DE102005009274B3

DE102005009274B3 - Reinigungsverfahren für einen Verbrennungsraum und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005009274B3
Application number: DE102005009274A
Authority: DE
Inventors: Dan Stamm; Detlef Wille
Original assignee: Stamm Dan Dipl-Ing; Wille Detlef Dipl-Ing
Current assignee: Standardkessel Baumgarte GmbH
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-02-26
Also published as: EP1703205A1; ATE413569T1; DE502006001963D1; EP1703205B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reinigungsverfahren für Verbrennungsanlagen mit wenigstens einer Brennkammer (3) zur Nachverbrennung von Verbrennungsgasen, bei denen zumindest ein Luftstrahl (6) in die Brennkammer (3) eingeblasen wird, um durch eine Verwirbelung der Verbrennungsgase die Nachverbrennung zu verbessern. Erfindungsgemäß wird dem Luftstrahl (6) ggf. zeitweise ein Drall (11) vermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reinigungsverfahren für Verbrennungsanlagen mit einem Feuerraum und mit wenigstens einem Nachbrennraum zur Nachverbrennung von Verbrennungsgasen, zum Beispiel in Müllverbrennungsanlagen, bei denen zumindest ein Luftstrahl in die Brennkammer eingeblasen wird, um durch eine drallförmige Verwirbelung der Verbrennungsgase die Nachverbrennung zu verbessern, eine Dralldüse und ihre Verwendung, eine Steuereinrichtung, ein Computerprogrammprodukt und weiterhin eine Drallerzeugungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine entsprechende Verbrennungsanlage ist aus der DE 196 137 77 C2 bekannt. Darin wird außerdem ein Nachverbrennungsverfahren angegeben, mit dem ein homogenes, vollständig verbranntes Abgas erzeugt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verbrennungsanlage, die insbesondere für eine Rostfeuerung mit festen Brennstoffen oder Müll vorgesehen ist, im Bereich zwischen dem Feuerraum und dem Nachverbrennungsraum mit in mindestens zwei benachbarten horizontalen Ebenen angeordneten Einströmdüsen ausgestattet ist. Die Einströmdüsen sind in mindestens einer Ebene im Bereich der Ecken der Wandabschnitte angeordnet, mit denen nahe jedem benachbarten ebenen Wandabschnitt ein nahezu paralleler Strom etwa tangential mit einer hohen Geschwindigkeit zu einem Querschnittkreis eingeblasen werden kann. Durch diese Anordnung der Düsen wird ein stehender Wirbel der Verbrennungsgase im Nachverbrennungsraum erzeugt, der zu einer sehr intensiven Durchmischung der Rauchgase mit sauerstoffhaltiger Luft oder einem Luft-Abgas- oder Luft-Dampf-Gemisch (so genannte Sekundärluft) führt. Sie bewirkt eine gleichmäßige Strömungs- und Temperaturverteilung und folglich eine vollständige Nachverbrennung.

Die Einströmdüsen sind zudem als Dralldüsen ausgeführt, die dem eingespritzten Medium einen Drall aufprägen. Der Drall bewirkt eine geringfügige Aufweitung des eingeblasenen Strahls und führt dazu, dass die Rauchabgase stärker in den Strahl eingesogen werden, so dass sich die Vermischung von eingeblasener Luft und Rauchgasen noch weiter verbessert. Die Aufweitung des Strahls darf jedoch nur gering sein, etwa 20 Grad, da nur so die für eine wirksame Vermischung erforderliche Eindringtiefe des Strahls gewährleistet werden kann.

Durch die während der Nachverbrennung von der Kesselwand herabfallenden Schlacken bilden sich im Bereich der Austrittsöffnungen der Einströmdüsen an der Kesselwand Ablagerungen, die den Strahl aus den Einströmdüsen zum Beispiel durch Ablenken stören und so die Funktion der Einströmdüsen erheblich behindern. Denn die Ablagerungen setzen sich kegelförmig um die Austrittsöffnung herum an und schnüren im Verlauf der Zeit einen verbleibenden Einströmkanal vor den Düsen immer weiter zu. Die Verringerung des Eintrittsquerschnitts der Einströmdüsen reduziert ihre Wirkung, denn dadurch kann immer weniger eingeblasene Luft in den Rauchgasstrom eindringen und sich mit ihm vermischen. Darunter leidet die Qualität der Nachverbrennung. Die unvollständige Nachverbrennung beschleunigt wiederum die Bildung von Schlacken, deren Ablagerung um die Einströmdüsen herum sich weiter beschleunigt. Die Verschlechterung der Nachverbrennung fördert also einen sich selbst beschleunigenden Verschmutzungsprozess.

