DE602004007569T2

DE602004007569T2 - Luftsystem für einen Wirbelbettkessel

Info

Publication number: DE602004007569T2
Application number: DE602004007569T
Authority: DE
Inventors: Matti 33720 Ylitalo
Original assignee: Metso Power Oy
Current assignee: Valmet Power Oy
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: EP1467148B1; ATE367557T1; DE602004007569D1; EP1467148A3; FI20030542A0; ES2288240T3; EP1467148A2; FI114114B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuführen von Oberluft aus Oberluftzufuhrniveaus in einen Wirbelschichtkessel gemäß dem Oberbegriff des angehängten Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Luftsystem gemäß dem Oberbegriff des angehängten Anspruches 5.
Luft wird in den unteren Teil des Ofens eines Wirbelschichtkessels über einen Rost in eine aus Wirbelschichtmaterial gebildete Wirbelschicht am Rost zugeführt, um das Material der Wirbelschicht zum Fließen zu bringen. Ein Brennstoff, wie Torf oder Rinde wird aus einem Brennstoffkanal in die Wirbelschicht zugeführt. Etwa 40 bis 70% der Luft, die für die Verbrennung des Brennstoffes benötigt wird, wird als sogenannte Primärluft durch den Rost zugeführt. Damit die Verbrennung so vollständig wie möglich ist, mit einem Minimum an Emissionen, wird Oberluft typischerweise aus zwei Oberluftniveaus in den Ofen des Kessels zugeführt. In einem typischen Wirbelschichtkessel sind Luftdüsen des Sekundärluftniveaus über dem Brennstoffkanal angeordnet und Luftdüsen des Tertiärluftniveaus sind über diesen vorgesehen. Ferner enthält der Kessel typischerweise verschiedene Brenner, die als Anfangs- und Zusatzbrenner verwendet werden.
In Wirbelschichtkesseln wird Oberluft typischerweise in den oberen Teil des Ofens des Kessels auf Sekundär- und Tertiärluftniveaus in einer Weise eingebracht, dass 50 bis 70% der Oberluft vom Sekundärluftlevel und der Rest, d.h. 30 bis 50% vom Tertiärluftlevel zugeführt wird. Diese Sekundär- und Tertiärluftniveaus so weit wie möglich von einander entfernt anzuordnen, hat eine vorteilhafte Wirkung auf den NO_x-Gehalt der Abgase des Kessels. Aus diesem Grund ist es das Ziel, das tertiäre Luftniveau soweit oben wie möglich anzuordnen.
Ein Beispiel für einen Wirbelschichtkessel kann in der WO A 9835183 gefunden werden.
In bekannten Oberluftsystemen von Wirbelschichtkesseln wird Luft auf dem Tertiärluftniveau von gegenüberliegenden Seiten oder von einer Seite des Kessels einge bracht. In der Praxis wurde herausgefunden, dass die beste Art Oberluft einzubringen ist die Luftstrahlen sowohl in der vorderen Wand als auch in der rückwärtigen Wand anzuordnen. So kann der Strom der Abgase einfach wie gewünscht eingestellt werden, in dem die Temperaturen und die Strömungsraten im Ofen des Kessels optimal sind.
Wenn der Aufbau des Boilers oder des Kraftwerks so ist, dass es nicht möglich ist Luftstrahlen und Kanäle in der Wand auf der Seite der Kesselnase, d.h. an der Rückwand vorzusehen, wird die Luft typischerweise von beiden Seitenwänden des Ofens und in manchen Fällen nur von der vorderen Wand eingebracht.
Wenn die Oberluft nur von Luftstrahlen eingebracht wird, die in den Seitenwänden des Kessels gegenüber liegen, oder verschachtelt sind, neigen sich typischerweise die Strömungsgase, die im Ofen nach oben strömen zu einer der Seitenwände. D.h. dass der Sauerstoffgehalt der Abgase in seitlicher Richtung des Kessels variiert und der Verbrennungsprozess schlecht wird.
