DE4401821A1 - Verfahren zum Verbrennen - insbesondere von Müll und Biomassen - Google Patents

Verfahren zum Verbrennen - insbesondere von Müll und Biomassen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen insbesondere von Müll und Biomassen, wobei - gemäß Fig. 1 - die zu verbrennenden Stoffe über eine Brennstoffaufgabe (1) in einen Feuerraum (2) mit Verbrennungs­ rost (3) eingebracht und verbrannt werden.
Die Trichter (22) unter dem Rost (3) leiten den Rostdurchfall ab und die­ nen gleichzeitig der Luftzuführung (23) vom Unterwindgebläse (24) sowie der Luftzonenbildung unter dem Verbrennungsrost (3). Am Rostende fällt die Asche durch einen Fallschacht (21) in einen Ascheaufnehmer. Die Aufteilung der Unterwindluft auf die Zonen erfolgt mittels der Luftregel­ klappen (25).
Die Vorwärmung der Sekundärluft kann über den Luftvorwärmer (10) erfolgen. Dieser Luftvorwärmer (10) kann sowohl ein Dampfluvo wie ein kombinierter Dampf-Rauchgas-Luvo sein.
Die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase strömen in den ober­ halb des Feuerraumes (3) angeordneten Strahlungszug (4).
Nach diesem Grundprinzip ist die Mehrheit aller rostgefeuerten Ver­ brennungsanlagen für die Verfeuerung von Müll und Biomassen aufge­ baut.
Müll und auch Biomassen (letztere z. B. als Gemisch aus Althölzern, Sägemehl, Rinden, Spanplatten, brikettiertem Stroh, Schilf etc.) stellen in Bezug auf Heizwert, flüchtigen Bestandteilen, Stückigkeit, Wasser- und Aschegehalt einen teilweise extrem inhomogenen Brennstoff dar.
Daher sind Brennwert, Zündwilligkeit, Ausbrennzeit sowohl zeitlich wie örtlich an jeder Stelle des Verbrennungsrostes verschieden, - situations­ bedingt entstehen zwangsläufig sogenannte Brennstoffsträhnen mit un­ terschiedlicher Temperatur und unterschiedlichen und ständig schwan­ kenden Gehalten an O₂ und CO.
Bei der Verbrennung von Müll - insbesondere Hausmüll - entstehen durch die Chlor-Gehalte im Brennstoff (z. B. aus Salzen, Hölzern, Kunststoffen etc.) Chlorwasserstoff HCl, welcher im Rauchgas in Verbindung mit CO (d. h. bei O₂-Mangel) großflächige Korrosionen an den nicht geschützten Brennkammerwänden (6, 7) und auch an den nachgeschalteten Heizflä­ chen bewirkt.
Dieser bekannten Problematik wurde früher begegnet durch eine Fahr­ weise mit höheren Luftüberschußzahlen, d. h. mit O₂-Gehalten von 12-16 Vol.% im Rauchgas.
Die in den letzten Jahren - teilweise durch behördlich verordnete Umwelt­ schutzauflagen - geforderten höheren Feuerraum-Temperaturen (Reduzierung der Dioxin- und Furan-Emissionen) machten eine Absenkung des Luftüberschusses auf O₂-Werte von 7,5-9 Vol.% erforderlich. Diese Fahrweise bewirkte wiederum höhere CO-Gehalte in den Rauch­ gasen mit teilweise reduzierenden Rauchgassträhnen. Die Umstellung der Müllverbrennungsanlagen auf eine Fahrweise mit höheren Feuerraumtem­ peraturen bewirkte teilweise großflächige Korrosionen, insbesondere an den siedewassergekühlten Wänden (6, 7) der Nachbrennkammern bzw. der Strahlungszüge (4).
Die erforderliche Reduzierung der CO-Werte im Rauchgas versuchte man u. a., durch Erhöhung der Mischleistung/Mischgüte (Vermischung der Rauchgase mit der Sekundärluft) am Rauchgaseintritt in die Nachbrenn­ kammer zu erreichen: Die Impulswerte ( x w) der Sekundärluftdüsen (30) wurden erhöht, - in der Mehrzahl der Fälle ohne nennenswerte Erfolge.
Die Bereitstellung der Sekundärluft erfolgt durch das Sekundärluftgebläse (9) über die Sekundärluftleitungen (11), die Regelung der Sekundärluft­ mengen durch die Luftregelklappen (15).
Zwar bringt die Erhöhung der Impulswerte aus Sekundärluft-Düsen (30) mit 70-100 mm ⌀ bei Luftgeschwindigkeiten zwischen 60-100 m/s bessere Mischleistungen, die Temperatur der "dicken" Luftstrahlen ist jedoch zu kalt, um die für die CO-Bestandteile im Rauchgas erforderliche Reaktionstemperatur von ca. 560°C sicherzustellen. "Dünnere" Luft­ strahlen würden durch die Rauchgase zwar schneller und intensiver auf die erforderliche Reaktionstemperatur aufgeheizt, erzielen aber nicht die notwendige intensive Vermischung zwischen den Rauchgasen und der Sekundärluft und dringen auch nicht tief genug in den Rauchgasstrom ein.
