DE3121720A1

DE3121720A1 - "anlage und verfahren zur rauchgasrueckfuehrung fuer einen mit festem brennstoff beheizten kessel"

Info

Publication number: DE3121720A1
Application number: DE19813121720
Authority: DE
Inventors: Kenneth Long Laguna Beach Calif. Maloney; Nick Bayard de Irvine Calif. Volvo
Original assignee: COTTRELL TECH RES Inc; Research Cottrell Technologies Inc
Current assignee: COTTRELL TECH RES Inc; Research Cottrell Technologies Inc
Priority date: 1980-06-02
Filing date: 1981-06-01
Publication date: 1982-05-06
Also published as: IN156217B; FR2509434A1; NL8102667A; PT73119A; NZ197243A; CA1160106A; IT1224081B; AR225082A1; JPS5747106A; BR8103472A; US4335660A; BE889059A; ES8400581A1; IT8122092A0; GB2076951A; AU7126781A; SE8103401L; PT73119B; DK239081A; GB2076951B

Description

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Anlage und Verfahren zur Rauchgasrückführung für einen mit festem Brennstoff beheizten Kessel

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Verwendung der Rauchgasrückführung bei mit festem Brennstoff betriebenen Kesseln und öfen.

Die Rauchgasrückführung ist bei Kesseln und öfen ein bekanntes Verfahren. Dabei wird das Rauchgas im allgemeinen in eine Verbrennungskammer innerhalb eines Kessels über dem brennenden Brennstoffbett eingeführt. Diese stetige Rückführung des Rauchgases bewirkt eine weitere Verbrennung des Rauchs und anderer in ihm enthaltener teilchenförmiger Stoffe. Zusätzlich verringert sich die Bildung von verschiedenen Stickoxiden und Kohlenmonoxidgas im Rauchgas, so daß nurmehr geringere Mengen dieser Schadstoffe in die Atmosphäre gelangen.

Ein typisches Beispiel für mit Rauchgasrückführung arbeitende Anordnungen zeigt die US-PS 4 089 278. Hier wird das Rauchgas einem Schacht entnommen und über eine Leitung in die Verbrennungskammer über dem brennenden Brennstoff geleitet. Die gleiche Technik ist für mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebene Systeme beispielsweise in der US-PS 3 8b4 4 55 vorgeschlagen. Wie bekannt, unterliegen mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebene Anlagen nicht den gleichen Problemen wie kohlebeheizte Kessel und öfen. Beispielsweise treten bei gasförmigen Brennstoffen nicht die Probleme der

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Schlackenbildung auf und es sind keine Konstruktionen zur Aufnahme des Brennstoffbetts erforderlich.

Einen weiteren Ansatz zur Verwendung des Rauchgasumlaufs zeigt die US-PS 2 561 717. Nach dieser Druckschrift zieht man das Rauchgas aus dem Schacht eines Ofens oder Kessels ab und teilt es zu zwei Anteilen auf. Den ersten Teil,der ausschließlich aus Rauchgas besteht, führt man dem Brennstoffbett vor demjenigen Bereich zu, wo die Verbrennung stattfindet. In der genannten Patentschrift dient dieser erste Rauchgasanteil zum Vorwärmen und Trocknen der Kohle vor der Verbrennung. Insoweit als das Brennstoffbett mit fast 100 % Rauchgas chargiert wird (das nicht brennt) , brennt auch das Brennstoffbett nicht. Diese:: Umstand wird dazu benutzt, eine Verbrennung zu verhindern, wo sie unerwünscht ist; dies ist ein Ziel der Rauchgasrückführung, wie sie die genannte Druckschrift vorschlägt. Der zweite Teil des Rauchgasanteils wird mit Luft und Wasserdampf zusammengefügt, den ein Vernebler in einer Kammer unter dem Brennteil des Brennstoffbetts erzeugt. Das Ziel dieses zweiten Rauchgasanteils in der Rauchgasrückführung nach der genannten US-Patentschrift ist, mit der Rauchgas-Wasserdampf-Mischung die Schlackenbildung abzuschwächen, indem man Wasserdampf in die Verbrennungsluft einmischt. Das Rauchgas dient also dazu, zugeführte Wassertröpfchen zu Dampf zu erhitzen, der dann durch dasBrennstoffbett strömt.

Andere bekannte Druckschriften sind nach Kenntnis der Anmelderin die US-PSn 3 781 162, 3 277 945, 3 905 745 und 3 892 191. Keine dieser Druckschriften offenbart jedoch die Verwendung von rückgeführtem Rauchgas für kohlebeheizte Kessel insgesamt, bei denen das Rauchgas in die primäre Unterluft eingemischt wird, um die Schadstoffbildung (beispielsweise von NO und Kohlenmonoxid), die Schlackenbildung im Brennstoffbett und die Rauchemission abzuschwächen. Die Hauptvorteile der vorlie-

genden Erfindung sollen unten ausführlicher erörtert werden.