Die Entfernung dieser Ablagerungen kann einerseits nach Abstellen des Kessels im kalten Zustand manuell oder mechanisch erfolgen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schlacke bereits ausgehärtet. Durch den zur Zertrümmerung der ausgehärteten Schlacke erforderlichen Krafteinsatz wird ihre Entfernung besonders kostenintensiv und kann mit einer Beschädigung der Kesselverkleidung einhergehen. Daher ist man beim Betrieb der Verbrennungsanlage geneigt, die Reinigungsintervalle möglichst groß zu wählen.

Andererseits kann die Schlackenablagerung im laufenden Betrieb mittels eines scharfen Wasserstrahls beseitigt werden. Das Wasser wird mit Wasserlanzen und zum Beispiel lasergesteuert zu den Ablagerungen dirigiert. Dieses Reinigungsverfahren kann zwar während des Betriebs des Verbrennungsofens durchgeführt werden, ist aber kostspielig.

In der DE 90 07 627 U1 und der DE 1 401 853 A1 sind Brenner offenbart, bei denen drallbeaufschlagte Luft zusammen mit dem Brennstoff bzw. an einer Brennermündung eingeblasen wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Reinigungsverfahren zu ermöglichen, das während des Betriebs eines Verbrennungsofens durchgeführt werden kann, nur einen geringen Aufwand erfordert und daher kostengünstig ist. Weiterhin sollen für die Durchführung des erforderlichen Verfahrens geeignete Einrichtungen angegeben werden.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Reinigungsverfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem dem in einem Verbrennungsraum eingeblasenen Luftstrahl zeitweise ein gegebenenfalls zusätzlicher Drall aufgezwungen wird. Sofern der eingeblasene Luftstrahl bereits einen Drall zum Zweck der besseren Vermischung aufgeprägt bekommt, wird der Drall zu Reinigungszwecken also zusätzlich erzeugt. Ansonsten dient die Drallerzeugung ausschließlich Reinigungszwecken. Die Erfindung wendet sich also davon ab, die Reinigung als separaten Vorgang mit einem zusätzlichen Mitteleinsatz vom Verbrennungsraum aus zu betreiben. Sie verfolgt vielmehr das überraschend einfache Prinzip, das Reinigungsverfahren mit ohnehin für die Nachverbrennung notwendigen Einrichtungen durchzuführen. Dafür sind keine nennenswerten konstruktiven Modifikationen der Anlage erforderlich.

Dralldüsen, die bei einem eingeblasenen Luftstrahl einen Drall verursachen können, weisen wenigstens einen Anschluss an einem Düsenabschnitt auf, dessen Längsachse rechtwinklig zu einer Längsachse des Düsenabschnitts angeordnet ist. Der Anschluss trifft tangential auf den Innenumfang des Düsenabschnitts auf. Durch den Düsenabschnitt hindurch ist ein flüssiges oder gasförmiges Medium in den Düsenabschnitt einleitbar. Im Allgemeinen wird dafür so genannte Sekundärluft eingesetzt. Im Betrieb wird sie unter hohem Druck durch den Düsenabschnitt hindurch geleitet. Zugleich wird im Wesentlichen rechtwinklig dazu und unter Druck ein flüssiges oder gasförmiges Medium über den Anschluss zugeführt.

Die Strömungscharakteristik in dem Düsenabschnitt in einem Bereich stromab des Anschlusses ergibt sich zum einen aus der Richtung der strömenden Medien, die konstruktiv vorgegeben ist. Einen weiteren Einfluss stellen die Durchtrittsquerschnitte des Düsenabschnitts und des Anschlusses dar. Auch sie sind durch die Konstruktion fest vorgegeben. Allein variabel bleiben die Drücke, mit denen die eingeblasene Luft durch den Düsenabschnitt bzw. das Medium durch den Anschluss in den Düsenabschnitt eingepresst werden. Je größer der Druck des eingepressten Mediums im Verhältnis zu dem Druck der eingeblasenen Luft ist, umso größer fällt auch der Drall aus, der den eingeblasenen Luftstrahl erfährt. Je größer dieser Drall ist, umso größer ist die auf den Luftstrom wirkende Fliehkraft, die die Gasmoleküle des Luftstroms rechtwinklig zur Strömungsrichtung abtreibt. Je größer also die Fliehkraft ist, umso größer ist auch der Verbreitungswinkel des als Freistrahl in den Brennraum eintretenden Luftstroms.

Bei einem konstanten Druck, mit dem die Luft in den Verbrennungsraum gelangt, kann also der Verbreitungswinkel seines Freistrahls mit geringem Aufwand durch die Variation des Druckes an dem Anschluss variiert werden.

Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zunutze, um das Reinigungsverfahren der Austrittsöffnungen mittels der Dralldüsen durchzuführen. Die Erzeugung des aufgeprägten Dralls wird dazu so bemessen, dass der Luftstrahl, der im Normalfall in einem Freistrahlkegel mit bestenfalls einem geringen Verbreitungswinkel von etwa 20 Grad in den Verbrennungsraum eintrifft, eine Aufweitung um ein Vielfaches dieses Winkels erfährt. Die Strahlaufweitung führt dazu, dass der Strahl unerwünschte Ablagerungen im Mündungsbereich mit sich fort reißt und für die Dauer der Strahlaufweitung die Bildung neuer Ablagerungen verhindert. Die Erfindung setzt außerdem den Umstand vorteilhaft für sich ein, dass die schlackenhaltigen Ablagerungen zu diesem Zeitpunkt noch nicht erkaltet und ausgehärtet sind, ihre Entfernung also mit vergleichsweise geringerem Aufwand möglich ist. Das Reinigungsverfahren kann folglich während des Betriebs der Verbrennungsanlage durchgeführt werden. Die Reinigungswirkung mittels Drallerzeugung in der eingeblasenen Luft lässt sich mit geringem Aufwand durch lediglich eine Steuergröße steuern, nämlich den Druck des eingeblasenen Mediums. Damit lässt sich das Reinigungsverfahren problemlos den aktuellen Erfordernissen im Verbrennungsraum, zum Beispiel dem Fortschritt der Ablagerungen, anpassen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erzeugung des Dralls Pressluft und/oder Wasser tangential in den Luftstrahl eingeblasen. Das Einleiten von Pressluft stellt die konstruktiv einfachste Variante zur Drallerzeugung dar, weil sie einfach erhältlich ist und damit jederzeit zur Verfügung steht. Die Pressluft muss lediglich über den Anschluss in den Düsenabschnitt eingeblasen werden.

Durch die Zugabe oder den alleinigen Einsatz von Wasser zur Drallerzeugung kann die Reinigungsleistung des mit einem Drall beaufschlagten Luftstromes noch erhöht werden. Aufgrund seiner höheren Dichte bewirkt er eine bessere Abrasion. Bei Eintritt des Wassers in den etwa 1000° C heißen Verbrennungsraum verdampft es außerdem schlagartig und kann dadurch zusätzlich Schlacketeile lockern und mit sich fortreißen. Das eingeblasene Wasser befindet sich dabei vorteilhafterweise quasi in einem Mantelbereich des Sekundärluftstromes und damit an dessen Grenzfläche zu den Ablagerungen im Mündungsbereich der Sekundärluftdüse und kann damit – wie auch durch seine höhere Dichte – die Ablagerungen effektiv beseitigen.

Um die Ablagerungen um die Luftdüsen herum bei der Reinigung zuverlässig zu erfassen, erfährt der Luftstrahl nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch den Drall eine Aufweitung auf einen Verbreitungswinkel von mindestens 70 Grad, vorzugsweise auf etwa 110 bis 150 Grad. Je größer der Verbreitungswinkel eingestellt werden kann, umso mehr Ablagerungen können erfasst werden. Der zugehörige Reinigungsvorgang erzielt damit einen umso größeren Erfolg. Damit verringert sich der Bedarf für weitere Reinigungsvorgänge bzw. es vergrößert sich das Intervall bis zum nächsten Reinigungsvorgang. Dies kommt einem wirtschaftlichen Betrieb der Verbrennungsanlage zugute. Andererseits kann sich dadurch ggf. der Reinigungsvorgang an sich, also die Zeitdauer der Drallerzeugung zu Reinigungszwecken, verlängern. Denn die Beseitigung größerer Mengen an Ablagerungen kann auch entsprechend mehr Zeit in Anspruch nehmen. Das Reinigungsverfahren wird folglich von den beiden Größen „Verbreitungswinkel" und „Häufigkeit" bzw. „Zeitdauer" bestimmt. Das wirtschaftliche Optimum zwischen Verbreitungswinkel und Häufigkeit der Reinigung kann iterativ oder empirisch ermittelt oder auf der Grundlage von aktuell erfassten Messwerten eingestellt werden.