Um den Korrosionsproblemen zu begegnen, wurden auf die Wandheizflä­ chen (6, 7) der Nachbrennkammer (4) teilweise keramische Abkleidungen (8) aufgebracht. Die Ursachen für die Korrosionsschäden konnten damit jedoch nicht beseitigt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, welches eine intensive Durch­ mischung und möglichst vollständige Nachverbrennung der Rauchgase unmittelbar im Eintritt der Nachbrennkammer, d. h. im Eintritt des Strahl­ raumes sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die noch nicht vollstän­ dig ausgebrannten Rauchgase aus dem Feuerraum (2) durch einen im Ein­ tritt der Nachbrennkammer eingebauten, im Inneren hohlen, prismatischen Verdrängungskörper (5) so aufgeteilt werden, daß ein Teil der Rauchgase - ähnlich einer Gleichstrom-Feuerung - horizontal über das heiße Rostbett (3) geführt werden, bevor diese in die Nachbrennkammer (4), d. h. in den Strahlungszug, eintreten.
Diese Horizontalführung eines größeren Rauchgasanteiles über den Rost (3) ist von besonderer Bedeutung, da durch diese Art der Gasführung einmal die Temperatur der auf dem Rost (3) liegenden Brennstoffschicht erhöht, zum anderen die Verweilzeit der Rauchgase im Feuerraum (2) er­ höht wird. Die Erhöhung der Verweilzeit im Bereich höherer Temperatu­ ren, d. h. oberhalb 1000°C, stellt physikalisch ein Substitut für Misch­ leistung dar mit einem daraus resultierenden besseren Ausbrand sowohl der CO-Anteile im Rauchgas wie auch der aus dem Brennstoffbett mitge­ rissenen Kohlenstoff-Partikel. Hierdurch wird - gleichzeitig - die Korro­ sionswirkung der Rauchgase vermindert und die Dioxin- bzw. Furan­ emissionen reduziert.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird der prismatische Verdrängungskörper (5) am Eintritt der Nachbrennkammer (4) aus wassergekühlten Siederohren gestaltet, wobei im Inneren des prisma­ tischen Verdrängungskörpers (5) Düsenbalken (14) mit Sekundärluftdüsen (31) und/oder Rauchgas-Rezirkulationseinrichtungen (16) eingebaut wer­ den.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Lage des Verdrängungs­ körpers (5) als Dreikant-Prisma können folgende für die Verbrennungs­ qualität wesentliche Faktoren beeinflußt bzw. bestimmt werden:
  • 1. Anteil der Rauchgase mit Gleichstromführung über das heiße Brenn­ stoffbett.
    Damit wird das Brennstoffbett heißer, der Feinanteil im Rauchgas­ strom brennt besser aus, die Dioxin- bzw. Furanbildung wird unter­ drückt.
  • 2. Geometrische Gestaltung des Verdrängungskörpers (5) in der Weise, daß gem. Fig. 2 die Öffnungswinkel δ und τ, welche durch die Nach­ brennkammer-Vorderwand (6), den prismatischen Verdrängungskörper (5) und die Nachbrennkammer-Rückwand (7) gebildet werden, mög­ lichst klein sind zwecks Vermeidung von Wirbelbildung und Rück­ strömungen in der Nachbrennkammer (4).
  • 3. Dimensionierung der Prismenbasis (Y) in der Weise, daß gem. Fig. 2 der jeweilige Gasdurchtrittsabschnitt (X) bzw. (Z). Wesentlich kleiner ist als der Gasdurchtrittsabschnitt (X) + (Z).
    Die Sekundärluftdüsen (30, 31) können für kleinere Impulswerte ( x w) ausgelegt werden: Der für eine geringere Eindringtiefe aus­ gelegte "dünnere" Sekundärluftstrahl wird schneller aufgeheizt, die Durchmischung erfolgt im Bereich hoher Turbulenzen: Die Oxydation von CO erfolgt nahezu vollständig im Bereich der durch den prismati­ schen Verdrängungskörer (5) und die Kesselvorderwand (6) und die Kesselrückwand (7) gebildeten germerdüsenartigen Kanäle (27).
  • 4. Die unteren Spitzen des prismatischen Verdrängungskörpers (5) kön­ nen - gem. Fig. 3 - so gestaltet werden, daß die im Prisma (5) liegen­ den Sekundärluftdüsen (31) mit einer Winkelstellung δ bzw. τ ange­ ordnet sind.
    Die Winkel δ bzw. τ sind so zu wählen, daß evtl. von den Prisma-Sei­ tenflächen (28) herablaufende Schlacken die Sekundärluftdüsen (31) nicht verstopfen.