Die vorliegende Erfindung lehrt die Verwendung rückgeführten Rauchgases in Mischung mit Luft in der primären Verbrennungsunterluft in einem mit festen Brennstoff beheizten Kessel. Eine auf diese Weise eingespeiste Luft-Rauchgas-Mischung mit mindestens etwa 25 % Rauchgas erzeugt ein Brennstoffbett, das reaktionsfähiger als ein Bett ohne diese Mischung ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß, wenn dieser Anteil etwa 50 % übersteigt, unter Umständen nicht mehr genug Sauerstoff vorhanden ist, um eine nutzbar hohe Temperatur in der Verbrennungskammer aufrechtzuerhalten. Dieses reaktionsfähigere Brennstoffbett ergibt sich aus der Anwesenheit von Wasserdampf, einem normalen Bestandteil des Rauehgases, der den Sauerstoffüberschußbedarf eines brennenden Kohlebetts senkt. Dieser geringere Sauerstoffbedarf ergibt sich aus der verstärkten Kohlenstoffaktivierung infolge des (als Wasserdampf) in inniger Berührung mit der Kohle stehenden Wassers. Mit anderen Worten: die exotherme Reaktion der Feuchtigkeit im Rauchgas mit dem Kohlenstoff des Brennstoffbetts bewirkt eine verringerte Luftüberschußverbrennung insgesamt. Bei dieser Reaktion entstehen Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die dann über dem Brennstoffbett verbrennen, wo sie mit Sauerstoff aus der Oberluft oder dem ohne Umsetzung durch das Brennstoffbett strömenden SauerstoffÜberschuß sich vermischen. Das rückgeführte Rauchgas verdünnt den Sauerstoff der Verbrennungsluft, während die durch das Brennstoffbett strömende Gasmasse insgesamt konstant bleibt. Ohne den Verdünnungseffekt des rückgeführten Rauchgases kann der vorliegende Sauerstoff nicht wirksam genutzt werden, da er nicht lange genug im Brennstoffbett verbleibt, um eine stöchiometrische Verbrennung zuzulassen. Das Zugeben des rückgeführten Rauchgases beeinträchtigt daher nicht nur die Verbrennung nicht, sondern verringert vielmehr die Menge des nicht umgesetzten Sauerstoffs, die sonst durch

das Brennstoffbett strömen würde. Ein weiterer Nutzen des reaktionsfähigeren Brennstoffbetts ist die schwächere Entwicklung von Rauch und anderen teilchenförmigen Emissionen. Natürlich verringert die zusätzliche Verbrennung beim Wiedereintritt des Rauchgases in die Verbrennungskammer den Anteil teilchenförmiger Materie. Das reaktionsfähigere Brennstoffbett
führt jedoch zu einer vollständigeren Verbrennung der Kohle, die ihrerseits weniger Material übrig läßt,· das in Form teilchenförmiger Materie entweichen könnte.

Weiterhin zeigt der vorliegende Sauerstoffüberschuß die Neigung, mit anderen bei der Verbrennung entstehenden Komponenten zu reagieren. Beispielsweise vereinigt sich der normalerweise in Kohle vorliegende Kohlenstoff mit Sauerstoff zu CO (Kohlenmonoxid) , einem sehr giftigen Gas; desgleichen entstehen verschiedene Stickoxide, d.h. NO .Die Eliminierung von NO , CO

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und ähnlichen Schadstoffen ist ein Kauptansatzpunkt aller Behörden, die sich mit der Luftbeschmutzung befassen, und somit auch aller Verwender von Anlagen, bei deren Betrieb derartige Verbindungen entstehen. Wenn man die nach der Verbrennung verbleibende Sauerstoffmenge verringert, verringert man auch die anfallenden Mengen von Schadstoffen, die Sauerstoff als Bestandteil enthalten. Wie oben erwähnt, ist dieses Konzept aus dem Stand der Technik bekannt; die genannten Ergebnisse und Vorteile lassen sich jedoch nur realisieren, wenn man die Rauchgas-Luft-Mischung in einem Verhältnis von mindestens etwa 25 % Rauchgas zu Luft unterhalb des Brennstoffrosts zuführt, wie erwähnt.

Rückgeführtes Rauchgas in einem Verhältnis von etwa 25 % bis 50 % der Gesamtgasströmung durch einen Kessel bewirkt auch eine Steuerung der Temperatur des Kohle-Brennstoffbetts derart,
daß der Schmelzpunkt der Asche (etwa 1090⁰C (2000⁰F)) nicht

überschritten wird. Dies erlaubt einen schlackenfreien Betrieb mit insgesamt geringerem Luftüberschuß als ohne Rauchgasrückführung. Der Wasserdampf bzw. die Feuchtigkeit sowie das Kohlendioxid, die normalerweise im Rauchgas vorhanden sind, bewirken eine höhere Wärmeaufnahmekapazität als die der Luft, die sich normalerweise in der Gasmischung in einer Verbrennungskammer befindet. Dies erlaubt eine wirksame Kühlung des Brennstoffbetts sowie Brennstoffbettemperaturen, bei denen sich eine Schlacke bilden kann. Die vorliegende Erfindung verhindert eine Schlackenbildung in einem kohlebeheizten Kessel ohne die Einführung von Substanzen, die nicht als Ergebnis der Verbrennung verfügbar sind, und ohne den Wirkungsgrad des Kessels zu beeinträchtigen.

