DE4442126C1 - Düsenboden für eine Wirbelschichtfeuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Düsenboden für eine Wirbelschichtfeuerung, der den Wirbelschichtkessel und den Windkasten voneinander trennt und Öffnungen für den Durchtritt von Verbrennungsluft aus dem Windkasten in den Wirbelschichtkessel aufweist.

Bei Wirbelschichtfeuerungsanlagen spielt die Ausgestaltung des Düsen­ bodens eine entscheidende Rolle. Im allgemeinen muß immer ein Kompromiß im Hinblick auf den Strömungswiderstand der zugeführten Verbrennungs­ luft, deren Verteilung über den Düsenboden, dem Durchfallen von Inertmaterial, insbesondere Sand, der Erosion an der Auskleidung des Wirbelschichtkessels und den Luftdüsen sowie der Verschlackung von Auskleidung, Düsenboden und Luftdüsen angestrebt werden. Das Erreichen dieses Kompromisses führt in der Regel zu hohem Instandhaltungsaufwand und zu hohen Kosten.

Bekannt sind Düsenböden, die mit Düsen aus Metall oder Keramik bestückt sind. Dabei handelt es sich in der Regel um verhältnismäßig kompli­ zierte Gebilde, für die bisher eine optimale Ausgestaltung noch nicht gefunden wurde. Beispielsweise ist aus dem DE-GM 18 30 427 eine "Lochplatte für Fließbettreaktoren" bekannt geworden. Bei der bekannten Lochplatte handelt es sich um eine vereinfachte Konstruktion, die zum gesteuerten Einlaß der reagierenden Stoffe durch den Düsenboden hindurch in die schachtartige Reaktionskammer hinein dient.

In der Reaktionskammer liegt eine Schicht von festen Teilchen auf einer wärmeisolierenden Grundplatte auf, die mit Gasdurchgängen versehen ist. Die bekannte wärmeisolierende Grundplatte ist aus einem Block aus einem hitzebeständigen und chemisch beständigen Binder, z. B. aus einem hitzebeständigen Beton hergestellt, der auf einer Metallplatte angeord­ net ist. Die Grundplatte ist mit rohrförmigen Gliedern bestückt, die sich vom Windkasten durch die Metallplatte und die Grundplatte hindurch bis in eine Schicht von festen Teilchen erstrecken und dazu dienen, ein Gas in die Schicht von festen Teilchen einzuleiten, damit diese mitein­ ander reagieren können. Dabei werden die festen Teilchen zugleich flui­ disiert. Die Reaktion findet bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C statt.

Im bekannten Falle wird also das über den Windkasten zugeführte Gas auf eine Vielzahl von kleinen Bohrungen verteilt und auf diesem Wege in die Schüttung aus festen Teilchen eingeleitet. Die eigentliche Verteilung des zugeführten Gases erfolgt über die bekannten rohrförmigen Glieder, welche aus einem hitzebeständigen, keramischen Werkstoff bestehen. Keramische Verteilerdüsen haben den Vorteil einer gegenüber metal­ lischen Verteilerdüsen geringeren Wärmeleitfähigkeit, wodurch das Ent­ stehen von Anbackungen aus der Schmelze der Feuerung an den Austritts­ bohrungen für die Verbrennungsluft vermieden wird. Der Nachteil der bekannten Düsen besteht allerdings darin, daß sie verhältnismäßig teuer und wenig bruchfest sind. Die mangelnde Bruchfestigkeit kann leicht dazu führen, daß die Düsen zerstört werden, wenn anläßlich einer Reini­ gung des Kessels versucht wird, auch die Anbackungen von den Düsenöff­ nungen zu entfernen. Verteilerdüsen aus Metall neigen außer zur Bildung von Anbackungen auch zu Auswaschungen und Abtragungen an den Luftaustrittsöffnungen, welche durch mitgeführte Feststoffpartikel hervor­ gerufen werden.

