EP0405087B1 - Low nox fossil-fuel-fired steam generator - Google Patents
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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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- European Patent Office
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- burner
- boiler according
- combustion chamber
- pipe band
- wall
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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 of 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.The invention relates to a steam boiler according to the preamble of
Die bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehenden Stickstoffoxide (NOx) sind gesundheitsschädlich. Ihre Emission soll daher soweit wie möglich reduziert werden.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.
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.
- Lowering the combustion temperature and
- Generation of oxygen deficiency during combustion.
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.
- Use of low NO x burners,
- Installation of over-air (OFA) and
- So-called in-furnace NO x reduction (IFNR), with additional fuel being fed in behind the main combustion zone.
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.In the process described in (not yet published) German
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.However, there are limits to these NO x- lowering measures if the ignition and basic stability of the flame and the complete burnout can no longer be guaranteed. It is therefore possible that, despite exhausting all measures possible while ensuring the combustion, the maximum temperatures are still so high that considerable NO x formation takes place. This is particularly the case with flame-retardant and combustible fuels, such as heavy oils or fiber-rich coals.
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.In addition to the NO x reducing measures which influence the combustion process by varying the air, fuel and flue gas supply, the installation of central walls is conceivable for lowering the temperature in the combustion chamber. Such middle walls are known in a closed and open design. They divide up a combustion chamber and primarily serve to reduce the boiler height.
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.Even in the middle walls, which allow pressure equalization in the flue gas, there is no temperature equalization, so that undesirable temperature differences can occur in the divided combustion chamber. In addition, the size of the heating surface is determined by the boiler width and is therefore not very adaptable for targeted temperature reduction. In particular, 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.
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.DE-A-2 527 482 describes the installation of partition elements in the combustion chamber as a temperature-reducing measure for NO x reduction. In this steam boiler, 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.
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.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.
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.The object of the invention is to design the steam boiler according to the preamble of
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.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.
Durch Befestigungen des Rohrbandes an Brenner- und Rückwand ist eine ausreichende Schwingungssteifigkeit gewährleistet.Sufficient vibration rigidity is guaranteed by attaching the pipe band to the burner and rear wall.
Die horizontalen Durchlässe gewährleisten einen vollständigen Druck- und Temperaturausgleich, der zu einem störungsfreien und effektiven Betrieb der Feuerung benötigt wird.The horizontal passages ensure complete pressure and temperature compensation, which is required for trouble-free and effective operation of the furnace.
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.Another advantage of this measure for reducing NO x emissions is that it is suitable for retrofitting old boilers as well as for new ones. 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.
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.It is particularly advantageous to install the pipe band on boilers that are fueled with flame-retardant and combustible fuels, such as. B. heavy fuel oil, because with these boilers the previously known NO x -measuring measures cannot reduce the NO x emissions sufficiently.
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.The feature of
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.The shape and arrangement of the tubular band described in
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.Another advantage of the feature of
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).The guidance of the supply pipes through one of the combustion chamber walls in the lower third of the combustion chamber according to
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).The routing of the discharge pipes through one of the combustion chamber walls in the upper half of the combustion chamber according to
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.The feature of
Das Merkmal des Anspruchs 7 ist ebenfalls besonders für Zwangsumlauf- und Zwangsdurchlaufkessel geeignet.The feature of
Die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 sind besonders für Naturumlaufkessel geeignet.The features of
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.An advantage of the feature of
Vorteil des Merkmals des Anspruchs 11 ist, daß die mittleren Abschnitte einfach gefertigt werden können.An advantage of the feature of
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).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).
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.The feature of
Die Zeichnung dient der Erläuterung der Erfindung anhand von Beispielen.The drawing serves to explain the invention using examples.
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.FIG. 1 shows a schematic representation of a Benson boiler (example 1) with a subsequently installed, welded tubular band. In 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. A circuit diagram of Example 1 is shown in Figure 4.
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.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.
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.The diagrams in 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).
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.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 and FIG. 13 shows a corresponding circuit diagram.
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.Four
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.In a central plane of the
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.It has four straight sections running between the
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.As shown in FIG. 1, the shape of the
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.Except for the
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.A
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.A second
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.An
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.By connecting the
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.The
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.The flattened
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.)In the
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).To further explain the invention, the influence of the
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.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
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.In the operation of this converted Benson boiler, which is fired with heavy fuel oil or gas, the additional combustion chamber heating surface of the
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 überStege 49verschweißten Rohren 17. Seine Breite beträgt dabei 3,15 m.Die Rohre 17 sind inden mittleren Abschnitten 43 18, 19, 20 senkrecht zur Mittelebene, d.h. parallelder Spitzen 12, 13, nebeneinander angeordnet. Diesezu den Feuerraumwänden Anordnung der Rohre 17 ist aufwendiger. Sie verhindert jedoch eine Temperaturabsenkung in der Nähe der Feuerraumwände 12, 13, durch Heizflächen desRohrbandes 16.
- The
tube band 16 consists of forty-fivetubes 17 welded viawebs 49. Its width is 3.15 m. - The
tubes 17 are arranged in themiddle sections 43 of the 18, 19, 20 perpendicular to the central plane, ie parallel to thetips 12, 13. This arrangement of thecombustion chamber walls tubes 17 is more complex. However, it prevents a temperature drop in the vicinity of the 12, 13 by heating surfaces of thecombustion chamber walls tubular band 16.