Ein weiterer Nutzeffekt ist, daß Calcium, wenn es im Brennstoffbett vorliegt, mit dem Schwefel im Brennstoff zu nichtflüchtigen Produkten von CaS, CaSO. und "CaSO₃ reagiert. Obgleich diese Verbindungen in der Kesselasche verbleiben können, ist ihre Stabilität bei Temperaturen über 1200⁰C (2200⁰F) nicht hoch. Indem man Calcium dem Brennstoff hinzugibt und die Rauchgasrückführung nach der vorliegenden Erfindung verwendet, bleibt die Temperatur des Brennstoffbetts unter der genannten kritischen Temperatur und man erhält das gewünschte Ergebnis.

Schließlich arbeitet der Kessel auch bei den niedrigeren Luftüberschußwerten mit verbessertem Brennstoffwirkungsgrad, da die reduzierte Kohlenmonoxidemission, wie oben erwähnt, den Verbrennungswärmeverlust gering hält, der sonst bei der Umwandlung von Kohlenmon- zu dioxid auftreten würde. Weiterhin, wie oben erwähnt, erhält man mit dem reaktionsfähigeren Brennstoffbett eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffs.

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In der Praxis erzielt man mit der Rauchgasrückführung, wie sie hier angegeben ist, einen stetigen Betrieb ohne die Notwendigkeit von anderen Regelkreisen als denen, die man bei einem mit festem Brennstoff beheizten Kessel herkömmlicherweise einsetzt. Die Reglerklappe steuert die rückzuführende und die freizusetzende Rauchgasmenge. Indem man zum Mischen mit dem rückgeführten Rauchgas die gleiche Luftmenge wie die freigesetzte Rauchgasmenge verwendet, wie durch die Stel- A lung der Reglerklappe bestimmt, lassen sich sämtliche Forderungen für einen stetigen Betrieb erfüllen. Um diese Betriebsart zu erleichtern, kann man über der Reglerklappe in der Leitung, die das Rauchgas aus dem Schacht zu einem Mischkasten leitet, und in der Leitung von der Luftquelle zum Mischkasten Gebläse anordnen. Im Mischkasten entsteht eine homogene Mischung des Rauchgases mit Luft.

In der bevorzugten Ausführungsform wird die Rauchgasrückführung, wie sie hier offenbart ist, bei einem mit einer Beschikkungsvorrichtung ("stoker") beheizten Kohlekessel eingesetzt:. Die dabei verwendeten Kohlezufuhrmechanik kann eine von raehreren handelsüblichen Vorrichtungen sein - beispielsweise die unten beschriebene Schneckenspeisung oder eine Schwerkraftspeisung. Indem man eine Beschickungsvorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform verwendet, läßt das erwünschte Systemgleichgewicht sich leicht erreichen, da die in die Verbrennungskammer eintretenden Umluftmengen sich leichter steuerr lassen, denn es liegt keine Öffnung oder Tür vor, die geöffnet oder geschlossen werden muß, wenn Brennstoff auf den Rost gegeben wird. Weiterhin erlaubt die verhältnismäßig konstante Brennstoffzufuhr eine konstante Abgabe von Wärme und Rauchgas aus dem Verbrennungsprozeß. Ein über dem Feuer liegender Lufttorus mit radial in die Verbrennungskammer gerichteten Luftstrahlen liegt im unteren Kesselteil über dem Rost. Die-

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sex Torus ist erforderlich/ um die zur einwandfreien Verbrennung erforderliche zusätzliche Luft zuzuführen und um zu gewährleisten, daß verbrennbare Gase aus dem Brennstoffbett gebracht und vollständig verbrannt werden. Diese Oberluft kann mit Rauchgas vermischt sein (etwa 0 % bis 75 % Rauchgas).

