EP0349764B1 - Wirbelschichtfeuerung - Google Patents

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EP0349764B1
EP0349764B1 EP89109975A EP89109975A EP0349764B1 EP 0349764 B1 EP0349764 B1 EP 0349764B1 EP 89109975 A EP89109975 A EP 89109975A EP 89109975 A EP89109975 A EP 89109975A EP 0349764 B1 EP0349764 B1 EP 0349764B1
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EP
European Patent Office
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secondary air
fluidised bed
fluidized bed
free space
furnace according
Prior art date
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EP89109975A
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EP0349764A2 (de
EP0349764A3 (de
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Helmuth Huschauer
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Deutsche Babcock Werke Energie und Umwelttechnik AG
Original Assignee
Deutsche Babcock Werke Energie und Umwelttechnik AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
    • F23M9/02—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in air inlets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/18—Details; Accessories

Definitions

  • the invention relates to a fluidized bed furnace with a stationary fluidized bed according to the preamble of claim 1.
  • an effective measure for reducing nitrogen oxide emissions is to carry out the combustion in the fluidized bed with a lack of oxygen and to burn out the carbon monoxide contained in the rising gas with a supply of secondary air over the fluidized bed.
  • a particular problem with stationary fluidized bed furnaces is that the flying dust still contains combustible carbon particles.
  • the rising gas is also loaded with volatile, hydrocarbon-like components. The flammable solid and gaseous substances can be burned out in the free space with a secondary air supply.
  • a prerequisite for a good burnout is a homogeneous mixing of the secondary air with the rising gas-solid mixture. This is not easy to achieve due to the high toughness of the hot gas.
  • a static mixing device is arranged in the free space.
  • the secondary air supply can, for example, be partly horizontal, some pipes are directed obliquely downwards and are arranged between the fluidized bed and the static mixing device.
  • the static mixing device itself is designed as a secondary air supply.
  • a calming space is provided above the fluidized bed, which merges into a post-combustion chamber via a constriction.
  • Horizontal secondary air nozzles are arranged in the wall in the area of the constriction.
  • the calming room serves to largely avoid entrainment of solid particles from the fluidized bed.
  • the constriction acts as a mixing section for the hot gas and the secondary air.
  • the invention has for its object to equalize the admixture of the secondary air in a fluidized bed combustion of the type specified in the preamble of claim 1 with simple means and to create the possibility of increasing the temperature in the open space by additional heat.
  • the feature of claim 3 enables a targeted adaptation of the amount of secondary air to the operating conditions.
  • the feature of claim 5 has the effect that the heat supplied to the free space is concentrated in particular on the lower region which is important for the ignition. The mixing effect is further improved. Dust streak formation is also counteracted.
  • the fluidized bed combustion shown in Figure 1 has a combustion chamber with a rectangular plan, which is surrounded by side walls 1. Between its base 2 and an inflow base 3 there is an air box 4 with a connecting pipe 5 for the supply of combustion air.
  • the inflow floor 3 has numerous passages for primary air.
  • a side-mounted charging device 7 is used to supply the fuel, optionally with an additive, such as lime, for example.
  • An ash extractor 8 is arranged in a side wall 1 directly above the inflow floor 3.
  • the transition 12 between free space 10 and flue gas flue 11 has the shape of an inverted funnel.
  • the fluidized bed combustion shown in Figure 1 corresponds to the prior art.
  • the fluidized bed furnace can also be equipped, for example, with heat exchangers which are immersed in the fluidized bed.
  • the wall surfaces of the combustion chamber can be designed in whole or in part in a known manner as heat exchange surfaces.
  • the pipe sections 13 dip with part of their length - For example about half - in the fluidized bed 6, so that the lower tube ends are, for example, in the middle of the fluidized bed 6, in any case at a distance above the inflow floor 3.
  • the upper ends protrude into the free space 10.
  • a secondary air nozzle 14 directed vertically upward is set in the manner of an injector. This has the shape of a tube, the outer diameter of which is smaller than the inside diameter of the tube piece 13, so that there is an annular gap between the secondary air nozzle 14 and the associated tube piece 13.
