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Verfahren und Rauchgaserhitzer zur Vermeidung von Taupunkt-Unterschreitungen
an rauchgasbeheizten Wärmetauschern, insbesondere Luftvorwärmern Die Erfindung bezieht
sich auf Feuerungsanlagen, insbesondere Dampfkesselanlagen, mit rauchgasbeheizten
Wärmetauschern, insbesondere Luftvorwärmern, beispielsweise umlaufenden Regenerativ-Luftvorwärmern
nach dem System Ljungström. Bei solchen Anlagen wird erstrebt, ein schnelles Anfahren
zu ermöglichen und die Wärmeaustauschflächen vor Schäden zu bewahren, wie sie bei
früheren Anlagen beim Anfahren und bei Teillast infolge der niedrigeren Rauchgastemperatur
auftreten können. Bei Abkühlung der Heizflächen unter den Taupunkt der Rauchgase,
wie sie beim Anfahren des Kessels aus dem kalten Zustand und auch bei Teillast erfolgen
kann, besteht nämlich eine starke Korrosionsgefahr.
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Es sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden, die darauf abzielen,
den Wärmeaustauschflächen mindestens diejenigen Temperaturen zu sichern, die für
einen einwandfreien Betrieb erforderlich sind, d. h. also Temperaturen, die über
der Taugrenze der Rauchgase liegen. Beim Anfahren eines Kessels sollen also die
Rauchgase am Kesselende möglichst schnell auf diese Temperaturen gebracht werden.
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Bei Anlagen, die mit Staubfeuerung arbeiten, muß außerdem angestrebt
werden, daß sich möglichst schnell eine ausreichende Heißlufttemperatur einstellt,
die es erlaubt, auf Mühlenbetrieb überzugehen. Auch bei Verwendung anderer Brennstoffe,
die für einen einwandfreien Verbrennungsvorgang Frischluft von hoher Temperatur
benötigen, ist eine möglichst schnelle Erreichung dieser Temperatur von Bedeutung.
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Diese Erfordernisse sind bekannt, und es sind verschiedene Vorschläge
gemacht worden, um die genannte Aufgabe zu lösen. So ist es bekannt, in die Ansaugleitung
des Frischluftgebläses oder zwischen das Frischluftgebläse und den rauchgasbeheizten
Luftvorwärmer einen Lufterhitzer zu schalten, mit dessen Hilfe die Luft auf eine
ausreichend hohe Temperatur gebracht wird. Solche Lufterhitzer wurden mittels Dampf
oder elektrisch beheizt. Auch ist es bereits be-Icannt, die Luft während des Anfahrens
in der Weise auf die erforderliche Temperatur zu erhitzen, daß man innerhalb des
Luftkanals Heizöl über eine Brennerdüse mit sehr hohem Luftüberschuß verbrennt.
Eine solche offene Verbrennung innerhalb des Luftkanals bringt aber Gefahren mit
sich, und zwar insofern, als die Flamme oder unverbranntes Öl den rauchgasbeheizten
Luftvorwärmer gefährden oder auch bis in die Mühlen durchschlagen und dort zu Bränden
führen kann. Weiter ist bekannt, die . Verbrennungsluft durch Warmwasser vorzuwärmen.
Auch die bereits im Lufterhitzer aufgeheizte Luft selbst kann zur Erhöhung der Lufteintrittstemperatur
benutzt werden, indem ein Teil der Luft hinter dem Luftvorwärmer abgezweigt und
mit der kalten Luft vermischt wird.
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Erwähnt sei schließlich noch das Prinzip der »lokalen Rauchgasbeimischung«.
Dieses besteht darin, daß der kalten Luft heißes Rauchgas zugemischt wird.
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Alle diese Verfahren weisen jedoch Nachteile auf, deren Behandlung
im einzelnen sich erübrigt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Schwierigkeiten
und Nachteile der bekannten Verfahren. Sie zeigt einen neuen Weg, der diese Gefahren
vermeidet und darüber hinaus ein wesentlich schnelleres Erreichen der für die Wärmeaustauschflächen
erforderlichen hohen Temperaturen gestattet.
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Es handelt sich also ebenfalls um ein Verfahren zur Vermeidung von
Taupunkt-Unterschreitungen an rauchgasbeheizten Wärmetauschern, insbesondere Luftvorwärmern.
