VERFAHREN ZUM BEFEUERN EINES FÜR DIE ÖL- ODER GASFEUERUNG AUSGELEGTEN KESSELS MIT EINEM STAUBFÖRMIGEN BRENNSTOFF

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befeuern eines für die Öl- oder Gasfeuerung ausgelegten Kessels mit einem staubförmigen, mit Hilfe von Luft fluidisierten Brennstoff.

[0002] Aus der US 4 057 021 ist ein Brenner für die Verfeuerung von Kohlenstaub bekannt, der aus einer divergenten Brennermuffel und einer sich an deren größten Durchmesser anschließenden Beschleunigungsdüse besteht. Verbrennungsluft wird der divergenten Brennermuffel an ihrem Ende kleineren Durchmessers über Leitschaufeln zugeführt, die die Verbrennungsluft in eine um die Achse der Brennermuffel rotierende Strömung versetzen, so daß die Verbrennungsluft in wendelförmigen Bahnen unter einem Winkel von etwa 45° gegen die Mantetlinie des Brenners in Richtung auf den größten Durchmesser der Brennermuffel strömt Aufgrund der Art der Luftzuführung entsteht im Zentrum des Lufteintrittsbereichs ein großer Unterdruck, der zur Folge hat, das ein Teil der wendeiförmigen Luftströmung im Bereich des größten Durchmessers der Brennermuffel umkehrt und als Ruckströmung im Zentrum der Brennermuffel zum Lufteintrittsbereich zurückströmt. In diese Rückströmung wird mit Hilfe einer zentrisch angeordneten Einblaslanze, die den Lufteintrittsbereich der Brennermuffel durchdringt und im Bereich des größten Durchmessers der Brennerrnuffel endet und dort eine Umlenkhaube trägt, Kohlenstaub in fluidisiertem Zustand eingeblasen. Das Trägermedium für die Fluidisierung des Kohlenstaubs ist ein inertes Gas, insbesondere Verbrennungsabgas. Der Kohlenstaub wird von der Rückströmung in den Lufteintrittsbereich getragen. Nach dem erstmaligen Zünden mittels einer Zündlanze im Bereich des Lufteintrittsbereichs brennt der Kohlenstaub in der wendelförmig verlaufenden Strömung. Die von ihm ausgehende Strahlungswärme erwärmt den Kohlenstaub in der Rückströmung. Da er sich dort in einem Inertgas befindet, kann er nicht sogleich verbrennen, sondern wird lediglich erhitzt und aktiviert. Infolgedessen zündet er spontan, wenn er im Lufteintrittsbereich mit Verbrennungsluft in Berührung gebracht wird.

[0003] Die Druckschrift erwähnt, daß die Atmosphäre im Brenner gegenüber der im zu befeuemden Raum einen Überdruck von 20 mm WS (ungefähr 200 Pa) hat, und daß in der Brennermuffel etwa 30% bis 50% der im Kohlenstaub enthaltenen kalorischen Energie verbrannt werden. Es ist ferner beschrieben, daß der Brenner anstelle eines Gas- oder Ölbrenners zur Befeuerung eines Kessels verwendet werden kann und die bei der Verbrennung des Kohlenstaubs entstehende Asche trocken ausfällt, da die ascheführenden Brenngase im befeuerten Raum-abgekühlt werden und dadurch die Ascheschmelztemperatur unterschreiten. Dieses Ziel kann aber nur dann erreicht werden, wenn der Kessel ein ausreichend großes Volumen aufweist, so daß die Kohle vollständig ausbrennen und die Asche sich unter die Ascheschmelztemperatur abkühlen kann. Über die Voraussetzungen, die einen Austausch eines Gas- oder Ölbrenners gegen einen Kohlenstaubbrenner zulassen, ist in der Druckschrift jedoch nichts erwähnt.

[0004] Öl- oder gasgefeuerte Wasserrohrkessel zur Erzeugung z. B. von Dampf sind heute so konstruiert, daß

• der Feuerraum zum Ausbrand der Öl- oder Gasflamme ausreicht, und
• die Temperatur der Rauchgase im Bereich Austritt Feuerraum / Eintritt Überhitzer (auch Ecktemperatur t_E genannt) meist bei 1.050 bis 1.150°C liegt. Die Ecktemperatur ergibt sich als wirtschaftliches Optimum der Gesamtkosten der Kesselanlage, die sich aus den Kosten für den Feuerungsraum und den Kosten des stromabwärts desselben angeordneten Konvektionsteils ergeben.

