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Die
Erfindung betrifft ein kombiniertes Wirbelschicht- und Kohlestaubverbrennungsverfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, in welchem Verfahren Wirbelluft in eine Wirbelschicht
eingeblasen wird, die sich in dem unteren Abschnitt einer Verbrennungskammer
befindet, Brennstoff von einem ersten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln
in die Wirbelschicht zugeführt
wird und in der Wirbelschicht verbrannt wird und die Mischung aus
Kohlestaub und einem Trägergas
von einem zweiten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln in die Verbrennungskammer oberhalb
der Wirbelschicht zugeführt
wird.
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Bei
der Feuerung durch Kohlestaub werden der Kohlestaub und die Verbrennungsluft
in einem Brenner miteinander vermischt. Um eine effiziente Entzündung und
Verbrennung der von einem Brenner in die Verbrennungskammer eines
Kessels eingeführte
Mischung aus Kohle und Verbrennungsluft zu erzielen, müssen diese
beiden ein geeignetes Brennstoff-Luft-Verhältnis haben. Die Mischung entzündet sich überhaupt
nicht, wenn das Massendurchflussverhältnis von Kohle zu Verbrennungsluft unterhalb
eines bestimmten unteren Entzündungsgrenzwertes
liegt. Bei der Feuerung durch Kohlestaub beträgt der untere Entzündungsgrenzwert
typischerweise etwa 0,2. Wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis in
dem Bereich 0,2 bis 0,4 liegt, entzündet sich die Mischung, aber
die Flamme bleibt infolge der mageren Mischung instabil und die
Verbrennungstemperatur niedrig. Das allgemein verwendete Brennstoff-Luft-Verhältnis bei
der Feuerung durch Kohlestaub beträgt etwa 0,4, wodurch die Flamme
stabil ist und die Mischung bei einer erhöhten Temperatur brennt. Ein
Brennstoff-Luft-Verhältnis
größer als
dieses bis zu einem bestimmten oberen Entzündungsgrenzwert liefert eine
gute Entzündung,
aber erbringt aufgrund der fetten Mischung eine niedrige Verbrennungstemperatur.
Bei der Feuerung durch Kohlestaub beträgt der obere Entzündungsgrenzwert
typischerweise etwa 1,0. Mischungen fetter als diese können nicht
mehr entzündet
werden.
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Bei
der Wirbelschichtverbrennung verbrennt der Brennstoff und wird teilweise
in einer Wirbelschicht vergast, welche sich über einem Luftverteiler befindet,
der in dem unteren Abschnitt der Verbrennungskammer des Kessels
angeordnet ist und durch Feststoff-Schichtmaterial und dem damit
gemischten Brennstoff gebildet wird. Herkömmlich ist das Schichtmaterial
Sand. Die Schicht wird durch Einblasen von Wirbelgas, im Allgemeinen
Luft, von in dem Luftverteiler angeordneten Düsen aus in die Schicht in einem
fluidisierten Zustand gehalten. Da die Geschwindigkeit der Wirbelluft
in der Schicht gering ist und eine grobkörnige Partikelgröße für das Schichtmaterial
gewählt
wird, wird die Wirbelschicht infolgedessen in dem unteren Abschnitt
der Verbrennungskammer gebildet. Der feste Brennstoff wird im Allgemeinen über Brennstoff-Zuführungsdüsen, die
an den Wänden
der Verbrennungskammer eingerichtet sind, in den Wirbelschichtkessel
zugeführt.
Die Verbrennungstemperatur bei der Wirbelschichtverbrennung beträgt typischerweise
etwa 800 bis 950°C.
