum (1) eines Kessels mit einer Feststof feuerung, (2) ist der Rost, (3) sind die Turbulatoren, (4) sind die Luft- bzw. Rauchgasrezirkulationslanzen, die in folgendem Lan zen genannt werden. Fig. 1 shows the combustion chamber ( 1 ) of a boiler with a solid fuel, ( 2 ) is the grate, ( 3 ) are the turbulators, ( 4 ) are the air or flue gas recirculation lances, which are called zen in the following Lan.

Diese Luftzuführungen bestehen aus wassergekühlten Lanzen (4), die zu mehreren in jeder Zugebene in verschiedenen Ebenen des ersten Kesselzuges angebracht, den Rauchgasstrom rechtwinklig durchdrin gen. Die Lanzen (4) selbst können nach Fig. 2 aus Doppelrohren bestehen. Der Zwischenraum (5) zwischen dem äußeren (6) und dem inneren (7) Rohr wird von Kühlwasser durchströmt. Durch das innere Rohr (7) strömt die Luft. Über Düsen (8), die in unterschiedlich sten Richtungen in den Lanzen (4) angebracht sein können wird die Luft dem Rauchgas zugeführt.These air supplies consist of water-cooled lances ( 4 ), which are attached to several in each train level in different levels of the first boiler train, penetrate the flue gas flow at right angles. The lances ( 4 ) themselves can consist of double pipes according to FIG. 2. The intermediate space ( 5 ) between the outer ( 6 ) and the inner ( 7 ) tube is flowed through by cooling water. The air flows through the inner tube ( 7 ). The air is supplied to the flue gas via nozzles ( 8 ), which can be attached in the most different directions in the lances ( 4 ).

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausführung der Lanzen 4: solch eine Lanze wird gebildet aus den wasserdurchflossenen Rohren 10 sowie außen, seitlich an diese Rohre angeschweißte Flacheisen 11. Es wird dadurch zwischen den Rohren 10 und den Flacheisen 11 ein gasdichter Kanal 12 gebildet durch den die Luft strömt. Der Strömungsquerschnitt dieses Kanals 12 hängt von dem erforderlichen durch den Kanal strömenden Massenfluß ab, der sich wiederum nach der Anordnung der Lanze im Feuerraum richtet. Die Flacheisen 11 sind ein ihrer Längsrichtung, also in Richtung lotrecht zur Zei chenebene mit Düsenbohrungen 13 versehen. Die Lanzen selbst können in der Zugebene in der sie eingebaut werden, wie gezeichnet in "6- Uhr" Stellung, oder in jeder beliebigen anderen "Uhrzeiger stellung" ausgerichtet werden, so daß durch die Luftdüsen 13 die Luft in nahezu jeder beliebigen Richtung den Rauchgasstrom durchwirbeln kann. Fig. 3 shows a further possibility of execution of lances 4: such a lance is formed from the water-carrying pipes 10 and the outside, laterally welded to these pipes flat rods 11. As a result, a gas-tight channel 12 is formed between the tubes 10 and the flat iron 11 , through which the air flows. The flow cross section of this channel 12 depends on the required mass flow flowing through the channel, which in turn depends on the arrangement of the lance in the combustion chamber. The flat bars 11 are provided in their longitudinal direction, that is to say in the direction perpendicular to the plane of the zei with nozzle bores 13 . The lances themselves can be installed in the train plane in which they are installed, as shown in the "6 o'clock" position, or in any other "clockwise position", so that the air nozzles 13 cause the air to flow in almost any direction can whirl.

Auch die Ausführung der Lanzen 4 mit mehr als zwei Kühlrohren ist möglich: Fig. 4 zeigt die Ausführung mit 3 Kühlrohren. Es sind hier die Kühlrohre 14 in ihrer Längsachse in Form eines Dreiecks zuein ander angeordnet. Verbunden sind die Rohre 14 durch Flacheisen 15, die mit Düsen 16 für den Luftaustritt versehen sind. Diese Flach eisen können zwischen den Rohren auf den die Mittelpunkte der Rohre verbindenen, das Dreieck bildende Linien liegen oder aber tangential an die Rohre geschweißt werden. The execution of the lances 4 with more than two cooling tubes is also possible: Fig. 4 shows the execution with 3 cooling tubes. There are the cooling tubes 14 in their longitudinal axis in the form of a triangle zuein other. The pipes 14 are connected by flat iron 15 , which are provided with nozzles 16 for the air outlet. These flat irons can lie between the pipes on the lines connecting the centers of the pipes, forming the triangle, or can be welded tangentially to the pipes.

In jedem Falle wird dadurch, daß durch die Rohre 14 Wasser fließt eine wassergekühlte Lanze gebildet, durch deren Innenraum 17 die Luft strömt und durch Düsenbohrungen 16 in den Rauchgasstrom ein dringt. Auch diese Lanze kann so um ihre Mittelachse gedreht in den Brennraum eingebaut werden, daß bei neben- und übereinander angeordneten Lanzen die Luft in beliebigen Richtungen das Rauchgas durchwirbeln kann. Die Größe des Querschnitts 17 und damit die Schenkellänge des Dreiecks hängen von der durch die Lanze strö mende notwendige Luftmenge ab.In any case, the fact that water flows through the pipes 14 forms a water-cooled lance through whose interior 17 the air flows and penetrates through nozzle bores 16 into the flue gas stream. This lance can also be installed rotated about its central axis in the combustion chamber in such a way that the air can swirl through the flue gas in any direction when the lances are arranged next to and on top of each other. The size of the cross section 17 and thus the leg length of the triangle depend on the necessary amount of air flowing through the lance.