[0005] Eine Öl- oder Gasflamme gibt ihre Wärme im Feuerungsraum zu 95% bis 97% in Form von Strahlung ab. Bis zu 3% der Wärmeabgabe erfolgt durch Gasstrahlung, lediglich 2% Wärmeabgabe erfolgt durch Konvektion im Feuerungsraum, denn die Gasströmung ist langsam und strähnig.

[0006] Die Notwendigkeit der Umrüstung bestehender Kesselanlagen von Öl- oder Gasfeuerung auf die Verfeuerung staubförmiger Brennstoffe entstand im Sommer 2000, als die Öl- und Gaspreise innerhalb kurzer Zeit um mehr als 100% angestiegen waren. Der Wärmepreis von schwerem Heizöl erreichte das etwa 2,5-fache des Wärmepreises von Kesselkohle; der Gaspreis folgt dem Heizölpreis üblicherweise mit einer gewissen Zeitverzögerung.

[0007] Ein einfacher Ersatz der Öl- oder Gasbrenner durch Kohlenstaubbrenner führt aus folgenden drei Gründen nicht zum Ziel:

1) Die Staubflamme erfordert gegenüber einer Öl- oder Gasflamme das 2- bis 3-fache Ausbrennvolumen. Wenn das Feuerraumvolumen für Gas- oder Ölbefeuenrng bemessen ist, reicht es somit für den Ausbrand von Staub nicht aus. Bei gleicher Feuerungsteistung wie bei Öl oder Gas würde sich der Ausbrand des Staubes bis weit in die nachgeschalteten Einheiten hinein, wie beispielsweise den Überhitzer, hinziehen und dort starke Verschlackung und Korrosion verursachen. Es besteht also als erstes Problem, den Ausbrand des Staubes um 100 oder 200% zu beschleunigen.

2) Bei den für Öl- oder Gasfeuerung üblichen Ecktemperaturen von 1.050 bis 1.150°C würde es bei Verbrennung von Kohlenstaub im Feuerraum und Überhitzer zu starker Schlakkenbildung kommen. Daher muß die Ecktemperatur t_E abgesenkt werden, und zwar in Abhängigkeit vom verwendeten Brennstoff:

a) für Steinkohle gibt das Ruhrkohle-Handbuch (7. Auflage, 1987, Seite 160, Kapitel 3.4 "Ascheschmelzverhalten") den zulässigen t_E-Wert mit maximal 950°C an;

b) für Braunkohle gibt das Rheinbraun-Datenblatt vom März 1987 zum Ascheschmelzverhalten an: "Sinter-Temperatur ≥ 900°C".

Eigene Untersuchungen der Anmelderin mit Braunkohle ergaben:

• t_E = 940°C ... starke Verschlackung
• t_E = 920°C ... Beginn der Verschlackung
• t_E = 880 bis 900°C ...keine Verschlackung.
  Die Zahlenangaben decken sich also mit den im Rheinbraun-Datenblatt angegebenen Werten.

Das zweite Problem besteht also darin, Maßnahmen zu ergreifen, die zu einer Absenkung der Ecktemperatur von 1.050 bis 1.150°C auf ca. 900°C führen.

3) Senkt man die Ecktemperatur t_E wie vorstehend ab, verkleinert sich das Temperaturgefälle vom Rauchgas (Temperatur t_E) zur Überhitzerrohrwand (meist 550 bis 600°C) von

• bisher z. B. 1.100°C - 600°C = 500°C
• auf jetzt z. B. 900°C - 600°C = 300°C,

also auf etwa 60% der bisherigen Temperaturdifferenz. Entsprechend verringert sich die Dampfüberhitzung, was nicht zulässig ist, wenn dem Kessel beispielsweise eine Turbine nachgeschaltet ist. Als drittes Problem ergibt sich daher, die Überhitzerteistung trotz verringerter Ecktemperatur wieder auf den alten Wert zu erhöhen, der sich bei Befeuerung mit Öl oder Gas ergeben würde.