Je mehr der Verbreitungswinkel zunimmt, umso geringer ist die Eindringtiefe des Luftstrahls in den Verbrennungsraum. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Reinigungsverfahrens wird der Drall während des Betriebs der Verbrennungsanlage daher für nur kurze Zeit und/oder in periodisch wiederkehrenden Abständen erzeugt. Damit wird sichergestellt, dass die Qualität der Nachverbrennung infolge einer eingeschränkten Verwirbelung der Verbrennungsabgase und deren vorübergehend schlechteren Versorgung mit Luftwährend des Reinigungsvorgangs nicht leidet. Die Nachverbrennung bietet trotz der kurzen Intervalle einer eingeschränkten Verwirbelung ein besseres Ergebnis als bei einer zunehmend schlechter werdenden Versorgung des Nachverbrennungsraums mit Luft infolge Zusetzens der Dralldüsen durch Ablagerungen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Erzeugung des Dralls in Abhängigkeit vom Zeitablauf und/oder von einer Menge an eingeblasenen Luft und/oder von der Mächtigkeit der zu beseitigenden Ablagerungen gesteuert. Bei einer gleichmäßigen und im Zeitablauf homogenen Verbrennung können entweder der Zeitablauf oder die Menge an eingeblasener Luft als Maß für den Fortschritt von Ablagerungen an der Eintrittsöffnung der Luftdüse verwendet werden. Daher können die Reinigungszyklen mittels Drallerzeugung in Abhängigkeit von der Menge an eingeblasener Luft gesteuert werden. Einrichtungen, die den Fortschritt der Verschmutzung erfassen, sind dann entbehrlich. Ist die Verbrennung im Zeitablauf jedoch inhomogen, bilden sich also die Ablagerungen am Mündungsbereich der Luftdüse nicht stetig, so kann es notwendig sein, den Reinigungszyklus nach der tatsächlich auftretenden Mächtigkeit der Ablagerungen zu steuern. Dann werden geeignete Messeinrichtungen zur Erfassung der Mächtigkeit der Ablagerungen angeordnet. Jedenfalls hat die Steuerung der Reinigungszyklen das Ziel zu verfolgen, so selten wie nötig dem Luftstrom einen Drall zu Reinigungszwecken aufzuzwingen, weil dadurch die Eindringtiefe des Luftstroms und damit dessen positiver Einfluss auf die Nachverbrennung reduziert wird, allerdings nur vorübergehend.

Zur Durchführung des erfinderischen Reinigungsverfahrens sind Dralldüsen erforderlich. Anders als die bekannten Dralldüsen, bei denen der Drall mittels eines radial eingeblasenen Mediums erzeugt wird, können alternative Dralldüsen Leiteinrichtungen umfassen, die in einem Düsenabschnitt der Dralldüse angeordnet sind. Sie sind mit dem Luftstrahl beaufschlagbar und bieten ihm einen gewissen Widerstand in Strömungsrichtung, indem sie ihn wenigstens teilweise aus seiner ursprünglichen Strömungsrichtung ablenken. Dadurch vermitteln sie dem Strahl einen Drall. Je nach beabsichtigter Intensität des Dralls können sie in der Strömungsrichtung des Luftstrahls länger oder kürzer verlaufen und/oder mehr oder weniger tief in den Luftstrahl hineinragen und/oder mehr oder weniger steil gegenüber der Richtung des Luftstrahls angestellt sein. Jedenfalls zwingen sie dem auf sie treffenden Luftstrom eine andere Richtung auf, womit dem Luftstrahl ein entsprechender Drall vermittelt wird. Die Leiteinrichtungen können zum Beispiel nach der Art von Zügen in Gewehrläufen oder in der Form von Leitblechen ausgestaltet sein, vergleichbar etwa mit den Schaufeln einer Turbine. Eine Drallerzeugung mittels dieser Leiteinrichtungen stellt eine konstruktiv sehr einfache Ausführungsform einer Dralldüse dar.