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Infolge
der niedrigen Verbrennungstemperatur und der groben Zerkleinerung
des Brennstoffs hat die Wirbelschichtverbrennung von Kohle gegenüber vielen
anderen Feuerungsverfahren einen relativ niedrigen Wirkungsgrad
der Verbrennung ergeben. Die niedrige Verbrennungstemperatur erhöht auch die
Menge der bei dem Verbrennungsvorgang gebildeten Stickoxide. Wenn
grob zerkleinerter Brennstoff von hohem Heizwert, wie zum Beispiel
Kohle, in einer Wirbelschicht verbrannt wird, findet eine Ansammlung
von unverbranntem Brennstoff in dem unteren Abschnitt der Wirbelschicht
statt, wodurch der darin verbrennende Brennstoff die Schichttemperatur
erhöht
und ein Sintern des Schichtmaterials stattfindet. Um dies zu vermeiden,
kann die Schicht durch in der Schicht angeordnete Wärmetauscher
gekühlt
werden. Jedoch kann das abrasive Schichtmaterial einen in der Schicht
eingebetteten Wärmetauscher schnell
korrodieren. Die Menge an Brennstoff, die sich in dem unteren Abschnitt
der Wirbelschicht ansammelt, kann durch Verschieben der Einlassstelle des
Brennstoffes nach oberhalb der Wirbelschicht und/oder Zerkleinern
des Brennstoffs in eine kleinere Partikelgröße reduziert werden. Der letztere
Vorgang diktiert jedoch im Allgemeinen die Anschaffung einer Kohlemühle einer
höheren
Mahleffizienz.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,993,332 ist ein Hybrid-Verbrennungsverfahren gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 beschrieben, das Wirbelschichtverbrennung mit Kohlestaubverbrennung
kombiniert, in welchem System die Wirbelschicht eines Wirbelschichtkessels
in einer herkömmlichen
Weise durch Kohle gefeuert wird, ergänzt mit dem Verfeuern von Kohlestaub
oberhalb der Wirbelschicht mittels eines an der Kesselwand montierten
Brenners. Das Ziel dieser Anordnung ist, die Nachteile der Wirbelschichtverbrennung
und der Kohlestaubverbrennung zu reduzieren.
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Wenn
ein herkömmlicher
Wirbelschichtkessel für
eine Hybrid-Verbrennung
geeignet umgerüstet werden
soll, muss der Kessel mit einem Kohlestaubbrenner und einer effizienten
Kohlemühle
nachgerüstet
werden, um den Kessel mit einer Zuführung von Kohle ausreichend
feiner und gleichmäßiger Partikelgröße zu versorgen.
Jedoch stellen der neue Brenner und die neue effiziente Kohlemühle einen
signifikanten Kostensteigerungsfaktor beim Nachrüsten eines Hybrid-Verbrennungssystems
dar.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, ein völlig neues Wirbelschicht-Verbrennungsverfahren
bereitzustellen, das in der Lage ist, den Wirkungsgrad der Verbrennung
der Wirbelschichtverbrennung zu verbessern und die Stickoxid-Emissionen
der Wirbelschichtverbrennung zu reduzieren.
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In
einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
wird der Brennstoff in einer herkömmlichen Weise in die Wirbelschicht
eines Wirbelschichtkessels zugeführt
und wird in der Schicht verbrannt. Außerdem wird oberhalb der Wirbelschicht
Kohlestaub durch beispielsweise einen an der Wand der Verbrennungskammer
eingerichteten Kanal bei solch einem hohen Kohle-Trägergas-Verhältnis zugeführt, dass
sich der Brennstoff in der nahen Umgebung des Zuführungspunktes
nicht entzündet.
Die von dem Boden der Schicht nach oben geblasene Wirbelluft verdünnt die
Mischung aus dem Kohlestaub und dem Trägergas, wodurch ermöglicht wird,
dass sich die Kohlepartikel entzünden
und in einem starken Flammenbild oberhalb der Wirbelschicht verbrennen. Während ein
Teil der Kohle oberhalb der Wirbelschicht verbrennen kann, fällt der
andere Teil in die Wirbelschicht und wird in dieser verbrannt.