  • the secondary air nozzles 14 are fastened to the inflow floor 3 and are connected directly to the air box 4 through coaxial bores in the inflow floor 3.
  • the secondary air nozzles 14 are equipped with actuators 15 which can be operated together from the outside. For example, they are designed as lifting and lowering valve cones.
  • the amount of primary air blown in, which penetrates through the passages of the inflow floor 3 into the fluidized bed 6, is so matched to the grain size of the bed material that only a small part of the Bed material with the rising gas is discharged from the fluidized bed 6.
  • the main mass of the bed material is brought into a liquid-like state and is only slightly expanded, so that there is a sudden difference in density between the fluidized bed 6 and the free space 10, recognizable as a pronounced surface of the fluidized bed 6.
  • the term "stationary fluidized bed” has become common.
  • the ash is mainly discharged through the ash extractor 8. This does not rule out that a small amount of fly ash is carried along by the gas stream and, if necessary, is recirculated into the fluidized bed 6 after separation.
  • a part of the supplied air is blown into the free space 10 as secondary air through the secondary air nozzles 14 and the pipe pieces 13. Since - due to the pressure drop in the fluidized bed - there is a considerable pressure difference between air box 4 and free space 10, the secondary air jets have a high speed.
  • the amount of secondary air can be metered using the actuators 15.
  • granular fluidized bed material is entrained by the annular gap 17 existing between the secondary air nozzle 14 and the pipe section 13 and is thrown into the free space 10 like a fountain.
  • the secondary air heats up on the way through the secondary air nozzle 14 and the pipe section 13 by touching the wall and by bed material carried along and causes an increase in temperature in the free space 10. Heat is also supplied to the free space by the fluidized bed material carried along.
  • the heat transfer between the grains falling back into the fluidized bed and the rising gas flow is particularly intensive because of the high relative speed.
  • the particles flying up and down create a stirring effect in the free space 10, which promotes the homogeneous mixing of the secondary
  • the secondary air nozzles 14 are connected to a separate air supply. This is designed as a distributor pipe 18 which is equipped with an actuator 19.
  • Impact devices 20 are attached at a distance above the upper ends of the tube pieces 13. These are connected to the tube pieces 13 by simple fastening means (not shown), for example similar to the holding plates 16 which can be seen in FIGS. 2 and 3. Otherwise, the exemplary embodiment according to FIG. 4 corresponds to the previously described exemplary embodiment.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wirbelschichtfeuerung mit stationärer Wirbelschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei stationären Wirbelschichtfeuerungen kann es aus verschiedenen Gründen vorteilhaft sein, einen Teil der Verbrennungsluft als Sekundärluft oberhalb der Wirbelschicht zuzuführen. Zum Beispiel besteht eine wirksame Maßnahme zur Minderung des Stickoxidausstoßes darin, die Verbrennung in der Wirbelschicht unter Sauerstoffmangel durchzuführen und das im aufsteigenden Gas enthaltene Kohlenmonoxid unter Sekundärluftzufuhr über der Wirbelschicht auszubrennen. Ein spezielles Problem bei stationären Wirbelschichtfeuerungen besteht darin, daß der Flugstaub noch brennbare Kohlepartikel enthält. Je nach Art des Brennstoffes ist das aufsteigende Gas auch mit flüchtigen, kohlenwasserstoffartigen Bestandteilen beladen. Die brennbaren festen und gasförmigen Substanzen können im Freiraum unter Sekundärluftzufuhr ausgebrannt werden.
  • Voraussetzung für einen guten Ausbrand ist eine homogene Vermischung der Sekundärluft mit dem aufsteigenden Gas-Feststoff-Gemisch. Diese ist wegen der hohen Zähigkeit des heißen Gases nicht leicht zu erreichen. Gemäß EP-A2-157 901 ist im Freiraum eine statische Mischvorrichtung angeordnet. Die Sekundärluftzufuhr kann zum Beispiel durch teils waagerecht, teils schräg nach unten gerichtete Rohre erfolgen, die zwischen Wirbelschicht und statischer Mischvorrichtung angeordnet sind. Bei einer anderen Ausführungsform ist die statische Mischvorrichtung selber als Sekundärluftzufuhr ausgebildet.
