WO1993018339A1 - Flammrohrkessel - Google Patents

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WO1993018339A1
WO1993018339A1 PCT/DE1992/000190 DE9200190W WO9318339A1 WO 1993018339 A1 WO1993018339 A1 WO 1993018339A1 DE 9200190 W DE9200190 W DE 9200190W WO 9318339 A1 WO9318339 A1 WO 9318339A1
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flame tube
turning chamber
boiler
boiler according
flue
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Inventor
Fritz Schoppe
Josef Pröstler
Original Assignee
Fritz Schoppe
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Priority to DE9218922U priority patent/DE9218922U1/de
Priority to DE4206969A priority patent/DE4206969A1/de
Priority to DE59207146T priority patent/DE59207146D1/de
Priority to CZ942058A priority patent/CZ283961B6/cs
Priority to UA94095771A priority patent/UA26080C2/uk
Priority to PL92305049A priority patent/PL169337B1/pl
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Priority to US08/295,693 priority patent/US5558046A/en
Priority to ES92906303T priority patent/ES2093252T3/es
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • 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
    • F22B37/06—Flue or fire tubes; Accessories therefor, e.g. fire-tube inserts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B7/00—Steam boilers of furnace-tube type, i.e. the combustion of fuel being performed inside one or more furnace tubes built-in in the boiler body
    • F22B7/12—Steam boilers of furnace-tube type, i.e. the combustion of fuel being performed inside one or more furnace tubes built-in in the boiler body with auxiliary fire tubes; Arrangement of header boxes providing for return diversion of flue gas flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J1/00—Removing ash, clinker, or slag from combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J3/00—Removing solid residues from passages or chambers beyond the fire, e.g. from flues by soot blowers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/28—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes
    • F24H1/285—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes with the fire tubes arranged alongside the combustion chamber

Definitions

  • the present invention relates to a flame tube boiler according to the preamble of claim 1.
  • Such flame tube boilers are generally known. It is a cylindrical, lying boiler drum with one or more flame tubes in it, into which a burner fires at one end. At the other end, the already cooled flue gases leave the flame tube at temperatures of mostly 700 ° C to 1000 ° C and enter a turning chamber, where they are redirected and fed to a flue tube train consisting of a bundle of parallel flue tubes, which are located below the flame tube extend through the boiler drum.
  • the invention has for its object to provide a Flammrohrkes ⁇ sel of the type mentioned, for firing with dust-like, solid, ash-containing fuels without risk of contamination.
  • the inflow openings of the flue pipes are designed in a trumpet-like manner in order to achieve favorable flow conditions there, which largely exclude the formation of shadows,
  • the dimensions of the flame tube are chosen such that the flue gases at the outlet from the flame tube are cooled by a safety distance below the ash softening point
  • the number and the cross sections of the flue pipes are dimensioned such that there are predetermined dynamic pressures in the cylindrical part of the pipe inlet which are necessary to avoid the deposition of ash in the "flue pipes".
  • the dimensions of the flame tube which are necessary in order to obtain the sufficient cooling of the flue gases below the ash softening point, can be calculated from the heat transfer by radiation and convection, taking into account the wall temperature and the laws of fluid mechanics.
  • VDI Heat Atlas the VDI Heat Atlas, from which corresponding information can be found.
  • the number of pipes and their cross sections determine the flow velocity and thus the back pressure of the flue gases in the flue pipes.
  • the total amount of air and the amount of exhaust gas can be calculated from the amount of fuel and the excess air to comply with the TA-Luft regulations. which in turn determines the number and cross-sections of the smoke pipes at a given dynamic pressure.
  • the above-mentioned dynamic pressure is therefore peculiar to each individual boiler.
  • the safety of the boiler according to the invention against contamination by caking of ash constituents at the particularly vulnerable inflow openings of the flue pipes can be further improved if these inflow openings are blown over with a compressed air blast at more or less regular intervals.
  • at least one side wall of the turning chamber is therefore penetrated by at least one blowpipe, the blowing direction of which is directed at least approximately parallel to the partition wall having the blowpipe inflow openings, which separates the turnpipe chamber from the boiler drum, and the blow cross section of which sweeps over all flue pipe inflow openings .
  • This blowpipe is preferably connected via a valve to a gas pressure aromler, which only needs to have a relatively small volume and, for example, stores air under a pressure of 6000 to 8000 hPa. With this compressed air, a pressure surge of approximately 0.1 s, duration at intervals of 0.5 to 4 h, is generated, which spreads at the speed of sound and sweeps over the entire field of the inflow openings of the flue pipes.
  • the inflow openings of the smoke pipes in the opposite end wall of the turning chamber are opposed by blow pipes, with the aid of which deposits in the region of the inflow openings can be blown away.
  • one or more blowing nozzles are also arranged in the burner-side end wall of the flame tube, through which steam or compressed air can be blown continuously or in bursts into the flame tube in order to remove ash deposits from the flame tube wall.
