EP0483678B1

EP0483678B1 - Steam boiler

Info

Publication number: EP0483678B1
Application number: EP19910118215
Authority: EP
Inventors: Otmar Dipl.-Ing. Bertsch; Konrad Dipl.-Ing. Schmidt
Original assignee: Josef Bertsch & Co GmbH
Current assignee: Josef Bertsch & Co GmbH
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2011-10-25
Also published as: DE59103983D1; EP0483678A3; EP0483678A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampfkessel mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Ein Dampfkessel dieser Art ist Gegenstand des Dokuments Patent Abstracts of Japan, vol 8, no 207 (M-327)(1644), 21. September 1984.The invention relates to a steam boiler with the features of the preamble of claim 1. A steam boiler of this type is the subject of the document Patent Abstracts of Japan, vol 8, no 207 (M-327) (1644), September 21, 1984.

Es ist bekannt, bei Dampfkesselanlagen die Rauchgase unter anderem zu entsticken, den Gehalt der Stickoxyde im Rauchgas zu verringern, wozu Katalysatoren eingesetzt werden. Die Wirkungsweise dieses bekannten Verfahrens beruht auf der Reaktion der Stickoxyde mit dem in die Rauchgase eingebrachten NH₃ unter Einwirkung des erwähnten Katalysators. Die Effizienz des Katalysators ist dabei temperaturabhängig, die optimale Reaktionstemperatur liegt dabei bei ca. 350° C. Bekannt ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren (AT-PS 379 677), bei welchem die Rauchgase durch zwei in Reihe geschaltete Rauchgasnachbehandlungseinrichtungen geführt werden, wobei die Rauchgastemperatur in der zweiten Rauchgasnachbehandlungseinrichtung höher ist als jene in der ersten. Dabei wird die Wärme der Rauchgase zur Wiederaufheizung der Rauchgase und auch zur Luftvorwärmung verwendet. Solche Anlagen sind zwar durchaus geeignet, das in den Katalysator eintretende Rauchgas auf die hier notwendige Reaktionstemperatur zu erhitzen, doch ist der damit verbundene apparative Aufwand außerordentlich groß und damit teuer, so daß solche Einrichtungen nur für große Anlagen überhaupt in Frage kommen. Bei Dampfkesseln für mittlere Leistung, also für Leistungen etwa zwischen 10 bis 30 MW sind solche Anlagen nicht verwendbar, weil sie zu aufwendig und zu kostspielig sind.It is known, among other things, to denitrify the flue gases in steam boiler systems, to reduce the nitrogen oxide content in the flue gas, for which purpose catalysts are used. The operation of this known method is based on the reaction of nitrogen oxides with the NH₃ introduced into the flue gases under the action of the catalyst mentioned. The efficiency of the catalyst is temperature-dependent, the optimal reaction temperature is about 350 ° C. A method is known in this context (AT-PS 379 677) in which the flue gases are passed through two flue gas aftertreatment devices connected in series, the Flue gas temperature in the second flue gas aftertreatment device is higher than that in the first. The heat of the flue gases is used to reheat the flue gases and also to preheat the air. Such systems are indeed suitable for heating the flue gas entering the catalyst to the reaction temperature required here, but the associated outlay on equipment is extremely large and therefore expensive, so that such facilities are only suitable for large systems. Such systems cannot be used with steam boilers for medium power, i.e. for power between 10 and 30 MW, because they are too complex and too expensive.