[0008] Konventionelle Lösungen, mit denen sich die drei vorgenannten Probleme lösen ließen; würden zu einem sehr großen Bauaufwand führen:

1) Für die Befeuerung mit staubförmigem Brennstoff ist nach dem Stand der Technik eine Vergrößerung des Feuerraums notwendig.

2) Zur Absenkung der Ecktemperatur muß gemäß Stand der Technik die Heizfläche im Feuerraum vergrößert werden.

3) Will man trotz abgesenkter Ecktemperatur die Überhitzerteistung beibehalten, muß gemäß Stand der Technik der Überhitzer vergrößert werden.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das sich ohne Änderung der bestehenden Kesseldimensionen in einem für eine Ecktemperatur von 1.050 bis 1.150°C ausgelegten Kessel ausführen läßt.

[0010] Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Befeuern eines für die Öl- oder Gasfeuerung ausgelegten Kessels gelöst, bei dem ein staubförmiger, mit Hilfe von Luft fluidisierter Brennstoff, einem Combustor zugeführt wird, in dem wenigstens 30% des Brennstoffs verbrannt werden, wobei der Druck in dem Combustor 1000 Pa über dem Druck im Feuerraum des Kessels liegt, ein durch die Verbrennung entstehendes brennendes Luft-/Brennstoff-Gemisch zu einem Flammstrahl einer Geschwindigkeit von 100 bis 120 m/s beschleunigt wird, der in einen Feuerraum des Kessels geblasen wird, und der Flammstrahl in den Feuerraum derart gerichtet wird, daß sich darin ein schneller Umlauf von Rauchgasen ergibt.

[0011] Die Erfindung löst die komplexe, aus drei Einzelproblemen bestehende Aufgabe durch eine einzige Maßnahme. Diese besteht darin, die bisherigen, unten am Feuerraum horizontal angesetzten Öl- oder Gasbrenner durch Combustoren zu ersetzen, die im Bereich der Feuerraumdecke oder auf dieser angeordnet sind und vorzugsweise abwärts gerichtet feuern, damit dem Flammstrahl ein möglichst großes Ausbreitungsvolumen im Feuerraum zur Verfügung steht und eine Schlackenbildung an Feuerraumwänden vermieden wird.

[0012] Unter Combustoren sind klein bauende, sehr hoch belastbare Spezialbrenrtkammem zu verstehen, in denen wenigstens 30% bevorzugt 60% der Brennstoffwärme umgesetzt werden, und die in einer Flammbeschleunigungsdüse enden, die einen Flammstrahl von wenigstens 40 m/s, bevorzugt 120 m/s Geschwindigkeit erzeugen. Im Flammstrahl brennt der restliche Brennstoffanteil aus. Der Flammstrahl eines Combustors besitzt eine so hohe Geschwindigkeit, daß die Rauchgase im Feuerraum von dem Flammstrahl in eine intensive Bewegung versetzt werden, die zusätzlich zum Wärmeübergang aus der Flamme auf die Feuerraumwände durch Strahlung einen Wärmeübergang durch Konvektion erzeugt und so zu einer Absenkung der Ecktemperatur führt.

[0013] Es kommt also auf die geeignete Auswahl der Einrichtung, mit der der staubförmige Brennstoff verbrannt wird, und auf deren Anbringungsort an.

[0014] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einen in Figur 1 schematisch dargestellten Öl- oder Gaskessel, der auf die Befeuerung mit Kohlenstaub umgerüstet ist, näher erläutert.

[0015] In der Zeichnung erkennt man einen von Wasserrohren O begrenzten Feuerraum 1 mit einem Überhitzer 2 und einem Rauchgasaustritt 3. Stromabwärts davon befinden sich Nachschaltheizflächen 4. Sämtliche Wasserrohre O und Heizflächen sind oben mit einer Kesseltrommel 5 und unten mit einem Wassersammler 6 verbunden. Gestrichelt ist im unteren Bereich die Stelle 7 eingezeichnet, an der früher ein Öl- oder Gasbrenner angeflanscht war.