  • Figure 1 is a schematic representation of a boiler according to the invention (without burner) in longitudinal section.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the inflow opening area of a smoke pipe
  • Fig. 4 is a sectional view in the rear area of a boiler with two flame tubes seen from the front, and
  • Fig. 5 is a sectional view in the rear area of the boiler of FIG. 4 from above.
  • the flame tube boiler consists of an outer boiler troramel 1 and one or more cylindrical flame tubes 2 arranged therein.
  • an extension 3 for connecting a burner which is not shown in the present example.
  • This extension 3 can be arranged in or outside the axis of the flame tube 2, wherein the axis of the extension 3 can be parallel or inclined to the axis of the flame tube 2. If the attachment 3 for the burner, as shown in FIG. 1, is arranged above the axis of the flame tube 2 and inclined to its axis, so that the burner blows obliquely downwards, then the pulse of the flame gases advantageously blows ash deposit stanchions away from the bottom of the flame tube 2.
  • the flame tube 2 opens at its other end into a turning chamber 4 which is formed by an upper water collector 5, two lower water collectors 6 'and 6 "(FIG. 2) and side walls 7, a bottom wall 23 and a rear end wall 8. These walls are expediently designed as water-cooled membrane walls.
  • a flue pipe train consisting of a large number of flue pipes 9 parallel to one another, runs below the flame pipe 2 through the boiler drum 1. These flue pipes 9 have inflow openings on a partition 16 which delimits the boiler drum 1 from the turning chamber 4. At the other end, the smoke pipes open into a smoke gas collection space 18.
  • the two lower water collectors 6 'and 6 "form an opening between them through which ash and other dirt particles can fall down out of the turning chamber 4.
  • the opening opens into a trough 24 in which one Screw conveyor 10 is located, by means of which the ash parts can be removed into an outlet opening 11.
  • one or more blowpipes 12 open into the flame tube 2, through which compressed gas, for example steam or air, can be blown continuously or in pressure surges over the walls of the flame tube 2, in order to deposit ash deposits in the direction of the To continue to blow the turning chamber.
  • compressed gas for example steam or air
  • blow pipe 13 which extends through one of the side walls 7 of the turning chamber 4, is intended to blow air pressure surges tangentially or at a small angle over the partition wall 16 in the area where the inflow openings of the smoke pipes 9 are arranged. 4 and 5, the blow pipe 13 is connected via a valve 20 to a pressure collector 21, which is supplied with air pressure by a pressure pump 22.
  • the valve 20, which can be a solenoid valve, the pressure collector 21 and the pump 22 are only shown schematically in FIG. 4.
  • blowpipes 12 Part of the combustion air can be blown in through the blowpipes 12, which has a lower effect on the achievement Levels of CO and NO x affects. Furthermore, these blowpipes can supply steam or compressed air in a constant manner continuously or in bursts.
  • the turning chamber 4 can be seen with a view of the flame tube 2 and the flue tubes 9.
  • the flame tube 2 including a blow tube 12, the water collectors 5, 6 can be seen 'and 6 ".
  • the lower water collectors 6' and 6" are arranged eccentrically and allow the jet effect of the blowpipe 13 when spread in the known jet angle to detect the entirety of the inflow openings of the smoke pipes 9 and deposits which are located there on the Partition 16 could have formed to blow away.
  • the bottom wall 23 of the turning chamber 4 is expediently arranged at an incline and leads to the opening already mentioned between the two lower water collectors 6 'and 6 "in the trough 24 mentioned.
  • FIG. 3 shows a section through the inflow region of one of the smoke pipes 9 on the partition wall 16, which separates the boiler drum 1 from the turning chamber 4.
  • the smoke pipe 9 has an inner radius R and is rounded off at the inflow end in a trumpet-like manner with an inner radius of curvature r.
  • the fillet has an axial length of approximately size r.
  • This area is particularly critical with regard to deposits of burning ash particles which are still in a doughy state.
  • these could not entirely follow a deflection which is too sharp as a result of an inner radius of curvature r which is too small, and collar-like precipitation around the inlet into the smoke tube 9 form, which solidify due to the cooling effect of the water-cooled walls and form very hard crusts.
  • Such precipitates are avoided in that, according to the invention, the ratio r: R is greater than 0.30, preferably between 0.50 and 0.80.
  • This irregular change in the flue gas speed in the flue pipes 9 contributes significantly to the formation of collar-like ash incrustations in the area of the inflow openings of the flue pipes 9.
  • the dynamic pressure is preferably in the range between 80 and 200 Pa. Even higher dynamic pressures can lead to dynamic effects (pulsations) of the mass of the smoke gases in the smoke tubes 9 in cooperation with the elasticity and the energy supply of the hot gases in the flame tube 2.
  • blowpipes 17 can be provided in the area of the turning chamber 4, which in particular if there are still oversized particles in the area of the flame tube outlet cross section into the turning chamber, this additional oxygen for the burnout respectively.