Eine andere bekannte Dampfkesselanlage der eingangs erwähnten Art ist in der DE-OS 27 33 408 beschrieben und gezeigt. Bei dieser vorbekannten Konstruktion ist vorgesehen, zum Sekundärvorwärmer eine Nebenschlußleitung anzuordnen, deren Querschnitt temperaturabhängig geregelt wird. Diese Konstruktion wird für nicht zweckmäßig erachtet: die konstruktive Ausführung eines solchen Nebenschlußkanales ist sehr aufwendig und teuer. Vor allem aber fällt auch ein funktioneller Nachteil hier besonders ins Gewicht. Die Nebenschlußleitung ist unmittelbar vor dem Katalysator in den Rauchgaskanal eingeleitet, so daß unmittelbar vor dem Katalysator und über dem Querschnitt des Rauchgaskanales ein starkes Temperaturgefälle herrscht, ist doch davon auszugehen, daß im Sekundärvorwärmer der Rauchgasstrom ein Temperaturgefälle von mehreren hundert Graden erfährt. Der Katalysator wird also über seinen Querschnitt von einem Rauchgasstrom getroffen, der über seinen Querschnitt eine sehr unterschiedliche Temperatur aufweist, wobei nur seitlich noch relativ heißes Rauchgas zuströmt. Um diesen Rauchgasstrom mit über seinen Querschnitt unterschiedlichen Temperaturen vor dem Kondensator durchzumischen, sind hier weder Einrichtungen vorgesehen, noch - unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit - ist dafür ausreichend Zeit vorhanden.Another known steam boiler system of the type mentioned is described and shown in DE-OS 27 33 408. In this known construction it is provided to arrange a shunt line to the secondary preheater, the cross-section of which is regulated depending on the temperature. This construction is not considered to be expedient: the construction of such a shunt channel is very complex and expensive. Above all, a functional disadvantage is particularly important here. The shunt line is introduced into the flue gas duct immediately upstream of the catalytic converter, so that a large temperature gradient occurs directly in front of the catalyst and across the cross section of the flue gas duct prevails, it can be assumed that the flue gas stream experiences a temperature gradient of several hundred degrees in the secondary preheater. The cross section of the catalytic converter is therefore struck by a flue gas stream which has a very different temperature across its cross section, with relatively hot flue gas only flowing in laterally. In order to mix this flue gas stream with different temperatures in front of the condenser across its cross section, neither facilities are provided here, nor is there sufficient time for this - taking into account the flow velocity.

Die Effizienz der DeNO_x-Anlage mit einem Katalysator und einer NH₃-Einspritzeinrichtung ist umso besser, je gleichmäßiger die Temperatur des Rauchgases über dem gesamten Querschnitt des Rauchzuges ist; der Katalysator also über seinen gesamten Querschnitt mit Rauchgas gleicher Temperatur angeströmt wird.The efficiency of the DeNO _x system with a catalyst and an NH₃ injector is the better, the more uniform the temperature of the flue gas is over the entire cross section of the flue; Flue gas of the same temperature flows over the entire cross section of the catalyst.

Ausgehend von einem Dampfkessel der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe in erfindungsgemäßer Weise durch jene Merkmale gelöst, die Gegenstand und Inhalt des Patentanspruches 1 sind. Dank dieses Vorschlages wird das den Rauchrohrzug verlassende Rauchgas, das über den Querschnitt des Rauchzuges bzw. der dem Rauchrohrzug folgenden Kammer unterschiedliche Temperaturen aufweist, intensiv durchmengt und durchmischt, so daß in der Folge der Katalysator über seinen gesamten Querschnitt von Rauchgas mit im wesentlichen gleicher Temperatur angeströmt wird. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. All diese Maßnahmen dienen ein und demselben Zweck, nämlich die Durchmischung des Rauchgases zu intensivieren, so daß der Katalysator über seinen gesamten Querschnitt mit Rauchgas gleicher Temperatur angeströmt wird.Starting from a steam boiler of the type mentioned in the introduction, this object is achieved in accordance with the invention by those features which are the subject and content of claim 1. Thanks to this proposal, the flue gas leaving the flue pipe, which has different temperatures over the cross section of the flue or the chamber following the flue pipe, is intensively mixed and mixed, so that the catalytic converter consequently has flue gas at essentially the same temperature over its entire cross section is flowed to. Appropriate embodiments of the invention are defined in the subclaims. All of these measures serve one and the same purpose, namely to intensify the mixing of the flue gas, so that the entire cross-section is flown with flue gas of the same temperature.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1: die stirnseitige Ansicht eines drei Züge aufweisenden Dampfkessels mittlerer Leistung (15 MW);
Fig. 2: einen horizontalen Schnitt nach der Linie II - II in Fig. 1;
Fig. 3: das katalysatorseitige Ende des Rauchrohrzuges bei geöffneter Kesseltüre in einem gegenüber den Fig. 1 und 2 vergrößerten Maßstab;
Fig. 4: einen Schnitt nach der Linie IV - IV in Fig. 3;
Fig. 5: einen Horizonatalschnitt nach der Linie V - V in Fig. 4.