Wenn der Brennstoff von der vorderen Wand des Boilers eingebracht wird, ist die Verbrennung an der Seiten der vorderen Wand gewichtet. Daher erhöht sich der Gehalt an Kohlenmonoxid in der Nähe der vorderen Wand des Kessels, während der Sauerstoffgehalt in der Nähe der rückwärtigen Wand höher ist. Um eine genügende Menge an Luft von der vorderen Wand zum hinteren Teil des Ofens einzubringen, müssen sehr starke Luftstrahlen verwendet werden, was zu der Entwicklung von schädlicher Turbulenz in Bereich des Ofens führt. Eine solche Turbulenz unterhalb der Nase des Kessels reduziert die Wirksamkeit des Kessels.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Luftsystem zu präsentieren, das eine gleichmäßige Temperaturverteilung in einem solchen Wirbelschichtkessel erzeugt, in dem die rückwärtige Wand nicht mit Luftströmen versehen werden kann.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist das Verfahren gemäß der Erfindung hauptsächlich durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruches 1 dargelegt wird. Die Luftanordnung gemäß der Erfindung ist ihrerseits hauptsächlich durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruches 5 dargelegt ist.
Die anderen abhängigen Ansprüche werden einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Die Grundidee der Erfindung ist es den Wirbelschichtkessel mit Luft von einem oder mehreren Oberluftniveaus über dem primären Luftniveau aus drei Richtungen zu versorgen. Gemäß der Erfindung werden die Primärluftströme von Primärluftdüsen, die in der Wand gegenüber der Nase des Kessels angeordnet sind, d.h. der vorderen Wand abgegeben. Zusätzliche Luftströmungen werden von den Seitenwänden in einer Weise abgegeben, dass die Luftströme, die von zusätzlichen Luftdüsen in gegenüberliegenden Wänden zugeführt werden gegeneinander gerichtet sind. Die Primärluftströme und die zusätzlichen Luftströme werden im Wesentlichen aus dem gleichen Niveau in einer solchen Weise zugeführt, dass die Primär- und Zusatzluftströme entweder auf dem gleichen Niveau oder auf leicht verschiedenen Niveaus sind.
Durch das Luftsystem gemäß der Erfindung kann Luft in das gesamte Luftzufuhrniveau gleichmäßig zugeführt werden, um die Oxidation der Gase in der Nähe der vorderen Wand zu intensivieren. Ferner verschiebt der Luftstrom den Verbrennungsprozess auch in den Bereich nahe der hinteren Wand unterhalb der Nase, was die Verwendung des Volumens des Kessels verbessert.
Ferner ist es in einem Kessel, der mit dem Luftsystem gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, möglich einen kleineren Oberluftkoeffizienten als in herkömmlichen Kesseln zu verwenden, bei denen die Oberluft von den Seitenwänden oder nur von der vorderen Wand zugeführt wird.
Das Luftsystem gemäß der Erfindung reduziert die Turbulenz der Gase, die in dem Kessel strömen, verglichen mit einem Kessel, in welchem die Oberluft nur von der vorderen Wand zugeführt wird, da es in dem System der Erfindung möglich ist, geringere Stärken der Primärluftstrahlen zu verwenden. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden 40 bis 80% der Gesamtluftmenge durch die Primärluftstrahlen von der vorderen Wand zugeführt, und 20 bis 60% der Gesamtluftmenge wird von den Zusatzluftstrahlen von den Seitenwänden zugeführt.
Das Vorsehen, zusätzlich zu Luftstrahlen in der vorderen Wand des Kessels, von Luftstrahlen in den Seitenwänden einander gegenüberliegend, wird das Neigen der nach oben strömenden Abgase zu einer Seite verhindern. In herkömmlichen Anordnungen, in welchen Luft nur von gegenüberliegenden oder verschachtelten Luftstrahlen in den Seitenwänden des Kessels eingebracht wird, neigen sich die Abgase typischerweise zu einer der Seitenwände, wodurch der Sauerstoffgehalt der Abgase in seitlicher Richtung des Kessels variiert, was zu einem schlechten Verbrennungsprozess führt.
Ferner ist ein anderer Vorteil einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Reduktion der Korrosion und Verschmutzung der Überhitzer, da die Temperaturen der Abgase, die in den Überhitzerbereich eintreten, reduziert sind.
Im Folgenden wird die Erfindung detaillierter mit Bezugnahme auf die beiliegenden Prinzipzeichnungen beschrieben, in welchen
1 eine Ausführungsform des Luftsystems gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht zeigt,
2 eine Ausführungsform des Luftsystems gemäß der Erfindung von oben zeigt,
3 eine andere Ausführungsform des Luftsystems gemäß der Erfindung von oben zeigt,
4 die Temperaturverteilung in einem Kessel, der mit dem Luftzufuhrsystem gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, zeigt und
5 die Temperaturverteilung in einem Kessel, der mit einem herkömmlichen Luftzufuhrsystem ausgerüstet ist, zeigt.
