DD249081B1 - Verfahren zur wirbelschichtfeuerung und grosswasserraumkessel - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Großwasserraumkessel mit Wirbelschichtfeuerung, dessen Druckteil von einer Wärmedurchgangswand umschlossen ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist nach STEVEN, H. („Dampferzeuger mit atmosphärischer Wirbelschichtfeuerung für Kohle und Ballaststoffe" Forschung und Kraftwerkstechnik 1980 S. 187ff.) bekannt, Wirbelschichtfeuerungsanlagen durch Änderungen der Bettemperatur, des Luftüberschusses und der Schichthöhe, d. h. der Eintauchtiefe der Wärmetauscherbündel, zu regeln.

Diese Auffassung wird auch von KRISCHKE, H. G. und LANGHOFF, J. („Die atmosphärischen Wirbelschichtanlagen der Ruhrkohle AG, Flingern und König Ludwig" VGB Kraftwerkstechnik 62 1982 H. 2 S. 119ff.) geteilt.

SCHILLING („Reduzierung der Umweltbelastung durch Wirbelschichtfeuerung" Technische Mitteilung 73. Jahrgang H.6/7 Juni/Juli 1980 S. 571 ff.) bezeichnet die Teillastregelung von Wirbelschichtfeuerungsanlagen als einen wunden Punkt, sofern es sich um kleine Anlagen handele. Bei kleinen Anlagen sei eine Regelbarkeit nur durch Ein- und Ausschalten gegeben. Bei größeren Anlagen werde dieses Problem durch die Anwendung mehrerer getrennt regelbarer Wirbelschichten in einem Reaktor gelöst All diese Lösungen müßten aber experimentell noch erprobt werden.

Nachteilig ist bei all diesen Verfahren die ungenügende Regelbarkeit der Wirbelschichtfeuerung im Teillastbereich und der mit der Lastreduzierung sinkende Wirkungsgrad.

Die Regelbarkeit von Wirbelschichtfeuerungsanlagen wird von STELLER, P. („Fortschritt durch Flingern" Energie 34 [1982]

S. 193ff.) bei 6 Zellen mit 70-100%, von RASCHKA, A. („Keine Last mit Ballastkohle" Energie 34 [1982] S. 197ff.) mit 60-100% und von HARTLEBEN, B. („Mathematische Modellierung von blasenbildenden Kohlewirbelschicht-Feuerungsanlagen" Universität Siegen, Dissertation 1983) von 70-100% angegeben.

Es sind bereits Großwasserraum-Flammrohr-Rauchrohrkessel bekannt, bei denen in einem Zug eines senkrecht stehenden Flammrohrkessels die Wirbelschichtfeuerung untergebracht ist. Die gekühlten Rohrwände sowie die in die Wirbelschicht eintauchenden Rohrregister führen die Wärme aus der Wirbelschicht ab.

Nach unten ist der Feuerraum durch einen Düsenboden und einen Luftkasten abgeschlossen. Die Temperaturregelung erfolgt über die Luft- sowie Brennstoff- und Inertmaterialzufuhr (Hungerbach, W., Sportlicher Ehrgeiz, Energie [35] Nr. 6, Juni 83, S.170-1717).

Nachteilig wirkt sich bei solchen verhältnismäßig kleinen Kesseln das ungünstige Verhältnis kühlender Oberflächen zum Volumen der Wirbelschicht auf den Aussetzbetrieb aus. Da auch im Ruhezustand der Wirbelschicht immer noch Heizflächen in die Wirbelschicht eintauchen, kühlt diese schneller aus als das von größeren Kesseln mit Wirbelschichtfeuerung beJ«annt ist, so daß der Kessel nach Unterschreitung der Zündtemperatur des Brennstoffes erneut angefahren werden muß. Das erfordert Zeit und vor allem zusätzliche Energie.