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Spezieller
ist das Wirbelschicht-Verbrennungsverfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
was in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben ist.
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Die
Erfindung bietet signifikante Vorteile.
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Obwohl
das Verfahren gemäß der Erfindung allgemein
in der gleichen Weise wie das oben beschriebene Hybrid-Verbrennungssystem
funktioniert, ist jedoch stattdessen der Kohlestaubbrenner des Systems
nach dem Stand der Technik durch einen Kanal ersetzt, der in die
Verbrennungskammer hinein abgeht. Außerdem muss hierbei der Brennstoff,
der aus dem Kanal eingeleitet werden soll, nicht bis zu so einer
Feinheit und homogenen Partikelgröße wie bei der Kohlestaubverbrennung
unter Verwendung eines Brenners zerkleinert werden, wodurch es das
System gemäß der Erfindung
ermöglicht,
eine einfache und kosteneffiziente Kohlemühle zu verwenden.
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Ein
Großteil
der oberhalb der Wirbelschicht zugeführten Kohle wird verbrannt,
bevor die Kohle auf die Wirbelschicht fällt. Ein gewisser Teil der
Kohle wird in der Schicht verbrannt, wodurch die Schichttemperatur
leicht ansteigt, was somit zum Verbrennungs-Wirkungsgrad des Wirbelschicht-Verbrennungssystems
beiträgt.
Jedoch steigt die Schichttemperatur nicht so stark an, dass die
Verwendung von separaten Wärmetauschern
zum Kühlen
der Schicht erforderlich wird. Die oberhalb der Wirbelschicht verbrannte
Kohle verbrennt unter brennstoffreichen Bedingungen bei einer hohen
Temperatur, wodurch oberhalb der Wirbelschicht eine so genannte
Nachverbrennungszone gebildet wird, in der in der Schicht gebildete
Stickoxide zu molekularem Stickstoff reduziert werden. Wenn in der
Wirbelschicht ein Abfallbrennstoff verbrannt wird, erzeugt der Verbrennungsvorgang
der Schicht Dioxine und andere gefährliche Verbindungen, die bei
der erhöhten
Temperatur der Nachverbrennungszone auch zerstört werden. Ferner begünstigt die
hohe Temperatur der Nachverbrennungszone die Verbrennung von Kohlepartikeln
oberhalb der Wirbelschicht, wodurch der Verbrennungs-Wirkungsgrad
des Kessels verbessert wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlicher durch Verweis auf
die beigefügten
Zeichnungen untersucht, wobei
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines kombinierten
Wirbelschicht- und Kohlestaubverbrennungssystems zum Durchführen des
Verfahrens gemäß der Erfindung
ist,
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2 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines kombinierten
Wirbelschicht- und Kohlestaubverbrennungssystems zum Durchführen des
Verfahrens gemäß der Erfindung
ist,
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3 ein
Diagramm ist, das die Menge an Stickoxid-Emissionen und den Wirkungsgrad
der Verbrennung als eine Funktion der Verbrennungstemperatur in
dem Kessel darstellt.