Ferner wird auch hier von dem bekannten Gedanken Gebrauch gemacht, beim Anfahren
und bei Teillast die Temperatur der Wärmeaustauschflächen durch zusätzliche Beheizung
zu erhöhen. Während aber sämtliche bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Lösung
der genannten Aufgabe die Beheizung im Luftkanal vornehmen, besteht im Unterschied
hierzu das neue und wesentliche Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung darin,
daß die Temperaturerhöhung auf dem Wege über die in den Wärmetauscher, eintretenden
Rauchgase bewirkt wird, und zwar werden die Rauchgase mittels eines Erhitzers etwa
auf diejenige Temperatur gebracht, die für einen einwandfreien Betrieb der Wärmeaustauschflächen
erforderlich ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung schließt zunächst einmal grundsätzlich
die Gefahr eines Durchschlagens
der Flamme zu den Mühlen und damit
die Brandgefahr aus. Wesentlich ist ferner, daß diese Erhitzung der Wärmeaustauschflächen,
beispielsweise des Ljungström-Vorwärmers, von der heißen Seite her mit den normalen
Betriebsbedingungen übereinstimmt, unter denen die Erwärmung ja ebenfalls von der
heißen Seite her erfolgt. Hierdurch wird, was das Entscheidende ist,.erreicht, daß
die Erhitzung der Wärmeaustäuschflächen unmittelbar in demjenigen Teil erfolgt,
der als erster durch kalte Rauchgase gefährdet wird, und daß das Erreichen der erforderlichen
Temperaturen wesentlich schneller erfolgt als bei Anordnung des Erhitzers in der
bekannten Weise im Luftkanal.
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Für die Beheizung des Erhitzers können die an sich bekannten Wege
beschritten werden, beispielsweise die Verwendung einer elektrischen Beheizung oder
auch Dampfbeheizung. In vielen Fällen ist diese Möglichkeit aber nicht gegeben.
Bei Blockkraftwerken beispielsweise steht Fremddampf zur Beheizung eines solchen
Rauchgaserhitzers während der Anfahrperiode nicht zur Verfügung. Andererseits ist
auch eine elektrische Beheizung nicht in allen Fällen durchführbar oder wirtschaftlich
vertretbar. Infolgedessen ist in der Regel die Beheizung durch Verbrennungswärme
vorzuziehen, wobei man zweckmäßigerweise den gleichen Brennstoff verwendet, der
zur Befeuerung der Kesselanlage benutzt wird und daher in jedem Falle zur Verfügung
steht.
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Die Verbrennung kann mit offener Flamme innerhalb des Rauchgaskanals
erfolgen, da ja Brandgefahr grundsätzlich nicht besteht. Sofern es für erforderlich
gehalten wird, kann man in den Zug der Verbrennungsgase Schutzvorrichtungen einschalten,
insbesondere solche zur Abscheidung schädlicher Beimengungen (unverbrannter Brennstoffreste)
und zur Verhinderung von Flammendurchschlag, beispielsweise Drahtgitter. Diese Möglichkeit
ist in besonders einfacher Form dann gegeben, wenn man den Brenner nicht innerhalb
des Rauchgaskanals anordnet, sondern seitlich von diesem in einer Verbrennungskammer,
die in den Rauchgaskanal einmündet. Diese seitliche Anordnung ist aus konstruktiven
Gründen vorzuziehen.
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Eine andere Lösung ist die, daß man gemäß weiterer Erfindung die Verbrennungsgase
nicht unmittelbar in den Rauchgaskanal einführt, sondern den Rauchgaserhitzer als
vom Rauchgaskanal luftdicht getrennten Wärmetauscher ausbildet, der die Wärme der
Verbrennungsgase mittelbar durch seine Wände hindurch auf den Rauchgas strom überträgt.
Auch hier bestehen wieder die beiden Möglichkeiten, daß man den Wärmetauscher des
Erhitzers unmittelbar innerhalb des Rauchgaskanals anordnet oder aber in einer seitlichen
Kammer, wobei im zweiten Falle die Verwendung einer Hilfsströmung eines gasförmigen
Mittels durch diese Kammer und den Wärmetauscher des Erhitzers hindurch zwecks Abführung
der Wärme in den Rauchgaskanal hinein vorteilhaft sein kann.
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Für die Weiterleitung der den Wärmetauscher des Erhitzers in abgekühlten
Zustand verlassenden Verbrennungsgase bestehen ebenfalls verschiedene Möglichkeiten.
Bemißt man diesen Wärmetauscher so, daß die Wärme der Verbrennungsgase dort bereits
weitestgehend nutzbar gemacht wird, so kann man den die Verbrennungsgase abführenden
Kanal einfach hinter den Wärmeaustauschflächen (Luftvorwärmer) in den Rauchgaskanal
einmünden lassen. Da aber die abgeführten Verbrennungsgase in der Regel doch noch
immer nennenswerte Wärmemengen enthalten werden, läßt man den Kanal besser vor dem
Erhitzer in den Rauchgaskanal einmünden. Es werden dabei die vom Kessel ankommenden
Rauchgase an dieser Stelle durch die Restwärme bereits vorgewärmt, um dann anschließend
durch den Erhitzer weiter erhitzt zu werden.