  • Gemäß DE-OS 30 03 245 ist über der Wirbelschicht ein Beruhigungsraum vorgesehen, der über eine Einschnürung in eine Nachbrennkammer übergeht. Im Bereich der Einschnürung sind in der Wand waagerechte Sekundärluftdüsen angeordnet. Der Beruhigungsraum dient dazu, das Mitreißen von Feststoffpartikeln aus der Wirbelschicht weitgehend zu vermeiden. Die Einschnürung wirkt als Mischstrecke für das heiße Gas und die Sekundärluft.
  • Um eine sichere Zündung und eine stabile Verbrennung der mitgeführten brennbaren Bestandteile zu gewährleisten, ist es ferner wichtig, im Freiraum eine bestimmte Mindesttemperatur aufrecht zu erhalten. Besonders wichtig ist die Einhaltung einer relativ hohen Temperatur, wenn - wie zum Beispiel in der EP-A1-236 686 beschrieben - die Sekundärluft zwecks nichtkatalytischer Entstickung zusammen mit einem Entstickungsmittel, wie zum Beispiel Ammoniak, zugeführt wird. Die nichtkatalytische Entstickung findet bekanntlich nur in einem engen Temperaturbereich statt, wie in der DE-PS 24 11 672 angegeben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wirbelschichtfeuerung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung mit einfachen Mitteln die Zumischung der Sekundärluft zu vergleichmäßigen und die Möglichkeit zu schaffen, die Temperatur im Freiraum durch zusätzliche Wärmezufuhr zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die in Anspruch 2 angegebene Variante der Erfindung zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus.
  • Das Merkmal des Anspruchs 3 ermöglicht eine gezielte Anpassung der Sekundärluftmenge an die Betriebsbedingungen.
  • Bei der Variante gemäß Anspruch 4 ist es möglich, Druck und Temperatur der Sekundärluft unabhängig von der Primärluft zu wählen.
  • Durch das Merkmal des Anspruchs 5 wird bewirkt, daß die dem Freiraum zugeführte Wärme insbesondere auf den für die Zündung wichtigen unteren Bereich konzentriert wird. Die Mischwirkung wird noch verbessert. Außerdem wird einer Staubsträhnenbildung entgegengewirkt.
  • Die Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen.
    • Figur 1 zeigt eine Wirbelschichtfeuerung.
    • Figur 2 zeigt eine Einzelheit in einem senkrechten Schnitt.
    • Figur 3 zeigt die gleiche Einzelheit in einer Ansicht von oben.
    • Figur 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Wirbelschichtfeuerung.
  • Die in Figur 1 dargestellte Wirbelschichtfeuerung hat eine Brennkammer mit rechteckigem Grundriß, die von Seitenwänden 1 umschlossen ist. Zwischen ihrem Boden 2 und einem Anströmboden 3 befindet sich ein Luftkasten 4 mit einem Anschlußrohr 5 für die Zuführung von Verbrennungsluft. Der Anströmboden 3 weist zahlreiche Durchlässe für Primärluft auf. Über dem Anströmboden 3 befindet sich die Wirbelschicht 6, bestehend aus körnigem Inertmaterial, dem im Betrieb eine geringe Menge Brennstoff beigemischt ist, wie zum Beispiel Kohle, Ölschiefer, Schlamm oder zerkleinerte Abfallstoffe. Zum Zuführen des Brennstoffs, gegebenenfalls mit Zuschlagstoff, wie zum Beispiel Kalk, dient eine seitlich angebrachte Beschickungseinrichtung 7. Unmittelbar über dem Anströmboden 3 ist in einer Seitenwand 1 ein Ascheabzug 8 angeordnet. Über der Oberfläche 9 der Wirbelschicht 6 befindet sich ein Freiraum 10, der in einen Rauchgaszug 11 übergeht. Der Übergang 12 zwischen Freiraum 10 und Rauchgaszug 11 hat die Form eines umgekehrten Trichters.