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Ein
in der Zeichnung dargestelltes System weist einen Wirbelschichtkessel 1 mit
einer Wirbelschicht 2 aus Feststoffen auf, die in dem unteren
Abschnitt der Verbrennungskammer 3 des Kessels angeordnet
ist. Ein am unteren Ende der Verbrennungskammer 3 angeordneter
Rost 13 weist Luftzuführungsmittel
zum Zuführen
von Wirbelluft 4 in das Schichtmaterial auf. Die Geschwindigkeit
der Wirbelluft 4 ist eingestellt, um die in dem unteren
Abschnitt der Verbrennungskammer 3 ausgebildete Wirbelschicht 2 aufrechtzuerhalten,
um einen substantiellen Verlust des Schichtmaterials aus der Schicht
zusammen mit dem Gasstrom zu vermeiden, wodurch im Allgemeinen das
Erfordernis beseitigt wird, die Partikel des Schichtmaterials zurück zu der
Schicht 2 zirkulieren zu lassen. Diese Art von Wirbelschicht
ist auch als eine blasenbildende Wirbelschicht bekannt. Obwohl ein
Teil der Partikel des Schichtmaterials mit dem Gasstrom bis zu dem
mittleren Abschnitt der Verbrennungskammer 3 aufsteigen
können,
weist eine blasenbildende Wirbelschicht 2 eine klar erkennbare
oberste Ebene auf. Die Wirbelluft 4 kann auch als die primäre Verbrennungsluft
in der Verbrennungskammer 3 verwendet werden. Grob zerkleinerter
Brennstoff wird in die Wirbelschicht 2 in einer herkömmlichen
Weise über
einen ersten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 5, wie
zum Beispiel eine oder mehrere an der Wand der Verbrennungskammer 3 gebildete Öffnungen
zugeführt,
zu denen der Brennstoff durch ein Fördergerät aus einem Silo 16 transportiert
wird. Herkömmlicherweise
ist der Brennstoff grob zerkleinerte Kohle, Torf, Biobrennstoff,
Abfallbrennstoff oder eine Mischung aus diesen.
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In
die Verbrennungskammer 3 wird auch Kohlestaub über einen
zweiten Satz von oberhalb der Wirbelschicht 2 angeordneten
Brennstoffzuführungsmitteln,
wie zum Beispiel einen in die Verbrennungskammer 3 hinein
abgehenden Kanal 6 zugeführt. In seiner einfachsten
Form kann der Kanal 6 ein in die Verbrennungskammer hinein
abgehendes Rohr mit einem Durchmesser von 150–300 mm sein. Es können auch
eine Mehrzahl von Kanälen 6 verwendet werden.
Die Kohle wird in einer Kohlemühle 9 gemahlen
und die zu pulverisierter Form zerkleinerte Kohle wird pneumatisch über einen
Zyklon 10 zu einem Kohlespeicher 11 transportiert,
von wo sie mit Hilfe eines Schneckenförderers 14 beispielsweise
zu dem Kanal 6 bewegt wird. Das Trägergas des Kohlestaubs wird
mittels eines Kompressors 15 unter Druck gesetzt, wodurch
die pneumatische Einleitung des Kohlestaubs aus dem Kanal 6 in
die Verbrennungskammer 3 hinein bewirkt wird. Vorteilhafterweise
ist das Trägergas
Luft. Alternativ kann das Trägergas
Verbrennungsgas aus dem Kessel 1, Dampf oder Stickstoff
sein. Die aus dem Kanal 6 eingeleitete Kohle muss nicht
so fein und gleichförmig
zerkleinert werden, wie es für
den Brennstoff notwendig ist, der einem Kohlestaubbrenner zugeführt wird,
was es ermöglicht,
dass das System gemäß der Erfindung
unter Verwendung einer äußerst einfachen
Art von Kohlemühle 9 funktioniert.
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Am
Eintritt des Brennstoffs aus dem Kanal 6 in die Verbrennungskammer 3 ist
das Verhältnis
des Massendurchflusses des Kohlestaubs zu dem Trägergas größer als der obere oder zumindest
im Wesentlichen gleich dem oberen Entzündungsgrenzwert. Das Verhältnis des
Massendurchflusses des Kohlestaubs zu dem Trägergas wird mittels Steuerung
der Drehgeschwindigkeiten des Schneckenförderers 14 und des
Kompressors 15 auf einen gewünschten Wert eingestellt. Vorteilhafterweise
weist ein Anteil von 50–60%
des Kohlestaubs eine Partikelgröße kleiner
als 74 μm
auf. Wenn das Trägergas Luft
ist und der Brennstoff Kohlestaub mit einer groben Partikelgröße von 70–150 μm ist, beträgt das Verhältnis des
Massendurchflusses des Brennstoffs zu dem Trägergas vorteilhafterweise 1–10, am
vorteilhaftesten 3–7.