In einer weiteren Ausführungsform kann man die Rauchgasrückführung, wie sie hier offenbart ist, auch in einen mit einer Beschickungsvorrichtung beheizten Kessel mit Oberluft einsetzen, die beispielsweise mit einem zweiten Oberlufttorus im oberen Teil der Verbrennungskammer zugeführt wird. Obgleich die Verwendung von Oberluft an sich bekannt ist, stellen sich bei ihrer Verwendung in einem mit Rauchgasrückführung nach der vorliegenden Erfindung arbeitenden Kessel wesentliche unterschiede ein. Die nach der vorliegenden Erfindung verwendete Oberluft kann nur Luft oder eine Rauchgas-Luft-Mischung sein. In beiden Fällen betrifft die wichtigste Forderung die Menge der zugeführten Oberluft, nicht ihren Druck. In der derzeitigen Technik verwendet man Oberluft mit einem im Vergleich zu dem der vorliegenden Erfindung (130 bis 255 mm WS)) verhältnismäßig hohen Druck (typischerweise 510 bis 640 mm WS).Nach der vorliegenden Erfindung werden jedoch großdurchmessrige Strahlen verwendet, um eine bessere Durchdringung und eine vollständigere Durchmischung der über dem Brennstoffbett verfügbaren Verbrennungsgase zu erreichen. Diese Strahlen werden radial in die Verbrennungskammer gerichtet, um die Mischcharakteristiken mit den Verbrennungsprodukten zu verbessern, die NO -Emission abzuschwächen und einen effizienteren Kesselbetrieb zu erreichen.

Fig. 1 ist ein schematisierter Seitenriß eines mit einer Beschickungsvorrichtung beheizten Kessels mit der bevorzugten Ausführungsform der vor-

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liegenden Erfindung;

Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt etwa auf der Ebene 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Seitenriß einer Verbrennungskammer mit den hier offenbarten zusätzlichen Ausführungsformen;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung zum Vergleich eines Kessels mit der erfindungsgemäßen Rauchgasrückführung mit einem Kessel ohne Rauchgasrückführung hinsichtlich der CO-Emission;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung zum Vergleich eines Kessels mit mit einem Kessel ohne Rauchgasrückführung nach der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Stickoxidemission;

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung zum Vergleich eines Kessels mit mit einem Kessel ohne Rauchgasrückführung nach der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Schlackenbildung.

Es folgt nun die Beschreibung einer Anlage und eines Verfahrens zur Rauchgasrückführung für einen mit festem Brennstoff beheizten Kessel, und zwar an einem mit einer Beschickungsvorrichtung beschickten Kohlekessel bzw. -ofen. An' einer zusätzlichen Ausführungsform soll weiterhin die Rauchgasrückführung mit Oberluftzufuhr in der Verbrennungskammer eines mit einer Beschikkungsvorrichtung beschickten Kohlekessels erläutert werden.

Die Fig. .1 stellt schaubildlich einen aus einer Beschickungsvorrichtung mit Kohle beschickten Kessel unter Verwendung der Rauchgasrückführung nach der Lehre der vorliegenden Erfindung dar. Der Hauptteil des Kessels 40 weist dabei eine Verbrennungskammer 36, ein Brennstoffbett 34 auf einem Rost 34', eine Leitung 38 für die Verbrennungsprodukte, einen Konvektionswärmeübertragungsabschnitt 10, einen Rauchgasschacht 11 mit einer Reglerklappe 12 und ein Gebläse 13 auf. Die für die Rauchgasrückführung zusätzlich erforderlichen Anlagenteile sind eine Rauchgasleitung 14, ein Rauchgasgebläse 16, eine untere RauchgasrückfuhrIeitung 18, ein Mischkasten 20, ein Luftgebläse 26 zur Zufuhr von Luft unter Druck und mit etwa der Umgebungstemperatur, eine Luftzuleitung 28, einen Ünterrostverteiler 35 für das Rauchgas, eine Oberluftklappe 25, eine Oberluftleitung 23 mit einem Oberluftgebläse 22 und einen Oberlufttorus 32 mit den Oberluftdüsen 33.

In den mit zusätzlicher Oberluft arbeitenden Ausführungsformen sind, wie die Fig. 3 zeigt, eine zweite Oberluftklappe 25', ein zweites Oberluftgebläse 22', eine zweite Oberluftleitumj 23' und ein zweiter Oberlufttorus 32' mit den Oberluftdüsen 33' vorgesehen.

Die bevorzugte Ausführungsform der Beschickungsvorrichtung weist einen Kohletrichter 24, eine Kohleschnecke 30 und einen Kohleschacht 31 zum Kessel 4 0 auf. Ebenfalls erwünscht ist eine Kaltluftleitung 29 zur Kohlenschnecke, um diese im Betrieb der Beschickungsvorrichtung zu kühlen.

