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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Düsen, die Feuerungen Verbrennung
aufrechterhaltendes Mittel zuführen.
Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung typisch, aber nicht
ausschließlich, auf
Kohlenstaub-Zufuhrdüsen
und Sekundärluftdüsen bei
tangential gefeuerten Brennern von Dampferzeugern. Tangentiale Feuerung
ist in
US 4,252,069 ,
US 4,634,054 und
US 5,483,906 beschrieben.
Typische Kohlenstaub-Brennerdüsen
sind in WO 9801704 A und
EP
0869 313 A dargestellt.
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Kohlenstaub
zuführende
Brenner haben typisch drehbar angeordnete Kohlendüsenspitzen,
die in die Feuerung hineinragen. Die Kohlendüsenspitzen haben eine Doppelmantel-Konfiguration,
die einen Außenmantel
und einen Innenmantel umfasst. Der Innenmantel ist koaxial innerhalb
des Außenmantels
angeordnet, um einen ringförmigen
Raum zwischen Innen- und Außenmantel
vorzusehen. Der Innenmantel ist mit einem Brennstoff-Zufuhrstutzen oder
-rohr verbunden zur Zuführung
von in einem Luftstrom enthaltenen Kohlenstaub durch den Innenmantel
in die Feuerung. Der ringförmige
Raum ist mit einem Sekundärluftstutzen
zur Einspeisung von Sekundärluft
durch den Kanal in die Feuerung verbunden. Die Sekundärluft soll
als Verbrennungsluft dienen und den Außenmantel abkühlen. Das
Brennstoffzufuhrrohr ist typisch axial im Sekundärluftstutzen angeordnet.
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Die
Düsenspitze
ist in einer Öffnung
einer Düsenstützwand,
typisch im Auslass des Sekundärluftkastens
angeordnet. Der äußere Querschnitt
der Düsenspitze
ist typisch rechteckig und entspricht hauptsächlich dem inneren Querschnitt
am Auslassende des Luftstutzens. Typisch verbleiben schmale Spalte
zwischen den Umfassungswänden
der Düsenspitze
und den Wänden
des Luftstutzens. Sekundärluft
kann durch die schmalen Spalte lecken. Die Luft fließt typisch
horizontal in die Feuerung ein. Wenn die Düsenspitzen zur horizontalen
Abführung von
Brennstoff und Luft horizontal in die Feuerung vorgesehen sind,
fließt
die durch die Spalte leckende Luft hauptsächlich in Richtung der Außenwände der Düsenspitzen
und schützt
somit ihre Wandplatten vor Strahlungswärme der Feuerung.
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Typisch
ist die Kohlendüsenspitze
mit dem Brennstoff-Zufuhrroh
drehbar verbunden, um das Niveau des Feuerballs bei tangentialer
Feuerung kontrollieren zu können.
Somit, wenn die Düsenspitze geneigt
ist, um eine Aufwärts-
oder Abwärtsströmung von
Brennstoff und Luft in die Feuerung vorzusehen, ist eine ihrer Wände von
dem austretenden Luftstrom weggebogen und somit mehr oder weniger
ungeschützt.
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Brennstoff-
sowie Sekundärluft-Düsenspitzen
tangential gefeuerter Kesseleinheiten sind harschen Feuerungsverhältnissen
ausgesetzt, die zu thermischer Verformung und/oder Hochtemperatur-Oxydation
führen
können.
Dieses Problem erfordert vom Operator, dass viele ihrer Kohlen-
und Luftdüsenspitzen
jährlich
zu recht hohen Kosten ersetzt werden. Besonders bei tangential gefeuerten
Kesseleinheiten spielen die Verhältnisse
an den Düsenspitzen
eine Schlüsselrolle
beim Aufrechterhalten von optimalen Verbrennungseigenschaften auf
lange Sicht.
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Man
hat herausgefunden, dass die innerhalb der Düsenspitze von Brennstoff- oder
Luftzufuhrdüsen
fließende
Kühlluft
unter bestimmten Hochtemperaturverhältnissen nicht für genügende Kühlung der Außenwände der
Düsenspitzen
sorgen kann. Somit können
die Außenwandplatten
stark beschädigt
werden, was zu den oben erwähnten
Problemen führt.