  • These blowpipes 17 can expediently be arranged such that the same oxygen contents are present in all inlet cross sections B of the flue pipes 9.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the invention in which two flame tubes 2 are arranged in a boiler drum 1, of which only one is shown in FIG. 4 for reasons of clarity.
  • the other flame tube with associated turning chamber and other components must be imagined to be arranged in mirror image. 4 with the end wall cover 14 removed, the field of the inflow openings into the flue pipes 9 and also the blow pipe 13 with valve 20 and pressure collector 21, the blow cross section of the blow pipe 13 being shown in dash-dot lines and, as can be seen, the whole Field of the inflow openings of the smoke pipes 9 sweeps over.
  • the direction of flow of the blow pipe 13 is directed essentially obliquely downward in order to blow away ash deposits which have been blown away into the outlet between the lower water collectors 6 'and 6 ".
  • FIG. 4 shows the arrangement according to FIG. 4 from above, whereby two turning chambers can be seen, which are arranged as a twin arrangement on both sides of the center of the boiler drum 1.
  • FIG. 5 shows the arrangement according to FIG. 4 from above, whereby two turning chambers can be seen, which are arranged as a twin arrangement on both sides of the center of the boiler drum 1.
  • the blowpipes 13 is shown with the pressure collector 21 attached, this figure essentially showing that the blowpipe 13 blows approximately tangentially over the partition 16 which separates the boiler drum 1 from the turning chambers 4 .
  • the boiler construction is also suitable for the combustion of liquid, sulfur-containing fuels if a calcareous absorbent, for example lime hydrate, is added to the hot combustion gases in or shortly after the flame.
  • a calcareous absorbent for example lime hydrate
  • Such dust-like admixtures then behave in a similar way to the ash with ash-containing, dust-like fuels.
  • exhaust gas temperatures at the outlet cross section of the flame tube 2 into the turning chamber 4 are lower than the softening temperature of the burned ash particles.
  • particles of up to 0.2 to 0.3 mm grain size can burn out in flame tubes. Larger particles enter the turning chamber 4 and the flue pipes 9 in a burning, doughy state on.
  • the softening temperatures of the burnt-out ashes of the different types of coal dust are usually between 950 and 1250 ° C.
  • the boiler is therefore designed to prevent such ash particles from caking in such a way that the flue gases at the outlet from the outlet cross section of the flame tube 2 have a temperature which is a safety distance below the ash softening temperature mentioned.
  • a flue gas collection space 18 is arranged for the extraction of the cooled flue gases.
  • This has an access door 19 through which the interior of the flue pipes 9 can be inspected and, in the event of a malfunction, cleaned in the usual way by piercing with long rods, the deposits which have fallen out falling into the trough 24 and being able to be removed by the screw 10.

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Abstract

Ein Flammrohrkessel, der zum Betrieb mit staubförmigen, aschehaltigen Brennstoffen geeignet ist und sich im Betrieb selbsttätig sauber hält, weist trompetenartig erweiterte Einströmöffnungen (15) von Rauchrohren (9) in der Wand (16) auf, die die Kesseltrommel von einer Wendekammer (4) trennt. Das Flammrohr (2) ist derartig dimensioniert, dass unter Berücksichtigung der Kesselleistung die Rauchgase am Austritt aus dem Flammrohr um einen Sicherheitsabstand unter den Ascheerweichungspunkt des jeweiligen Brennstoffs abgekühlt sind. Anzahl und Innendurchmesser (R) der Rauchrohre (9) sind derart bemessen, dass sich in ihnen ein Staudruck einstellt, der nicht unter 40 Pa liegt. An die Wendekammer (4) ist ein Blasrohr (13) angesetzt, das annähernd tangential über die Trennwand bläst, um die Einströmöffnungen von Ascheablagerungen freizuhalten.

Description

F1ammrohrkesse1
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Flammrohr¬ kessel nach dem Oberbegriff des Anspruchs l.
Solche Flammrohrkessel sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um eine zylindrische, liegende Kesseltrommel mit einem oder mehreren Flammrohren darin, in die jeweils ein Brenner am einen Ende hineinfeuert. Am anderen Ende verlassen die bereits abgekühlten Rauchgase mit Temperaturen von meist 700°C bis 1000°C das Flammrohr und treten in eine Wendekammer ein, wo sie umgelenkt und einem Rauchrohrzug zugeleitet werden, der aus einem Bündel paralleler Rauchrohre besteht, die sich unterhalb des Flammrohres durch die Kesseltrommel erstrecken.
Diese Kessel sind für die Befeuerung mit Öl und Gas für die Erzeugung von Dampf, Warmwasser usw. im Einsatz. Sie arbeiten bei Verwendung der vorgenannten Brennstoffe zufriedenstellend.