Aus der DE-OS 26 10 973 A1 ist ein Reaktionsofen mit Wirbelschicht aus fluidem Schüttgut mit Einleitung des Fluidisierungsmittels am Ofenboden für die Ver­ brennung flüssiger bis fester Stoffe bekannt. Das Fluidisierungsmittel wird aus einer Verteilerkammer durch eine Vielzahl von Verteilerrohren, die senkrecht in der Decke der Verteilerkammer angeordnet sind, in den darüberliegenden Ofen­ schacht eingetragen. Die aus der Verteilerkammer in den Ofenschacht ragenden Verteilerrohre sind von Schüttgut umgeben und weisen im wesentlichen waage­ rechte Austrittskanäle für das Fluidisierungsmittel auf. Das ausströmende Fluidi­ sierungsmittel verwirbelt um die Rohre das im Bereich der Austrittskanäle lie­ gende fluide Schüttgut und bildet somit die Wirbelschicht. Das unterhalb der Austrittskanäle liegende Schüttgut wird nicht aufgewirbelt und bildet dadurch einen Strahlungs- und Wärmeschutz für die Verteilerdecke. Dabei handelt es sich sowohl in der Schutzschicht als auch in der Wirbelschicht um Bettmaterial glei­ cher Qualität.

Das Auftreten von Erosion an den Düsenköpfen, z. B. ausgelöst durch gegenseitige Anströmung, ist als Nachteil des Verfahrens seit langem bekannt. Auch ist die Bildung von Anbackungen aus der Schmelze der Feuerung an den Düsenköpfen häufig Ursache für Betriebsstillstände und aufwendige Reparaturen. Zudem sind solche Konstruktionen relativ teuer und bieten schlechte Reinigungsmöglichkei­ ten.

Aus den Nachteilen bekannter Ausgestaltungen von Düsenböden für Wirbelschichtfeuerungen ergibt sich die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, einen Düsenboden vorzuschlagen, der eine Vielzahl von möglichst einfachen Ausströmöffnungen für die Verbrennungsluft aufweist, so daß eine optimale Luftverteilung erzielt werden kann. Daneben soll zugleich auf kostspielige Konstruktionen verzichtet werden und der Düsenboden auf recht einfache Weise erneuerbar sein bzw. von möglichen Anbackungen gereinigt werden können.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß bei einem Düsenboden gemäß Oberbegriff von Anspruch 1

• - die gesamte Schüttung sich oberhalb der Öffnungen des Düsenbodens be­ findet und eine Dicke aufweist, die zwischen 1- bis 10mal so groß ist wie der mittlere Durchmesser einzelnen Stücke,
• - die Stücke der Schüttung jeweils eine Größe aufweisen, die mindestens 1,1 mal so groß ist wie der Durchmesser der Öffnungen des Düsenbodens,
• - die Stücke der Schüttung eine Masse haben, die ausreichend groß ist, so daß die durch die Schüttung hindurchströmende Verbrennungsluft nur am Wirbelbettmaterial, jedoch nicht an der Schüttung eine Bewegung hervor­ rufen kann.

Im einfachsten Fall besteht ein solcher erfindungsgemäßer Düsenboden aus einer Schicht von Kieselsteinen. Kieselsteine haben eine Wärmeleitfähigkeit, die der Wärmeleitfähigkeit von keramischen Bauteilen vergleichbar ist und neigen des­ halb weniger als andere Materialien zur Bildung von Anbackungen aus der Schmelze der Feuerung. Zugleich sind Kieselsteine gegenüber keramischen Bau­ teilen erheblich preisgünstiger. Die Verbrennungsluft wird mit einer Gcschwin­ digkeit durch die Schüttung hindurchgeleitet, die so bemessen ist, daß nur am Wirbelbettmaterial, jedoch nicht an der Schüttung selbst eine Bewegung hervor­ gerufen wird, da solche Bewegungen den Kesselbetrieb stören könnten. Die ideale Geschwindigkeit wird von Fall zu Fall durch Ausprobieren ermittelt.