Brennstoff in Form von Kohle oder eines anderen festen Materials {beispielsweise Holzspäne, pelletiertes kohlenstoffhaltiges Material, Koks) ist im Trichter 24 vorrätig; für die

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dient Kohle als der feste Brennstoff für die Verbrennung und als Energiequelle, Dieser Brennstoff wird von der Kohleschnecke 30 durch den Kohleschacht 31 dem Brennstoff-, d.h. Kohlebett 34 und Rost 34' in der Brennkammer 36 von unten her zugeführt. In der Verbrennungskammer 36 findet die Verbrennung statt. Dabei entstehen Gase, die mit der Verbrennungsgasleitung 38 dem konvektiv arbeitenden Wärmeübertragungsabschnitt 10 zugeführt werden, in dem den Verbrennungsprodukten Wärme entzogen werden kann, bevor sie in den Schacht 11 einströmen. Der Schacht 11 ist typischerweise ein HohlzylLnder über der Verbrennungskalier und dem Wärmeübertragungsteil des Kessels. Dieser Schacht hat in einer Seitenwandung eine Öffnung, durch die die Rauchgasrückführleitung 14 Rauchgas (d.h. gasförmige Verbrennungsprodukte) aus dem Schacht 11 übernehmen kann; Das Rauchgasrückführgebläse 16 zieht sie aus dem Schacht ab und drückt sie über die Leitung 18 zum Mischkasten 20. Die zur Rückführung verfügbare Rauchgasmenge wird teilweise bestimmt durch die Stellung der Reglerklappe.12 im Schacht 11; je waagerechter die Klappe 12 liegt, desto mehr Rauchgas wird rückgeführc.

Der Mischkasten 20 enthält Leitbleche 21, die für eine gründliche Vermischung des Rauchgases mit der Luft ("direct-fired air") sorgen, die das Luftgebläse 26 über die Luftleitung 2S zuführt. In der bevorzugten Ausführungsform kann das Gebläse 26 auch Luft durch die Leitung 29 zuführen, die an den Schnekkenschacht 31 angeschlossen ist, um die Schnecke 30 zu kühlen. Im wesentlichen die gesamte Gaszufuhr zum Unterrostverteiler 35 erfolgt in Form der Gasmischung aus dem Mischkasten 20. Die Gebläse 16, 26 sorgen gemeinsam mit Abgasgebläse 13 der Reglerklappe 12 dafür, daß das dem Mischkasten 20 zugeführt= Gas zu mindestens etwa 25 % aus Rauchgas besteht.

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Um die.für die vorliegende Erfindung angegebenen Ergebnisse zu erzielen, müssen die Gase aus dem Mischkasten 20 durch einen erheblichen Teil des Brennstoffbetts 34 und das Rosts 34' strömen, so daß eine innjye Berührung zwischen Casmischunn und Brennstoffbett stattfindet. Die Kohle aus dem Trichter 24 wird von der Schnecke 30 durch den Schacht 31 in die Verbrennungskammer 36 gedrückt. Der in Fig. 2 gezeigte Unterrostverteiler 35 für das rückgeführte Rauchgas verläuft um einen Teil des Kohleschachts 31 unter dem Kessel herum. Der Rost 34' enthält Einblasöffnungen 37 im Bereich unmittelbar unter dem Brennstoffbett 34. Die Rauchgas-Luft-Mischung aus dem Mischkasten 20 wird durch diese öffnungen (die so klein sind, daß die Kohle nicht durch sie hindurchtreten kann) von unten in das Kohlebett 34 auf dem Rost 34' gezogen, da das Luftgebläse 26 und das Rauchgasgebläse 16 für einen geringen Überdruck im Mischkasten 20 und im Verteiler 35 sorgen. Gemeinsam mit dem vom Abgasgebläse 13 erzeugten Saugzug bewirkt der Druckunterschied zwischen diesen beiden Gebieten, daß die Mischung aus dem Verteiler 35 in die Verbrennungskammer 36 gezogen wird. Es ist einzusehen, daß gleichwertige Variationen dieser Rauchgasführung entsprechende Ergebnisse zeitigen. Weiterhin ist einzusehen, daß hier zwar eine Schnekke 30 zur Kohlezuführ zum Brennstoffbett angegeben ist, aber jede Beschickungsvorrichtung verwendet werden kann, die dem Brennstoffbett den Brennstoff kontinuierlich zuführt. In allen diesen Fällen umgibt der Verteiler 35 ein Brennstoffbett, das tief genug ist, um einen ausreichenden Kontakt der Rauchgas-Luft-Mischung zu gewährleisten, so daß der Kessel einwandfrei arbeiten kann.

Der Oberlufttorus 32 befindet sich über dem Brennstoffbett 34 im unteren Teil der Verbrennungskammer. Öffnungen bzw. Düsen 33 auf der umlaufenden Innenfläche» des Torus sind radial

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in die Verbrennungskammer gerichtet. Die vom Torus 32 zugeführte Luft ist kühler als die bereits in der Verbrennungskammer befindlichen Gase. Diese Luft sinkt also auf das Brennstoffbett 34 hinab und liefert zusätzlichen Sauerstoff samt Mischung für die Verbrennung. Das Oberluftgebläse 22 drückt die Luft über die Leitung 23 zum Torus 32. Der Luft in der Leitung 23 kann über die Reglerklappe 25 Rauchgas aus der Leitug 14 zugemischt werden.

