EP0405087B1 - Dampfkessel zur Verbrennung fossiler Brennstoffe unter reduzierter Bildung von Stickoxiden - Google Patents

Dampfkessel zur Verbrennung fossiler Brennstoffe unter reduzierter Bildung von Stickoxiden Download PDF

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EP0405087B1
EP0405087B1 EP90107819A EP90107819A EP0405087B1 EP 0405087 B1 EP0405087 B1 EP 0405087B1 EP 90107819 A EP90107819 A EP 90107819A EP 90107819 A EP90107819 A EP 90107819A EP 0405087 B1 EP0405087 B1 EP 0405087B1
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EP
European Patent Office
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burner
boiler according
combustion chamber
pipe band
wall
Prior art date
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EP90107819A
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English (en)
French (fr)
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EP0405087A1 (de
Inventor
Hans Breucker
Walter Kessel
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Deutsche Babcock Werke Energie und Umwelttechnik AG
Original Assignee
Deutsche Babcock Werke Energie und Umwelttechnik AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B31/00—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements or dispositions of combustion apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/40—Arrangements of partition walls in flues of steam boilers, e.g. built-up from baffles

Definitions

  • the invention relates to a steam boiler according to the preamble of claim 1.
  • the nitrogen oxides (NO x ) generated during the combustion of fossil fuels are harmful to health. Your emissions should therefore be reduced as much as possible.
  • the temperature profile in the combustion chamber is reduced by reducing the NO x , in particular the thermal NO x , by influencing the combustion process by gradually supplying fuel and / or flue gas in the main combustion zone smoothed.
  • central walls are known in a closed and open design. They divide up a combustion chamber and primarily serve to reduce the boiler height.
  • the size of the heating surface is determined by the boiler width and is therefore not very adaptable for targeted temperature reduction.
  • the temperature is evenly reduced in the vertical direction by means of central walls, although a temperature reduction is only sensible in the area of the maximum temperature.
  • DE-A-2 527 482 describes the installation of partition elements in the combustion chamber as a temperature-reducing measure for NO x reduction.
  • narrow strips of wall which are located between two adjacent rows of burners, protrude from the surrounding wall into the combustion chamber. Wall strips of this type are exposed to the flow of flue gas during operation and require a high degree of stiffening because of the possibility of fastening on one side only. Since in normal operation of a combustion system with low-NO x burners, the temperature profile of the flue gas in the horizontal direction also has a maximum in the middle and falls towards the surrounding walls, such narrow wall strips reinforce the difference between the maximum and minimum flue gas temperatures. It cannot effectively reduce the NO x emission.
  • a steam boiler is known from DE-A-2 021 815, the combustion chamber of which is divided in the central plane by a side wall that is not supported.
  • the intermediate wall extends over the entire height of the combustion chamber and has pressure equalization openings of small diameter above the upper burner level.
  • the intermediate wall of the known boiler serves to reduce the construction volume with the same boiler output.
  • the object of the invention is to design the steam boiler according to the preamble of claim 1 such that the formation of NO x in the combustion chamber is effectively reduced by the installation of an intermediate wall. This object is achieved by the features of the characterizing part of patent claim 1.
  • the intermediate wall in the form of a tubular band which extends in a vertical central plane between the burner wall and the rear wall and is arranged between the lower burner level and a distance from the burner level above the upper burner level. causes a targeted lowering of the flue gas temperature in the area of the maximum temperature in the middle of the combustion chamber. There is only a very slight drop in temperature in the areas of low flue gas temperature, such as in the vicinity of the combustion chamber walls, the combustion chamber floor, and above the burner levels. This effectively reduces the formation of NO x . This is especially true for the formation of thermal NO x , the formation rate of which increases disproportionately with temperature at higher temperatures.
  • the horizontal passages ensure complete pressure and temperature compensation, which is required for trouble-free and effective operation of the furnace.
  • the furnace band can be used as the only NO x -measuring measure or in addition to the known measures (eg OFA, IFNR). It is particularly advantageous in old systems that, for reasons of heat balance, the additional heating surfaces in the combustion chamber make it possible to recirculate flue gas or to increase the amount of recirculated flue gas already present.
  • the feature of claim 2 is particularly advantageous for boilers that are already provided with a flue gas recirculation.
  • the construction of a second, parallel flue gas recirculation can be carried out while the plant is in operation.
  • the shape and arrangement of the tubular band described in claim 3 maintains the flame structure and thus the mutual support effect of the individual flames with one another in the horizontal direction, which is particularly important when igniting the burners.
  • Another advantage of the feature of claim 3 is that the flames of the burners arranged next to the tube band spread essentially in the free areas, the passages, of the zigzag band. This prevents the tubes from coming into direct contact with the flame.
  • the routing of the discharge pipes through one of the combustion chamber walls in the upper half of the combustion chamber according to claim 5 enables the arrangement of the pipe band in the main combustion zone in a simple form. It is particularly convenient to run the discharge pipes by a half to one burner level spacing above the top burner levels because i.a. From this height, the temperatures in the combustion chamber drop again (see Fig. 9).
  • the feature of claim 6 is particularly suitable for forced circulation and once-through boilers, for example Benson boilers. It enables easy connection of the pipe belt to an existing boiler.