Auch bereitet die Reinigung eines Düsenbodens, der erfindungsgemäß aus Kie­ selsteinen gebildet ist, keinerlei Schwierigkeiten, sollten sich darauf einmal An­ backungen gebildet haben. Hier genügt es in der Regel, die Kiesschicht umzula­ gern, wobei bereits ein großer Teil der Anbackungen abplatzt und die auf diese Weise gelösten Teilchen in die Wirbelschichtfeuerung eingetragen werden kön­ nen, wo sie zusammen mit der bei der Verbrennung entstehenden Asche abge­ führt werden.

Eine Schüttung aus Kies hat zudem den Vorteil, daß eine Vielzahl von Luftkanä­ len entsteht, die eine optimale Verteilung der Verbrennungsluft über den gesam­ ten Düsenboden bewirken.

Neben der Verwendung von Kieselsteinen ist nach einem anderen Merkmal auch die Verwendung von Ofenbaustoffen vorgesehen und auch die Verwendung von Metallstücken, wobei eine Mischung aus wenigstens zwei dieser Materialien hin­ sichtlich der Kosten einer solchen Schüttung als auch des Reinigungsaufwandes besonders günstig ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher be­ schrieben. Es zeigen jeweils schematisch und in starker Vereinfachung

• - die Fig. 1 einen nicht maßstäblichen Längsschnitt durch einen Wirbel­ schichtkessel.
• - die Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Düsenboden.

Der Wirbelschichtkessel 1 dient beispielsweise zur Umwandlung von Braun- oder Steinkohle mit Hilfe von Luft 2 bei Temperaturen in der Größenordnung zwischen 800 und 1200°C. Dem Wirbelschichtkessel 1 nach­ geschaltet ist ein Fliehkraftabscheider 3, mit dessen Hilfe Rauchgas 4 und innerhalb des Wirbelschichtkessels 1 zirkulierendes Inertmaterial voneinander getrennt werden. Das abgetrennte Inertmaterial fließt über die Rückführleitung 5 wieder in den Wirbelschichtkessel 1 zurück. Den unteren Teil des Wirbelschichtkessels 1 bildet der Windkasten 6. Der Windkasten 6 ist vom Wirbelschichtkessel 1 über den überwiegend hori­ zontal verlaufenden Düsenboden 7 getrennt, der eine Mehrzahl von Öff­ nungen 8 aufweist. Auf der Oberseite des Düsenbodens 7 ist eine Schüt­ tung 9 angeordnet. Die Schüttung 9 besteht aus einer Vielzahl von Kie­ selsteine 10, die in regelloser Anordnung auf der Oberseite des Düsen­ bodens 7 lagern.

Der Durchmesser der einzelnen Kieselsteine 10 ist so gewählt, daß diese einen mittleren Durchmesser haben, der zwischen dem 1,1- bis 2fachen des Durchmessers der Öffnungen 8 beträgt. Die Dicke 11 bzw. Schütthöhe der Schüttung 9 beträgt zwischen dem 1 bis 10fachen des mittleren Durchmes­ sers der einzelnen Kieselsteine 10. Deren Masse ist ausreichend groß, damit die durch die Öffnungen 8 hindurchtretende Verbrennungsluft 12 mit geringer Geschwindigkeit 13 aus der Schüttung 9 austreten kann, ohne dabei innerhalb der Schüttung 9 Bewegungen hervorzurufen. Die Luft 13 strömt in den Wirbelschichtkessel 1 ein und reagiert dort mit dein jeweiligen Brennstoff-, Braun- oder Steinkohlen, in Anwesenheit des Inertmaterials.

Der Wirbelschichtkessel 1 dient zur Erzeugung von Dampf für Kraftwerks­ prozesse.

