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Feuerungsanlage
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Die Erfindung betrifft eine Feuerungsanlage für die Verbrennung fester,
flüssiger oder gasförmiger Stoffe, in der die Verbrennung in zwei Stufen erfolgt,
und zwar die erste in einer Pyrolyse- oder Schwelkammer und die zweite in einer
Nachverbrennungskammer.
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An Feuerungsanlagen werden in neuerer Zeit erhebliche Anforderungen
gestellt. So ist es einerseits durch das erhebliche Ansteigen der Brennstoffpreise
notwendig geworden, auch schlechte Brennstoffe, wie z. B. Kohlen mit hohem Balastgehalt
oder hohen Schadstoffanteilen, zur Erzeugung von Kraft und Wärme zu verfeuern. Andererseits
sind die Anforderungen an die Umweltfreundlichkeit von Feuerungsanlagen in den letzten
Jahren erheblich gesteigert worden.
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Hierbei werden heute nicht nur klassische Umweltgifte, wie Staubauswurf,
Stickoxyd- und Schwefeldioxydemmissionen betrachtet, sondern man ist inzwischen
auch bestrebt, Spurenelemente, wie z. B. Schwermetalle, chlorierte Kohlenwasserstoffe
und Halogenverbindungen, auf ein Minimum zu vermindern.
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Bei konventionellen Feuerungsanlagen, wie Rostfeuerungen und Staubfeuerungen,
können die vorgenannten Anforderungen durch Sekundärmaßnahmen, beispielsweise Naßwäsche
der Rauchgase, zwar erfüllt werden; die hierfür erforderlichen Kosten sind jedoch
verhältnismäßig hoch.
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Es ist auch bereits versucht worden, durch Maßnahmen auf der Primärseite,
d. h. ohne Rauchgasbehandlung, die gestellten Anforderungen zu erfüllen. Hierbei
wurden insbesondere zwei Systeme von Wirbelschichtfeuerungen entwickelt. Zunächst
eine stationäre Wirbelschichtfeuerung,
die als verhältnismäßig einfache
und billige Anlage die Anforderungen der Brennstoff-Flexibilität und der Umweltfreundlichkeit
weitgehend erfüllen kann. Die stationäre Wirbelschichtfeuerung hat aber einen niedrigeren
Wirkungsgrad als die konventionellen Feuerungsanlagen. Dies ist vor allem darauf
zurückzuführen, daß Feinkorn, sowohl des Brennstoffs als auch von Schwefelabsorbtionsmitteln,
z. B.
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Kalk, nur eine verhältnismäßig geringe Verweilzeit im Feuerraum aufweisen.
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Über die Zwischenstufe einer stationären Wirbelschichtfeuerung mit
Flugascherückführung, z. B. vom Tuchfilter, wurde die zirkulierende Wirbelschichtfeuerung
entwickelt, bei der die Flugasche unmittelbar am Austritt des Feuerraums über Zyklone
abgeschieden und geregelt in den Feuerraum zurückgeführt wird. Da bei diesem System
die Verweilzeit nur vom Rezirkulationsgrad, d. h. dem Abscheidegrad des Zyklons
abhängig ist, kann der Feuerraum bei einer höheren Leerraumgeschwindigkeit in der
Wirbelschicht entsprechend kleiner gebaut werden. Mit der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung
werden gegenüber den früheren Systemen zwar bessere Wirkungsgrade erzielt; hiermit
sind jedoch ein hoher apparativer Aufwand und eine komplizierte Betriebsweise verbunden.
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In jüngster Zeit wurde als weiteres Verbrennungssystem, das insbesondere
bei der Abfallverbrennung Anwendung findet, die Pyrolyse entwickelt. Hierbei stand
jedoch weniger der Anlagenwirkungsgrad als die besondere Umweltfreundlichkeit im
Vordergrund. Da bei der Pyrolyse die maximale Temperatur am Brennstoff etwa 500
0C bis 600 0C beträgt, bleiben viele Schadstoffe, z. B. Schwermetalle, im Brennstoff,
d. h. in der Asche, zurück. Die sich verflüchtigenden Bestandteile des Brennstoffs
werden in einer gestuften
Nachverbrennungskammer sehr umweltfreundlich
verbrannt.
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Bei dieser Feuerungsanlage ist allerdings der Ausbrandwirkungsgrad
zu gering, um diese Anlage unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten feuerungstechnisch
für die Erzeugung von Kraft und Wärme einsetzen zu können. Darüber hinaus sind die
Investitionskosten, bezogen auf die Wärmeleistung der Anlage, verhältnismäßig hoch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Feuerungsanlage
der eingangs genannten Art - unter Beibehaltung der Vorteile der verwendeten Einrichtungen
- den Ausbrandwirkungsgrad bei großer Umweltfreundlichkeit der Anlage zu erhöhen
und die Investionskosten zu senken.