The drawing illustrates the invention. Show it:

Fig. 1: the front view of a three-pass steam boiler of medium power (15 MW);
Fig. 2: a horizontal section along the line II - II in Fig. 1;
Fig. 3: the catalyst-side end of the flue pipe when the boiler door is open on an enlarged scale compared to FIGS. 1 and 2;
Fig. 4: a section along the line IV - IV in Fig. 3;
Fig. 5: a horizontal section along the line V - V in Fig. 4.

Der über einen Ölbrenner 1 mit Öl befeuerte Heizkessel besitzt ein Flammrohr 2, das endseitig in einen ersten als Wasserrohrzug ausgebildeten Umlenkzug 3 übergeht. An diesen Umlenkzug 3 schließt ein zweiter als Rauchrohrzug 4 ausgebildeter Zug an, wobei die Rohre 5 dieses Zuges 4 im wesentlichen parallel zur Längsachse des Flammrohres 2 verlaufen. Eines dieser Rauchrohre, nämlich das Rauchrohr 6 besitzt einen Durchmesser, der um ein Mehrfaches, beispielsweise um das 6-fache des Durchmessers der anderen Rauchrohre 5 des Rauchrohrzuges 4 beträgt. Der Rauchrohrzug 4 mündet in eine stirnseitig am Dampfkessel angeordnete Kammer 7, die hier mit einer Kesseltüre 8 verschließbar ist.The boiler, which is fired with oil via an oil burner 1, has a flame tube 2, which at the end merges into a first deflection cable 3 designed as a water tube cable. A second train, designed as a smoke pipe train 4, adjoins this deflection train 3, the pipes 5 of this train 4 running essentially parallel to the longitudinal axis of the flame pipe 2. One of these flue pipes, namely the flue pipe 6, has a diameter which is a multiple, for example 6 times the diameter of the other flue pipes 5 of the flue pipe 4. The flue pipe 4 opens into a chamber 7 arranged on the end of the steam boiler, which can be closed here with a boiler door 8.

Das Rauchrohr 6 mit dem vergrößerten Durchmesser liegt dabei im Mittelbereich des Rauchrohrzuges 4. Das kammerseitige Ende des Rauchrohres 6 besitzt einen nach oben gerichteten, pfeifenartigen Ansatz 25 (Fig. 3 und 4), dessen Mündung oberhalb der Drosselklappe 9 Durchbrechungen 26 aufweist. Oberhalb der Mündungsöffnung dieses pfeifenartigen, nach oben gerichteten Ansatzes 25 und mit Abstand von demselben ist ein Lochblech 27 angeordnet, das sich über den gesamten Querschnitt des Rauchrohrzuges 28 erstreckt. Die Mündungsöffnung des pfeifenartigen Ansatzes 25 liegt in bzw. oberhalb der Ebene der obersten Rohre 5 des Rauchrohrzuges 4 (Fig. 3 und 4).The flue pipe 6 with the enlarged diameter lies in the middle region of the flue pipe 4. The chamber-side end of the flue pipe 6 has an upward, pipe-like extension 25 (FIGS. 3 and 4), the mouth of which has openings 26 above the throttle valve 9. A perforated plate 27 is arranged above the mouth opening of this pipe-like, upwardly directed extension 25 and at a distance therefrom, which extends over the entire cross section of the flue pipe 28. The mouth opening of the pipe-like extension 25 lies in or above the plane of the uppermost pipes 5 of the smoke pipe train 4 (FIGS. 3 and 4).

Seitlich dieses pfeifenartigen Ansatzes 25 und mit Abstand von demselben sind Trennbleche 29 angeordnet, die sich über die gesamte Tiefe der Kammern 7 erstrecken und Kammerabschnitte 7′ begrenzen, in welchen ebenfalls Drosselklappen 30 schwenkbar gelagert sind. Diese Drosselklappen liegen in der Ebene der obersten Rohre 5 des Rauchrohrzuges 4 bzw. etwas oberhalb derselben. Die Trennbleche 29 stehen zur Längsmittelebene des den pfeifenartigen Ansatz 25 aufweisenden Rauchrohres 6 im wesentlichen parallel. Sie erstrecken sich bis über die Oberkante des Rauchrohrzuges 4. Die Achsen aller drei Drosselklappen 9 und 30 liegen parallel zueinander und sind durch die Kammertüre 8 hindurchgeführt. Zweckmäßigerweise ist für alle Drosselklappen ein einziger Stellmotor 10 vorgesehen.Laterally of this pipe-like approach 25 and at a distance from the same are separating plates 29 which extend over the entire depth of the chambers 7 and limit chamber sections 7 ', in which throttle valves 30 are also pivotally mounted. These throttle valves are in the plane of the uppermost pipes 5 of the smoke pipe 4 or somewhat above the same. The Partitions 29 are substantially parallel to the longitudinal center plane of the smoke pipe 6 having the pipe-like extension 25. They extend over the upper edge of the flue pipe 4. The axes of all three throttle valves 9 and 30 are parallel to one another and are passed through the chamber door 8. A single servomotor 10 is expediently provided for all throttle valves.