Zum Zwecke der Klarheit zeigen die Figuren nur jene Details, die für das Verstehen der Erfindung benötigt werden. Die Strukturen und Details, die für das Verstehen der Erfindung nicht benötigt werden, und die für jeden Fachmann klar sind, wurden bei den Figuren weggelassen, um die Merkmale der Erfindung hervorzuheben.
1 zeigt schematisch einen Wirbelschichtkessel 1 mit einem Ofen 2. Von einem Luftbehälter 9 im unteren Teil des Wirbeischichtkessels 1 wird Primärluft durch einen Rost in eine Wirbelschicht 4, die durch Wirbelschichtmaterial auf dem Rost gebildet wird, zugeführt. Auf diese Weise wird das Wirbelschichtmaterial in Strömung versetzt. Brennstoff wird aus einem Brennstoffkanal 5 in die Wirbelschicht 4 zugeführt. Oberhalb des Brennstoffkanals 5 ist ein Sekundärluftniveau 10, deren einzelne Luftstrahlen in der Figur nicht gezeigt sind. Oberhalb des Sekundärluftniveaus 10 ist ein Tertiärluftniveau 11, deren einzelne Luftstrahlen in der 1 ebenfalls nicht gezeigt sind. Ferner enthält der Wirbelschichtkessel 1 typischerweise mehrere Brenner, die als Startbrenner und zusätzliche Brenner verwendet werden. Diese Brenner sind in der Figur nicht dargestellt.
Im oberen Teil des Ofens 2 des Wirbelschichtkessels 1 befindet sich eine Nase 6, welche eine Struktur ist, die von der rückwärtigen Wand 13 zur vorderen Wand 12 des Ofens vorsteht. Die Nase 6 führt den Strom der Abgase in die Überhitzer 7 und weiter in das Abgasrohr 8. Ferner wird die Nase 6 vorzugsweise als eine Abschirmung für die Überhitzer verwendet, die die Überhitzer vom direkten Kontakt mit der Flamme trennt.
Aus 1 kann man sehen, dass, wenn z.B. das Abgasrohr 8 angeordnet ist, um sich nahe der rückwärtigen Wand 13 des Wirbelschichtkessels 1 und so weit nach unten wie möglich zu erstrecken, die rückwärtige Wand 13 des Kessels nicht mit den Strukturen der Oberluftniveaus 10, 11 in einer Höhe ausgestattet werden kann, die für den Verbrennungsprozess vorteilhaft wäre. Aus diesem Grund sind die Luftsysteme der Oberluftniveaus 10, 11 vorzugsweise, wie in der Erfindung gezeigt, angeordnet, wobei die Luftstrahlen 16, 17 und Luftkanäle in drei Wänden 12, 14, 15 des Ofens angeordnet sind, und die rückwärtige Wand 13, wie in 2 gezeigt, intakt bleibt.
2 zeigt das Luftsystem gemäß der Erfindung, gesehen von oben. Dieses Luftsystem ist für die Verwendung als Sekundär- und Tertiärniveau 10, 11 des Wirbelschichtkessels 1 aus 1 geeignet, es können aber auch ähnliche Luftzufuhranordnungen auf anderen Niveaus, wie z.B. einem quaternären Luftniveau verwendet werden, wobei die Grundidee der Erfindung beibehalten wird.
2 zeigt, dass die Primärluftströme 18, die von den Primärluftdüsen 16, die in der vorderen Wand 12 angeordnet sind zu zuführen sind, so stark sind, dass ihre Strömung sich vorzugsweise bis zur hinteren Wand 13 erstreckt. Dadurch tragen die Primärluftströme 18 einen Teil der brennbaren Partikel der Abgase oder der Verbrennungsgase zum rückwärtigen Teil des Ofens 2, was zur einer effizienten Verwendung des Volumens des Ofens führt. Die Rate des Primärluftstroms 18 ist vorteilhafter Weise 40 bis 90 m/s und vorzugsweise 50 bis 60 m/s in einem Wirbelschichtkessel 1 mit einem Boden, dessen eine Seite eine Länge von etwa 10 m hat, und 3 bis 5 Primärstrahlen enthält.
