FLUIDIZED-BED FURNACE FOR CENTRAL-HEATING BOILER

Abstract: 1. A fluidized bed furnace for central heating boilers which are subject to rapidly altering load requirements, having fine-grained solid fuel, by means of a fluidized bed which is located on an inflow base and can be rapidly accelerated from rest state to full load, characterized in that the heat exchanger (7) disposed in the boiler (1) in the rest state of the fluidized bed is located above the static fluidized bed material in such a manner that no heat transfert with the latter occurs.

Description: Wirbelschichtfeuerung für Zentralheizungskessel Die Erfindung betrifft eine Wirbelschichtfeuerung für Zen- tralheizungskessel mit feinkörnigen festen Brennstoffen mittels einer auf einem Anströmboden befindlichen T?irbel- schicht, wobei die Wärmeübertragung durch in die Wirbel- schicht eintauchende Wärmetauscher erfolgt. Es sind bereits eine grosse Zahl von Heizkesseln fiir den Hausbrand bekannt, in denen feste Brennstoffe verbrannt werden können. Die Feuerungen in diesen Heizkesseln arbeiten mit einem ruhenden oder nur langsam durch einen siander- rost oder Schüttelrost bewegten Gluttbett. Die Wärmeübertragung an das Heizwasser erfolgt fast ausschlienlich durch in den Rauchgaszügen angebrachte Rohrregister. Diese Anordnung erfordert wegen der verhältnismässig kleinen Wärmeübergangs zahl vom Rauchgas an das Heizwasser grosse Wärmeaustauschflä- chen. Dazu kommt als weiterer Nachteil, dass sich die Luft- verteilung dem zeitlichen und ortlichen Ablauf des '7er- brennungsvorganges nur begrenzt anpassen lässt. Ebenso wirkt sich die hohe Schadstoffemission nachteilig aus, da sie entweder zum Einsatz hochwertiger Brennstoffe zwingt oder zu einer hohen Umweltbelastung führt. Es sind weitere Dampfkessel mit Wirbelschichtfeuerung bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Hochleistungsfeuerung für Heizkraftwerke, z. B. Fiir Fernwärme, oder (;ro"- kraftwerke zur Stromerzeugung. Bei diesen Dampfkesseln werden Kohle und Kalkstein in einem Luftstrom dosiert und in die Wirbelschicht eingeblassen. Die Verbrennungsluft durchströmt die Wirbelschicht; diese durch die Verbrennung entstehende Wärme wird durch dick angeordnete Heizrohre abgeführt. Das Abgas, das noch etwa die Temperatur der Hirbel- schicht hat, wird durch konventionelle, im Gasraum ange- brachte Konvektions-Heizbündel abgekühlt. Der erzeugte Dampf wird einem konventionellen Dampfturbinenprozess zur Stromerzeugung zugeführt. Das Abgas wird vom mitgeführten Staub befreit, der erneut der Wirbelschicht zugeführt wird, da er meist noch einen kleinen Teil an unverbranntem Kohlenstof. enhält (Glückauf 114 (1978) Nr. 3, Seite 142/147). Diese Wirbelschichtfeuerungen befinden sich aber noch in der Entwicklung und haben sich grosstechnisch noch nicht durchgesetzt. In den Heizungsbau hat die Wirbelschichttechnik noch keinen Eingang gefunden. Ein Grund mag die Trägheit diese @@@ rungsart sein, sich einem rasch wechselnden Wärmebedarf anzupassen. Dieser Umstand rührt daher, dass bei den bekannten Wirbelschichtfeuerungen der Dampf für den Dampfturbinenprozess in den ständig in die Wirbelschicht eintauchenden Rohrbündeln erzeugt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zuarunde, eine unweltfreund- liche und flexible Wirbelschichtfeuerung fr Zentralheizungs- kessel zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgem.ss dadurch gelöst, dass sich der im Heizkessel