Bei Befeuerung mit staubförmigen, festen, aschehaltigen Brenn¬ stoffen treten bei solchen Flammrohrkesseln jedoch ernste Pro¬ bleme durch Kesselverschmutzung auf. Da insbesondere größere Brennstoffteilchen während des Verbrennungsvorgangs längere Zeit in teigigem Zustand sind, können sie beim Auftreffen auf kühle Wände dort kleben bleiben, erstarren und Schlackeablage¬ rungen aufbauen, deren Beseitigung Schwierigkeiten macht. In aller Regel muß dazu das Speisewasser aus dem Kessel entleert werden, damit dieser rascher abkühlt, was einen erheblichen Verlust an Speisewasser bedingt und längere Stillstandszeiten zur Folge hat. Mit staubförmigen, aschehaltigen Brennstoffen befeuerte Flammrohrkessel haben sich daher nicht wesentlich durchsetzen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flammrohrkes¬ sel der eingangs genannten Art anzugeben, der zur Befeuerung mit staubförmigen, festen, aschehaltigen Brennstoffen ohne Gefahr einer Verschmutzung geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zu dem von der Erfindung erreichten Erfolg tragen demgemäß drei Merkmalsgruppen bei:
a) die Einströmöffnungen der Rauchrohre sind in bestimmter Weise trompetenartig gestaltet, um dort günstige Strömungsver¬ hältnisse zu erzielen, die Schattenbildungen weitestgehend ausschließen,
b) die Abmessungen des Flammrohrs sind derart gewählt, daß die Rauchgase am Austritt aus dem Flammrohr um einen Sicherheits¬ abstand unter den Ascheerweichungspunkt abgekühlt sind, und
c) die Anzahl und die Querschnitte der Rauchrohre sind derart bemessen, daß sich vorbestimmte Staudrücke im zylindrischen Teil des Rohreinlaufs ergeben, die erforderlich sind, um die Ablagerung von Asche in den "Rauchrohren zu vermeiden.
Die Abmessungen des Flammrohrs, die erforderlich sind, um die genannte ausreichende Abkühlung der Rauchgase unter den Asche¬ erweichungspunkt zu erhalten, lassen sich aus dem Wärmeüber¬ gang durch Strahlung und Konvektion unter Berücksichtigung der Wandtemperatur und der Gesetzmäßigkeiten der Strömungslehre berechnen. In diesem Zusammenhang sei auf den VDI-Wärmeatlas verwiesen, aus dem sich entsprechende Angaben entnehmen las¬ sen. Die Anzahl der Rohre und deren Querschnitte bestimmt bei gegebener Kesselleistung die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Staudruck der Rauchgase in den Rauchrohren. Aus der Kesselleistung läßt sich nämlich über die Brennstoffmenge und den Luftüberschuß zur Einhaltung der Bestimmungen der TA-Luft die Gesamtluftmenge und aus dieser die Abgasmenge errechnen, die wiederum bei vorgegebenem Staudruck in den Rauchrohren deren Anzahl und Querschnitte bestimmt. Der vorgenannte Stau¬ druck ist somit jedem individuellen Kessel eigentümlich.
Die Sicherheit des erfindungsgemäßen Kessels gegen Verschmut¬ zung durch Anbackungen von Aschebestandteilen an den besonders gefährdeten Einströmöffnungen der Rauchrohre läßt sich noch verbessern, wenn diese Einströraöffnungen in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen mit einem Druckluftstoß überblasen wer¬ den. In Weiterbildung der Erfindung ist daher wenigstens eine Seitenwand der Wendekammer von wenigstens einem Blasrohr durchdrungen, dessen Blasrichtung wenigstens annähernd par¬ allel zu der die Blasrohreinströmöffnungen aufweisenden Trenn¬ wand gerichtet, die die Wendekammer von der Kesseltrommel trennt, und dessen Blasquerschnitt alle Rauchrohreinström¬ öffnungen überstreicht. Dieses Blasrohr ist vorzugsweise über ein Ventil an einen Gasdrucksaromler angeschlossen, der nur ein relativ geringes Volumen aufzuweisen braucht und beispiels¬ weise Luft unter einem Druck von 6000 bis 8000 hPa speichert. Mit dieser Druckluft wird ein Druckstoß von etwa 0,1 s, Dauer in Abständen von 0,5 bis 4 h erzeugt, der sich mit Schall¬ geschwindigkeit ausbreitet und das gesamte Feld der Einström¬ öffnungen der Rauchrohre überstreicht.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn den Einströmöffnungen der Rauchrohre in der gegenüberliegenden Stirnwand der Wendekammer Blasrohre gegenüberstehen, mit deren Hilfe Ablagerungen im Bereich der Einströmöffnungen weggeblasen werden können. Wei¬ terhin ist es vorteilhaft, wenn auch in der brennerseitigen Stirnwand des Flammrohres ein oder mehrere Blasdüsen angeord¬ net sind, durch die Dampf oder Druckluft kontinuierlich oder in Stößen in das Flammrohr eingeblasen werden kann, um Asche¬ ablagerungen von der Flammrohrwand zu entfernen.