  • the feature of claim 7 is also particularly suitable for forced circulation and once-through boilers.
  • claims 8 and 9 are particularly suitable for natural circulation boilers.
  • An advantage of the feature of claim 10 is that the tips of the tubular band can be easily attached to the firebox walls at their central sections. Another advantage is that the distances between the pipe bends prevent expansion stresses.
  • An advantage of the feature of claim 11 is that the middle sections can be easily manufactured.
  • the arrangement of the tubes in the central region of the tips on the combustion chamber wall is advantageous because additional heating surfaces and thus an additional temperature reduction in the vicinity of the combustion chamber walls are avoided (cf. FIG. 10).
  • the feature of claim 13 describes an advantageous embodiment and attachment of the band for a steam boiler with four burner levels and that of claim 14 for a steam boiler with three burner levels.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a Benson boiler (example 1) with a subsequently installed, welded tubular band.
  • Figure 2 is a corresponding plan view from above of the firebox of the boiler and in Figure 3 is an enlarged section with implementation of the Drainage pipes of the pipe band can be seen through a combustion chamber wall.
  • Figure 4 A circuit diagram of Example 1 is shown in Figure 4.
  • FIGS. 5 to 8 show two exemplary embodiments of tips of the tubular band, front plan views in FIGS. 5 and 7 and corresponding cross sections in FIGS. 6 and 8.
  • FIGS. 9 and 10 show the temperature profiles of the flue gas as a function of the boiler height (FIG. 9) and the boiler width (FIG. 10) without a pipe band (dashed line) and with a pipe band (solid line).
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a natural circulation boiler (example 2) with a built-in tube band
  • FIG. 12 shows a corresponding top view of the combustion chamber
  • FIG. 13 shows a corresponding circuit diagram.
  • Each of the four burner levels 2 to 5 is equipped with four horizontally aligned burners 10 with flue gas recirculation 11.
  • the four burners 10 of one level are arranged side by side on a burner wall 12.
  • the burner wall 12 and an opposite rear wall 13 form the longer sides in the rectangular cross section of the combustion chamber 1.
  • the air openings 7 are located on both side walls 14, 15 of the combustion chamber 1 perpendicular to the burner wall 12, three air openings 7 being arranged next to one another.
  • a tube band 16 made of tubes 17 welded to one another.
  • the tube band 16 is in a region which is between the first and second burner levels 2, 3 begins and ends between fourth burner level 5 and air openings 7, is arranged and extends in a vertical direction in a zigzag shape between rear wall 13 and burner wall 12.
  • the shape of the tubular band 16 resembles two superimposed Vs rotated through 90 ° in the clockwise direction, the tips of which are flattened.
  • the level of Burner levels 3, 4, 5 between the straight sections of the tube band 16 have free, horizontal passages, corresponding to the shape of the tube band 16, the shape of triangles with flattened tips, ie trapezoids.
  • the areas of the combustion chamber 1 in the vicinity of the combustion chamber walls 12, 13, 14, 15 are free of heating surfaces.
  • the firebox 1 between the firebox floor 6 and the first burner level 2 is free of heating surfaces.
  • a supply pipe 21 opens into each pipe 17 of the pipe band 16.
  • the supply pipes branch off from a lower header 23 and are guided alternately around a pulling band 24 attached to the center of the rear wall 13 through the rear wall 13.
  • Each pipe 17 also has a discharge pipe 22.
  • the discharge pipes 22 are routed in the same way as the supply pipes 21, alternating left and right around the drawstring 24 to an upper collector 25.
  • a second flue gas duct 26 is connected to the firebox ceiling 8 and the wall superheater 9 on the rear wall 13 side.
  • a flue gas duct 27 branches off from the second flue gas duct 26 near the ground and leads, for example, to a flue gas cleaning system via an air preheater.
  • Two flue gas lines 28, 29 branch off from this flue gas duct 27, the second of which was subsequently installed together with the pipe band 16.
  • the flue gas lines 28, 29 are each provided with a blower 30, 31.
  • the flue gas line 28 is connected to the flue gas return lines 11 of the burners 10 and the flue gas line 29 to the secondary air of the burners 10.
  • An economizer 32 is arranged in the lower part of the second flue gas duct 26, approximately at the level of the second burner level 3.
  • a pipeline leading from the economizer 32 to an evaporator 33 before the installation of the tube band 16 is interrupted at a height above the lower header 23; its pipe section 34 leading away from the economizer 32 is connected to the lower collector 23 via a feed line 35 and its pipe section 36 leading to the evaporator 33 is connected to the upper collector 25 of the pipe band 16 via a discharge pipe 37.
  • the tube band 16 is connected between the economizer 32 and the evaporator 33.
  • steam coolers 38 and superheaters 39 are arranged behind the evaporator 33 and wall superheater 9 (FIG. 4).
  • the economizer 32 is connected to a feed pump 41 by a feed line 40.
  • An injection water line 42 branches off from line 40 and leads to the steam coolers 38.
  • the tube band 16 is formed from fifty directly welded tubes 17, only a few being shown in the drawing (FIGS. 5 and 6).