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Einer
direkten Strahlung ausgesetzt zu sein, insbesondere wenn Düsenspitzen
nach oben oder unten geneigt sind, ruft Wärmegradienten durch dicke,
1/4 bis 3/4 Zoll dicke Platten aus rostfreiem Stahl hervor. Der
Wärmegradient
verursacht Verformung und schließlich Blockieren der Durchgänge in den Düsen, was
zu einem Leistungsrückgang
führt.
Aussetzung einer hohen Strahlung hat auch zur Folge, dass die Betriebstemperatur
die Materialgrenzen überschreitet,
und schließlich
Oxydation und Verdünnungswirkung
der Platte in „Verbrennen" und schließlich einem
Leistungsrückgang
resultieren.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Düse vorzusehen,
durch die sich die obigen Probleme vermieden oder zumindest minimiert
werden können.
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Im
Besonderen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Düse vorzusehen,
deren Außenwände vor
Wärmestrahlung
gut geschützt sind.
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Die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Düsen erreicht,
die die in den beifügenden
Patentansprüchen
erwähnten
charakterisierenden Merkmale aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Düse vor zur Aufgabe von Verbrennung
aufrechterhaltendem Mittel unter Hochtemperaturverhältnissen
in eine Feuerung. Eine Düse
gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst einer bevorzugten Ausführungsform
zufolge eine Düsenspitze
und Brennstoff- und/oder Luftzufuhrmittel.
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Die
Düsenspitzen
können
der z. B. an Brennstoff-Zufuhrrohren, Luftzufuhrkästen, etwa
Windkästen,
Feuerungswandkonstruktionen oder irgendwelchen anderen geeigneten
günstig
angeordneten Konstruktionen drehbar montiert sein. Die Düsenspitzen
werden derart angeordnet, dass sie zumindest teilweise in die Feuerung
hinreinragen. Typisch können
mehrere Düsen übereinander
angeordnet werden und an einen an der Feuerungswand montierten vertikalen
Kasten, bevorzugt in einem Eckbereich desselben, angeschlossen werden.
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Verbrennung
aufrechterhaltendes Mittel, wie Kohlenstaub und Luft, können durch
die Zufuhrmittel und Düsenspitzen
in die Feuerung eingespeist werden. Typisch wird Kohlenstaub als
Mischung mit Trägerluft
aufgegeben. Sekundärluft
kann getrennt von der Kohle aufgegeben werden Die Düsen können dazu
benutzt werden, auch andere geeignete Brennstoffe und Gase aufzugeben.
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Die
Düsenspitze
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst typisch einen hauptsächlich offenen
Außenmantel
und Hüllmittel,
die einen Teil der Außenmantel bedecken.
Am ersten Ende des Außenmantels
steht der Durchgang innerhalb des Außenmantels in Fließverbindung
mit den Luftzufuhrmitteln. Das andere Ende des Außenmantels
ragt typisch in die Feuerung hinein. Der Außenmantel hat typisch einen
quadratischen oder rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken.
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Die
Hüllmittel
bestehen typisch aus einer Hüllplatte,
die so angeordnet ist, dass sie einen Teil vom ersten Ende des Außenmantels
bedeckt. Ein Gasraum wird zwischen der Hüllplatte und dem bedeckten
Teil des Außenmantels
gebildet. Hüllluft, etwa
Sekundärluft,
wird durch den Gasraum geleitet und die unbedeckte Oberfläche des
Außenmantels entlang
abgeleitet, womit sie dem Außenmantel Schutz
vor Strahlungswärme
gewährt.
Die Hülle,
d. h. ihre Platten, kann ausgekehlt sein, um eine knollige Form
zu bilden und deshalb selbst vor dem größten Teil der Strahlung geschützt zu sein.
Etwas Leckageluft fließt
auch ziemlich nah am ersten Ende der Hülle, auch wenn die Düsenspitze
geneigt ist. Die Leckageluft weicht erst später von der Düsenspitze
ab, womit die Leckageluft auch etwas Schutz nahe am Windkasten bietet.
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Hüllplatten
sind typisch derart montiert, dass sie einen Teil der Ober- und
Unterseite des Außenmantels
bedecken. Die Hüllplatte
kann auf solche Weise geformt sein, dass sie die Hüllluft in
einer gewünschten
Richtung leitet und für
die gewünschte Form
der Hüllluft-Strömung sorgt.