Von den Zusatzluftdüsen 17, d.h. den Seitenluftdüsen, die an den Seitenwänden 14, 15 angeordnet sind, sind die Zusatzluftströme 19, d.h. die Seitenluftströme gerichtet, die in ihrer Stärke wesentlich geringer sind, als die Primärluftströme 18. Die Zusatzluftströme 19 sind von gegenüberliegenden Seitenwänden 14, 15 in einer solchen Weise ausgerichtet, dass die Zusatzluftströme einander gegenüber liegen. Der Zusatzluftstrom 19, der von der Seitenwand 14, 15 zugeführt wird, ist in der Stärke gleich dem Zusatzluftstrom, der in die gegenüberliegende Richtung von der gegenüberliegenden Wand zugeführt wird. Mit anderen Worten sind die Zusatzluftströme 17 an den gegenüberliegenden Seitenwänden 14, 15 Spiegelbilder zu einander. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die in 3 gezeigt ist, werden die Zusatzluftströme 19 in einer Weise zugeführt, dass ihre Stärke von der vorderen Wand 12 zur hinteren Wand 13 des Wirbelschichtkessels 1 variiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden in der Normalsituation des Betriebs des Wirbelschichtkessels 1, 40 bis 80% der Gesamtluftmenge, die zuzuführen ist, von der vorderen Wand 12 eingebracht, wohingegen 10 bis 13% der Gesamtluftmenge, die zuzuführen ist, von den Seitenwänden 14, 15 einzubringen ist. Für die Verwendung ist es vorteilhaft vorzusehen, dass die Primärluftströme 18 und die Zusatzluftströme 19 getrennt gesteuert werden. So ist es, falls notwendig, möglich z.B. zuerst die Luftmenge der Zusatzluftströme 18 und dann die Menge der Primärluftströme 19 zu reduzieren.
Die Primärluftströme 18 und die Zusatzluftströme 19 sind im Wesentlichen auf dem gleichen Niveau in Höhenrichtung des Kessels 1 angeordnet. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Luftströme 16, 17 einer solchen Weise anzuordnen, dass die Primärluftströme 18 und die Zusatzluftströme 19 auf leicht verschiedenen Höhen angeordnet sind, in denen die Luftströme nicht aufeinander stoßen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Primär- und/oder Zusatzluftströme 18, 19 angeordnet, um in einer leicht schrägen Richtung im Ofen 2 zu verlaufen. Somit sind in einigen Ausführungsformen die Luftströme 18, 19 mit einer besseren Fähigkeit zum Eindringen in die Abgase versehen, als Luftströme, die in Querrichtung zugeführt werden.
4 zeigt die Temperaturverteilung in dem Wirbelschichtkessel 1 der 1, wenn das Tertiärluftzufuhrniveau 11 des Kessels gemäß der Erfindung verwirklicht ist. 5 wiederum zeigt die Temperaturverteilung für einen Kessel mit einer herkömmlichen Anordnung, in welcher auf dem Tertiärluftzufuhrniveau Luft nur von Luftstrahlen in den Seitenwänden zugeführt wird. Wenn diese Ergebnisse verglichen werden, kann man feststellen, dass der gesamte Ofen 2 des Kessels 1 besser mit dem Luftzufuhrsystem gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Ferner sieht man, dass die Temperatur im Ofen 2 unter dem Überhitzer 7 mit der Anordnung der Erfindung geringer ist, als mit der herkömmlichen Anordnung. Zum Zwecke der Klarheit zeigen die 4 und 5 nicht die Strukturen des Wirbelschichtkessels 1, die in 1 dargestellt sind.