  • the tubes 17 consist of heat-resistant or high-temperature steel and have, for example, an outer diameter of 57 mm and a wall thickness of 5.6 mm.
  • the entire width of the tube band 16 is approximately 3 m. In the area in which the tube band 16 is arranged, it covers approximately 40% of the central area, and accordingly approximately 60% of the area remains free through the passages. As a result, the tube band 16 forms approximately 20% of the heating surface of the combustion chamber 1 in this area.
  • the flattened tips 18, 19, 20 each consist of three sections, a middle section 43 and two outer sections 44.
  • the tubes 17 are arranged straight, vertically next to one another in the middle section 43 and welded to one another via (about 10 mm wide) webs 45.
  • the tubes 17 In the outer sections 44 adjoining it at the top and bottom, the tubes 17 have tube bends 46 which run at a distance from one another.
  • the tubular band 16 In the lower outer section 47 of the middle tip 19, the tubular band 16 has a fold.
  • the positions of the tubes 17 are exchanged so that the outer tube 48 in the lower "V" lies in the upper "V” inside.
  • the tubes 17 are all of the same length due to the folding.
  • FIGS. 5 to 8 show an exemplary embodiment for fastening the tube band 16 by means of full welding to the tube webs of the natural circulation boiler; the fastening described above with holding irons is not shown.
  • the influence of the tube band 16 on the temperature profile of the flue gas in the combustion chamber 1 was calculated and represented using a furnace zone model as a function of the boiler height (FIG. 9) and as a function of the boiler width (FIG. 10).
  • the temperature profile of the flue gas after installation of the tube band 16 shows a significant reduction in the temperature in the maximum compared to the temperature profile before installation of the tube band 16 (dashed line).
  • the lowering of the flue gas temperatures in the combustion chamber is achieved on the one hand by the additional heating surface of the pipe belt and on the other hand by doubling the amount of flue gas returned.
  • This increase in the quantity of flue gas returned to the combustion chamber 1 also serves to regulate the heat balance of the boiler, which is changed by an enlarged heating surface.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Dampfkessel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Die bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehenden Stickstoffoxide (NOx) sind gesundheitsschädlich. Ihre Emission soll daher soweit wie möglich reduziert werden.
  • Die beiden größten NOx-Quellen sind thermisches NOx und Brennstoff-NOx. Maßnahmen zur Reduzierung der NOx-Bildung beim Verbrennungsprozeß sind:
    • Senkung der Verbrennungstemperatur und
    • Erzeugung von Sauerstoffmangel bei der Verbrennung.
  • Realisiert werden diese Maßnahmen z.B. durch
    • Einsatz von NOx-armen Brennern,
    • Einrichtung von Oberluft (Over-Fire-Air, d.h. OFA) und
    • sogenannte In-Furnace-NOx-Reduction (IFNR), wobei Zusatzbrennstoff hinter der Hauptverbrennungszone zugeführt wird.
  • Bei dem in der (noch nicht veröffentlichten) deutschen Patentanmeldung P 38 25 291 beschriebenen Verfahren wird zur Reduzierung des NOx, insbesondere des thermischen NOx, das Temperaturprofil im Feuerraum durch Beeinflussung des Verbrennungsprozesses durch stufenweise Zufuhr von Brennstoff und/oder Rauchgas in der Hauptverbrennungszone geglättet.
  • Diesen NOx-senkenden Maßnahmen sind jedoch dann Grenzen gesetzt, wenn Zünd- und Grundstabilität der Flamme sowie der vollständige Ausbrand nicht mehr gewährleistet werden kann. Daher ist es möglich, daß trotz Ausschöpfung aller unter Sicherung der Verbrennung möglichen Maßnahmen, die maximalen Temperaturen noch so hoch sind, daß eine beträchtliche NOx-Bildung stattfindet. Dies ist besonders bei schwer entflamm- und brennbaren Brennstoffen, wie z.B. bei Schwerölen oder ballaststoffreichen Kohlen, der Fall.
  • Neben den NOx-mindernden Maßnahmen, die den Verbrennungsprozeß durch Variieren der Luft-, Brennstoff- und Rauchgaszufuhr beeinflussen, ist zur Absenkung der Temperatur im Feuerraum der Einbau von Mittelwänden denkbar. Derartige Mittelwände sind in geschlossener und offener Bauweise bekannt. Sie teilen einen Feuerraum auf und dienen vornehmlich dazu, die Kesselhöhe zu reduzieren.
  • Auch bei den Mittelwänden, die einen Druckausgleich im Rauchgas ermöglichen, findet kein Temperaturausgleich statt, so daß sich unerwünschte Temperaturunterschiede im geteilten Feuerraum einstellen können. Außerdem sind sie in der Heizflächengröße durch die Kesselbreite festgelegt und daher zur gezielten Temperaturabsenkung wenig anpassungsfähig. Insbesondere wird durch Mittelwände die Temperatur in vertikaler Richtung gleichmäßig abgesenkt, obwohl nur im Bereich des Temperaturmaximums eine Temperaturabsenkung sinnvoll ist.