Die Erfindung wird nachfolgend' unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Kessels nach der Erfindung (ohne Brenner) im Längsschnitt;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Wendekammer;
Fig. 3 in vergrößerter Darstellung den Einströmöffnungs- bereich eines Rauchrohres;
Fig. 4 eine Ausschnittsdarstellung im hinteren Bereich eines Kessels mit zwei Flammrohren von der Stirnseite gesehen, und
Fig. 5 eine Ausschnittsdarstellung im hinteren Bereich des Kessels nach Fig. 4 von oben.
Der Flammrohrkessel besteht aus einer äußeren Kesseltroramel 1 und einem oder mehreren darin angeordneten zylindrischen Flammrohren 2. Im in den Figuren 1 und 2 dargestellten Bei¬ spiel ist nur ein Flammrohr 2 vorhanden. An dessen einem Ende ist ein Ansatz 3 für den Anschluß eines Brenners ausgebildet, der im vorliegenden Beispiel nicht dargestellt ist. Dieser Ansatz 3 kann in oder außerhalb der Achse des Flammrohrs 2 angeordnet sein, wobei die Achse des Ansatzes 3 parallel oder geneigt zur Achse des Flammrohres 2 sein kann. Wenn der Ansatz 3 für den Brenner, wie in Fig. 1 dargestellt, oberhalb der Achse des Flammrohrs 2 und geneigt zu dessen Achse ange¬ ordnet ist, sodaß der Brenner schräg-abwärts bläst, dann bläst der Impuls der Flammgase in vorteilhafter Weise Ascheablage¬ rungen vom Boden des Flammrohres 2 weg.
Das Flammrohr 2 mündet an seinem anderen Ende in eine Wende¬ kammer 4, die von einem oberen Wassersammler 5, zwei unteren Wassersammlern 6 ' und 6" (Fig. 2) sowie Seitenwänden 7, einer Bodenwand 23 und einer hinteren Stirnwand 8 gebildet ist. Diese Wände sind zweckmäßigerweise als wassergekühlte Membran¬ wände ausgeführt. Ein Rauchrohrzug, bestehend aus einer Vielzahl zueinander par¬ alleler Rauchrohre 9 verläuft unterhalb des Flammrohres 2 durch die Kesseltrommel 1. Diese Rauchrohre 9 haben Einström¬ öffnungen an einer Trennwand 16, die die Kesseltrommel 1 von der Wendekammer 4 abgrenzt. Am anderen Ende münden die Rauch¬ rohre in einen Rauchgassammeiraum 18.
Unterhalb der Wendekammer 4 bilden die beiden unteren Wasser¬ sammler 6' und 6" zwischen sich eine Öffnung aus, durch die Asche- und andere Schmutzteile nach unten aus der Wendekammer 4 herausfallen können. Die Öffnung mündet in einen Trog 24, in dem sich eine Förderschnecke 10 befindet, mittels der die Ascheteile in eine Austrittsöffnung 11 abgefördert werden können.
Unterhalb des Ansatzes 3 für den Brenner münden in das Flamm¬ rohr 2 ein oder mehrere Blasrohre 12, durch die kontinuierlich oder in Druckstößen Druckgas, beispielsweise Dampf oder Luft über die Wände des Flammrohrs 2 geblasen werden kann, um von dort Ascheablagerungen in Richtung auf die Wendekammer fortzu¬ blasen.
An weiteres Blasrohr 13, das sich durch eine der Seitenwände 7 der Wendekammer 4 erstreckt, ist dafür vorgesehen, Luftdruck¬ stöße tangential oder unter geringem Winkel über die Trennwand 16 in dem Bereich zu blasen, wo die Einströmöffnungen der Rauchrohre 9 angeordnet sind. Das Blasrohr 13 ist gemäß den Fig. 4 und 5 über ein Ventil 20 mit einem Drucksammler 21 ver¬ bunden, der von einer Druckpumpe 22 mit Luftdruck versorgt wird. Das Ventil 20, das ein Magnetventil sein kann, der Drucksammler 21 und die Pumpe 22 sind in Fig. 4 nur schema¬ tisch dargestellt.
Durch die Blasrohre 12 kann ein Teil der Verbrennungsluft ein¬ geblasen werden, was sich günstig auf die Erzielung geringer Gehalte an CO und NOx auswirkt. Weiterhin können diese Blas¬ rohre Dampf oder Druckluft in konstanter Weise kontinuierlich oder in Stößen zuführen.
Für die Reinhaltung der Einströmöffnungen der Rauchrohre 9 genügt es, wenn über das Blasrohr 13 Druckstöße in zeitlichen Abständen von 0,5 bis 4 h zugeführt werden. Alternativ ist es aber auch möglich, über das Blasrohr kontinuierlich Luft zuzu¬ führen, um die AbgasZusammensetzung zu beeinflussen.