Die Geschwindigkeit des aus dem Kanal 6 in die Verbrennungskammer 3 hinein
abgehenden Kohlestaubs und Trägergases
beträgt
vorteilhafterweise 20–30
m/s, am vorteilhaftesten etwa 25 m/s. Sekundäre Verbrennungsluft wird in
die Verbrennungskammer 3 auf der Ebene des Kanals 6 oder
darüber über Sekundärlufteinlassmittel 7 zugeführt.
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Der
Zuführungspunkt
der Mischung aus dem Trägergas
und dem Kohlestaub wird abhängig
von der Größe des Kessels 1 vorteilhafterweise
in einem Abstand von 1 bis 6 m, am vorteilhaftesten 2 bis 4 m oberhalb
der obersten Ebene der Wirbelschicht 2 angeordnet. Der
Zuführungspunkt
kann unterhalb des Sekundärlufteinlasspunktes 7 oder
in der gleichen Ebene mit dem Sekundärlufteinlasspunkt 7 eingerichtet
sein. Typischerweise beträgt
die Höhe
der Wirbelschicht 2 etwa 1 m, wodurch der Zuführungspunkt des
Trägergases
und des Kohlestaubs etwa 2 bis 7 m, am vorteilhaftesten 3 bis 5
m oberhalb des Rostes 13 liegt. Die Wirbelluft 4 verdünnt die
aus dem Kanal 6 zugeführte
Mischung, wodurch ermöglicht
wird, dass sich die Partikel des Kohlestaubs entzünden und
unter brennstoffreichen Bedingungen bei einer hohen Temperatur oberhalb
der Wirbelschicht 2 verbrennen. Das Verhältnis bei
diesem Verbrennungsvorgang beträgt
typischerweise 0,5 bis 1 kgKohle/kgLuft und die Verbrennungstemperatur beträgt 1300
bis 1500°C.
Die Temperatur ist etwa 200 bis 300°C höher als die Gastemperatur in
dem Freiraum oberhalb der Wirbelschicht eines herkömmlichen
Wirbelschichtkessels. Somit werden die Temperatur und andere Bedingungen
in dem Raum oberhalb der Wirbelschicht 2 auf einen optimalen
Bereich eingestellt (vgl. 3), wodurch
die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung minimiert wird.
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Vorteilhafterweise
wird wenigstens die Hälfte,
am vorteilhaftesten 70 bis 85% des über den Kanal 6 zugeführten Kohlestaubs
oberhalb der Wirbelschicht 2 verbrannt, und der Rest sinkt
in die Schicht 2 hinab, damit er einer vollständigen Verbrennung
in der Schicht 2 ausgesetzt ist. Resultierend steigt die Temperatur
der Wirbelschicht 2 leicht an, was den Wirkungsgrad der
Verbrennung des von den ersten Brennstoffzuführungsmitteln 5 in
die Wirbelschicht 2 zugeführten Brennstoffs verbessert.
Jedoch steigt die Temperatur der Schicht 2 hierbei nicht übermäßig an,
so dass das Schichtmaterial beginnen würde zu sintern. Wenn der Abstand
des Kanals 6 von der obersten Ebene der Wirbelschicht 2 zu
klein gemacht wird, kann eine größere Anzahl
von Kohlepartikeln in die Wirbelschicht 2 fallen, wodurch
die Temperatur der Wirbelschicht 2 anzusteigen beginnt.
Wenn dagegen der Abstand des Kanals 6 von der obersten Ebene
der Wirbelschicht 2 zu groß gemacht wird, haben die Kohlepartikel
genug Zeit, auf eine zu kleine Größe herunterzubrennen, bevor
sie die Wirbelschicht 2 erreichen, wodurch sie zusammen
mit den Verbrennungsgasen aus der Verbrennungskammer 3 herausbefördert werden,
was für
den Verbrennungs-Wirkungsgrad des Kessels 1 nachteilig
ist.