Ein Drall zur Reinigung der Eintrittsöffnung der Dralldüsen von Ablagerungen braucht nur zeitweise erzeugt zu werden. Eine Drallerzeugungseinrichtung zum Einleiten eines drallbeaufschlagten Luftstrahls in einen Brennraum, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens, umfasst eine Dralldüse und eine Verstellvorrichtung zur Verstellung der Leiteinrichtungen. Durch das Verstellen der Leiteinrichtungen wird deren Ablenkwirkung, die sie dem Luftstrahl aufzwingen, verändert. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Leiteinrichtungen Bestandteil eines Schaufelrades, das in dem Düsenabschnitt um dessen Längsachse drehbar angeordnet ist und dessen Drehung hemmbar ist. Durch die drehbare Ausgestaltung des Schaufelrades kann dessen drallerzeugende Wirkung auf den Luftstrom nahezu unterbunden werden, wenn die Drehung des Rades nicht verhindert wird. Ist jedoch der Drall im eingeblasenen Luftstrom erwünscht, so wird die Drehung des Schaufelrades abgebremst, so dass die Leiteinrichtungen dem Luftstrom einen Widerstand entgegensetzen und ihn aus seiner ursprünglichen Richtung ablenken. Dadurch bekommt der Luftstrom einen Drall aufgezwungen. Die dreh- und hemmbare Anordnung des Schaufelrades stellt die Verstellbarkeit der Leiteinrichtungen dar. Zugleich bietet sie eine vorteilhafte Steuerung der Drallerzeugung. Denn je stärker die Drehung des Schaufelrades gehemmt wird, je mehr dessen Leiteinrichtungen also den Luftstrom ablenken, umso stärker bildet sich der dem eingeblasenen Luftstrom aufgezwungene Drall aus. Das Schaufelrad füllt dabei nicht zwingend den gesamten Durchtrittsquerschnitt des Düsenabschnitts auf. Es kann genügen, dass die Leiteinrichtungen nur in einem Randbereich am Innenumfang des Düsenabschnitts angeordnet sind. Das Schaufelrad hat dann die Gestalt eines Ringes, der am Innenumfang des Düsenabschnitts verläuft, von dem aus Leiteinrichtungen in Richtung auf die Längsachse des Düsenabschnitts bzw. auf die Drehachse des Schaufelrades abstehen.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die verstellbaren Leiteinrichtungen in dem Düsenabschnitt ortsfest und drehbar um Achsen gelagert angeordnet sein, die bezüglich des Düsenabschnitts radial verlaufen. Zur Drallerzeugung werden die Leiteinrichtungen verdreht werden, so dass sie dem Luftstrom einen Widerstand bieten und ihm in der oben beschriebenen Weise einen Drall aufzwingen. Zur Vermeidung des Dralls werden sie parallel zum Luftstrom gestellt, so dass sie ihn nicht ablenken.

Je näher die Mittel zur Erzeugung des Dralls an der Mündungsöffnung der Düse im Bereich der Kesselwandung angeordnet sind, umso effektiver ist ihre Wirkung. Dennoch sind die Mittel vorteilhafterweise in einem Bereich außerhalb des Verbrennungsraumes vor der Kesselwandung angeordnet. Diese Anordnung erleichtert die Wartung bzw. Reparatur, die dann auch während des Betriebs der Verbrennungsanlage unter vorübergehender Abschaltung der jeweiligen Düse durchgeführt werden kann. Außerdem unterliegen die Mittel zur Erzeugung des Dralls in einem Bereich außerhalb des Verbrennungsraumes weniger den schädigenden Hitzeeinflüssen.

Bekannte Dralldüsen zum Eindüsen von Luft in einen Verbrennungsraum umfassen an einem Düsenabschnitt Anschlüsse für Pressluft, wobei die Pressluft rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Luftstroms und tangential an den Innenumfang des Düsenabschnitts eingeleitet wird. Die Pressluft wird außerdem im Wesentlichen kontinuierlich und mit konstantem Druck eingeblasen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient eine Drallerzeugungseinrichtung zum Eindüsen eines drallbeaufschlagten Luftstrahls in einen Brennraum einer Verbrennungsanlage insbesondere zur Durchführung des vorgenannten Reinigungsverfahrens. Sie umfasst eine Dralldüse mit einem Anschluss zum tangentialen Eindüsen eines Mediums in den Luftstrahl und ein steuerbares Ventil, mit dem das Eindüsen des Mediums steuerbar ist. Mit der Drallerzeugungseinrichtung kann der dem eingeblasenen Luftstrahl aufgeprägte Drall verändert werden. Damit lassen sich einerseits der Verbreitungswinkel des Luftstrahls im Brennraum und andererseits die Eindringtiefe des Luftstrahls in den Brennraum steuern. Für das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren ist die Steuerung des Verbreitungswinkels von Bedeutung, mit der die Größe des Dralls zum einen dem erforderlichen Reinigungsumfang angepasst und zum anderen zum Zweck der besseren Vermischung des Luftstrahls mit den Rauchgasen aufgebracht oder abgestellt werden kann. Das erfinderische Reinigungsverfahren kann folglich auch unter Verwendung bekannter Dralldüsen durchgeführt werden.