Eine weitere Variante der Lanzenausführung ist in Fig. 5 darge stellt. Hier wird der rechteckige- oder quadratische Luftquer schnitt 21 durch in den Ecken angeordnete, wasserdurchströmte Rohre 18 sowie diese Rohre zu einem geschlossenen Querschnitt 21 verbindenden Flacheisen 19 gebildet. Diese Flacheisen sind in ih rer Längsausdehnung mit Düsenbohrungen 20 versehen. Durch Ver schweißen der Flacheisen mit den Rohren wird ein gasdichter Kanal gebildet. Durch den Luftaustritt in unterschiedlichsten Richtungen wird die Luft dem Rauchgas vor Erreichen, beim Erreichen und hin ter den Lanzen (4) zugeführt.Another variant of the lance design is shown in Fig. 5 Darge. Here, the air rechteckige- or square cross-water-carrying pipes 18 and these tubes is cut through 21 arranged in the corners, formed into a closed cross section 21 connecting flat iron 19th These flat bars are provided with nozzle bores 20 in their longitudinal extension. A gas-tight duct is formed by welding the flat iron to the pipes. Due to the air outlet in various directions, the air is fed to the flue gas before it is reached, when it is reached and behind the lances ( 4 ).

Eine Anordnung der Lanzen (4) mehrfach hintereinander rauchgas stromabwärts gewährleistet ein vollkommenes Durchmischen und damit Ausbrennen der Rauchgase.Arranging the lances ( 4 ) several times downstream of the flue gas ensures complete mixing and thus burning out of the flue gases.

Die Anzahl der erforderlichen übereinander angeordneten Lanzen (4) hängt von der Größe des Feuerraumes ab.The number of lances ( 4 ) arranged one above the other depends on the size of the firebox.

Die Anzahl und die Anordnung der Düsen (8) je Lanze (4) hängt ab von der zur Durchmischung und Verwirbelung erforderlichen Menge an Luft. Diese Angaben, also Anzahl der Lanzen (4) sowie Anzahl und Anordnung der Düsen (8) werden von Fall zu Fall errechnet auf der Grundlage von zur Zeit durchgeführter Messungen an Modellfeuerraum und am Demonstrationsfeuerraum einer vorhandenen Anlage.The number and arrangement of the nozzles ( 8 ) per lance ( 4 ) depends on the amount of air required for mixing and swirling. This information, i.e. the number of lances ( 4 ) and the number and arrangement of the nozzles ( 8 ) are calculated on a case-by-case basis on the basis of measurements currently carried out on the model combustion chamber and on the demonstration combustion chamber of an existing system.

Claims

1. steam or hot water boiler, consisting of a radiant heating surface ( 1 ), which partially acts as a combustion chamber ( 1 ) and a contact heating surface ( 9 ). This boiler is equipped with a solid fuel control ( 2 ). This boiler is characterized in that the flue gas side downstream in the combustion chamber ( 1 ) is at right angles penetrating the flue gas flow, to several in a train level lying and in different levels of the first boiler train is provided with air distribution nozzles, water-cooled air lances.

2. Boiler according to claim 1, characterized in that the Wasserge cooled air lances consist of double tubes ( Fig. 2).

3. Boiler according to claim 1, characterized in that the Wasserge cooled air lances consist of two tubes through which water flows, which are connected by two tangentially welded to them or between them flat iron in such a way that a space is formed between the two tubes and the two flat iron. The flat bars are provided with nozzle holes in their longitudinal direction ( Fig. 3).

4. Boiler according to claim 1, characterized in that the air lances consist of three in their cross-sectional triangle to each other angeord Nete, water-flowed tubes which are connected by gas-tight welded between or tangentially to the tubes such that between the tubes and the Flat iron creates a room. The flat bars are provided in their longitudinal direction with nozzle holes ( Fig. 4).

5. Boiler according to claim 1, characterized in that the air lances from 4, in their cross-sectional plane as a right-angled square mutually arranged, water-flowed pipes exist through Flat or gas-tight welded between or tangentially to the pipes iron are connected to each other in such a way that between the pipes and the flat iron creates a space. The flat irons are in theirs Provide nozzle holes in the longitudinal direction.

6. Boiler according to claims 1 to 5, characterized in that the air distributor nozzles ( 8 ) orien tiert in different directions in the lances ( 4 ) are attached. They can be attached in such a way that the air blows against the flue gas flow, that it blows obliquely or across the flue gas flow or with the flue gas flow. The nozzle orientation corresponds to the co-current, counter-current or cross-current direction of the air flow. Mixed nozzle arrangements are also possible.

7. lances ( 4 ) with nozzles ( 8 ) according to claims 1-5, characterized in that the diameter of the nozzles ( 8 ) are changed in cross-section in accordance with the need for combustion air for combustion and swirling air for mixing the flue gases.

8. Air lances according to claims 1 to 7, characterized in that the Luftre described in claim 7 as a characteristic can be carried out individually for each lance.