  • In der DE-A-2 527 482 ist der Einbau von Zwischenwandelementen im Feuerraum als temperatursenkende Maßnahme zur NOx-Reduktion beschrieben. Bei diesem Dampfkessel ragen schmale Wandstreifen, die sich zwischen je zwei benachbarten Brennerreihen befinden, von der Umfassungswand in den Feuerraum hinein. Derartige Wandstreifen sind im Betrieb der Rauchgasströmung ausgesetzt und erfordern wegen der nur einseitigen Befestigungsmöglichkeit einen hohen Versteifungsaufwand. Da bei heute üblichem Betrieb einer Feuerungsanlage mit NOx-armen Brennern das Temperaturprofil des Rauchgases in waagerechter Richtung ebenfalls in der Mitte ein Maximum aufweist und zu den Umfassungswänden hin abfällt, verstärken solche schmalen Wandstreifen den Unterschied zwischen maximaler und minimaler Rauchgastemperatur. Die NOx-Emission kann durch sie nicht wirksam gesenkt werden.
  • Aus der DE-A-2 021 815 ist ein Dampfkessel bekannt, dessen Verbrennungsraum in der Mittelebene durch eine seitlich ungehalterte Zwischenwand aufgeteilt ist. Die Zwischenwand erstreckt sich über die gesamte Höhe des Verbrennungsraumes und weist oberhalb der oberen Brennerebene Druckausgleichsöffnungen von geringem Durchmesser auf. Die Zwischenwand des bekannten Kessels dient dazu, bei gleicher Kesselleistung das Bauvolumen zu verringern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Dampfkessel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 derart zu gestalten, daß durch den Einbau einer Zwischenwand die Bildung von NOx im Feuerraum wirksam reduziert wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Die als Rohrband ausgebildete Zwischenwand, die sich in einer senkrechten Mittelebene zwischen Brennerwand und Rückwand erstreckt und zwischen unterer Brennerebene und um einen Brennerebenenabstand oberhalb der oberen Brennerebene angeordnet ist, bewirkt eine gezielte Absenkung der Rauchgastemperatur im Bereich des Temperaturmaximums in der Mitte des Feuerraums. Es findet nur eine sehr geringe Temperaturabsenkung in den Bereichen niedriger Rauchgastemperatur, wie in der Nähe der Feuerraumwände, des Feuerraumbodens, und oberhalb der Brennerebenen statt. Dadurch wird die Bildung von NOx effektiv reduziert. Dies gilt insbesondere für die Bildung von thermischem NOx, dessen Bildungsrate bei höheren Temperaturen überproportional mit der Temperatur steigt.
  • Durch Befestigungen des Rohrbandes an Brenner- und Rückwand ist eine ausreichende Schwingungssteifigkeit gewährleistet.
  • Die horizontalen Durchlässe gewährleisten einen vollständigen Druck- und Temperaturausgleich, der zu einem störungsfreien und effektiven Betrieb der Feuerung benötigt wird.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme zur Reduzierung der NOx-Emission ist, daß sie sowohl zum Nachrüsten alter Kessel als auch für neue Kessel geeignet ist. Das Feuerraumband kann als einzige NOx-mindernde Maßnahme oder auch zusätzlich zu den bekannten Maßnahmen (z.B. OFA, IFNR) eingesetzt werden. Dabei ist speziell bei Altanlagen von Vorteil, daß aus Gründen der Wärmebilanz durch die zusätzlichen Heizflächen im Feuerraum, eine Rauchgasrückführung erst ermöglicht wird oder die bereits vorhandene rezirkulierte Rauchgasmenge vergrößert werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist der Einbau des Rohrbandes bei Kesseln, die mit schwer entflamm- und brennbaren Brennstoffen, wie z. B. schwerem Heizöl, betrieben werden, weil bei diesen Kesseln die bisher bekannten NOx-mindernden Maßnahmen die NOx-Emission nicht weit genug reduzieren können.
  • Das Merkmal des Anspruchs 2 ist besonders vorteilhaft für Kessel, die bereits mit einer Rauchgasrückführung versehen sind. Der Bau einer zweiten, parallelen Rauchgasrückführung kann bei laufendem Betrieb durchgeführt werden.
  • Die im Anspruch 3 beschriebene Form und Anordnung des Rohrbandes erhält den Flammenverband und damit die gegenseitige Stützwirkung der Einzelflammen untereinander in horizontaler Richtung, was besonders beim Zünden der Brenner wichtig ist.
  • Ein weiterer Vorteil des Merkmals des Anspruchs 3 ist, daß die Flammen der neben dem Rohrband angeordneten Brenner sich im wesentlichen in den freien Bereichen, den Durchlässen, des zickzackförmigen Bandes ausbreiten. Dadurch wird eine unmittelbare Flammenberührung der Rohre ausgeschlossen.
  • Die Führung der Zuleitungsrohre durch eine der Feuerraumwände im unteren Drittel des Feuerraumes gemäß Anspruch 4 vereinfacht die Anordnung des Rohrbandes in der Hauptverbrennungszone. Dabei ist die Durchführung der Zuleitungsrohre zwischen erster und zweiter Brennerebene besonders günstig, weil i.a. erst ab dieser Höhe im Feuerraum die hohen Temperaturen vorzufinden sind (vgl. Fig. 9).