Die weitere Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Steuereinrichtung zur Durchführung eines Reinigungsverfahrens gelöst, die einen Messwerteeingang zum Empfang von Messwerten bezüglich der abgelaufenen Zeit und/oder der Menge an eingeblasener Luft und/oder bezüglich der Mächtigkeit von Ablagerungen an Wandungen der Brennkammer, eine Speichereinrichtung zur Speicherung der Messwerte, eine Parameterermittlungseinheit zur Ermittlung eines Steuerparameters zur Beeinflussung der Zeitdauer der Erzeugung eines Dralls und/oder der Größe seines Verbreitungswinkels und einen Parameterausgang zur Ausgabe des Steuerparameters an eine Drallerzeugungseinrichtung aufweist. Die Drallerzeugungseinrichtung umfasst einen Dralldüse zum Durchströmen mit einem Luftstrahl mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Dralls, der dem durch den Dralldüse strömenden Luftstrahl aufgeprägt wird. Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann im Wesentlichen aus elektronischen Bauteilen bestehen. Sie kann insbesondere auch als ein Modul Bestandteil der ohnehin für die gesamte Verbrennungsanlage benötigten Steuereinrichtung sein. Solche Steuereinrichtungen für Verbrennungsanlagen sind heute im Allgemeinen mit einem programmierbaren Mikroprozessor ausgebildet. Die Parameterermittlungseinheit kann dann vorteilhaft in Form von Software auf dem Mikroprozessor implementiert sein.

Ein Lösungsmittel der Erfindung stellt daher auch ein Computerprogrammprodukt dar, das direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuerungseinrichtung für eine Drallerzeugungseinrichtung ladbar ist und Programmcodemittel umfasst, um das vorher beschriebene Reinigungsverfahren auszuführen, wenn das Programmprodukt in die Steuereinrichtung geladen wird. Dies kann zum Beispiel im Rahmen einer Aktualisierung der Programmierung der Steuereinrichtung (sog. Update) erfolgen, indem das Computerprogrammprodukt in deren Speicher überspielt wird.

Eine Reinigungseinrichtung zur Erzeugung eines temporären und/oder periodisch wiederkehrenden Dralls, mit einem vorher beschriebenen Dralldüse und einer vorzugsweise programmierbaren Steuereinrichtung kann nicht nur bei Müllverbrennungsanlagen zum Einsatz kommen, sondern auch überall dort, wo Luft in Rauchgase aus einem Verbrennungsprozess eingeblasen wird und der Luftzutritt durch Schlackenbildung behindert wird, beispielsweise in Hochöfen.

Das Prinzip der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Sekundärluftdüse nach dem Stand der Technik mit Ablagerungen,

2 eine Sekundärluftdüse mit Dralleinrichtung,

3 Ablagerungen vor einer Sekundärluftdüse mit Dralleinrichtung und

4 eine Dralleinrichtung im Querschnitt nach 2.