angeordnete Wärmetauscher im Ruhezustand der Wirbelschicht ganz oder zum gr8ssten Teil oberhalb des ruhenden Wirbelschichtmaterials befindet. Durch diese Anordnung des beispielsweise als Rohrbündel ausgebildeten Wärmetauschers lässt sich die Wirbelschichtfeuerung rasch einem sich ändernden Wärmebedarf anpassen und kann somit über einen grossen Lastbereich geregelt werden. Ausserdem kann bei geringem Wärmebedarf, etwa bei der Nachtabsenkung, eine Überhitzung und Verdampfung des Heizwassers vermieden werden. Die Erfindung nutzt den Umstand aus, dass sich das Volumen des Wirbelschichtmaterials bei der Fluidislerung gegenüber dem Ruhezustand bis zu etwa 40 % ausdehnt. Die Anordnung des Wär- metauschers in dieser Expansionszone der Wirbel schicht bewirkt, dass der Wärmetauscher bei Absperren der Verbrennunqs- luft, die gleichzeitig der Fluidisierung des t'7irbelschichtma.- terials dient, zum grössten Teil aus dem Wirbelschichtmaterial auftaucht. Dadurch wird verhindert, dass das Heizumgwasser im Wärmetauscher im Puhezustand der Wirbelschicht verdampft. Durch eine geeignete Isolierschicht des Hezikessels wird e- doch sichergestellt, dass das Wirbelschichtmaterial auch bei einem längeren Ruhezustand auf hoher Temperatur qehalten wird. Der Wärmetauscher wird erfindungsgemss ganz oder zu grössten Teil waagerecht oder senkrecht in Heizkessel oberhalb des ruhenden Wirbelschichtmaterials angeordnet. Es werden deshalb zur Wärmeübertragung von Wirbelschichtmaterial auf einen Wasserkreislauf erfindungsgemäss Rohrbündel oder Wärmerohre (Heat Pipes) verwendet. t'tichtig ist, dass die Wärmeübertragung nur im aufgewirbelten Zustand stattfindet. Der Heizkessel kann rund oder rechteckig sein. Die heissen Abgase werden im reiraum über der Wirbelschicht mittels eines Konvektionswärmetauschers abaekühlt. Dieser Wärmetauscher kann z. B. als Rohrbündel-, Platten- oder Taschenwärmetauscher ausgebildet sein. Zur Regelung der Feuerung weist der Heizkessel erfindungs- gemäss einen konischen oder stufenförmigen Anströmboden mit jeweils einem waaaerechten Abschnitt in der Spitze auç. Dabei ist der Anströmboden in mehrere Anströmabschnitte unterteilt, denen Drosselklappen zur Regelung des Verbrennungsluftstromes zugeordnet seind. In diesem Fall ist erfindungsgemäss ein kleiner Teil des 17ärmetauschers bei einem konischen oder stufenför- migen Anströmboden mäanderartig nach unten zur Spitze des ar.- strömbodens geführt. Ausserdem sind zur Regelung der Wierbelschichthöhe in den verschiedenen Lastzuständen ein oder mehrere Überlaufrohre mit Absperrschiebern oder -ventilen in unterschiedlicher Höhe am Heizkessel angeordnet. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Wirbelschicht- feuerung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden unter besonderer Berücksichtigung der w.egelmechanismen beirrt Hoch- und Herunterfahren des Heizkessels näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 eine Wirbelschichtfeuerung mit waagerechtem Anström- boden im Längsschnitt: Fig. 2 eine Wirbelschichtfeuerung mit konischem znstromb den im Längsschnitt; Fig. 3 eine Wirbelschichtfeuerung mit stufenförmigen Anström- boden im Längsschnitt und Fig. 4 eine Wirbelschichtfeuerung mit Wärmerohren (Heat-Pipes) als Wärmetauscher im Längs schnitt. Nach Fig. 1 besteht die erfindungsgemässe irbelschichtfeuerunq aus einem Heizkessel 1, in dem oberhalb einer Verteilerkammer 2 ein waagerechter Anströmboden 6 angeordnet