Die Kammer 7 geht über in einen ersten ansteigenden Kesselabschnitt 11 und einen daran anschließenden fallenden Kesselabschnitt 12, wobei im fallenden Kesselabschnitt 12 eine NH₃-Einspritzeinrichtung 13 angeordnet ist und mit Abstand darunter der eigentliche Katalysator 14, auf welchen der dritte Kesselzug 15 folgt, der in den Schornstein 16 mündet. Die dem Katalysator 14 vorgeschalteten und nachgeschalteten Züge 4 und 15 sind liegend angeordnet und im wesentlichen parallel zueinander.The chamber 7 merges into a first rising boiler section 11 and a subsequent falling boiler section 12, in which case an NH₃ injector 13 is arranged in the falling boiler section 12 and at a distance below the actual catalyst 14, followed by the third boiler train 15, which in the chimney 16 opens. The trains 4 and 15 connected upstream and downstream of the catalytic converter 14 are arranged horizontally and essentially parallel to one another.

Im fallenden Kesselabschnitt 12 zwischen der NH₃-Einspritzeinrichtung 13 und dem Katalysator 14 ist ein Temperaturfühler 17 vorgesehen, der über einen Regler 18, der mit einer Temperaturanzeigeeinrichtung ausgestattet sein kann, mit dem Stellmotor für die Drosselklappen 9 und 30 in Wirkverbindung steht.In the falling boiler section 12 between the NH₃ injection device 13 and the catalyst 14, a temperature sensor 17 is provided, which is operatively connected to the servomotor for the throttle valves 9 and 30 via a controller 18, which can be equipped with a temperature display device.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Teile des Dampfkessels ergibt sich unmittelbar aus dem Gesagten. Fährt der Kessel auf voller Last, so erreichen die Rauchgase bei geschlossener Drosselklappe 9 den Katalysator 14 mit ca. 350° C. Fährt der Kessel hingegen im Teillastbereich, so sinkt die Rauchgastemperatur erheblich ab und liegt erheblich unterhalb der Betriebstemperatur für den Katalysator, der dann nicht mehr seine optimale Leistungsfähigkeit besitzt. Dank der Erfindung wird nun über den Temperaturfühler 17 dieser Temperaturrückgang über den Regler 18 in der Weise wirksam, daß der Regler 18 den Stellmotor 10 für die Drosseln 9 und 30 aktiviert, und zwar im Sinne einer Öffnung der Drosselklappe 9. Durch das Öffnen der Drosselklappen wird der Durchlaßquerschnitt des dem Katalysator 14 vorgeschalteten Rauchrohrzuges 4, der ja den Strömungswiderstand dieses Zuges bestimmt, verringert, so daß das heiße Rauchgas rascher und mit geringerer Abkühlung den Katalysator 14 erreicht, so daß dessen Betriebstemperatur im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Das den Rauchrohrzug 4 verlassende und in die Kammer 7 gelangende Rauchgas hat - über den Querschnitt der Kammer 7 gesehen - recht unterschiedliche Temperaturen. Dank der vorgesehenen erfindungsgemäßen Einrichtung wird das hier befindliche und diesen Abschnitt durchströmende Rauchgas intensiv durchmischt, so daß oberhalb des Lochbleches 27 ein Rauchgas vorliegt, das über den gesamten Querschnitt des Rauchgaskanales eine einheitliche Temperatur besitzt. Wird der Dampfkessel wieder auf höhere Last gefahren, so wird wegen des dadurch bedingten Anstieges der Rauchgastemperatur im Abschnitt 12 über den Temperaturfühler 17, den Regler 18 und den Stellmotor die Drosseln im Sinne einer Schließbewegung betätigt.The function of the parts of the steam boiler described above results directly from what has been said. If the boiler runs at full load, the flue gases reach the catalytic converter 14 at approx. 350 ° C when the throttle valve 9 is closed. On the other hand, if the boiler runs in the partial load range, the flue gas temperature drops considerably and is significantly below the operating temperature for the catalytic converter, which no longer has its optimal performance. Thanks to the invention, this temperature drop via the controller 18 is now effective via the temperature sensor 17 in such a way that the controller 18 activates the servomotor 10 for the throttles 9 and 30, specifically in the sense of opening the throttle valve 9. By opening the throttle valve will the Passage cross section of the flue pipe 4 upstream of the catalytic converter 14, which determines the flow resistance of this train, is reduced, so that the hot flue gas reaches the catalytic converter 14 more quickly and with less cooling, so that its operating temperature can be kept essentially constant. The flue gas leaving the flue pipe 4 and entering the chamber 7 has - viewed over the cross section of the chamber 7 - quite different temperatures. Thanks to the proposed device according to the invention, the flue gas located here and flowing through this section is thoroughly mixed so that a flue gas is present above the perforated plate 27, which has a uniform temperature over the entire cross section of the flue gas duct. If the steam boiler is driven to a higher load again, the throttles are actuated in the sense of a closing movement in section 12 via the temperature sensor 17, the controller 18 and the servomotor because of the consequent rise in the flue gas temperature.