Die Anwendung herkömmlicher Oberluftdüsen, wie sie bei vorhandenen kohlebeheizten Kesseln eingesetzt werden, reicht unter Umständen nicht aus, um die zur Leistungssteigerung des Kessels bei der Verwendung der Rauchgasrückführung erforderliche Durchmischung dar Gase zu erreichen. D.h., daß man eine Optimierung der Oberluftstrahldurchmischung im Auge behalten muß, wenn man die Rauchgasrückführung anwendet. Diese Optimierung basiert auf der Verwendung von Oberluftdüsen mit übernormalem Durchmesser, um die Durchdringung der Mischgase zu verstärken, ob nun im Oberluftsystem teilweise auch rückgeführtes Rauchgas oder zu 100 % Luft enthalten ist. Der größere Durchmesser bewirkt eine stärkere Durchdringung und eine stärkere Durchmischung über die Länge des Brennstoffbetts und damit eine vollständigere Verbrennung im Bereich unmittelbar über diesem. Die Konstruktionskriterien für diese Düsen basieren auf einer Mischlänge von nicht mehr als den zehnfachen Durchmesser einer Düsenöffnung. Auf diese Weise erhält man eine gute Abdeckung über das Bett bei verhältnismäßig geringem Druck (beispielsweise 130 bis 235 mm WS (5 bis 10 in.WS)) - im Gegensatz zu der Oberluft in der bestehenden Technologie, für die die Düsenöffnungen sehr klein sind und die Luft einen verhältnismäßig hohen Druck hat (beispielsweise 510 bis 640 mm WS (20 bis 23 in. WS)). Für die vorliegende Erfindung ist der Druck nicht so wesentlich wie der Durchmesser der Öffnungen und die Verdünnung der Luft mit Rauchgas.

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Die wie oben beschrieben zugeführte Rauchgas-Luft-Mischung ergibt ein chemisch aktiveres Brennstoffbett und einen Betrieb mit insgesamt geringerem Luftüberschuß. Dieser Betrieb mit einem chemisch aktiveren Brennstoffbett und einem niedrigeren Luftüberschuß insgesamt erzeugt die oben erwähnten Vorteile der vorliegenden Erfindung - beispielsweise geringere Schadstoffemission und Schlackenbildung und eine bessere Ausnutzung des Brennstoffs als ohne die hier beschriebene Rauchgasrückführung.

Die Wirksamkeit einer Rauchgasführung nach der vorliegenden Offenbarung hat sich durch die Beobachtungen an einem kohlebeheizten Kessel mit einer Beschickung von 4,54 kg/Std. (10 lbs./hr.) bestätigt. Die Fig. 4 bis 6 stellen graphisch die aufgenommenen Werte für eine 30%-ige Rauchgasrückführung in das Brennstoffbett bzw. ohne Rauchgasrückführung dar; die Fig. 4 und 5 gelten für die CO- bzw. NO-Emission (in ppm) als Funktion des prozentualen SauerstoffÜberschußanteils (auf 3 % trockenen SauerstoffÜberschuß korrigiert), die Fig. 6 für die prozentuale Schlackenabdeckung des Brennstoffbetts als Funktion des prozentualen SauerstoffÜberschusses. Weiterhin gibt die Tabelle 1 unten die S0₂~Emission (in ppm) für 3 % trockenen Sauerstoffüberschuß bei Calciumzugabe zum Brennstoff zur Einstellung eines Molverhältnisses Calcium zu Schwefel von 2,85 : 1 sowie 30 % Rauchgaszufuhr zum Brennstoffbett, wie hier beschrieben, mit bzw. ohne Rauchgasrückführung an; außerdem enthält die Tabelle 1 die durchschnittliche Temperatur am Rost 34 nahe den Düsen 37 unter den genannten Bedingungen:

Tabelle 1

Brennstoff:

Braunkohlepellets, Molverhältnis SO^-Emission (ppm) Rost-Calcium zu Schwefel 2,85:1 3 4 trockener O₂- tempe-