In Fig. 2, die einen Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 1 darstellt, erkennt man die Wendekammer 4 mit Blick auf das Flammrohr 2 und die Rauchrohre 9. Man sieht das Flammrohr 2, darunter ein Blasrohr 12, die Wassersammler 5, 6' und 6". Die unteren Wassersammler 6' und 6" sind exzentrisch angeordnet und erlauben der Strahlwirkung des Blasrohrs 13 bei Ausbrei¬ tung in dem bekannten Strahlwinkel die Gesamtheit der Ein¬ strömöffnungen der Rauchrohre 9 zu erfassen und Ablagerungen, die sich dort auf der Trennwand 16 gebildet haben könnten, wegzublasen. Aus diesem Grunde ist die Bodenwand 23 der Wende¬ kammer 4 zweckmäßigerweise geneigt angeordnet und führt zu der schon erwähnten Öffnung zwischen den beiden unteren Wasser¬ sammlern 6' und 6" in den erwähnten Trog 24.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Einströmbereich eines der Rauchrohre 9 an der Trennwand 16, die die Kesseltrommel 1 von der Wendekammer 4 trennt. Das Rauchrohr 9 hat einen Innen¬ radius R und ist am Einströmende trompetenartig ausgerundet mit einem inneren Krümmungsradius r. Die Ausrundung hat eine axiale Länge etwa der Größe r.
Dieser Bereich ist besonders kritisch im Hinblick auf Ablage¬ rungen von brennenden, sich noch in teigigem Zustand befind¬ lichen Ascheteilchen. Diese könnten beim Einströmen in das Rauchrohr 9 einer zu scharfen Umlenkung als Folge eines zu kleinen inneren Krümmungsradius r nicht ganz folgen und um den Einlauf in das Rauchrohr 9 herum kragenartige Niederschläge bilden, die durch die Kühlwirkung der wassergekühlten Wände erstarren und sehr harte Krusten bilden. Solche Niederschläge werden dadurch vermieden, daß gemäß der Erfindung das Verhält¬ nis r:R größer als 0,30, bevorzugt zwischen 0,50 und 0,80 dimensioniert wird.
Diese Maßnahme allein reicht jedoch zur Sauberhaltung des Rauchrohreinlaufes nicht aus. Bei zu kleinen Gasgeschwindig¬ keiten in den Rauchrohren 9 kommt es zum Ausfall von Asche entlang der Rauchrohre 9, die deren Boden bedecken und nach kurzer Zeit eine dünenartige Gestalt annehmen. Die Kämme der Dünen wandern im Betrieb mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/s, also erheblich langsamer als die Geschwindigkeit der Rauchgase, die durch die Rauchrohre 9 strömen. Bei Erreichen des Austrittsquerschnitts eines Rauchrohres erzeugt jeder Dünenkamm einen Druckstoß, der kurzzeitig eine hohe Rauchgas¬ geschwindigkeit in dem Rauchrohr 9 zur Folge hat, worauf die Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase durch die Bildung der nächsten Dünenkämme wieder herabgesetzt wird. Dieser unregel¬ mäßige Wechsel der Rauchgasgeschwindigkeit in den Rauchrohren 9 trägt wesentlich zur Bildung von kragenartigen Aschever- krustungen im Bereich der Einströmöffnungen der Rauchrohre 9 bei» Dies wird erfindungsgemäß weiter dadurch vermieden, daß durch geeignete Dimensionierung von Anzahl und Querschnitten der Rauchrohre 9 die Rauchgasgeschwindigkeit am Querschnitt B, wo der zylindrische Bereich der Rauchrohre 9 beginnt, so ein¬ gestellt wird, daß der zugehörige Staudruck stets größer als 40 Pa ist und von dieser Grenze einen Sicherheitsabstand ein¬ hält. Bevorzugt liegt der Staudruck im Bereich zwischen 80 und 200 Pa. Noch höhere Staudrucke können zu dynamischen Effekten (Pulsationen) der Masse der Rauchgase in den Rauchrohren 9 im Zusammenwirken mit der Elastizität und der Energiezufuhr der heißen Gase im Flammrohr 2 führen. Dies bedeutet, daß der Bereich der Staudrucke von 40 bis 200 Pa für den Regelbereich des Rauchgasdurchsatzes zur Verfügung steht. Da der Staudruck quadratisch mit der Geschwindigkeit geht, ergibt sich daraus ein Regelbereich im Rauchgasdurchsatz von etwa 1 : 2,5. Dabei enthält auch der obere Wert von 200 Pa noch einen Sicherheits¬ abstand nach oben.
Zur Optimierung der CO- und NOx-Werte können im Bereich der Wendekammer 4 weitere Blasrohre 17 vorgesehen sein, die insbe¬ sondere dann, wenn im Bereich des Flammrohraustrittsquer¬ schnitts in die Wendekammer noch brennende Überkornteilchen vorhanden sind, diesen weiteren Sauerstoff für den Ausbrand zuführen. Diese Blasrohre 17 können zweckmäßigerweise derart angeordnet werden, daß in allen Eintrittsquerschnitten B der Rauchrohre 9 gleiche Sauerstoffgehalte vorhanden sind.
An der hinteren Stirnwand 8 der Wendekammer 4 können Türen 14 angeordnet sein, durch die die Einströmöffnungen der Rauch¬ rohre 9 und der untere Bereich des Flammrohrs 2 zugänglich sind.