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Infolge
der hohen Temperatur und des niedrigen Sauerstoffgehalts wird oberhalb
der Wirbelschicht 2 eine so genannte Nachverbrennungszone ausgebildet,
in der die aus der Verbrennung des Brennstoffs stammenden Kohlenwasserstoffradikale in
der Wirbelschicht 2 gebildete Stickoxide in Cyanwasserstoff
umwandeln. Gleichzeitig werden Dioxine und andere, in der Wirbelschicht 2 aus
der Verbrennung von Abfallbrennstoff gebildete organische Verbindungen
zerstört.
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Oberhalb
der Sekundärlufteinlassmittel 7 sind
in die Wand der Verbrennungskammer 3 Tertiärlufteinlassmittel 8 zum
Einblasen von Tertiärluft
in die Verbrennungskammer 3 eingepasst. Hierin wird jeglicher,
noch in dem Verbrennungsgasstrom vorhandener unverbrannter Brennstoff
vollständig
verbrannt, und in der Wiederverbrennungsreaktion gebildete Cyanwasserstoffmoleküle werden
in molekularen Stickstoff umgewandelt. Feine Kohlepartikel, welche in
dem Zyklon 10 von dem Fluss von zerkleinerter Kohle, die
zu dem Kohlespeicher 11 transportiert wird, getrennt werden,
werden zusammen mit der Tertiärluft
in die Verbrennungskammer 3 zugeführt, wodurch die oben erwähnte Wiederverbrennungsreaktion
auch in der Ebene der Tertiärlufteinlassmittel 8 stattfindet,
indem diese Feinstoffe verbrannt werden. Kalziumkarbonat oder Kalkstein,
der aus einem Behälter 12 genommen
wird, wird mit der Tertiärluft 8 und
der Sekundärluft 7 gemischt,
um Schwefelverbindungen aus den Abflüssen zu eliminieren.
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Herkömmlich wird
ein Teil der gesamten Brennstoffenergie des Kessels 1 als
Kohlepulver über
den zweiten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 6 zugeführt, während der
andere Teil in grob zerkleinerter Form über den ersten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 5 zugeführt wird.
Das Verhältnis der
zugeführten
Brennstoffenergien kann über
einen großen
Bereich verändert
werden. Der erste Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 5 und
der zweite Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 6 können auch
unabhängig
voneinander verwendet werden. Hierbei kann die gesamte Brennstoffenergie
des Kessels 1 über
den zweiten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 6 zugeführt werden,
während
der erste Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 5 geschlossen
ist und umgekehrt. Jedoch werden üblicherweise 10–90% der
gesamten Brennstoffenergie des Kessels 1 oberhalb der Wirbelschicht 2 über den
zweiten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 6 zugeführt.
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Der
Kessel 1 kann auch wie in 2 gezeigt betrieben
werden, wonach die Mischung aus Brennstoff und Trägergas,
die normalerweise zu dem zweiten Satz von Brennstoffzuführungsmitteln 6 geführt wird,
auch über
sich in die Wirbelschicht 2 öffnende Düsen 17 in die Verbrennungskammer 3 eingeleitet werden.
Hierbei arbeiten die Düsen 17 als
der erste Satz von Brennstoffzuführungsmitteln.
Ein Bedürfnis, Brennstoff über die
Düse 17 in
die Wirbelschicht 2 zuzuführen, entsteht beispielsweise,
wenn die Brennstoffzufuhr von dem Silo 16 unzureichend
ist oder das Silo 16 vollständig nicht funktionsfähig ist.
Dann dient der über
die Düse 17 eingeleitete
Brennstoff als die Vorheiz-Energiequelle
der Wirbelschicht 2.