sit. Feinkohle und evtl. gemahlener Kalkstein werden in einem Förderluftstrom dosiert und durch Leitung 4 der Wirbelschicht zugefhrt, whrend die Verbrennungsluft, die das Wirbelschichtmaterial durchströmt und dabei fluidisiert, der Verteilerkammer 2 durch das Rohr 3 zugeführt wird. Oberhalb des ruhenden Wirbelschichtmaterials ist ein wasserdurchflossener Wäemetauscher 7 so angebracht, dass er nur im Wirbelzustand des Materials in die Wirbelschicht eintaucht. Die Wirbelschichthöhe wird mit einem Überlaufrohr 11, durch das die Asche abfliesst, auf konstanter Höhe gehalten. Durch den Wärmetauscher 7 wird die durch die Verbrennung entstehende t < ?.ärme abqeffihrt. Das Abgas, das noch etwa die Temperatur der Wirbelschicht hat, wird durch im Gasraum angebrachte Konvektions-Heizbündel 8 abgekühlt und verlässt den Heizkessel 1 durch den Abzua 5. Fig. 2 zeigt einen besser regelbaren Heizkessel, bei dem im Heizkessel 1 ein konischer Anströmboden 9 mit einem waagerechten Bodenteil angeordnet ist. Der Anströmboden 9 ist durch mit der Verteilerkammer 2 verbundene Zwischenwände 9a in einzelne Abschnitte aufgeteilt, in denen der Luftstrom mittels Drosselklappen 10 getrennt geregelt werden kann. Der Wärmetauscher 7 ist bei dieser Ausführungsform mäanderartig bis an den Boden geführt worden. Die Höhe der Nirbelschicht wird durch ein System von in unterschiedlicher Hne angebrach- ten Überlaufrohren 11, die mit Absperrschiebern oder -ventilen 12 versehen sind, dem jeweiligen Leistunqsbedarf angepasst. Auf diese Weise ist der Wärmetauscher 7 so angebracht, dat er in der untersten Laststufe im Ruhezustand der Wirbelschicht eben- falls oberhalb des Wirbelschichtmaterials lieat. Bei einem solchen mehrstufigen Wirbelschichtheizkessel werden zum Hochfahren des Kessels von der niedrigsten zur höchsten Laststufe die Absperrschieber 12 der Überlaufrohre 11 geschlossen, ausgenommen der Absperrschieber 12, der zu der gewünschten Laststufe gehört. Durch eine Steigerung der bisherigen Brennstoffzufuhr wächst dann die Hohe der Wirbel- schicht, bis sie das offene Überlaufrohr 11 erreicht. lit der Erhöhung der Brennstoff zufuhr wird gleichzeitig auch die Zufuhr an Verbrennungsluft durch das Rohr 3 erhöht. Beim Brrei- chen einer bestimmten Höhe öffnen sich die vorher geschlossenen Drosselklappen 10, und zwar von innen nach aussen, wodurch eine stufenweise Vergrösserung des Anströmbodens und damit trotz höherem Luftdurchsatz eine konstante Anstr-,mseschwin- digkeit erreicht wird. Das Herunterfahren auf eine niedrigere Laststufe kann auf zweierlei Weise erfolgen. Beim langsamen Herunterfahren, verläuft das Regeln in umgekehrter Peihenfolge wie beim Hochfahren, das heisst, die Absperrschieber 12 der t'berlaufrohre 11 werden nacheinander von oben nach unten geoffnet und die Brennstoff- und Luftzufuhr wird langsam zurückgenommen. Beim schnellen Herunterfahren des Heizkessels werden mehrere oder alle Absperischieber 12 der twberlaufrohre 11 gleichzeitig geöffnet und die Brennstoff- und Luftzufuhr wird schnell gedrosselt. Eine gute Isolierung 14 sorgt beim Heizkessel 1 dafür, dass er-in diesem Zustand, bei spielsweise bei der Nacht absenkung, nicht zuviel Wärme verliert. Beim Anfahren des Heizkessels kann aus den tberlauzrohren 11 abgelassenes Wirbelschictmaterial, im wesentlichen Asche und gegebenenfalls Sand oder anderes InertmaterJal, vorge- legt werden. Dieser Sand wird je nach der Betriebsdauer des Heizkessels