Eine Sekundärluftdüse 1 nach dem Stand der Technik ragt durch eine Kesselwandung 2 in einen Verbrennungsraum 3 hinein. Verbrennungsraumseitig schließt sie bündig mit einer Ausmauerung 4 ab, die die Kesselwandung 2 gegenüber dem Verbrennungsraum 3 abschirmt. Durch die Sekundärluftdüse 1 wird Sekundärluft in den Verbrennungsraum 3 eingeblasen, um einen stehenden Wirbel in den dort aufsteigenden Rauchgasen zu erzeugen. Sie wird durch eine Mündung 5 der Sekundärluftdüse 1 hindurch eingeblasen. Stromab der Mündung 5 bildet sich ein Strahlkegel 6, der sich in den Verbrennungsraum 3 hinein aufweitet. Die Aufweitung des Strahlkegels 6 resultiert aus einer Abbremsung der äußeren Strahlschichten im Verbrennungsraum 3 an den dort befindlichen Luftmassen. Da zunächst nur die Mantelfläche des Strahlkegels 6 mit den im Verbrennungsraum 3 befindlichen Luftmassen in Berührung kommt, erfolgt eine Abbremsung der eingeblasenen Sekundärluft von außen nach innen, so dass sich in einer Schnittansicht eine ungleiche Geschwindigkeitsverteilung in etwa gemäß der Kurve v₁ ergibt. Stromab der Mündung 6 entlang einer Länge a entsteht ein Strahlkern 7, in dem der Luftstrom nahezu ungebremst in den Verbrennungsraum 3 eintritt. Für einen Bereich der Länge b bleibt der Strahlkegel 6 als Freistrahl erhalten. Durch die Abbremsung und die Ablenkung der Sekundärluft im Bereich des Mantels des Strahlkegels 6 erfolgt eine Aufweitung um den Verbreitungswinkel α₁. Im Wurzelbereich des Strahlkegels 6, nämlich an der Mündung 5 und entlang der Mantelfläche des Strahlkegels 6, wird die Luft des Verbrennungsraums 3 kurzzeitig mitgerissen, so dass sich vor allem im Mündungsbereich 5 der Sekundärluftdüse 1 ein ringförmiger Wirbel 8 um die Mündungsöffnung 5 legt.
Die im Verbrennungsraum 3 aufsteigenden Rauchgase enthalten einen großen Anteil an Asche und Staub, der mit der heißen Verbrennungsluft zunächst aufsteigt, dann aber an den kühleren Wandbereichen des Verbrennungsraums und insbesondere in den Ecken wieder absinkt. Dort lagert er sich an der relativ rauen Oberfläche der Ausmauerung 4 an. Durch den Wirbel 8 im Bereich der Mündungsöffnung 5 der Sekundärluftdüse 1 bilden sich dann Ablagerungen 9, die den Mündungsbereich 5 der Sekundärluftdüse 1 umgeben und im Laufe der Zeit immer weiter einschnüren. Dadurch beeinträchtigen sie die Wirkung der Sekundärlufteindüsung erheblich, indem sie die Luftströmung im Mantelbereich des Strahlkegels 5 weiter herabsetzen, so dass sich in zunehmenden Maße Wirbel 8 bilden können, die wiederum die Ablagerungen 9 vermehren.
Um dem entgegenzuwirken, wird nach der Erfindung an der Sekundärluftdüse 1 stromauf ihrer Mündung 5 und außerhalb des Verbrennungsraums 3 eine Dralleinrichtung 10 angeordnet, wie sie 2 zeigt. Sie vermittelt dem Sekundärluftstrom einen Drall 11, der hier beispielhaft mit einer Rechtsdrehung angegeben ist. Der Drall 11 des Sekundärluftstroms führt dazu, dass sein Strahlkegel 6 einen zunehmenden Verbreitungswinkel α aufweist, der eine Größe des Winkels α₂ annehmen kann. Es besteht eine direkte proportionale Abhängigkeit zwischen der Größe des aufgeprägten Dralls 11 und dem Verbreitungswinkel α. Dazu umgekehrt proportional verhält sich jedoch die Geschwindigkeit des Sekundärluftstroms, den er stromab der Mündung 5 aufweist. Es ergibt sich in einer Schnittansicht eine Geschwindigkeitsverteilung in etwa nach Art einer Kurve v₂. Mit abnehmender Geschwindigkeit verringert sich auch die Eindringtiefe in den Verbrennungsraum 3.
Um die damit verbundenen Wirkungsverluste der eingestrahlten Sekundärluft möglichst gering zu halten, wird der Drall 11 bei Bedarf, also nur zeitweise und in Intervallen aufgebracht. Er führt dazu, dass sich im Bereich des Strahlkegels 6 mit einem Verbreitungswinkel α₂ im Bereich der Mündung 6 der Sekundärluftdüse 1 an der Kesselwand nur noch deutlich geringere Ablagerungen 9' anlagern können, wie 3 zeigt. Der Sekundärluftstrom reißt die noch nicht erkalteten und noch weichen Schlacketeile mit sich fort, wenn der Strahlkegel 6 durch Aufbringen des Dralls 11 den Verbreitungswinkel α₂ aufweist. Dadurch lassen sich während des Betriebs der Verbrennungsanlage und bei laufender Verbrennung im Verbrennungsraum 3 störende Ablagerungen 9 im Bereich der Mündung 5 der Sekundärluftdüse 1 sofort beseitigen, so dass die Sekundärluftdüse 1 wieder ihre volle Wirkung entfalten kann.
Ein Beispiel für eine Dralleinrichtung 10 gemäß 2 ist in 4 dargestellt. Sie zeigt eine Sekundärluftdüse 1 in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in 2. Die Sekundärluftdüse 1 umfasst einen zylindrischen Rohrabschnitt 20 mit einem Durchmesser D. Am Außenumfang des Rohrabschnitts 20 sind Anschlüsse 30 angeordnet, deren Längsachsen 31 rechtwinklig auf eine Mittellängsebene 21 des Rohrabschnitts 20 stehen. Die Anschlüsse 30 weisen Innenmantelflächen 32 auf, die in Scheitelpunkten S mit einer Innenmantelfläche 22 des Rohrabschnitts 20 zusammenfallen. Die Anschlüsse 30 münden also tangential in den Rohrabschnitt 20.
Durch den Rohrabschnitt 20 wird ein Luftstrom aus so genannter Sekundärluft mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 bis 60 m/s in einen Brennraum eingeleitet. An die Anschlüsse 30 wird Pressluft angeschlossen. Pressluft liegt im Allgemeinen mit einem Druck von 6 bar vor. Um den Verbrauch an Pressluft und damit deren Kosten zu reduzieren, wird entweder ein kleiner Durchmesser d von etwa 3 mm gewählt oder der Druck auf etwa 4,5 bar gedrosselt. Durch Einpressen der Pressluft durch die Anschlüsse 30 wird dem Sekundärluftstrom innerhalb des Rohrabschnitts 20 ein Drall aufgezwungen.
Der Pressluft kann auch Wasser beigemischt bzw. Wasser kann ausschließlich an einem der beiden Anschlüsse 30 zugeführt werden. Wasser erhöht die Wirksamkeit des Reinigungsverfahrens, weil es infolge seiner höheren Dichte bei gleichem Drall einen weiteren Verbreitungswinkel erfährt und dabei noch effektiver Schlackenteile mit sich reißt.
Da es sich bei den in den Figuren und der Beschreibung dargestellten Systemen und Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang variiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So können statt zweier Anschlüsse 30 auch nur einer oder mehrere in einer Richtung der Längsachse des Rohrabschnitts 10 nebeneinander angeordnet werden.
Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.