[0016] Die zuvor erwähnte Ecktemperatur t_E der Rauchgase herrscht im Bereich Austritt aus dem Feuerraum 1/Eintritt in den Überhitzer 2 und liegt bei modernen Kesseln bei 1.050 bis 1.150°C.

[0017] Zur Umstellung der Befeuerung des dargestellten Wasserrohrkessels auf Kohlenstaubfeuerung wird der Öl- oder Gasbrenner 7 ausgebaut oder stillgesetzt. Statt dessen ist am Kopf, d.h. oben am Kessel, ein Combustor 8 angeordnet, der von oben abwärts feuert. Ein Combustor 8 besteht aus einem beliebig gestalteten Brennraum 9, in dem mindestens 30% der Brennstoffwärme umgesetzt werden, und einer sich an den Brennraum 9 anschließenden Flammbeschleunigungsdüse 10, die einen Flammstrahl 11 erzeugt, der eine Geschwindigkeit von etwa 100 m/s hat Die Wasserrohre O werden von dem Flammstrahl 11 und den durch die Verbrennung entstehenden Rauchgasen erwärmt.

[0018] Der Combustor 8 ist im vorliegenden Falle so gestaltet, daß in ihm etwa 50% der Brennstoffwärme umgesetzt werden. Die restlichen 50% brennen im Flammstrahl.

[0019] Der Combustor 8 ist an dem Kessel derart angebracht; daß der in den Feuerraum eingeblasene Flammstrahl darin einen möglichst schnellen Umlauf der Rauchgase erzeugt

[0020] Der Betrieb der dargestellten Vorrichtung wird nun erläutert. Der staubförmige Brennstoff, beispielsweise Kohlenstaub, wird dem Combustor 8 in fluidisiertem Zustand zugeführt. In ihm werden mindestens 30%, vorzugsweise 50% des Brennstoffs bei einem Druck verbrannt, der 1.000 Pa höher ist als der Druck im Feuerraum 1. Das brennende Luft/Brennstoff-Gemisch wird in der Flammbeschleunigungsdüse 10 auf wenigstens 40 m/s, bevorzugt 100 m/s Flammstrahlgeschwindigkeit beschleunigt. Der vom Flammstrahl im Brennraum erzeugte Impuls erzeugt dort eine starke Rauchgaszirkulation, gegenüber der die Auftriebskräfte der heißen Rauchgase vernachlässigbar sind. Nur der Flammstrahl 11 bestimmt das Strömungsbild im Feuerraum 1.

[0021] Im Flamrnstrahl brennt die restliche Brennstoffwärme aus. Wenn dieser Ausbrandanteil pro Wärmemenge den doppelten Raumbedarf hat, wie vorher die Öl- oder Gasflamme, reicht der für Öl- bzw. Gasfeuerung ausgelegte Brennraum somit für die Kohlenstaubbefeuerung aus. Das oben an erster Stelle genannte Problem ist damit gelöst.

[0022] Auch das zweitgenannte Problem ist damit gelöst. Dieses wird ersichtlich, wenn man sich die Zahlen anhand eines typischen Industrie-Wasserrohrkessels ansieht:
Kesselleistung 40 t/h, Brennerleistung insgesamt 38 MW.

• Der Rauchgasinhait des Feuerraums 1 ist ca. 28 kg.
• Bei 90 m/s Flammstrahlgeschwindigkeit hat der Combustor einen Impuls oder Strahlschub von ca. 1,66 kN, oder 170 kg.

[0023] Der Impuls von 170 kg ist groß gegenüber der Rauchgasmenge von 28 kg und bestimmt damit die Geschwindigkeit der Rauchgase im Feuerraum 1. So beträgt die Aufwärtsgeschwindigkeit an der Hinterwand 12 des Feuerraums ca. 50 m/s.

[0024] Die Rauchgase laufen im Feuerraum 1 mehrfach um, bevor sie ihn durch die Überhitzer 2 und den Austritt 3 verlassen. Auf diese Weise wird zusätzlich zur Flamm- und Gasstrahlung ein Wärmeübergang durch Konvektion erzeugt, der die Ecktemperatur t_E von z. B. 1.100°C auf 900°C senkt.