In Fig. 4 erkennt man eine Ausführungsform der Erfindung, bei der in einer Kesseltrommel 1 zwei Flammrohre 2 angeordnet sind, von denen in Fig. 4 allerdings nur eines aus Übersicht¬ lichkeitsgründen dargestellt ist. Das andere Flammrohr mit zugehöriger Wendekammer und anderen Bestandteile muß man sich spiegelbildlich angeordnet vorstellen. Man erkennt in Fig. 4 bei abgenommen Stirnwanddeckel 14 das Feld der Einströmöffnun¬ gen in die Rauchrohre 9 und ferner das Blasrohr 13 mit Ventil 20 und Drucksammler 21, wobei der Blasquerschnitt des Blas¬ rohrs 13 strichpunktiert dargestellt ist und, wie erkenntlich, das gesamte Feld der Einströmöffnungen der Rauchrohre 9 über¬ streicht. Die Strömungsrichtung des Blasrohres 13 ist im wesentlichen schräg abwärts gerichtet, um weggeblasene Asche¬ ablagerungen in den Austritt zwischen den unteren WasserSamm¬ lern 6' und 6" zu blasen. Man erkennt ferner in Fig. 4 unter der schrägen Bodenwand 23 der Wendekammer ein Zuführrohr 25 für Zusatzluft, das in die Wendekammer 4 mündende Austritte hat, die strichpunktiert schematisch angedeutet sind. Fig. 5 zeigt die Anordnung nach Fig. 4 von oben, wobei man zwei Wendekammern erkennt, die als Zwillingsanordnung beider¬ seits der Mitte der Kesseltrommel 1 angeordnet sind. Im darge¬ stellten Beispiel ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur eines der Blasrohre 13 mit angesetztem Drucksammler 21 dargestellt, wobei diese Figur im wesentlichen zeigen soll, daß das Blas¬ rohr 13 annähernd tangential über die Trennwand 16 bläst, die die Kesseltrommel 1 von den Wendekammern 4 trennt.
Die Kesselkonstruktion ist auch geeignet für die Verbrennung von flüssigen, schwefelhaltigen Brennstoffen, wenn den heißen Verbrennungsgasen in oder kurz nach der Flamme ein kalkhalti¬ ges Absorbens, beispielsweise Kalkhydrat zugesetzt wird. Sol¬ che staubförmige Beimengungen verhalten sich dann ähnlich wie die Asche bei aschehaltigen, staubförmigen Brennstoffen.
Gleiches gilt für schwefel- und aschehaltige Brennstoffe, bei denen der Schwefel durch Niedertemperaturentschwefelung in die Asche eingebunden werden soll. Dies gelingt insbesondere dann gut, wenn die Asche genügend kalkhaltige oder ähnlich aktive Komponenten enthält, oder wenn dem Brennstoff ein kalkhaltiges Absorbens zugesetzt wird. Bei der Verbrennung solcher Brenn¬ stoffe in dem erfindungsgemäßen Flammrohrkessel ergibt sich eine besonder oberflächenaktive Asche bzw. eine besondere Aktivierung der kalkhaltigen Komponenten, sodaß bei Abkühlung der Rauchgase herab bis auf 10 bis 15°C über dem jeweiligen tatsächlichen Taupunkt der Verbrennungsabgase eine vollstän¬ dige Einbindung des Schwefels in die Asche oder die kalkhalti¬ gen Komponenten erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Flammrohrkessel ergeben sich am Aus¬ trittsquerschnitt des Flammrohres 2 in die Wendekammer 4 Abgastemperaturen, die kleiner sind, als die Erweichungstempe¬ ratur der ausgebrannten Ascheteilchen. In Kesseln üblicher Größe können in Flammrohren Teilchen bis 0,2 bis 0,3 mm Korn¬ größe ausbrennen. Größere Teilchen treten in brennendem, teigigem Zustand in die Wendekammer 4 und die Rauchrohre 9 ein. Die Erweichungstemperaturen der ausgebrannten Asche der verschiedenen Kohlenstaubsorten liegen überlicherweise zwi¬ schen 950 und 1250°C. Der Kessel ist daher zur Vermeidung des Anbackens solcher Ascheteilchen derart ausgelegt, daß die Rauchgase am Austritt aus dem Austrittsquerschnitt des Flamm¬ rohres 2 eine Temperatur haben, die um einen Sicherheitsab¬ stand unter der genannten Ascheerweichungstemperatur liegt.
Am Austrittsende der Rauchrohre 9 unterhalb des Ansatzes 3 für den Brenner ist ein Rauchgassammeiraum 18 zum Abzug der abge¬ kühlten Rauchgase angeordnet. Dieser weist eine Zugangstür 19 auf, durch die das Innere der Rauchrohre 9 inspiziert und im Störungsfall in üblicher Weise mittels Durchstoßen mit langen Stangen gereinigt werden kann, wobei die herausgestoßenen Ablagerungen in den Trog 24 fallen und von der Schnecke 10 abtransportiert werden können.