Die Hülle
kanalisiert oder leitet Kühlluft
den Außenmantel,
die äußeren Platten
der Kohlen- oder Luftdüsenspitzen
entlang, und sorgt somit für
zusätzliche
Kühlung
in jenen Abschnitten, die der Strahlung mehr ausgesetzt sind.
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Die
Düsenspitzen
umfassen weiters eine Luftkühlzone,
die peripherisch auf der Innenseite zumindest eines Teils des Außenmantels
gebildet ist. Ein Luftstrom wird die Innenseite des Außenmantels entlang
in der Luftkühlzone
aufrechterhalten.
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Die
Düsen gemäß der vorliegenden
Erfindung sind besonders geeignet zur Aufgabe von Brennstoff und
Luft in tangential gefeuerte Feuerungen, weil die Düsenspitzen
drehbar montiert sein können,
so dass die Richtung der Strömung
aus den Düsen
geändert
werden kann. Die Strömung
kann aufwärts
oder abwärts
geleitet werden, um den Verbrennungsprozess in der Feuerung zu kontrollieren. Typisch
können
die Düsenspitzen
um ± 30° entweder nach
oben oder unten geneigt sein. Die vorliegende Erfindung erhält eine
Lufthülle
aufrecht und kühlt
die Außenmantelfläche sogar
in extrem geneigten Positionen.
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Die
von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Hüllmittel können dazu benutzt werden, ebenfalls
Luftdüsen
vor Strahlung in Feuerungen zu schützen. Dabei sorgt die durch
die Düse
fließende Luft
für die
innere Kühlung
des Außenmantels,
und ein zusätzlicher,
von den Hüllmitteln
geleiteter Luftstrom sorgt für
den äußeren Schutz
der Düsenspitzen.
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Die
vorliegende Erfindung bietet einen wirksamen Schutz vor Strahlungswärme. Hochgeschwindigkeitsstrahlen
von Luft mit 85 ft/sec bis 250 ft/sec werden aus speziell konstruierten Kanälen strategisch
geleitet und umhüllen
die Düsenspitze
mit Kühlluft.
Die Lufthülle
sorgt für
zusätzliche
Kühlung
der Düse
und setzt durch die doppelseitige Kühlung durch Luft den Temperaturgradienten über das
Plattenmaterial herab. Die kombinierte Wirkung der Luftströme in der
umhüllten
Düsenspitze
reduziert die Wärmebeanspruchungen
und die nachfolgende Verformung.
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Die
umhüllte
Düsenspitze
kann dazu benutzt werden, bestehende Düsen in bestehenden Windkästen oder
anderen Stützkonstruktionen
zu ersetzen. Die Düsenspitzen
lassen sich leicht in bestehenden Anlagen montieren. Die Standzeit
der neuen Düsenspitzen
ist lang, was die Kosten senkt. Die Mischeigenschaft von Brennstoff
und Luft bleibt längere Zeit
erhalten, weil die Düsenspitze
unbeschädigt bleibt.
Auch der Verbrennungswirkungsgrad wird über längere Perioden aufrechterhalten.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt
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1 eine
schematische Ansicht eines Kessels, bei dem das tangentiale Feuerungsverfahren zum
Einsatz kommt;
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2 einen
Querschnitt von 1 entlang Linie AA;
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3 einen
Querschnitt nach 2 einer anderen Feuerung;
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4 einen
schematischen Vertikalschnitt in Strömungsrichtung einer Kohlendüsenspitze
nach dem Stand der Technik;
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5 einen
Querschnitt wie 4 einer Düsenspitze gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 einen
schematischen Vertikalschnitt in Strömungsrichtung einer Düsenspitze
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 einen
schematischen Vertikalschnitt in Strömungsrichtung der Düsen einer
Düsenanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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8 eine
schematische axonometrische Vorderansicht einer Kohlendüsenspitze
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 und 2 zeigen
einen Feuerraum 10, der tangentiale Feuerung nutzt. Düsenanordnungen 12 sind
an den Wänden 14 in
den Eckbereichen montiert. Brennstoff- und Luftströme 16 werden
tangential auf einen Feuerball 18 in der Mitte der Feuerung
zugeleitet. Durch Neigung der Düsen 20 nach oben
oder unten kann der Feuerball angehoben oder fallen gelassen werden.