  • 5. Die Sekundärluft aus dem Sekundärluftgebläse (9) kann im Luftvor­ wärmer (10) vorgewärmt werden, um die Temperaturdifferenz zwi­ schen Sekundärluft und CO-Reaktionstemperatur = 560°C zu redu­ zieren.
    Durch diese Maßnahme wird die Verbrennungsqualität weiter verbes­ sert.
  • 6. Gemäß Fig. 4 können sowohl durch den prismatischen Verdrängungs­ körper (5), wie auch durch die Kesselvorderwand (6) und die Kessel­ rückwand (7) über das Rezirkulationsgebläse (17) Rauchgase rezirku­ liert werden. Die rezirkulierten Rauchgase erhöhen den Absolutwert der O₂-Menge in der Ebene der Rezigasdüsen und tragen zur Verbes­ serung der Verbrennungsgüte bei, - bei gleichzeitiger Senkung der NOx-Emissionen.
    Zur Erhöhung der Reaktionskinetik sowie zur Verbesserung der Wär­ mebilanz im Systembereich Feuerung (2, 3) - Nachbrennkammer (4) kann die Temperatur der Rezirkulations-Rauchgase durch einen Rauchgas-Vorwärmer zusätzlich auf 350-450°C angehoben wer­ den.
  • 7. Der prismatische Verdrängungskörper (5) kann gem. Fig. 1-2 kera­ misch so abgekleidet werden (8), daß die Unterseite eine zusätzliche Zünddecke (19) für Müll - insbesondere für heizwertarmen Müll - bil­ det.
  • 8. Weitere vorteilhafte Eigenschaften und Maßnahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Claims (14)

1. Verfahren zum Verbrennen insbesondere von Müll und Biomassen in einem Verbrennungskessel, wobei die zu verbrennenden Stoffe über eine Brennstoff-Aufgabe in einen Feuerraum mit Verbrennungsrost eingebracht und verbrannt werden, und die entstehenden Rauchgase in eine ungeteilte Nachbrennkammer eingeleitet werden dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase durch einen prismatischen, wassergekühlten Ver­ drängungskörper (5) in zwei Rauchgasströme aufgeteilt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der wassergekühlte prismatische Verdrängungskörper (5) in das Wasserumlaufsystem der Kesselanlage eingebunden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische Verdrängungskörper (5) innen mit Sekundärluft­ düsen (27) ausgerüstet ist, welche unmittelbar im Austritt des Feuer­ raumes (3) und damit unmittelbar am Eintritt zur Nachbrennkammer (4) angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-3 dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische Verdrängungskörper (5) mit der Nachbrennkam­ mer-Vorderwand (6) und der Nachbrennkammer-Rückwand (7) Rauch­ gaskanäle (27) bilden, welche sich kontinuierlich nach oben erweitern.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-4 dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische Verdrängungskörper (5) eine zusätzliche Zünd­ decke (19) über den Rost (3) bildet.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-5 dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftdüsen (27) kleiner als 60 mm ⌀, aber größer als 20 mm ⌀ sind.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-6 dadurch gekennzeichnet, daß - gemäß Fig. 2 - der Rauchgasdurchtritt (X) = Rauchgasdurch­ tritt (Z) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-7 dadurch gekennzeichnet, daß - gemäß Fig. 2 - der Rauchgasdurchtritt (X) < Rauchgasdurch­ tritt (Z) ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-8 dadurch gekennzeichnet, daß - gemäß Fig. 2 - der Abschnitt (Y) der Zünddecke (19) < Summe der Rauchgasabschnitte (X) + (Z) ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-9 dadurch gekennzeichnet, daß - gemäß Fig. 2 - die Öffnungswinkel δ und τ der Durchtrittskanäle (27) mind. 10° und max. 30° betragen.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-10 dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische, wassergekühlte Verdrängungskörper (5) eine äußerliche keramische, schlackenabweisende Abkleidung erhält.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-11 dadurch gekennzeichnet, daß - gemäß Fig. 3 - die unteren Spitzen des prismatischen Verdrän­ gungskörpers negativ geneigt abgeflacht sind, und die abflachenden Winkel δ und τ mindestens 20° und max. 60° betragen.
13. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-12 dadurch gekennzeichnet, daß - gem. Fig. 4 - in den prismatischen Verdrängungskörper (5) über das Rezirkulationsgasgebläse (17) Rauchgase eingeleitet werden, welche über Verteilerbalken (14) und Rezirkulationsgasdüsen (32) in den Übergang zwischen Feuerraum (2) und Nachbrennkammer (4) eingeleitet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Ansprüchen 2-13 dadurch gekennzeichnet, daß - gem. Fig. 4 - die Rezirkulationsgase durch einen Rauchgasvor­ wärmer (18) über die Rauchgas-Austrittstemperatur der Kesselanlage angehoben wird, vorzugsweise auf 300-400°C.
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