  • Die Führung der Ableitungsrohre durch eine der Feuerraumwände in der oberen Hälfte des Feuerraumes gemäß Anspruch 5 ermöglicht in einfacher Form die Anordnung des Rohrbandes in der Hauptverbrennungszone. Dabei ist die Durchführung der Ableitungsrohre um einen halben bis einen Brennerebenenabstand oberhalb der obersten Brennerebenen besonders günstig, weil i.a. ab dieser Höhe die Temperaturen im Feuerraum wieder absinken (vgl. Fig. 9).
  • Das Merkmal des Anspruchs 6 ist besonders für Zwangsumlauf- und Zwangsdurchlaufkessel, z.B. Bensonkessel, geeignet. Es ermöglicht eine einfache Anbindung des Rohrbandes in einen vorhandenen Kessel.
  • Das Merkmal des Anspruchs 7 ist ebenfalls besonders für Zwangsumlauf- und Zwangsdurchlaufkessel geeignet.
  • Die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 sind besonders für Naturumlaufkessel geeignet.
  • Ein Vorteil des Merkmals des Anspruchs 10 ist, daß die Spitzen des Rohrbandes an ihren mittleren Abschnitten einfach an den Feuerraumwänden befestigt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die Abstände zwischen den Rohrbögen Dehnungsspannungen vermieden werden.
  • Vorteil des Merkmals des Anspruchs 11 ist, daß die mittleren Abschnitte einfach gefertigt werden können.
  • Die Anordnung der Rohre im mittleren Bereich der Spitzen an der Feuerraumwand gemäß Anspruch 12 ist von Vorteil, weil zusätzliche Heizflächen und damit eine zusätzliche Temperaturabsenkung in der Nähe der Feuerraumwände vermieden werden (vgl. Fig. 10).
  • Das Merkmal des Anspruchs 13 beschreibt eine vorteilhafte Ausführung und Befestigung des Bandes für einen Dampfkessel mit vier Brennerebenen und das des Anspruchs 14 für einen Dampfkessel mit drei Brenenrebenen.
  • Die Zeichnung dient der Erläuterung der Erfindung anhand von Beispielen.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bensonkessels (Beispiel 1) mit einem nachträglich eingebauten, verschweißten Rohrband. In Figur 2 ist eine entsprechende Draufsicht von oben auf den Feuerraum des Kessels und in Figur 3 ein vergrößerter Ausschnitt mit Durchführung der Ableitungsrohre des Rohrbandes durch eine Feuerraumwand zu sehen. Ein Schaltschema des Beispiels 1 ist in Figur 4 dargestellt.
  • Die Figuren 5 bis 8 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Spitzen des Rohrbandes, wobei in den Figuren 5 und 7 frontale Draufsichten und in den Figuren 6 und 8 entsprechende Querschnitte zu sehen sind.
  • Die Diagramme der Figuren 9 und 10 stellen Temperaturverläufe des Rauchgases in Abhängigkeit von der Kesselhöhe (Figur 9) und von der Kesselbreite (Figur 10) ohne Rohrband (gestrichelte Linie) und mit Rohrband (durchgezogene Linie) dar.
  • Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Naturumlaufkessels (Beispiel 2) mit eingebautem Rohrband, Figur 12 eine entsprechende Draufsicht auf den Feuerraum und Figur 13 ein entsprechendes Schaltschema.
    • Beispiel 1 (nachgerüsteter Bensonkessel):
  • In einem Feuerraum 1 eines zweizügigen Bensonkessels sind vier Brennerebenen 2, 3, 4 und 5 senkrecht übereinander angeordnet. Der Abstand der ersten, untersten Brennerebene 2 zum Feuerraumboden 6 beträgt etwa die Hälfte des Brennerebenenabstandes. Auf ungefähr 70 % der Gesamthöhe des Feuerraumes 1, etwa um einen Brennerebenenabstand oberhalb der vierten Brennerebene 5, befinden sich Luftöffnungen 7. Im Rauchgasraum oberhalb der Luftöffnungen 7, dem oberen Viertel des Feuerraumes 1, ist ein bis zur Feuerraumdecke 8 reichender Wandüberhitzer 9 angeordnet. Jede der vier Brennerebenen 2 bis 5 ist mit vier waagerecht ausgerichteten Brennern 10 mit Rauchgasrückführungen 11 ausgerüstet. Die vier Brenner 10 einer Ebene sind nebeneinander auf einer Brennerwand 12 angeordnet. Die Brennerwand 12 und eine gegenüberliegende Rückwand 13 bilden im rechteckigen Querschnitt des Feueraumes 1 die längeren Seiten. Die Luftöffnungen 7 befinden sich auf beiden zur Brennerwand 12 senkrechten Seitenwänden 14, 15 des Feuerraumes 1, wobei je drei Luftöffnungen 7 nebeneinander angeordnet sind.
  • In einer senkrecht zu Brennerwand 12 und Rückwand 13 und parallel zu den Seitenwänden 14 und 15 stehenden Mittelebene des Feuerraumes 1 befindet sich ein Rohrband 16 aus miteinander verschweißten Rohren 17. Das Rohrband 16 ist in einem Bereich, der zwischen erster und zweiter Brennerebene 2, 3 beginnt und zwischen vierter Brennerebene 5 und Luftöffnungen 7 endet, angeordnet und verläuft in senkrechter Richtung zickzackförmig zwischen Rückwand 13 und Brennerwand 12.