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Die
Düsenanordnungen
können
direkt in den Ecken oder nahe der Eckbereiche, wie in 3 dargestellt,
angeordnet werden.
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4 zeigt
eine konventionelle Kohlendüse 20 für Brennstoffaufgabe.
Die Düsenspitze 22 ist
am Auslassende eines Sekundärluftstutzens 24 montiert.
Die Düsenspitze
ist drehbar um eine Achse 26 montiert. Die Düse umfasst
einen Außenmantel 28 und
einen Innenmantel 30 und einen ringförmigen Luftkanal 32 zwischen
den Mänteln.
Luft wird aus dem Sekundärluftstutzen 24 in
Luftkanäle 32 in
der Düsenspitze
eingespeist und in die Feuerung 10 abgeleitet. Außerhalb
der Düsenspitze
leckt zusätzliche Luft
in horizontalen Luftströmen
durch Öffnungen 34 aus
dem Sekundärluftstutzen 24 in
die Feuerung 10. Brennstoff wird über Stutzen (in der Zeichnung
nicht dargestellt) durch die mittleren Teile von Luftstutzen 24 und
Düsenspitze
in die Feuerung aufgegeben.
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Die
Düsenspitze
in 4 ist abwärts
geneigt. Somit folgt Luft, die durch die Öffnung 34 leckt, nicht
der oberen Wand des Außenmantels
der Düsenspitze
nach, sondern entfernt sich von der Düse. Die Oberseite der Wand
ist vor Strahlung ungeschützt
und kann beschädigt
werden.
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5 zeigt
in einer ähnlichen
Ansicht eine Düsenspitze 5 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Es werden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 bis 4 benutzt.
Die Düsenspitze
besteht aus einem Außenmantel 28 und
einem Innenmantel 30, der koaxial innerhalb des Außenmantels
angeordnet ist. Zusätzlich
sind Hüllmittel 36 am
ersten Endabschnitt 38 des Außenmantels, d. h. näher an den
Zufuhrmitteln 24 angeordnet, um den ersten Abschnitt des
Außenmantels
zu bedecken.
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Die
Hüllmittel 36 bilden
einen Raum 40 oder Schlitz mit dem ersten Endabschnitt
des Außenmantels.
Luft wird in diesen Raum 40 aus dem Luftstutzen 24 eingeführt. Der
vorliegenden Erfindung zufolge kann ein Luftstrom aus dem Luftstutzen 24 derart
unterteilt oder aufgespaltet werden, dass er teilweise in den Raum 32 zwischen
Außenmantel
und Innenmantel fließt
und teilweise in den Raum 40 zwischen Außenmantel
und Hüllmitteln
fließt.
Aus dem Raum 40 tritt Luft derart aus, dass die Außenfläche des
Außenmantels
entlangfließt
und dadurch den Mantel vor Strahlung schützt. Die Hüllmittel ergeben eine gut gerichtete
Strömung
von Kühlluft,
wie durch Pfeile dargestellt ist.
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Die
Düsenspitzen
können
aus Mänteln
mit einem quadratischen, rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt
gebildet sein, die ringförmige
Räume dazwischen
bilden. Die Hülle
kann gewünschtenfalls eines ähnlichen
quadratischen, rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitts sein, besteht
aber typisch aus Plattenmaterial, das nur die obere und untere Seite
des Außenmantels
bedeckt. Typisch ist ein erhöhter
Schutz gegen Strahlung meistens auf der oberen und unteren Seite
der Düsenspitze
notwendig.
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In 6 ist
eine etwas abweichende Zeichnung einer Düsenspitze gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Es werden die gleichen Bezugszeichen wie
zuvor bei 1 bis 5 benutzt.
Aus 6 geht hervor, dass die Düsenspitze einen von einem Innenmantel 30 abgegrenzten
Innenteil 42 zur Aufgabe von Kohle umfasst. Der Innenteil
ist durch Spalter 44 in getrennte Strömungskanäle 46 unterteilt.