Eine Regelung der Wirbelschichtfeuerung ist bei feststehenden Heizflächen über Luft- bzw. Brennstoff- und Inertmaterialzufuhr recht gut möglich, solange Brennstoffe mit hohem Heizwert eingesetzt werden. Bei Verwendung von Brennstoffen mit niedrigem Heizwert ist eine genaue Anpassung der Heizflächengröße an den eingesetzten Brennstoff erforderlich.

Zu diesem Zweck wurden in der in dem SU-US 309222 beschriebenen technischen Lösung bewegbare Bettheizflächen vorgesehen, die entsprechend der der Wirbelschicht zu entziehenden Wärmemenge in die Wirbelschicht eintauchen. Damit ist bei nahezu konstanter Bettemperatur und konstantem Luftverhältnis auch bei Teillast je nach Eintauchtiefe der Bettheizflächen, also je nach von der Wirbelschicht bespültem Heizflächenanteil, eine Leistungsregelung möglich.

Nachteilig ist jedoch, daß die Bewegung der unter hohem inneren Über-bzw. Unterdruck stehenden Bettheizflächen sowie die Gewährleistung der Betriebssicherheit unter diesen Bedingungen einen hohen Aufwand erfordern. Während des Betriebes muß ständig eine kühlmittel- und rauchgasseitige Dichtheit gewährleistet sein. Außerdem erfordert die Bewegung der Bettheizflächen hohe Stellkräfte. In Verbindung mit den vorherrschenden hohen Temperaturen kommt es dabei zum raschen Verschleiß der bewegten Teile und somit zur Verringerung der Lebensdauer der Wirbelschichtfeuerung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wirbelschichtfeuerung vorzuschlagen, das außerordentlich energieökonomisch ist. Ziel der Erfindung ist ferner ein Großwasserraumkessel mit Wirbelschichtfeuerung, dessen Anwendungsbereich nicht auf bestimmte Brennstoffe begrenzt ist und bei dem insbesondere beim Fahren im Aussetzbetrieb Energie eingespart werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wirbelschichtfeuerung vorzuschlagen, das eine gute Regelbarkeit im Bereich von 30-100%, d. h. vom Teillast- bis zum Vollastbereich und einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet.

Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Großwasserraumkessel mit Wirbelschichtfeuerung derart zu verändern, daß die Wirbelschicht beim Aussetzbetrieb deutlich langsamer auskühlt als bei den bisher bekannten Kesseln dieser Art und daß eine Anpassung der wirksamen Heizflächengröße im Bereich der Wirbelschicht an den eingesetzten Brennstoff ohne bewegte Bettheizflächen auf einfache Weise möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Wirbelschichtfeuerung erfindungsgemäß gelöst, in dem bei konstantem Luftverhältnis durch Variation der Luftzufuhr die Wirbelschicht unterschiedlich expandiert und durch diese Veränderung der aktiven Heizfläche eine Leistungsänderung hervorgerufen wird.

Des weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ruhebett der Wirbelschichtfeuerung unterhalb des Druckteils des Kessels angeordnet und mit einer feuerfesten, ungekühlten, gegebenenfalls thermisch isolierten Ausmauerung umgeben ist. Die Ruhebetthöhe der Wirbelschicht wird entsprechend der Korngröße des eingesetzten Brennstoffes sowie unter Berücksichtigung eines minimalen Schichtdruckverlustes im Bereich der Ausmauerung, gegebenenfalls kurz oberhalb der Ausmauerung im untersten Bereich der gekühlten Wärmedurchgangswand festgelegt.

Es ist aber auch möglich, zur zusätzlichen Kühlung der Wirbelschichtfeuerung Bettheizflächen innerhalb des Bereiches der Expansion der Wirbelschicht fest anzuordnen.