Legend for the reference numbers

Claims

A steam boiler with a plurality of passes (3, 4, 15) for medium levels of power and with an NO_x removal installation in the form of a catalyst (14) and a device (13) for injecting NH₃, in order to reduce the proportion of NO_x in the flue gas (nitrogen removal), wherein the catalyst (14) - seen in the direction of flow of the flue gases - is arranged prior to the last pass (15) in the steam boiler in a portion (12) of the boiler guiding the flue gases downwards, and the boiler portion prior to the aforementioned boiler portion (12) is adjustable with regard to its passage cross-section, in dependence on the temperature of the flue gases prevailing prior to the catalyst (14), and a temperature sensor (17) is provided to control the passage cross-section, and is preferably positioned between the NH₃ injection device (13) and the catalyst (14), it being possible to enlarge the said passage cross-section when the flue gas temperature is falling, and the portion of the boiler prior to the catalyst (14) is formed as a fire- tube pass (4), characterised in that at least one of the fire tubes (6) forming the said fire-tube pass has an enlarged diameter in relation to the other fire tubes (5) in the said pass, and the passage cross-section of the said fire tube (6) can be adjusted by means of a butterfly valve (9), and the end near the catalyst of the pass (4) with an adjustable cross-section opens into a chamber (7) which can be closed preferably by means of a door or flap (8), and the end near the catalyst of the fire tube (6) with an enlarged diameter passes - inside the chamber (7) - into a pipe-like projection (25) oriented upwards, and a perforated sheet (27), positioned substantially horizontally, is provided at a distance from the opening of the said pipe-like projection (25).
A steam boiler in accordance with claim 1, characterised in that the perforated sheet (27) extends over the entire cross-section of the gas pass.
A steam boiler in accordance with claim 1, characterised in that openings (26) are provided in the wall of the pipe-like projection (25).
A steam boiler in accordance with claim 1 or 3, characterised in that dividing plates (29) are provided on both sides of the pipe-like projection (25), at a distance therefrom, and are positioned vertically and extend over the depth of the gas pass or the chamber (7), and are substantially parallel to the longitudinal central plane of the fire tube (6) having the pipe-like projection (25).
A steam boiler in accordance with claim 4, characterised in that the dividing plates (27) extend beyond the upper edge of the fire-tube pass (4).
A steam boiler in accordance with claim 4 or 5, characterised in that butterfly valves (30) are provided in the chamber portions (7′) formed by the dividing plates (27), and influence the cross-sections thereof.
A steam boiler in accordance with one of claims 1 to 6, characterised in that the axes of all the butterfly valves (9, 30) are parallel to one another.
A steam boiler in accordance with claim 7, characterised in that all the butterfly valves (9, 30) have a common drive unit.
A steam boiler in accordance with claim 1, characterised in that the fire tube (6) with the enlarged diameter is positioned in the central region of the fire-tube pass (4).