Der Brennstoff-Zufuhrstutzen,
der Brennstoff in die Düsenspitze
einführt,
ist nicht dargestellt.
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Zur
Bedeckung des Außenmantels 28 wird eine
Mehrhüllen-Konstruktion benutzt.
Ein Luftkanal 32 wird zwischen Außenmantel und Innenmantel wie in 5 gebildet.
Die erste Hälfte 38 der
Oberseite des Außenmantels 28 ist
von einer ersten Hülle 36 bedeckt.
Ein erster Hüllluftkanal 40 wird
zwischen Mantel 28 und Hülle 36 gebildet.
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Eine
zweite Hülle 48 wird
benutzt, um einen ersten Abschnitt 36' der ersten Hülle 36 zu bedecken. Somit
wird ein zweiter Hüllluftkanal 50 zwischen
dem ersten Hüllenabschnitt 36' und der zweiten
Hülle 48 gebildet.
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Eine
Mehrfach-Lufthülle,
teilweise aus Kanal 40 und teilweise aus Kanal 50 wird
so geleitet, dass sie die Oberseite der Düsenspitze entlangfließt. Die Lufthülle aus
dem zweiten Luftkanal schützt
den Außenmantel
und die erste Hülle
vor Strahlung. Selbstverständlich
ist es möglich,
sogar mehr Hüllen übereinander
auf ähnliche
Weise hinzuzufügen,
um eine Mehrhüllenkonstruktion
vorzusehen. Deflektoren 49 zwischen Wandplatten 51 und
Hülle 48 sind
nicht notwendig, wenn Wandplatten 51 näher an die Düsenspitze
verlagert werden.
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7 zeigt
eine Düsenanordnung,
die eine Kohlenzufuhrdüsenspitze 52,
eine einzige obere Luftzufuhrdüsenspitze 54,
untere Luftzufuhrdüsenspitzen 56,
die einen Anfahrölbrenner 58 umgeben.
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Die
in 7 an Düsenspitzen 52, 54 und 56 dargestellten
Hüllen
sind knollig. Die Hüllen
könnten gewünschtenfalls
nicht-knollig sein. 7 zeigt deutlicher als 6,
wie die Kohlenzufuhrdüsenspitze 52 mit einem
Kohlenzufuhrrohr 60 drehbar verbunden sein kann, das axial
innerhalb eines Sekundärluftstutzens 62,
etwa eines Windkastens, angeordnet ist. Die Luftzufuhrdüsen sind
mit Sekundärluftkästen, etwa Windkästen, verbunden.
Die Düsenspitzen
sind auf solche Weise nach unten geneigt, dass die Achse der Düsenspitze
einen Winkel α zur
horizontalen Ebene bildet. Der Winkel α kann ± 30 von der Horizontalen sein.
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8 zeigt
eine einzige Kohlenzufuhrdüsenspitze.
Es werden die gleichen Bezugszeichen eingesetzt wie in 6.
Die Düsenspitze
besteht aus einem Innenmantel 30 und einem Außenmantel 28,
die koaxial angeordnet sind. Der innere Kohlenzufuhrraum innerhalb
des Innenmantels ist durch Spalter 44 in einzelne Kohlenzufuhr-Teilkanäle 46 unterteilt.
Der ringförmige
Raum zwischen Außenmantel
und Innenmantel bildet einen Sekundärluftzufuhrkanal 32.
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Eine
konvexe, gebogene Hüllplatte 36 ist
auf der Oberseite des Außenmantels 28 angeordnet,
um seine erste Hälfte 38 zu
bedecken. Ein Luftraum 40 wird zwischen Außenmantel
und Hülle
gebildet. Trennplatten 64 sind in dem Raum angeordnet,
um darin Teilkanäle
parallel zur Hüllluftströmung zu
bilden.
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Die
vorliegende Erfindung soll nicht auf die in der obigen Beschreibung
angeführten
Ausführungsformen
begrenzt sein, sondern umfasst andere, in der Definition der Erfindung
enthaltene Ausführungsformen,
wie sie in den beifügten
Patentansprüchen festgelegt
sind. Somit werden außer
Düsen für staubförmigen Brennstoff
und Luft auch Düsenspitzen
für Ober luft
des Rostes, Gas und Öl
vom Schutzumfang der Erfindung erfasst.