Überschuß ratur

ohne Rauchgasrückführung 1060 193⁰C

mit Rauchgasrückführung 515 59°C

Weitere Verbesserungen im Kesselbetrieb lassen sich erreichen, indem man zusätzlich zu der oben beschriebenen Rauchgasrückführung eine zweite Oberluftquelle in der Verbrennungskammer anordnet. Wie die Fig. 3 zeigt, sind die hierzu zusätzlich erforderlichen Anlagenteile die Reglerklappe 25' in der Rauchgasleitung 14 zur Steuerung der Rauchgasmenge, die mit der Oberluft vom Gebläse 22' gemischt werden soll. Die Luft bzw. Rauchgas-Luft-Mischung wird mitcer Leitung 23' einem Oberlufttorus 32' zugeführt. Dieser zweite Oberlufttorus 32' .liegt typischerweise im oberen Teil der Verbrennungskammer 36, wo vorzugsweise die Temperatur der Verbrennungsluft am Ort des Torus; 32' etwa T090°C (2000⁰F) beträgt. Die an diesem Punkt eingeblasene Oberluft sollte mengenmäßig ausreichen, um die Temperatur der Verbrennungsluft auf etwa 955⁰C (175O⁰F) zu drücken, da man bei sich erheblich von diesem Wert unterscheidenden Temperaturen keine optimal abgeschwächte, sondern unter Umständen sogar eine verstärkte Stickoxidbildung erhält. Die Oberluftdüsen 33' auf der Ringinnenfläche des Torus 32' richten die Luft radial in die Verbrennungskammer 36. Die vorgehenden Ausführungen hinsichtlich des Durchmessers dieser Düsen bzw. Öffnungen für den Torus über den; Brennstoffbett gelten gleichermaßen für den zweiten Torus. Ein Kessel mit einem derartigen zusätzlichen Torus emittiert noch weniger Stickoxide. Wie für den Fachmann einzusehen ist,

braucht es sich bei den die Oberluftdüsen enthaltenden Elementen nicht um Rohrringe zu handeln; vielmehr kann die Gestalt sich nach der des im Einzelfall vorliegenden Kessels richten.

Es ist also ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Ausnutzung rückgeführten Rauchgases in einem Kohlekessel mit Beschickungsvorrichtung angegeben worden. Die hier speziell erläuterten Ausführungsformen sind nur beispielhaft. Es ist für den Fachmann jedoch einzusehen, daß das hier angegebene Verfahren auch auf andere Ausführungsformen von mit festem Brennstoff beheizten Kesseln oder Öfen anwendbar ist.

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Claims

18006 Skypark Boulevard, Irvine, California, V. St. A.

Patentansprüche

1/ Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe unter Einsatz der Rauchgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß man Rauchgas aus einem Rauchgasschacht abzieht, mit Luft so mischt, daß die Rauchgas-Luft-Mischung mindestens etwa 25 % bis 50 % Rauchgas enthält, die Luft-Rauchgas-Mischung einem Brennstoffbett von unten und diesem weiterhin erste Oberluft hauptsächlich zuführt, um die Gase über dem Brennstoffbett besser zu durchmischen, so daß das Brennstoffbett mit niedrigerer Temperatur arbeitet und die Verbrennung im Brennstoffbett chemisch aktiver abläuft.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als erste Oberluft eine Mischung des Pauchgases und Luft dem Brennstoffbett zuführt, wobei die Mischung zu etwa 0% bis 75 % aus Rauchgas besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Brennstoffbett genug Calcium zugibt, daß die Emission sich

bildender Schwefelverbindungen wesentlich abgeschwächt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Calcium zu einem Molverhältnis des Calciums zum Schwefel von 2,85 : 1 im Brennstoffbett zugibt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zweite Oberluft nach der ersten Oberluft einführt, um die Stickoxidemissionen abzuschwächen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberluft zu etwa 0 % bis 50 % aus Rauchgas besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die zweite Oberluft zuführt, wo die Verbrennungsgase eine Temperatur von etwa 1090⁰C (2000⁰F) haben, und so diese Temperatur auf etwa 955°C (1750⁰F) senkt.

8'. Rauchgasruckf ührungsanlage für einen mit festem Brennstoff beheizten Kessel mit einer Verbrennungskammer, einem Brennstoffrost zur Aufnahme des Brennstoffbetts, das sich als Energiequelle für die Verbrennung in der Verbrennungskamrner befindet, und durch einen Rauchgasschacht, der gasförmigen Verbrennungsprodukten aus der Verbrennung des festen Brennstoffs in der Verbrennungskammer zu entweichen gestattet, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Rückführen einer vorbestimmten Menge der gasförmigen Produkte aus dem Schacht zur Unterseite des festen Brennstoffbetts, wobei der Feuchtigkeits- und der Kohlendioxidanteil in den gasförmigen Produkten ausreichen, um die Temperatur des festen Brennstoffbetts auf dem Rost zu senken, durch eine Einrichtung zum Mischen der rückgeführten gasförmigen Produkte mit Umluft vor dem Einführen der gasförmigen Produkte in das feste Brennstoffbett und durch eine Einrichtung, die Oberluft über dem festen Brennstoffbett zuführt, wobei das feste Brennstoffbett bei

niedrigerer Temperatur arbeitet und die Verbrennung des festen Brennstoffs chemisch aktiver abläuft.

9. Anlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Vorratstrichter für den festen Brennstoff sowie eine Beschickungsvorrichtung, die den festen Brennstoff aus dem Trichter dem Brennstoffrost zuführt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung für die gasförmigen Verbrennungsprodukte eine Öffnung in einer Wandung des Rauchgasschachts, an die mit dem ersten Ende eine Leitung angeschlossen ist, deren zweites Ende an die Mischeinrichtung angeschlossen ist, eine Reglereinrichtung, um die vorbestimmte Menge gasförmiger Produkte aus dem Schacht zur Leitung zu richten, und ein in der Leitung angeordnetes Gebläse aufweist, das die gasförmigen Produkte aus dem Schacht durch die Leitung zur Mischeinrichtung drückt.

11. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffrostanordnung für den festen Brennstoff einen Unterrostverteiler aufweist, der die Gasmischung aus der Mischeinrichtung übernimmt und ihr erlaubt, in innige Berührung mit dem festen Brennstoffbett zu treten.

12. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Menge der rückgeführten gasförmigen Produkte etwa 25 % bis 50 % der der Mischeinrichtung insgesamt zugeführten Gasmenge ausmacht.

13. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß r.an die Luft der Mischeinrichtung unter Druck zuführt.

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14. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberlufteinrichtung eine Oberluftquelle außerhalb der Verbrennungskammer und einen nahe dem Brennstoffrost und über diesem angeordneten Oberlufttorus aufweist, der an das erste Ende einer Leitung angeschlossen ist, die mit ihrem zweiten Ende an die Oberluftquelle angeschlossen ist, wobei die Oberluft zusätzliche Luft zur Verbrennung des festen Brennstoffs liefert und die brennbaren Gase im Brennstoffbett vermischt.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß der Oberlufttorus mindestens eine Oberluftdüse aufweist.

16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberluftquelle gewöhnliche Luft und die gasförmigen Produkte liefert.

17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Produkte etwa 0 % bis 75 % der Oberluft aus der Oberluftquelle ausmachen.

18. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem festen Brennstoff um Kohle handelt.

19. Anlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet weiterhin durch eine zweite Oberlufteinrichtung in der Verbrennungskammer zur Zufuhr zusätzlicher Oberluft zwecks Abschwächung der Stickoxidemissionen.

20. Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Produkte etwa 0 % bis 50 % des von der zweiten Oberlufteinrichtung gelieferten Gases ausmachen.

21. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die

Brennstoffrosteinrichtung weiterhin Öffnungen in einem Bereich unter dem Brennstoffbett aufweist, die die Gasmischung aus der. Unterrostverteiler aufnehmen und der Gasmischung erlauben, in innige Berührung mit dem festen Brennstoffbett zu treten.

22. Mit festem Brennstoff beheizter Kessel, gekennzeichnet durch eine Verbrennungskammer, einen an diese über einen Schach* angeschlossenen Vorratstrichter, wobei der Schacht eine Schnecke enthält, um Brennstoff aus dem Trichter einem Brennstoffrost in der Verbrennungskammer zuzuführen, einen an die obere Abschlußfläche der Verbrennungskammer angeschlossenen Abgasschacht, durch den gasförmige Produkte aus der Verbrennung in der Verbrennungskammer entweichen können, eine Einrichtung, um eine vorbestimmte Menge der gasförmigen Produkte aus dem Schacht abzuziehen, eine Einrichtung, die die vorbestimmte Menge der gasförmigen Produkte mit Luft bei Umgebungstemperatur so mischt, daß die Mischung zu etwa 30 % aus den gasförmigen Produkten besteht, durch eine Einrichtung, die die Mischung dem Brennstoffrost so zuführt, daß die Unterseite eines Brennstoffbetts auf dem Brennstoffrost in innige Berührung mit der Mischung gerät, und durch eine Einrichtung, die Oberluft dem Brennstoffbett zuführt, um den für die Verbrennung in der Verbrennungskammer erforderlichen zusätzlichen Sauerstoff zu liefern und die verbrennbaren Gase im Brennstoffbett zu durchmischen, wobei das feste Brennstoffbett mit niedrigerer Temperatur arbeitet und die Verbrennung des festen Brennstoffs chemisch aktiver abläuft.

23. Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abziehen einer vorbestimmten Menge der casförmigen Produkte eine im Abgasschacht angeordnete Realerklappe, eine Öffnung in einer Wand des Abgasschachts, an die eir.e Leitung angeschlossen ist, ein am anderen Ende der Leitung angeschlossenes Gebläse, das die von der Reglerklappe urr.ge-

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lenkten gasförmigen Produkte aus dem Schacht abzieht, und durch eine zweite Leitung, die mit einem Ende an das Gebläse und mit dem anderen Ende an die Mischeinrichtung angeschlossen ist, so daß die abgezogenen gasförmigen Produkte in die Mischeinrichtung geführt werden.

24. Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung einen den Brennstoffrost umgebenden Unterrostverteiler, der an die Mischeinrichtung so angeschlossen ist, daß die Mischung in den Unterrostverteiler eintritt,und öffnungen in einer Seitenwandung des Brennstoffrosts aufweist, die der Mischung im Unterrostverteiler erlauben, in innige Berührung mit dem Brennstoffbett zu treten.

25. Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Öberlufteinrichtung eine zweite Mischung aus Luft und den gasförmigen Produkten liefert.