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Es kann der die abgekühlten Verbrennungsgase vom Rauchgaserhitzer
abführende Kanal aber auch in den Luftkanal eingeleitet werden, und zwar entweder
auf der kalten oder auf der heißen Seite.
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In allen Fällen, in denen der die Verbrennungsgase abführende Kanal
in den Rauchgaskanal oder in den Luftkanal einmündet, können - wie schon vorher
in Zusammenhang mit offen brennenden Erhitzern erwähnt - Schutzvorrichtungen zur
Abscheidung schädlicher Beimengungen und zur Verhinderung von Flammendurchschlag
vorgesehen werden.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens stellt die Zeichnung-
zwei Ausführungsbeispiele dar. Fig. 1 zeigt eine Anlage mit offen brennendem Rauchgaserhitzer
und Fig. 2 eine Anlage, bei der der Rauchgaserhitzer als luftdicht getrennter Wärmetauscher
ausgebildet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 handelt es sich darum,
einen Ljungström Luftvorwärmer 1, der in einen Luftkanal 2 und einen Rauchgaskanal
3 eingeschaltet ist, mittels eines Brenners 4 auf die erforderlichen Temperaturen
zu erwärmen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Brenner 4 nicht
unmittelbar innerhalb des Rauchgaskanals 3 angeordnet, sondern innerhalb einer seitlich
angebrachten Verbrennungskammer 5, die in den Kanal 3 offen einmündet. Eine Schutzvorrichtung
6, wie sie möglicherweise in Betracht kommen kann, ist durch gestrichelte Linien
angedeutet.
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Die Strömungsrichtungen in den beiden Kanälen sind durch Pfeile kenntlich
gemacht. Der Luftstrom L wird mittels eines Gebläses 7 erzeugt. Der Gasstrom G verläuft
hierzu im Gegenstrom.
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Durch die . Verbrennungsgase des Brenners 4, der also beispielsweise
mit Öl oder mit Kohlenstaub beheizt werden möge, wird hierbei der Luftvorwärmer
1 sehr schnell erwärmt, so daß mit Drehung des Rotors auch der Luftstrom L mittelbar
erwärmt wird. Entscheidend für die Schonung des Luftvorwärmers ist aber die bereits
hervorgehobene Tatsache, daß der in erster Linie gefährdete Teil, nämlich der Teil
innerhalb des Rauchgaskanals 3, unverzüglich - und nicht erst mittelbar wie nach
den bekannten Verfahren - auf die erforderliche Temperatur gebracht wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Brenner 4 wieder in
einer besonderen Verbrennungskammer 5 angeordnet. Diese Kammer 5 mündet aber in
den Rauchgaskanal nicht unmittelbar ein, sondern es werden die heißen Verbrennungsgase
einem vom Rauchgaskanal luftdicht getrennten Wärmetauscher 8 zugeführt, der in diesem
Fall innerhalb des Rauchgaskanals 3 angeordnet ist. Die abgekühlten Verbrennungsgase
verlassen den Wärmetauscher 8 des Erhitzers durch einen Kanal 9, der in Strömungsrichtung
vor dem Erhitzer in den Rauchgaskanal 3 einmündet, so daß diese Verbrennungsgase,
die immer noch gewisse Wärmemengen enthalten, den - Rauchgasstrom dort bereits etwas
vorwärmen.
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Die schon erwähnten Möglichkeiten der Einführung der Verbrennungsgase
in den Luftkanal 2
sind durch gestrichelte Linien 10 und 11 angedeutet. An
der Einmündung dieser Kanäle 9 bzw. 10 bzw. 11
oder auch im
weiteren Zuge der Verbrennungsgase
können wieder die erwähnten Schutzvorrichtungen
vorgesehen werden.
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Wenngleich in der Zeichnung zu beiden Ausführungsbeispielen als Wärmeaustauschfläche
nur ein Ljungström Luftvorwärmer gezeichnet ist, um den Grundgedanken der Erfindung
in möglichst einfacher Form zu veranschaulichen, so treffen die Überlegungen aber
doch auf Wärmeaustauschflächen beliebiger Art zu. Ist dem Luftvorwärmer beispielsweise
ein Speisewasservorwärmer vorgeschaltet, der bei zu niedrigen Rauchgastemperaturen
ja ebenfalls rauchgasgefährdet ist, so ist der Rauchgaserhitzer zweckmäßigerweise
bereits vor diesem anzuordnen.