  • Es weist vier gerade, zwischen den Feuerraumwänden 12 und 13 verlaufende Abschnitte auf, die durch abgeflachte Spitzen 18, 19 und 20 verbunden sind. Die drei Spitzen 18, 19 und 20 sind auf Höhe der drei oberen Brennerebenen 3, 4 und 5 an den Feuerraumwänden 12, 13 befestigt. Zuleitungsrohre 21, Ableitungsrohre 22 und die mittlere Spitze 19 des Rohrbandes 16 befinden sich auf der Seite der Rückwand 13, die untere und die obere Spitze 18, 20 reichen bis an die Brennerwand 12, die mittlere Spitze 19 bis an die Rückwand 13.
  • Die Form des Rohrbandes 16 ähnelt, wie Figur 1 zeigt, zweier um 90° im Uhrzeigersinn gedrehter, übereindergesetzter V, deren Spitzen abgeflacht sind. Die auf Höhe der Brennerebenen 3, 4, 5 zwischen den geraden Abschnitten des Rohrbandes 16 freibleibenden, horizontalen Durchlässe haben, der Form des Rohrbandes 16 entsprechend, die Form von Dreiecken mit abgeflachten Spitzen, d.h. von Trapezen.
  • Bis auf die Spitzen 18, 19, 20 des Rohrbandes 16 und die innerhalb des Feuerraums 1 befindlichen Teile der Zuleitungsrohre 21 und der Ableitungsrohre 22 sind die Bereiche des Feuerraums 1 in der Nähe der Feuerraumwände 12, 13, 14, 15 frei von Heizflächen. Ebenso ist der Feurraum 1 zwischen Feuerraumboden 6 und erster Brennerebene 2 frei von Heizflächen.
  • In jedes Rohr 17 des Rohrbandes 16 mündet ein Zuleitungsrohr 21. Die Zuleitungsrohre zweigen von einem unteren Sammler 23 ab und sind im Wechsel um ein auf der Mitte der Rückwand 13 angebrachtes Zugband 24 herum durch die Rückwand 13 geführt. Zu jedem Rohr 17 gehört ebenfalls ein Ableitungsrohr 22. Die Ableitungsrohre 22 sind in gleicher Weise wie die Zuleitungsrohre 21 im Wechsel links und rechts um das Zugband 24 herum zu einem oberen Sammler 25 geführt. Diese Durchführungen sind in Figur 3 dargestellt.
  • An die Feuerraumdecke 8 und den Wandüberhitzer 9 schließt sich auf der Seite der Rückwand 13 ein zweiter Rauchgaszug 26 an. Vom zweiten Rauchgaszug 26 zweigt in Bodennähe ein Rauchgaskanal 27 ab, der z.B. über einen Luftvorwärmer zu einer Rauchgasreinigungsanlage führt. Von diesem Rauchgaskanal 27 zweigen wiederum zwei Rauchgasleitungen 28, 29 ab, von denen die zweite nachträglich zusammen mit dem Rohrband 16 installiert wurde. Die Rauchgasleitungen 28, 29 sind mit je einem Gebläse 30, 31 versehen. Die Rauchgasleitung 28 ist mit den Rauchgasrückführungen 11 der Brenner 10 und die Rauchgasleitung 29 mit der Sekundärluft der Brenner 10 verbunden.
  • Im unteren Teil des zweiten Rauchgaszuges 26, etwa auf Höhe der zweiten Brennerebene 3, ist ein Economizer 32 angeordnet. Eine vor dem Einbau des Rohrbandes 16 vom Economizer 32 zu einem Verdampfer 33 führende Rohrleitung ist auf einer Höhe oberhalb des unteren Sammlers 23 unterbrochen; ihr vom Economizer 32 wegführender Rohrabschnitt 34 ist über eine Zuleitung 35 mit dem unteren Sammler 23 und ihr zum Verdampfer 33 führender Rohrabschnitt 36 über eine Ableitung 37 mit dem oberen Sammler 25 des Rohrbandes 16 verbunden.
  • Durch den Anschluß der Zuleitung 35 an den Economizer 32 und der Ableitung 37 an den Verdampfer 33 ist das Rohrband 16 zwischen Economizer 32 und Verdampfer 33 geschaltet. In Fließrichtung des Wassers bzw. Dampfes sind hinter dem Verdampfer 33 und Wandüberhitzer 9 Dampfkühler 38 und Überhitzer 39 angeordnet (Figur 4). Der Economizer 32 ist durch eine Speiseleitung 40 mit einer Speisepumpe 41 verbunden. Eine Einspritzwasserleitung 42 zweigt von der Leitung 40 ab und führt zu den Dampfkühlern 38.