Durch die Anordnung der Wirbelschichtfeuerung in einem ungekühlten Bereich des Großwasserraumkessels kommt es bei ausgeschalteter Wirbelluftzufuhr zu keiner bzw. im Fall der Festlegung der Ruhebetthöhe im untersten Bereich der Wärmedurchgangswand nur zu einer geringen Wärmeübertragung an die Wärmedurchgangswand. Damit ist das Auskühlen der Wirbelschicht nur noch von den Wärmeverlusten in der Ausmauerung abhängig. Die Haltezeit der ruhenden Wirbelschicht auf Temperaturen oberhalb der Zündtemperatur hat sich dadurch wesentlich erhöht. Durch Zuschalten der Luft- bzw. Brennstoffzufuhr läßt sich die Wirbelschichtfeuerung wieder neu in Betrieb setzen, ohne erneut gezündet werden zu müssen.

Das entspricht während der günstigen Fahrweise einer Gas- oder Ölfeuerung.

Ein weiterer-Vorteil der Erfindung besteht in ihrer verhältnismäßig einfachen Regelbarkeit durch Ausnutzung der gesetzmäßig gegebenen Schichtexpansion. Mit der Wahl der Ruhebetthöhe ist es im System Wirbelschichtreaktor-Druckteil möglich, über den gesamten Lastbereich der Wirbelschichtfeuerung bei konstantem Luftverhältnis konstante oder mit der Last steigende oder fallende Bettemperaturen zu erzeugen. Während bei ausgeschalteter Wirbelluftzufuhr keine bzw. nur ein geringer Teil der Wärmedurchgangswand in die Wirbelschicht eintauchen, wird erst durch die mit zunehmender Leistung der Wirbelschichtfeuerung erfolgende Schichtexpansion mehr und mehr wirksame Heizfläche von der Wirbelschicht bespült. Die Ruhebetthöhe ist in einem weiten Bereich wählbar, muß jedoch nicht zur Leistungsregelung, sondern nur zur Anpassung an die vorliegenden Verhältnisse, die u.a. durch den Brennstoff und die Kesselkonstruktion gegeben sind, variiert werden.

Da im Großwasserraumkessel durch die Wirbelschichtfeuerung bereits im unteren Bereich des Druckteils ein großer Teil der mit dem Brennstoff zugeführten Wärme an Heizflächen abgeführt wird, sind bezüglich Leistung und Wirkungsgrad folgende weiteren Vorteile zu nennen:

Bei gleicher oder geringerer Verschmutzung der Heizflächen als im Originalzustand des Kessels, d. h. ohne Wirbelschichtfeuerung, kann die Kesselleistung ohne Einschränkung gegenüber dem Ursprungszustand aufrecht erhalten werden. Eine gewisse Leistungsregelung ist aus feuerungstechnischen Gründen möglich.

Bei nahezu vollständiger Wärmeentbindung in der Wirbelschicht, d.h. keiner oder nur geringer Nachverbrennung oberhalb des Bettes, stehen die verbleibenden, von der Wirbelschicht nicht bespülten Heizflächen des Druckteils vollständig zur Abwärmenutzung der Rauchgase zur Verfügung. Wenn auf Grund der konstruktiven Gegebenheiten die Rauchgasgeschwindigkeit in den nachfolgenden Kesselzügen ausreichend groß und keine Taupunktunterschreitung zu erwarten ist, werden die rauchgasseitigen Verschmutzungen geringer als beim Kesselbetrieb mit Rostfeuerung sein. Aus beiden Tatsachen folgt, daß die zur Abwärmenutzung dienenden Heizflächen des Druckteils und der Züge wärmetechnisch „zu groß" sind, was sich positiv auf die Abgastemperatur und damit auf den Kesselwirkungsgrad auswirkt.

Durch die Regelbarkeit der von der Wirbelschicht bespülten Heizflächen ist auch eine Anpassung an unterschiedliche Brennstoffe leicht möglich.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Vorgehensweise bei der erfindungsgemäßen Auslegung und Umrüstung eines Feuerbuchskessels an einem Beispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen stehenden Feuerbuchsrauchrohrkessel, der nachträglich mit einer Wirbelschichtfeuerung ausgerüstet wurde.