[0025] Damit ist auch das an zweiter Stelle genannte Problem gelöst.

[0026] Kurz vor dem Überhitzer 2 beträgt die Rauchgasgeschwindigkeit immer noch 30 bis 40 m/s. Damit ist die Strömung stark turbulent, während vorher bei den Öl- oder Gasbrennern 7 die aufsteigenden Flammgase nur mit 6 bis 10 m/s am Überhitzer 2 ankamen.

[0027] Da die Wärmeübergangszahl α etwa mit der 0,7-ten Potenz der Geschwindigkeit geht:

steigt die Wärmeübergangszahl der Rauchgase im Überhitzer entsprechend an. Das durch die kühleren Rauchgase (t_E = 900°C anstatt früher 1.100°C) verkleinerte Temperaturgefälle zwischen Rauchgas und Überhitzer wird durch die erhöhte Wärmeübergangszahl α mehr als ausgeglichen.

[0028] Damit ist auch das an dritter Stelle genannte Problem gelöst.

[0029] Die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielte Steigerung des Wärmeübergangs im Feuerraum 1 ist außerdem noch energiesparend, wie folgende Überlegung zeigt:

• die Luft wird dem Combustor 8 mit einem Druck zugeführt, der um 1.000 Pa über dem Druck im Feuerraum 1 liegt;
• im Brennraum 9 des Combustors 8 verbrennt ein Teil des Brennstoffs bei diesem höheren Druck;
• in der Flammbeschleunigungsdüse 10 wird das Druckgefälle vom Brennraum 9 zum Feuerraum 1 in Geschwindigkeit umgesetzt.

[0030] Die Luft wird also:

• auf den Druck des Brennraums 9 verdichtet,
• dann durch Teilverbrennung erwärmt, und
• schließlich auf den Druck im Feuerraum 1 entspannt:

[0031] Dies ist ein Wärmekraftmaschinenprozess, bei dem mechanische Arbeit frei wird. im vorliegenden Fall erscheint diese Arbeit als Energiezunahme, d.h. Beschleunigung des Ftammstrahls. Seine Energie entstammt also überwiegend der Verbrennung und muß nur zu einem kleinen Teil vom Gebläse aufgebracht werden, mit dem der fluidisierte Brennstoff in den Combustor 8 eingeführt wird. Der Kraftbedarf dieses Luftgebläses ist kaum größer als der bei einem üblichen Ölbrenner.

[0032] Diese wirtschaftlichen Effekte bekommt man nicht nur bei der erfindungsgemäßen Umrüstung von Öl- oder Gaskesseln auf Kohlenstaubbefeuerung, sondem erst recht, wenn man einen Kessel von vornherein als Kohlenstaubkessel auslegt. Man kann.dann den Brennraum von vornherein ebenso klein machen, wie etwa bei einem ölgefeuerten Kessel.

[0033] Die gleichen Überlegungen gelten auch für andere Brennstäube als Kohle.

[0034] Der Combustor kann je nach Kesselbauform in beliebige Richtung feuern, also abwärts, aufwärts, quer oder schräg. Dieses hängt von praktischen Erwägungen ab, wie z. B. der Erzielung eines möglichst schnellen Umlaufs der Rauchgase im Feuerraum oder der Ausbiasung von Verunreinigungen. Wichtig ist, daß dem aus ihm austretenden Flammstrahl ein ausreichendes freies Volumen zur Verfügung steht, in das er sich ausbreiten kann, ohne auf Kessetwände zu treffen und dort einen zur Verschlackung führenden Ascheniederschlag zu erzeugen. Bei liegenden Kesseln ist der Combustor also "quer", d.h. im Wesentlichen horizontal angebracht.

[0035] Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Combustor 8 exzentrisch angeordnet, weil dieses unter den Bedingungen des Beispiels die größten Rauchgas-Umlaufgeschwindigkeiten ergibt. Wenn andere Bedingungen es verlangen, kann der Combustor auch symmetrisch zum Feuerraum angeordnet werden, wobei die Umlaufgeschwindigkeiten etwas kleiner werden.