Claims

Verfahren zum Zuführen von Oberluft aus einem Oberluftzufuhrniveau (10, 11) in einen Wirbelschichtkessel (1), der zumindest enthält – einen Ofen (2), der durch eine vordere Wand (12), Seitenwände (14, 15) und eine rückwärtige Wand (13) begrenzt ist, – eine Nase (6), die in der rückwärtigen Wand (13) des Ofens (2) vorgesehen ist, – eine Wirbelschicht (4) in dem Ofen (2), – ein Unterluftzufuhrniveau (9), das unterhalb der Wirbelschicht (4) angeordnet ist, – Brennstoffzufuhrmittel (5), die oberhalb der Wirbelschicht (4) angeordnet sind, – ein oder mehrere Oberluftzufuhrniveaus (10, 11), die oberhalb der Brennstoffzufuhrmittel (5) und unterhalb der Nase (6) angeordnet sind, und wobei mindestens ein Luftzufuhrniveau (10, 11) zumindest Seitenluftstrahlen (17) umfasst, die in den Seitenwänden (14, 15) des Ofens (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem oder mehreren Luftzufuhrniveaus (10, 11), die aus Luftstrahlen (16, 17), die in drei Wänden (12, 14, 15) des Ofens angeordnet sind, bestehen mindestens ein oder mehrere Primärluftstrahlen (16) in der vorderen Wand (12) des Ofens (2) und Seitenluftstrahlen (17) in den Seitenwänden des Ofens angeordnet sind, wobei ein Luftstrom (18), der von dem Primärluftstrahl in den Ofen zugeführt wird, stärker ist als die Luftströme (19), die von den Seitenstrahlen (17) in den Ofen zugeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 40 bis 80% der von dem Oberluftzufuhrniveau (10, 11) zuzuführenden Luftmenge von einem oder mehreren Primärluftstrahlen (16), die in der vorderen Wand (12) des Ofens (2) angeordnet sind, zugeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zueinander ausgerichtete Luftströme (19) in entgegengesetzte Richtungen von gegenüberliegen den Seitenwänden (14, 15) zugeführt werden, und gleiche Luftmengen von den gegenüberliegenden Seitenwänden zugeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärluftstrom (18), der von der Primärluftdüse (16), die in der vorderen Wand (12) angeordnet ist, zuzuführen ist, so stark ist, dass sein Strom sich vorzugsweise bis zur rückwärtigen Wand (13) erstreckt.
Luftanordnung um Oberluft von einem Oberluftzufuhrniveau (10, 11) in einen Wirbelschichtkessel (1) zuzuführen, die mindestens enthält – einen Ofen (2), der durch eine vordere Wand (12), Seitenwände (14, 15) und eine rückwärtige Wand (13) begrenzt ist, – eine Nase (6), die in der rückwärtigen Wand (13) des Ofens (2) vorgesehen ist, – eine Wirbelschicht (4) in dem Ofen (2), – ein Unterluftzufuhrniveau (9), das unterhalb der Wirbelschicht (4) angeordnet ist, – Brennstoffzufuhrmittel (5), die oberhalb der Wirbelschicht (4) angeordnet sind, – ein oder mehrere Oberluftzufuhrniveaus (10, 11), die oberhalb der Brennstoffzufuhrmittel (5) und unterhalb der Nase (6) angeordnet sind, und wobei mindestens ein Luftzufuhrniveau (10, 11) zumindest Seitenluftstrahlen (17) umfasst, die in den Seitenwänden (14, 15) des Ofens (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftanordnung aus Luftstrahlen (16, 17) besteht, die in drei Wänden (12, 14, 15) des Ofens angeordnet sind, wobei mindestens ein oder mehrere Primärluftstrahlen (16) in der vorderen Wand (12) des Ofens (2) angeordnet sind, und Seitenluftstrahlen (17) in den Seitenwänden (14, 15) des Ofens angeordnet sind, und wobei der Luftstrom (18), der von dem Primärluftstrahl in den Ofen zugeführt wird, stärker ist als die Luftströmungen (19), die von den Seitenstrahlen (17) in den Ofen zugeführt werden.
Luftanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Seitenluftstrahl (17), der in der ersten Seitenwand (14, 15) angeordnet ist, ein ande rer Seitenluftstrahl an der zweiten Seitenwand (14, 15) angeordnet ist, und diese Seitenluftstrahlen auf der gleichen Höhe und im gleichen Abstand von der vorderen Wand (12) angeordnet sind.
Luftanordnung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärluftstrahlen (16) mit einem getrennten Steuersystem für die Luftströmung (18) versehen sind, und dass die Seitenluftstrahlen (17) mit einem getrennten Steuersystem für den Luftstrom (19) versehen sind.
Luftanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftanordnung des Oberluftzufuhrniveaus (10, 11) am Sekundärluftzufuhrniveau oder am Tertiärluftzufuhrniveau angeordnet ist.
Luftanordnung gemäß Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärluftstrahlen (16) in der gleichen Wand (12), wie die Brennstoffzufuhrmittel (5) angeordnet sind.
Luftanordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrohr (8) am Ort des Oberluftzufuhrniveaus (10, 11) hinter der rückwärtigen Wand (13) vorgesehen ist.