  • Das Rohrband 16 wird aus fünfzig direkt verschweißten Rohren 17 gebildet, wobei in der Zeichnung nur einige dargestellt sind (Figuren 5 und 6). Die Rohre 17 bestehen aus warmfestem oder hochwarmfestem Stahl und haben z.B. einen Außendurchmesser von 57 mm und eine Wanddicke von 5,6 mm. Die gesamte Breite des Rohrbandes 16 beträgt etwa 3 m. Im Bereich, in dem das Rohrband 16 angeordnet ist, bedeckt es etwa 40 % der Mittelfläche, dementsprechend bleibt etwa 60 % der Fläche durch die Durchlässe frei. Dadurch bildet das Rohrband 16 in diesem Bereich etwa 20 % der Heizfläche des Feuerraumes 1.
  • Die abgeflachten Spitzen 18, 19, 20 bestehen jeweils aus drei Abschnitten, einem mittleren Abschnitt 43 und zwei äußere Abschnitte 44. Die Rohre 17 sind im mittleren Abschnitt 43 gerade, senkrecht nebeneinander angeordnet und über (etwa 10 mm breite) Stege 45 miteinander verschweißt. In den sich oben und unten daran anschließenden äußeren Abschnitten 44 weisen die Rohre 17 Rohrbögen 46, die mit Abstand zueinander verlaufen, auf. Im unteren äußeren Abschnitt 47 der mittleren Spitze 19 weist das Rohrband 16 eine Faltung auf. Die Positionen der Rohre 17 sind so getauscht, daß das im unteren "V" äußere Rohr 48 im oberen "V" innen liegt. Die Rohre 17 sind durch die Faltung alle gleich lang.
  • In den mittleren Abschnitten 43 der Spitzen 18, 19, 20 ist das Band 16 bei Zwangsumlauf- und Zwangsdurchlaufkesseln über Halteeisen zur Lastübernahme an den Feuerraumwänden 12, 13 befestigt. (Die Figuren 5 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel für eine Befestigung des Rohrbandes 16 durch Vollverschweißung an den Rohrstegen der Naturumlaufkessel; die oben beschriebene Befestigung mit Halteeisen ist nicht dargestellt.)
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wurde der Einfluß des Rohrbandes 16 auf den Temperaturverlauf des Rauchgases im Feuerraum 1 in Abhängigkeit von der Kesselhöhe (Figur 9) und in Abhängigkeit von der Kesselbreite (Figur 10) mit einem Feuerraum-Zonenmodell berechnet und dargestellt. Der Temperaturverlauf des Rauchgases nach Einbau des Rohrbandes 16 (durchgezogene Linie) zeigt in beiden Betrachtungsebenen eine erhebliche Absenkung der Temperatur im Maximum verglichen mit dem Temperaturverlauf vor Einbau des Rohrbandes 16 (gestrichelte Linie).
  • Die Absenkung der Rauchgastemperaturen im Feuerraum wird einerseits durch die zusätzliche Heizfläche des Rohrbandes und andererseits durch Verdopplung der rückgeführten Rauchgasmenge erzielt. Diese Erhöhung der rückgeführten Rauchgasmenge in den Feuerraum 1 dient gleichzeitig dazu, die Wärmebilanz des Kessels, die durch eine vergrößerte Heizfläche verändert wird, zu regulieren.
  • Im Betrieb dieses umgerüsteten, mit schwerem Heizöl bzw. Gas befeuerten Bensonkessels wird durch die zusätzliche Feuerraumheizfläche des Bandes 16 und die Verdopplung der rückgeführten Rauchgasmenge eine NOx-Reduzierung von 25 bis 35 % erreicht.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Rohrbandes 16 (Figuren 7 und 8) unterscheidet sich folgendermaßen von dem oben beschriebenen Rohrband 16:
    • Das Rohrband 16 besteht aus fünfundvierzig über Stege 49 verschweißten Rohren 17. Seine Breite beträgt dabei 3,15 m.
    • Die Rohre 17 sind in den mittleren Abschnitten 43 der Spitzen 18, 19, 20 senkrecht zur Mittelebene, d.h. parallel zu den Feuerraumwänden 12, 13, nebeneinander angeordnet. Diese Anordnung der Rohre 17 ist aufwendiger. Sie verhindert jedoch eine Temperaturabsenkung in der Nähe der Feuerraumwände 12, 13, durch Heizflächen des Rohrbandes 16.
    Beispiel 2 (Naturumlaufkessel)
  • Der Naturumlaufkessel des Beispiels 2 unterscheidet sich zusätzlich zu den bekannten, grundsätzlichen Unterschieden in folgenden Punkten vom Kessel des Beispiels 1:
    • Im Feuerraum sind nur drei Brennerebenen 2, 3, 4 übereinander angeordnet, wobei der Abstand der ersten Brennerebene 2 zum Feuerraumboden 6 etwa ein Drittel des Brennerebenenabstandes beträgt.
    • Der Bereich, in dem das Rohrband 16 angeordnet ist, beginnt zwischen erster und zweiter Brennerebene 2, 3 und endet um etwa einen halben Brennerebenenabstand oberhalb der dritten Brennerebene 4.
    • Untere Spitze 18 und obere Spitze 20 des mit drei Spitzen 18, 19, 20 versehenen, zickzackförmigen Rohrbandes 16 sind in Höhe der zweiten und dritten Brennerebene 3, 4 an der Rückwand 13 befestigt. Die mittlere, zwischen zweiter und dritter Brennerebene 3, 4 angeordnete Spitze 19 sowie die Zuleitungsrohre 21 und Ableitungsrohre 22 befinden sich auf der Seite der Brennerwand 12.