Claims

Ansprüche
1. Flammrohrkessel, enthaltend in einer Kesseltrommel wenig¬ stens ein liegend angeordnetes Flammrohr, das an einem Ende mit einem Ansatz zum Anschluß eines Brenners versehen ist, eine Wendekammer am einen Ende der Kesseltrommel, in die ein Austritt des Flammrohrs am anderen Ende desselben mündet, und eine Vielzahl von Rauchrohren, die einen Innendurchmesser 2R ausweisen und die von der Wendekammer ausgehend sich unterhalb des Flammrohres durch die Kesseltrommel erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rauchrohre (9) jeweils eine Einströmöffnung haben, die sich vom Innendurchmesser (2R) ausgehend in Richtung auf die Wendekammer (4), in die sie mündet, trompetenartig mit einem Krümmungsradius r über eine axiale Distanz von annähernd r erweitert, wobei r/R > 0,3 ist,
die Abmessungen des Flammrohres (2) unter Berücksichtigung der Kesselleistung und der Kesselwasser-Solltemperatur derart gewählt sind, daß im Betrieb die Temperatur der Rauchgase am Austrittsende des Flammrohrs (2) um einen Sicherheitsabstand unter dem Ascheerweichungstemperatur des jeweiligen Brenn¬ stoffs liegt, und
Anzahl und Innendurchmesser (2R) der Rauchrohre (9) derart bemessen sind, daß der Staudruck in den Rauchrohren (9) an einer Stelle (B) unmittelbar hinter der trompetenartigen Erweiterung größer als 40 Pa ist.
2. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis 0,8 > r/R > 0,5 ist.
3. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Anzahl und der Innendurchmesser (2R) der Rauchrohre (9) derart bemessen sind, daß der Staudruck in den Rauchrohren (9) an der Stelle (B) unmittelbar hinter der trompetenartigen Erweiterung zwischen 80 und 200 Pa beträgt.
4. Flammrohrkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (2) unterhalb des Ansatzes (3) für den Anschluß eines Brenners mit wenigstens einem in das Flammrohr (2) mündenden Blasrohr (12) versehen ist.
5. Flammrohrkessel nach einem der Anspürche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendekammer (4) mit mehreren Blas¬ rohren (17) versehen ist, die Mündungen aufweisen, die den Einströmöffnungen der Rauchrohre (9) gegenüberstehen.
6. Flammrohrkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Seitenwand (7) der Wendekammer (4) von wenigstens einem Blasrohr (13) durch¬ drungen ist, dessen Blasrichtung wenigstens annähernd parallel zu einer die Rauchrohreinströmöffnung aufweisenden Trennwand (16) gerichtet ist, die die Wendekammer (4) von der Kessel¬ trommel (1) trennt, und dessen bzw. deren Blasstrahlquer¬ schnitt alle Rauchrohreinströmöffnungen überstreicht.
7. Flammrohrkessel nach Anspruch 6, daß das wenigstens eine Blasrohr (13) über ein Ventil (20) an einen Gasdrucksammler (21) angeschlossen ist.
8. Flammrohrkessel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Strahlrichtung des wenigstens einen Blas¬ rohrs (13) mit der Trennwand (16) einen Winkel von etwa 10° einschließt.
9. Flammrohrkessel nach einem der vorhergehenden Anprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendekammer (4) im unteren Bereich einen Ascheabzug (24,10) hat. - 10. Flammrohrkessel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendekammer eine schräg nach unten verlaufende Boden¬ wand (23) aufweist, und der Ascheabzug (24,
10) asymmetrisch zur Mittenebene der Wendekammer (4) am unteren Ende der Boden¬ wand (23) angeordnet ist.
11. Flammrohrkessel nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wendekammer (4) im unteren Bereich derselben ein Blasrohr (17) mündet, dessen Blasrichtung auf den Ascheabzug (24,10) gerichtet ist.
12. Flammrohrkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenwand (7) der Wendekammer (4) von einem Blasrohr (13) durchdrungen ist, dessen Blasrichtung wenigstens annähernd parallel zu einer die Rauchrohreinström- öffnungen aufweisenden Trennwand (16) gerichtet ist, die die Wendekammer (4) von der Kesseltrommel (1) trennt, und dessen Blasstrahlquerschnitt alle Rauchrohreinströmöffnungen über¬ streicht, daß dieses Blasrohr (13) über ein Ventil (20) an einen Gasdrucksammler (21) angeschlossen ist, die Wendekammer (4) eine schräge Bodenwand (23) aufweist, die von der das Blasrohr (13) aufweisenden Seitenwand (7) ausgehend schräg nach unten verläuft, und daß am unteren Ende der Bodenwand (23) asymmetrisch zur Mittenebene der Wendekammer (4) ein Ascheabzug (24,10) angeordnet ist.
13. Flammrohrkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchrohre (9) austrittsseitig in einen Rauchgassammeiraum (18) münden, der eine Zugangstür (19) zur Inspektion des Inneren der Rauchrohe (9) aufweist.
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