1: Sekundärluftdüse
2: Kesselwandung
3: Verbrennungsraum
4: Ausmauerung
5: Mündung der Sekundärluftdüse 1
6: Strahlkegel
7: Strahlkern
8: Wirbel
9: Ablagerungen
10: Dralleinrichtung
11: Drall
20: Rohrabschnitt
21: Längsmittelebene des Rohrabschnitts 20
22: Innenmantelfläche
30: Anschluss
31: Längsachse des Anschlusses 30
32: Innenmantelfläche
a: Länge des Strahlkerns 7
b: Länge des selbsterhaltenden Bereichs
d: Durchmesser des Anschlusses 30
D: Durchmesser des Rohrabschnitts 10
S: Scheitelpunkt
α: Verbreitungswinkel
v: Kurve der Geschwindigkeitsverteilung

Claims

Reinigungsverfahren für Verbrennungsanlagen mit wenigstens einer Brennkammer (3) zur Nachverbrennung von Verbrennungsgasen, bei denen zumindest ein Luftstrahl (6) in die Brennkammer (3) eingeblasen wird, um durch eine drallförmige Verwirbelung der Verbrennungsgase die Nachverbrennung zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, dass dem Luftstrahl (6) zeitweise ein Drall (11) vermittelt wird.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Dralls (11) Pressluft und/oder Wasser in den Luftstrahl (6) eingeblasen wird.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drall (11) während des Betriebs der Verbrennungsanlage für nur kurze Zeit und/oder in periodisch wiederkehrenden Abständen erzeugt wird.
Reinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrahl (6) durch den Drall (11) eine Aufweitung auf einen Verbreitungswinkel (α₂) von mindestens 70 Grad, vorzugsweise von 110 bis 150 Grad, erfährt.
Reinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Dralls (11) in Abhängigkeit vom Zeitablauf und/oder von der eingeblasenen Menge Luft und/oder der Mächtigkeit von zu beseitigenden Ablagerungen (8) gesteuert wird.
Dralldüse zum Eindüsen eines drallbeaufschlagten Luftstrahls in einen Brennraum einer Verbrennungsanlage insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Leiteinrichtungen, die in dem Dralldüse angeordnet sind und die den Luftstrahl zumindest teilweise ablenken, um dem Strahl einen Drall zu vermitteln.
Drallerzeugungseinrichtung zum Eindüsen eines drallbeaufschlagten Luftstrahls in einen Brennraum insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Dralldüse nach Anspruch 6 und einer Verstellvorrichtung zur Verstellung der Leiteinrichtungen.
Drallerzeugungseinrichtung zum Eindüsen eines drallbeaufschlagten Luftstrahls in einen Brennraum insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Anschluss zum tangentialen Eindüsen eines Mediums in den Luftstrahl, gekennzeichnet durch ein steuerbares Ventil, mit dem das Eindüsen des Mediums steuerbar ist.
Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Messwerteingang zum Empfang von Messewerten bzgl. der eingeblasenen Luft und/oder bzgl. Ablagerungen (9) an Wandungen (2, 4) der Brennkammer (3), durch eine Speichereinrichtung zur Speicherung der Messwerte, durch eine Parameterermittlungseinheit zur Ermittlung eines Steuerparameters zur Beeinflussung der Zeitdauer der Erzeugung eines Dralls (11) und/oder der Größe seines Verbreitungswinkels (α₂) und durch einen Parameterausgang zur Ausgabe des Steuerparameters an eine Drallerzeugungseinrichtung.
Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuerungseinrichtung einer Drallerzeugungseinrichtung ladbar ist, mit Programmcodemitteln, um ein Reinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen, wenn das Programmprodukt in die Steuereinrichtung geladen wird.
Reinigungseinrichtung für Luftdüsen zur Erzeugung eines temporären und/oder periodisch wiederkehrenden Dralls (11), mit einer Drallerzeugungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8 und einer Steuereinrichtung nach Anspruch 9.