[0036] Bei Feuerräumen größerer Abmessungen senkrecht zur Zeichnungsebene können mehrere Combustoren nebeneinander als Batterie angeordnet sein.

[0037] Es sei abschließend erwähnt, daß man am Kessel ggf. im Bereich des Bodens, wo der Wassersammler 6 verläuft, einen Ascheabzug einrichten kann, falls stark aschehattiger Brennstoff eingesetzt werden sollte. Erfahrungen des Anmelders haben indessen gezeigt, daß bei den meisten Kohlesorten auf einen solchen Ascheabzug verzichtet werden kann, da die Asche als. Flugasche aufgrund der heftigen Rauchgasbewegung den Feuerraum zusammen mit den Rauchgasen verlässt und außerhalb des Kessels aus den Rauchgasen gefiltert werden kann.

Ansprüche

1. Verfahren zum Befeuern eines für die Öl- oder Gasfeuerung ausgelegten Wasserrohrkessels mit einem staubförmigen, mit Hilfe von Luft fluidisierten Brennstoff unter gleichzeitiger Absenkung der Temperatur, mit der die Rauchgase aus dem Feuerraum austreten, ohne Beeinträchtigung von Leistung und Wirkungsgrad des Wasserrohrkessets, bei dem die bisher verwendeten Öl- oder Gasbrenner durch Combustoren ersetzt werden, die oben im Bereich der Feuerraumdecke oder auf dieser angeordnet sind und in denen wenigstens 30% des Brennstoffs bei einem Druck verbrannt werden, der 1000 Pa höher als der Druck im Feuerraum ist, wobei die Combustoren abwärts gerichtet jeweils mit einem Flammstrahl einer Geschwindigkeit von etwa 100 m/s in den Feuerraum derart feuern, daß die Rauchgase im Feuerraum sehnell umlaufen und zusätzlich zur Wännestrahlung einen Wärmübergang zu den Feuerraumwänden durch Konvektion erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Flammstrahl außermittig in den Feuerraum gerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem 60% des Brennstoffs in dem Combustor verbrannt werden.

Claims

1. A method for fuelling a water tube boiler designated to be fuelled with oil or gas with a fuel comprising a dust fluidised by air, wherein at the same time the temperature at which the flue gases exit the combustion chamber is lowered without affecting the power and the efficiency of the water tube boiler at which the hitherto used oil or gas burners are substituted by combustors which are arranged at the top in the region of the combustion chamber top wall or are arranged on top thereof and in which at least 30% of the fuel is burned at a pressure which is by 1000 Pa higher than the pressure within said combustion chamber, said combustors each firing into the combustion chamber with a flame jet directed downward and having a velocity of about 100 m/s so that the flue gases circulate with high velocity within said combustion chamber and provide a heat transfer onto the walls of the combustion chamber by convection in addition to heat radiation.

2. The method of claim 1 in which the flame jet is directed eccentrically into the combustion chamber.

3. The method of claim 1 or 2 in which 60% of the fuel is burned within the combustor.

Revendications

1. Procédé de mise à feu d'une chaudière à tubes d'eau conçue pour le chauffage au mazout ou au gaz avec un combustible pulvérulent fluidisé à l'air, avec un abaissement simultané de la température à laquelle les fumées s'échappent de la chambre de combustion, sans compromettre la puissance et le rendement de la chaudière à tubes d'eau, procédé dans lequel les brûleurs à gaz ou au fuel utilisés jusqu'à présent sont remplacés par des combustors montés en partie haute dans la zone du plafond de la chambre de combustion ou sur ce dernier, et dans lesquels au moins 30% du combustible sont brûlés sous une pression supérieure de 1000 Pa à la pression dans la chambre de combustion, chaque combustor dirigé vers le bas chauffant avec un jet de flamme d'une vitesse d'environ 100 m/s dans la chambre de combustion de telle sorte que les fumées circulent rapidement dans la chambre et génèrent en supplément du rayonnement thermique un transfert de chaleur par convection avec les parois de la chambre de combustion.

2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le jet de flamme est dirigé de façon- excentrée dans la chambre de combustion.

3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, dans lequel 60% du combustible sont brûlés dans le combustor.

Zeichnung