    • Das Rohrband 16 ist gemäß Figur 13 parallel zum Verdampfer 33 geschaltet. Dabei ist der untere Sammler 23 über die Zuleitung 35 mit einem von einer Verdampfertrommel 50 abzweigenden Fallrohr 51 verbunden und der obere Sammler 25 über die Ableitung 37 an die Verdampfertrommel 50 angeschlossen.
    • Das Rohrband 16 ist durch Schweißverbindungen zwischen mittleren Abschnitten 43 der Spitzen 18, 19, 20 mit den Feuerraumwänden 12, 13 an diesen befestigt (vgl. Figuren 5 bis 8).
    • Der Steigungswinkel der Rohre 17 des Rohrbandes 16 im Feuerraum 1 beträgt mindestens 10 %.
  • Bei Altanlagen, bei denen die Anordnung der Zuleitungsrohre 21 und der Ableitungsrohre 22, z.B. aus Platzgründen, weder durch die Rückwand 13 noch durch die Brennerwand 12 möglich ist, werden (nicht dargestellt) die Zuleitungsrohre 21 durch den Feuerraumboden 6 und die Ableitungsrohre 22 durch die Feuerraumdecke 8 geführt.

Claims (14)

  1. Dampfkessel mit einem Feuerraum (1), der mit übereinander angeordneten Brennerebenen (2, 3, 4, 5), mit auf mindestens einer Brennerwand (12) nebeneinander angeordneten Brennern (10) und mit einer durch ein Rohrband (16) gebildeten Heizfläche versehen ist, wobei das Rohrband (16) in einer senkrechten Mittelebene des Feuerraumes (1) angeordnet und mit horizontalen Durchlässen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rohrband (16) von der Brennerwand (12) bis zur gegenüberliegenden Rückwand (13) erstreckt, zwischen unterer Brennerebene (2) und um einen Brennerebenenabstand oberhalb der oberen Brennerebene (5, 4) angeordnet und an der Brennerwand (12) und der Rückwand (13) befestigt ist und daß sich die horizontalen Durchlässe auf Höhe der Brennerebenen (3, 4, 5) befinden.
  2. Dampfkessel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Rauchgasleitungen (28, 29), die mit dem Feuerraum (1) verbunden sind.
  3. Dampfkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrband (16) in senkrechter Richtung zickzackförmig ausgeführt und an mindestens einer seiner Spitzen (18, 19, 20) auf Höhe der Brennerebenen (3, 4, 5) an der Brennerwand oder der Rückwand (12, 13) befestigt ist.
  4. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Zuleitungsrohre (21) des Rohrbandes (16) im unteren Drittel des Feuerraumes (1), insbesondere zwischen erster und zweiter Brennerebene (2, 3), durch die Rückwand oder die Brennerwand (13, 12) geführt sind.
  5. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ableitungsrohre (22) des Rohrbandes (16) in der oberen Hälfte des Feuerraumes (1), insbesondere um einen halben bis einen ganzen Brennerebenenabstand oberhalb der obersten Brennerebene (5, 4), durch die Rückwand oder die Brennerwand (13, 12) geführt sind.
  6. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsrohre (21) des Rohrbandes (16) an einen Economizer (32) und seine Ableitungsrohre (22) an einen Verdampfer (33) angeschlossen sind.
  7. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Rohre (17) durch eine Faltung des Rohrbandes (16) gleich groß ist.
  8. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsrohre (21) und die Ableitungsrohre (22), des Rohrbandes (16) an eine Verdampfertrommel (50) angeschlossen sind.
  9. Dampfkessel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel der Rohre (17) des Rohrbandes (16) im Feuerraum (1) mindestens 10° beträgt.
  10. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (18, 19, 20) des Rohrbandes (16) abgeflacht sind und jeweils aus drei Abschnitten (43, 44) bestehen, wobei die Rohre (17) im mittleren Abschnitt (43) senkrecht angeordnet und miteinander verschweißt sind und in den beiden sich daran anschließenden oberen und unteren Abschnitten (44) als Rohrbögen (46), die mit Abstand zueinander angeordnet sind, ausgebildet sind.
  11. Dampfkessel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (17) im mittleren Abschnitt (43) der Spitzen (18, 19, 20) in der Mittelebene nebeneinander angeordnet sind und über Stege (45) miteinander verschweißt sind.
  12. Dampfkessel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (17) im mittleren Abschnitt (43) der Spitzen (18, 19, 20) senkrecht zur Mittelebene, d.h. parallel zur Brennerwand und zur Rückwand (12, 13), nebeneinander angeordnet sind.
  13. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 12, mit vier Brennerebenen, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrband (16) drei Spitzen (18, 19, 20), die auf Höhe der oberen drei Brennerebenen (3, 4, 5) befestigt sind, aufweist.
  14. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 12, mit drei Brennerebenen, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrband (16) drei Spitzen (18, 19, 20) aufweist, wobei die untere Spitze (20) auf Höhe der mittleren Brennerebene (3) und die obere Spitze (18) auf Höhe der oberen Brennerebenen (4) befestigt sind.
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