  • Insoweit entspricht die in Figur 1 dargestellte Wirbelschichtfeuerung dem Stand der Technik. In weiterer Übereinstimmung mit dem Stand der Technik kann die Wirbelschichtfeuerung zum Beispiel auch mit Wärmetauschern ausgestattet sein, die in die Wirbelschicht eintauchen. Die Wandflächen der Brennkammer können in bekannter Weise ganz oder teilweise als Wärmeaustauschflächen ausgebildet sein. Diese und andere Einzelheiten gehören nicht zur Erfindung und sind daher in der Zeichnung der Einfachheit halber nicht dargestellt worden.
  • Erfindungsgemäß sind in der Brennkammer mehrere gleichmäßig über die gesamte Fläche der Wirbelschicht verteilte, senkrecht angeordnete, oben und unten offene Rohrstücke 13 montiert. Die Rohrstücke 13 tauchen mit einem Teil ihrer Länge - zum Beispiel etwa zur Hälfte - in die Wirbelschicht 6 ein, so daß sich die unteren Rohrenden zum Beispiel in mittlerer Höhe der Wirbelschicht 6 befinden, in jedem Falle mit Abstand über dem Anströmboden 3. Die oberen Enden ragen in den Freiraum 10 hinein. In jedes Rohrstück 13 ist nach Art eines Injektors eine senkrecht nach oben gerichtete Sekundärluftdüse 14 hineingerichtet. Diese hat die Form eines Rohres, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der lichte Durchmesser des Rohrstücks 13, so daß zwischen Sekundärluftdüse 14 und zugehörigem Rohrstück 13 ein Ringspalt besteht. Die Sekundärluftdüsen 14 sind an dem Anströmboden 3 befestigt und stehen durch koaxiale Bohrungen des Anströmbodens 3 unmittelbar mit dem Luftkasten 4 in Verbindung. Die Sekundärluftdüsen 14 sind mit Stellorganen 15 ausgestattet, die gemeinsam von außen zu betätigen sind. Sie sind zum Beispiel als heb- und senkbare Ventilkegel ausgebildet.
  • Gemäß Figur 2 und Figur 3 sitzen auf dem freien Ende der Sekundärluftdüse 14 drei radiale, um 120° zueinander versetzte Haltebleche 16, an denen das Rohrstück 13 koaxial zur Sekundärluftdüse 14 befestigt ist. Der Außendurchmesser der Sekundärlüftdüse 14 ist etwa halb so groß wie der lichte Durchmesser des Rohrstücks 13. Die Breite des verbleibenden Ringspaltes 17 ist ein Vielfaches der maximalen Korngröße des inerten Wirbelschichtmaterials; sie beträgt zum Beispiel 10 bis 25 mm. Die Sekundärluftdüse 14 ragt nur wenig - zum Beispiel 10 bis 25 mm - in das untere Ende des Rohrstücks 13 hinein.
  • Im Betrieb ist in bekannter Weise die eingeblasene Primärluftmenge, die durch die Durchlässe des Anströmbodens 3 in die Wirbelschicht 6 eindringt, so auf die Korngröße des Bettmaterials abgestimmt, daß nur ein geringer Teil des Bettmaterials mit dem aufsteigenden Gas aus der Wirbelschicht 6 ausgetragen wird. Die Hauptmasse des Bettmaterials wird in einen flüssigkeitsartigen Zustand versetzt und dabei nur schwach expandiert, so daß zwischen Wirbelschicht 6 und Freiraum 10 ein sprungartiger Dichteunterschied besteht, erkennbar als ausgeprägte Oberfläche der Wirbelschicht 6. Hierfür ist die Bezeichnung "stationäre Wirbelschicht" gebräuchlich geworden. Die Asche wird überwiegend durch den Ascheabzug 8 ausgetragen. Das schließt nicht aus, daß eine geringe Menge an Flugasche vom Gasstrom mitgeführt und nach Abscheidung gegebenenfalls in die Wirbelschicht 6 rezirkuliert wird.