Der Feuerbuchsrauchrohrkessel besteht aus einer von einer gekühlten Wärmedurchgangswand 1 begrenzten Feuerbuchse 2, die auf einer feuerfesten Ausmauerung 3 abgestützt ist. Innerhalb der Ausmauerung 3 befindet sich eine Wirbelschichtfeuerung 4, die nach unten durch einen Düsen boden 5, an den sich ein Luftkasten 6 anschließt, begrenzt ist. Über eine Wirbelluftzufuhr 7 wird Luft in die Wirbelschichtfeuerung 4 eingeblasen. Die Ruhebetthöhe der Wirbelschicht wurde durch eine gestrichelte Linie 8, die maximale Wirbelschichthöhe bei Vollast mit einer gestrichelten Linie 9 gekennzeichnet. Die Beschickung der Anlage erfolgt über einen Brennstoffeintrag 10 mechanisch von oben auf die Wirbelschicht. In einem Zug 11 und einem Zug 12 sind Wärmetauschrohre angeordnet, die den Rauchgasen der Wirbelschichtfeuerung 4 Wärme entziehen, bevor sie durch einen Abgasaustritt 13 den Feuerbuchsrauchrohrkessel verlassen.

Der im vorliegenden Beispiel untersuchte Kessel ist ursprünglich ein Hochdruckdampferzeuger mit stehendem Ffammrohr gewesen. Zu seiner Umrüstung wurden folgende Schritte unternommen:

Nach der wärmetechnischen Leistungsbilanzierung und Ermittlung des Kesselwirkungsgrades ist im ersten Auslegungsschritt wegen des konstruktiv vorgegebenen und nicht veränderbaren Durchmessers der Feuerbuchse 2 eine Anpassung der Korngröße des Bettmaterials als Wirbelgut an die geforderte Leistung vorzunehmen. Damit werden für den Auslegungspunkt der Wirbelschichtfeuerung 4 optimale Fluidisationsbedingungen erreicht. Bei geeigneter Lage des Vollastpunktes können über einen zu wählenden Teillastbereich.-z. B. 100... 30%, ausreichend gute Fluidisationsbedingungen eingehalten werden. Im zweiten Schritt sind Festlegungen zur Ruhebetthöhe der Wirbelschichtfeuerung 4 erforderlich. Sie ist so groß zu wählen, daß einerseits die Aufenthaltszeit eines Brennstoff kornes zum Ausbrand ausreicht, daß aber andererseits der die Betriebskosten stark beeinflussende, von der Schichthöhe abhängige Schichtdruckverlust nicht zu groß wird. Im dritten Schritt sind Untersuchungen zur Betriebstemperatur der Wirbelschichtfeuerung 4 in Abhängigkeit vom Brennstoffdurchsatz bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis sowie vom Wärmeentbindungsgrad anzustellen. Die erfindungsgemäße Lösung kann aber auch bei vorhandenen Großwasserraumkesseln mit Flammrohrrauchrohranordnung angewendet werden. In diesem Fall ist das Flammrohr senkrecht anzuordnen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Wirbelschichtfeuerung, gekennzeichnet dadurch, daß bei konstantem Luftverhältnis durch die Variation der Luftzufuhr die Wirbelschicht (4) unterschiedlich expandiert und dadurch die" aktive Heizfläche verändert, die eine Leistungsänderung hervorruft.

2. Großwasserraumkessel mit Wirbelschichtfeuerung, fest eingebauter Düsenplatte und Feuerraum, gekennzeichnet dadurch, daß er aus einem im unteren Bereich angeordneten ungekühlten und einem im oberen Bereich angeordneten gekühlten Teil besteht, wobei das Verhältnis beider Teile zueinander entsprechend der Korngröße des Bettmaterials und des Heizwertes des Brennstoffes festgelegt ist und die fluidisierte Schicht während des Betriebes in den Heizflächenbereich hinein expandiert.

3. Großwasserraumkessel nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb des Bereiches der Expansion der Wirbelschicht Bettheizflächen fest angeordnet sind.