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Die gestellte Aufgabe wird bei der genannten Feuerungsanlage dadurch
gelöst, daß die Nachverbrennungskammer nach Art eines Zyklons ausgebildet ist, das
tangential angeordnete Luftzuführungsleitungen zum Einblasen der für die Nachverbrennung
erforderlichen Luft und ein Tauchrohr aufweist, das durch die Decke der Nachverbrennungskammer
hindurchgeführt ist. Dadurch, daß die Nachverbrennungskammer als Zyklon ausgebildet
ist, in das die Sekundärluft mit hoher Geschwindigkeit tangential eintritt, werden
die Gase in der Nachverbrennungskammer in Rotation versetzt. Durch die hohe Turbulenz
in der Nachverbrennungskammer und durch die Fliehkraft auf Staubteilchen werden
die Verweilzeit und die Reaktionszeit und damit der Ausbrand wesentlich verbessert.
Die erfindungsgemäß Feuerungsanlage ist für ein breites Brennstoffband geeignet,
wobei sich insbesondere bei der Verbrennung höherflüchtiger Brennstoffe besonders
gute Wirkungsgrade bei sehr großer Umweltfreundlichkeit ergeben.
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Zweckmäßigerweise ist die Pyrolyse- oder Schwelkammer
so
gestaltet und/oder eingerichtet, daß sie unterstöchiometrisch in einem Temperaturbereich
von 500 0C bis 1.200 oC betrieben werden kann, während die Nachverbrennungskammer
so gestaltet und/oder eingerichtet ist, daß sie überstöchiometrisch in einem Temperaturbereich
von 800 0C bis 1.400 0C betrieben werden kann. Dieses Merkmal der Erfindung ermöglicht
es, bei höherflüchtigen Brennstoffen, z. B. Holz, Braunkohle oder Lignit, die Feuerungsanlage
mit einer niedrigen Temperatur sowohl in der Pyrolysestufe als auch in der Nachverbrennungsstufe
zu betreiben. Damit ist sichergestellt, daß - unter Einhaltung eines hohen Wirkungsgrades
- die Schadstoffemmissionen außerordentlich gering sind. Bei der Verbrennung von
Steinkohle mit mittleren flüchtigen Bestandteilen (Gasflammkohle) werden bei etwas
erhöhter Temperatur gute Wirkungsgrade erzielt. Durch die Wahl einer verhältnismäßig
niedrigen Temperatur in der Pyrolyse-oder Schwelkammer, z. B. zwischen 500 OC und
600 OC, kann sichergestellt werden, daß der größte Anteil der Schwermetalle nicht
verdampft, sondern im Brennstoff bzw. in der verbleibenden Asche unlöslich gebunden
bleiben. Darüber hinaus ist dadurch, daß die Temperatur in der Nachverbrennungskammer
über 800 OC betragen kann, sichergestellt, daß keine organischen Stoffe unverbrannt
bleiben. Bei Brennstoffen, bei denen eine besonders hohe Gefahr der Dioxinbildung
besteht, kann die Temperatur in der Nachverbrennungskammer entsprechend auf beispielsweise
1.200 OC erhöht werden und somit die Zerstörung der Dioxine in der Nachverbrennungskammer
sichergestellt werden.
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Die Pyrolyse- oder Schwelkammer kann in an sich bekannter Weise ein
Festbett aufweisen und es können sowohl die Brennstoff- als auch die Luftzuführungsleitung
oberhalb des Festbettes angeordnet sein, so daß die Verbrennung
im
Gleichstrom erfolgt. Hierbei sind die Staubemmissionen besonders gering. Deshalb
ist diese erfindungsgemäße Feuerungsanlage besonders für die Verbrennung hochflüchtiger
Brennstoffe in kleineren Anlagen geeignet.
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Es kann aber auch - bei einer erfindungsgemäßen Feuerungsanlage, deren
Pyrolyse- oder Schwelkammer mit einem Festbett versehen ist - die Brennstoffzuführungsleitung
oberhalb des Festbettes angeordnet sein, während die Luftzuführungsleitung unter
dem Festbett angeordnet ist, so daß die Verbrennung im Gegenstrom erfolgt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Pyrolyse-
oder Schwelkammer ein Wirbelbett auf. Diese Ausführungsform der Erfindung, die das
Prinzip der Pyrolyse, der zirkulierenden Wirbelschicht und der Zyklonfeuerung in
sich vereinigt, weist die Vorteile der gesamten Feuerungstechnik auf, bei einem
vertretbaren wirtschaftlichen Aufwand. Sie eignet sich auch für die Verbrennung
von niederflüchtigen Brennstoffen, z. B. Anthrazit oder Petrolkoks. Hierbei muß
ein größerer Anteil der Verbrennung in die Nachverbrennungskammer gelegt werden,
was durch eine höhere Wirbelgeschwindigkeit und damit verbundener überstöchiometrischer
Fahrweise in der Wirbelschicht erreicht wird. In diesem Falle arbeitet die Feuerungsanlage
entsprechend einer zirkulierenden Wirbelschicht, bei der Verbrennungsraum und Zyklonabscheidung
integriert sind.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Pyrolyse- oder Schwelkammer
und die Nachverbrennungskammer nebeneinander angeordnet und ist der von der Pyrolyse-
oder Schwelkammer zu der Nachverbrennungskammer führende Gaskanal tangential an
die Nachverbrennungskammer angeschlossen. Durch die
tangentiale
Anordnung des Gaskanals an die Nachverbrennungskammer wird die durch die Sekundärluft
herbeigeführte Zyklonwirkung noch verstärkt.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Nachverbrennungskammer
unmittelbar über der Pyrolyse-oder Schwelkammer angeordnet ist. Hierdurch ergibt
sich der besondere Vorteil, daß die infolge der Zyklonwirkung in der Nachverbrennungskammer
abgeschiedenen Feinstäube auf die Pyrolysestufe zurückfallen.