nach und nach gegen Asche ausgetauscht sein. Der in Fig. 3 dargestellte Heizkessel mit einem stufenfrmi- gen Anströmboden 13 stellt eine Variant des Heizkessels nach Fig. 2 dar. Auch bei dieser Ausführung des Heizkessels besteht die Möglichkeit, den Kessel mit verschiedenen Laststufen zu fahren. Nach Fig. 4 ist der Wärmetauscher 7 des Heizkessels 1 durch Wärmerohre 7a (Heat-Pipes), deren untere Enden bis in die Expansionszone der Wirbelschicht reichen, in l7erbindung mit einem Wasserkasten 15 ausgebildet, in den die oberen Enden der Wärmerohre 7a (Heat-Pipes) reichen. Beim Betrieb der Wir- belschicht verdampft die im unteren Teil der Wärmerohre 7a befindliche Flüssigkeit. Der Dampf steigt in den rohren nach oben und kondensiert am oberen kälteren Ende wieder. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme heizt das im Wasserkasten 15 befindliche Heizwasser auf. Die Anwendung der Wirbelschicttechnik auf Heizkessel brinqt wegen des grossen Wärmeübergangswertes in der Wirbelschicht den Vorteil, daE man eine Verkleinerung der Wärmetauschilacher vornehmen kann. Ausserdem kann ein grossen Teil des Brennstoff- schwefels durch zugabe von Kalkstein, der mit der table Förderluftstrom in die Feuerung eingebracht wird, in der Wirbelschicht gebunden werden. Der entstehende Gits wird mit der Asche aus der Feuerung ausgetragen. Die vergleichs- weise niedrigen Temperaturen in der Wirbelschichtfeuerung reduzieren zudem die Bildung von Stickoxiden. Somit ist der Wirbelschichtkessel wesentlich umweltfreundlicher als die herkömmlichen Heizkessel.

Claims: Wirbelschichtfeuerung für Zentralheizungskessel Patentansprüche 1. Wirbelschichtfeuerung für Zentralheizungskessel mit fein körnigen festen Brennstoffen mittels einer auf einem .n- strömboden befindlichen Wirbelschicht, dadurch aekennzeich net, dass sich der im Heizkessel (1) angeordnete Wärmetau- scher (7) im Ruhezustand der Wirbelschicht ganz oder zum grössten Teil oberhalb des ruhenden Wirbelschichtmaterials befindet. 2. Feuerung nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, das der Wärmetauscher (7) waagerecht oder senkrecht im Heizkessel (1) angeordnet ist. 3. Feuerung nach anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) durch Wärmerohre (Heat-Pipes) ausgebildet ist. 4. Feuerung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkessel (1) einen konischen Anströmboden (9) oder stufenfçrmigen Anströmboden (13) mit jeweils einem waagerechten Abschnitt in der Spitze ausweist. 5. Feuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) bei einem konischen oder stufenför- migen Anströmboden (9) oder (13) mäanderartig nach unten zur Spitze des Anströmbodens geführt ist. 6. Feuerung nach Anspruch 4 und 5, dadurch aekennzeichnet, dass der Anströmboden (9) oder (13) in mehrere Anströmab- schnitte unterteilt ist, denen Drosselklappen (10) zuqe- ordnet sind. 7. Feuerung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch qekennzeichnet, dass ein oder mehrere Oberlauçrohre (11) mit Absperrschie- bern oder -ventilen (12) in unterschiedlicher Höhe m Heizkessel (1) angeordnet sind. 8. Feuerung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch qekennzeichnet, dass der Heizkessel (1) mit einer Wärmeisolierschicht (14) versehen ist.

Inventors: LAMMERMANN, WALTER, SCHILLING, HANS-DIETER, DR.
Applicants: BERGWERKSVERBAND GMBH
Application year: 1979
Main classification: F23C11
IPC codes: F24H1, B01J8, F24H9, F23C10, F22B31