Während des Betriebs des Wirbelschichtkessels 1 kann sich zwischen den Kieselsteinen 10 nur wenig Sand bzw. Bettmaterial aufhalten. Anders beim Stillstand des Wirbelschichtkessels 1, hier besteht durchaus das Risiko, daß Bettmaterial durch die Kieselsteine 10 und die Öffnungen 8 hindurch in den Windkasten 6 hineinrieselt. Zur Vermeidung dieses Effekts haben heute alle bekannten Düsen bzw. Anströmausführungen eine Syphonkonstruktion, die den Sanddurchfall verhindern soll.

Im vorliegenden Vorschlag gemäß Fig. 2 sind die Öffnungen 8 im Düsen­ boden 7 mit gekrümmten Rohren 14 bestückt, deren in der Kiesschüttung 9 liegende Ausströmöffnung 15 nach unten hin gerichtet ist. Wie in der Figur erkennbar, sind die Scheitelkrümmung 16 der Rohre 14 und die Aus­ strömöffnung 15 ganz in die Kiesschüttung 9 eingebettet. Ohne die schützende Steinschicht der Kiesschüttung 9 würden die gekrümmten Rohre 14 den gesamten Luftstrahl 12 bzw. 13 mit Bettmaterial wie einen Sand­ strahl auf den Düsenboden 7 richten und dort unbeherrschbare Erosionen hervorrufen. Häufig genügt es allerdings, wenn nicht alle Öffnungen 8 des Düsenbodens 7 mit gekrümmten Rohren 14 bestückt sind; es muß ledig­ lich gewährleistet sein, daß der Wirbelschichtkessel 1 nach einem Stillstand wieder anblasbar bleibt; d. h. geringe Mengen von in den Windkasten 6 hineingerieseltem Bettmaterial sind nicht störend bzw. können ggfs. auf anderem Wege daraus entfernt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Wirbelschichtkessel
 2 Verbrennungsluft
 3 Fliehkraftabscheider
 4 Rauchgas
 5 Rückführleitung
 6 Windkasten
 7 Düsenboden
 8 Öffnung
 9 Schüttung
10 Kieselstein
11 Schütthöhe
12 Verbrennungsluft
13 Austrittsgeschwindigkeit
14 gekrümmtes Rohr
15 Ausströmöffnung
16 Scheitelkrümmung

Claims (5)

1. Düsenboden für eine Wirbelschichtfeuerung, der den Wirbelschichtkessel und den Windkasten voneinander trennt und Öffnungen für den Durchtritt von Verbrennungsluft aus dem Windkasten in den Wirbelschichtkessel auf­ weist, wobei die dem Wirbelschichtkessel zugewandte Oberseite des Düsen­ bodens von einer regellosen Schüttung aus einem temperaturbeständigen Material, deren einzelne Stücke eine Mindestgröße aufweisen, bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die gesamte Schüttung (9) sich oberhalb der Öffnungen (8) befindet und eine Dicke (11) aufweist, die zwischen 1- bis 10mal so groß ist wie der mittlere Durchmesser der einzelnen Stücke (10),
• - die Stücke (10) der Schüttung (9) jeweils eine Größe aufweisen, die mindestens 1,1mal so groß ist wie der Durchmesser der Öffnungen (8) des Düsenbodens (7),
• - die Stücke (10) der Schüttung (9) eine Masse haben, die ausreichend groß ist, so daß Schüttung (9) hindurchströmende Verbren­ nungsluft (12) nur am Wirbelbettmaterial, jedoch nicht an der Schüttung (9) eine Bewegung hervorrufen kann.

2. Düsenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüt­ tung (9) aus Kieselsteinen (10) besteht.

3. Düsenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüt­ tung (9) aus Ofenbaustoffen besteht.

4. Düsenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüt­ tung (9) aus Metallstücken besteht.

5. Düsenboden nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung (9) aus einer Mischung von wenigstens zwei voneinander unterschiedlichen Materialien besteht.