  • Ein Teil der zugeführten Luft wird durch die Sekundärluftdüsen 14 und die Rohrstücke 13 als Sekundärluft in den Freiraum 10 eingeblasen. Da - bedingt durch den Druckabfall in der Wirbelschicht - zwischen Luftkasten 4 und Freiraum 10 ein erheblicher Druckunterschied besteht, haben die Sekundärluftstrahlen eine hohe Geschwindigkeit. Die Menge der Sekundärluft läßt sich mit Hilfe der Stellorgane 15 dosieren. Dabei wird durch den zwischen Sekundärluftdüse 14 und Rohrstück 13 bestehenden Ringspalt 17 körniges Wirbelschichtmaterial mitgerissen und fontäneartig in den Freiraum 10 geschleudert. Die Sekundärluft heizt sich auf dem Weg durch die Sekundärluftdüse 14 und das Rohrstück 13 durch Wandberührung und durch mitgeführtes Bettmaterial auf und bewirkt im Freiraum 10 eine Temperaturerhöhung. Auch durch das mitgeführte Wirbelschichtmaterial wird dem Freiraum Wärme zugeführt. Die Wärmeübertragung zwischen den in die Wirbelschicht zurückfallenden Körnern und dem aufsteigenden Gasstrom ist wegen der hohen Relativgeschwindigkeit besonders intensiv. Die aufwärts und abwärts fliegenden Partikel erzeugen im Freiraum 10 eine Rührwirkung, die die homogene Einmischung der Sekundärluft in den aufsteigenden Gasstrom fördert.
  • Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Sekundärluftdüsen 14 an eine separate Luftzufuhr angeschlossen. Diese ist als Verteilerrohr 18 ausgebildet, das mit einem Stellorgan 19 ausgestattet ist.
  • Mit Abstand über den oberen Enden der Rohrstücke 13 sind Prallvorrichtungen 20 angebracht. Diese sind durch nicht dargestellte einfache Befestigungsmittel - zum Beispiel ähnlich den in Figur 2 und Figur 3 erkennbaren Halteblechen 16 - mit den Rohrstücken 13 verbunden. Im übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 mit dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel überein.

Claims (5)

  1. Wirbelschichtfeuerung mit stationärer Wirbelschicht,
    mit einem Anströmboden, der zahlreiche Durchlässe für Primärluft aufweist,
    mit einem Luftkasten unter dem Anströmboden,
    mit einem Freiraum über der Wirbelschicht
    und mit Einrichtungen zum Zuführen von Sekundärluft in den Freiraum,
    dadurch gekennzeichnet, daß mehrere über die Fläche der Wirbelschicht (6) verteilte, oben und unten offene, senkrecht angeordnete Rohrstücke (13) mit ihren unteren Enden in die Wirbelschicht (6) eintauchen und mit ihren oberen Enden in den Freiraum (10) hineinragen und daß in jedes Rohrstück (13) eine aufwärts gerichtete Sekundärluftdüse (14) injektorartig hineingerichtet ist.
  2. Wirbelbettfeuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftdüsen (14) durch Bohrungen des Anströmbodens (3) unmittelbar mit dem Luftkasten (4) in Verbindung stehen.
  3. Wirbelbettfeuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftdüsen (14) mit Stellorganen (15) ausgestattet sind.
  4. Wirbelschichtfeuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftdüsen (14) an eine separate Luftzufuhr (18) angeschlossen sind.
  5. Wirbelschichtfeuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über den oberen Enden der Rohrstücke (13) Prallvorrichtungen (20) angebracht sind.
EP89109975A 1988-07-07 1989-06-02 Wirbelschichtfeuerung Expired - Lifetime EP0349764B1 (de)

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DE3822999A DE3822999C1 (de) 1988-07-07 1988-07-07

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EP0349764A2 EP0349764A2 (de) 1990-01-10
EP0349764A3 EP0349764A3 (de) 1991-01-30
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