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 drittenBrennerebene 4. Untere Spitze 18 und obere Spitze 20 des 18, 19, 20 versehenen, zickzackförmigen Rohrbandes 16 sind in Höhe der zweiten und dritten Brennerebene 3, 4 anmit drei Spitzen der Rückwand 13 befestigt. Die mittlere, zwischen zweiter und dritter Brennerebene 3, 4angeordnete Spitze 19 sowie die Zuleitungsrohre 21 und Ableitungsrohre 22 befinden sich auf der Seite derBrennerwand 12.Das Rohrband 16 ist gemäßFigur 13parallel zum Verdampfer 33 geschaltet. Dabei ist der untereSammler 23 über dieZuleitung 35 mit einem von einerVerdampfertrommel 50 abzweigenden Fallrohr 51 verbunden und der obereSammler 25 über die Ableitung 37 andie Verdampfertrommel 50 angeschlossen.Das Rohrband 16 ist durch Schweißverbindungen zwischen mittleren Abschnitten 43 18, 19, 20der Spitzen 12, 13 an diesen befestigt (vgl.mit den Feuerraumwänden Figuren 5 bis 8).- Der Steigungswinkel der Rohre 17 des Rohrbandes 16
im Feuerraum 1beträgt mindestens 10 %.
- Only three
2, 3, 4 are arranged one above the other in the combustion chamber, the distance between theburner levels first burner level 2 and thecombustion chamber floor 6 being approximately one third of the burner plane distance. - The area in which the
tube band 16 is arranged begins between the first and 2, 3 and ends by approximately half a burner level distance above thesecond burner levels third burner level 4. -
Lower tip 18 andupper tip 20 of the zigzag-shapedtubular band 16 provided with three 18, 19, 20 are attached to thetips rear wall 13 at the level of the second and 3, 4. Thethird burner levels middle tip 19 arranged between the second and 3, 4 and thethird burner levels feed pipes 21 anddrain pipes 22 are located on theburner wall 12 side. - The
tube band 16 is connected in parallel to theevaporator 33 according to FIG. Thelower collector 23 is connected via thefeed line 35 to adown pipe 51 branching off from anevaporator drum 50 and theupper collector 25 is connected to theevaporator drum 50 via thedischarge line 37. - The
tubular band 16 is fastened to the 12, 13 by welded connections betweencombustion chamber walls middle sections 43 of the 18, 19, 20 (cf. FIGS. 5 to 8).tips - The pitch angle of the
tubes 17 of thetube band 16 in thecombustion chamber 1 is at least 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.In old systems in which the arrangement of the
Claims (14)
- Boiler with a combustion chamber (1), which is provided with burner planes (2, 3, 4, 5) arranged one above the other, with burners (10) arranged beside one another on at least one burner wall (12) and with a heating surface formed by a pipe band (16), wherein the pipe band (16) is arranged in a vertical centre plane of the combustion chamber (1) and provided with horizontal passages, characterised thereby that the pipe band (16) extends from the burner wall (12) as far as the oppositely disposed back wall (13), is arranged between lower burner plane (2) and above, by one burner plane spacing, the upper burner plane (5, 4) and is fastened to the burner wall (12) and the back wall (13), and that the horizontal passages are disposed at the level of the burner planes (3, 4, 5).
- Boiler according to claim 1, characterised by two flue gas ducts (28, 29), which are connected with the combustion chamber (1).
- Boiler according to claim 1 or 2, characterised thereby that the pipe band (16) is executed to be zigzag-shaped in vertical direction and is fastened to the burner wall (12) or the back wall (13) at at least one of its points (18, 19, 20) at the level of the burner planes (3, 4, 5).
- Boiler according to one of claims 1 to 3, characterised thereby that feed pipes (21) of the pipe band (16) are led through the back wall (13) or the burner wall (12), in particular between the first and second burner plane (2, 3), in the lower third of the combustion chamber (1).
- Boiler according to one of claims 1 to 4, characterised thereby that the discharge pipes (22) of the pipe band (16) are fed through the back wall (13) or the burner wall (12) in the upper half of the combustion chamber (1), in particular above the uppermost burner plane (5, 4) by one half to one full burner plane spacing.
- Boiler according to one of claims 1 to 5, characterised thereby that the feed pipes (21) of the pipe band (16) are connected to an economiser (32) and its discharge pipes (22) to an evaporator (33).
- Boiler according to one of claims 1 to 6, characterised thereby that the length of the pipes (17) is through a folding of the pipe band (16), equal in dimension.
- Boiler according to one of claims 1 to 5, characterised thereby that the feed pipes (21) and the discharge pipes (22) of the pipe band (16) are connected to an evaporator drum (50).
- Boiler according to claim 8, characterised thereby that the angle of inclination of the pipes (17) of the pipe band (16) in the combustion chamber (1) amounts to at least 10°.
- Boiler according to one of claims 3 to 9, characterised thereby that the points (18, 19, 20) of the pipe band (16) are flattened off and consist each time of three sections (43, 44), wherein the pipes (17) in the middle section (43) are arranged to be vertical and are welded together and in the two upper and lower sections (44) adjoining thereat are constructed as pipe bends (46), which are arranged at a spacing relative to one another.
- Boiler according to claim 10, characterised thereby that the pipes (17) in the middle section (43) of the points (18, 19, 20) are arranged beside one another in the centre plane and are welded together by way of webs (45).
- Boiler according to claim 10, characterised thereby that the pipes (17) in the middle section (43) of the points (18, 19, 20) are arranged beside one another and perpendicularly to the centre plane, i.e. parallel to the burner wall (12) and to the back wall (13).
- Boiler according to one of claims 3 to 12 with four burner planes, characterised thereby that the pipe band (16) has three points (18, 19, 20) which are fastened at the level of the upper three burner planes (3, 4, 5).
- Boiler according to one of claims 3 to 12 with three burner planes, characterised thereby that the pipe band (16) has three points (18, 19, 20), wherein the lower point (20) is fastened at the level of the middle burner plane (3) and the upper point (18) at the level of the upper burner plane (4).
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