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Der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Feuerungsanlage kann
noch durch eine Brennstoffvergasung erhöht werden, die nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung dadurch bewirkt wird, daß an die Pyrolyse- oder Schwelkammer eine
Leitung für eine Wassereindüsung oder Dampfeinblasung angeschlossen ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung stehen die in die Pyrolyse-
oder Schwelkammer mündende Luftzuführungsleitung und/oder die in die Nachverbrennungskammer
mündenden Luftzuführungsleitungen über eine Verbindungsleitung mit dem Kesselaustritt
oder dem Kamin in Verbindung, so daß die Verbrennungsluft auch mit kalten Rauchgasen
gemischt werden kann. Dadurch kann die Feuerungsanlage auch bei niedrigen Luftüberschuzahlen
und niedrigen Feuerraumtemperaturen bei einem erhöhten Anlagenwirkungsgrad betrieben
werden. Die in den rauchgasen enthaltene Wärme wird nach dem Austritt aus der Feuerungsanlage
entweder über eine Kesselanlage abgekühlt oder direkt einem Prozeß, z. B. einer
Trocknungsanlage als Nutzwärme zugeführt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Umfangswände der
Pyrolyse-oder Schwelkammer und/oder der Nachver-
brennungskammer
zumindest teilweise als gekühlte Flächen ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Feuerungsanlage ermöglicht es, durch zwei Maßnahmen
die Stickoxydemmission erheblich zu vermindern. Einerseits werden die Temperaturen
über den gesamten Verbrennungsablauf so niedrig gehalten, wie es die Anforderungen
an den Ausbrand gerade noch zulassen, andererseits findet die gesamte Verbrennung
- von der Pyrolysestufe über die Nachverbrennungsstufe bis zum Feuerungsaustritt
- in einer gestuften Fahrweise statt, d. h. es werden Temperaturungleichmäßigkeiten
und damit Temperaturspitzen vermieden. Durch die gute Vermischung in der als Zyklon
ausgebildeten Nachverbrennungskammer findet ein guter Wärmeaustausch statt, so daß
die Teilchen-Ubertemperatur besonders klein gehalten werden kann.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Feuerungsanlage, bei
der die Pyrolyse- oder Schwelkammer und die Nachverbrennungskammer nebeneinander
angeordnet sind, im Längsschnitt; Fig. 2 die Feuerungsanlage gemäß Fig. 1, im Querschnitt;
Fig. 3 eine Feuerungsanlage, bei der die als Festbett ausgebildete Pyrolyse- oder
Schwelkammer und die Nachverbrennungskammer übereinander angeordnet sind, im Längsschnitt;
Fig. LI eine weitere Feuerungsanlage, bei der die in Form einer Wirbelschicht ausgebildete
Pyrolyse- oder
Schwelkammer und die Nachverbrennungskammer übereinander
angeordnet sind, ebenfalls im Längsschnitt.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargstellte Feuerungsanlage besteht im wesentlichen
aus einer Pyrolyse- oder Schwelkammer 1 und aus einer Nachverbrennungskammer 2.
Die Pyrolyse- oder Schwelkammer-18weist ein Festbett 3 auf; sie ist ferner mit einer
Brennstoffzuführungsleitung 4 und mit einer Luftzuführungsleitung 5 versehen, die
beide oberhalb des Festbettes 3 angeordnet sind, so daß- die Verbrennung im Gleichstrom
erfolgt.
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Die Nachverbrennungskammer 2 ist nach Art eines Zyklons ausgebildet;
sie weist tangential angeordnete Luftzuführungsleitungen 6 und ein Tauchrohr 7 auf,
das durch die Decke 8 der Nachverbrennungskammer 2 hindurchgeführt ist.
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Von der Pyrolyse- oder Schwelkammer 1 führt ein Gaskanal 9 zu der
Nachverbrennungskammer 2, der tangential an die Nachverbrennungskammer 2 angeschlossen
ist. Unterhalb des Gaskanals 9 ist ein Ausbrandrost 10 vorgesehen.
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In der Pyrolyse- oder Schwelkammer 1 wird der über die Brennstoffzuführungsleitung
4 zugeführte Brennstoff, dem über die Luftzuführungsleitung 5 Luft zugegeben wird,
verschwelt (vergast). Die Schweltemperatur wird dabei je nach Brennstoffart durch
die zugeführte Luft geregelt.
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Die in der Pyrolyse- oder Schwelkammer 1 erzeugten Gase gelangen sodann
über den Gaskanal 9 in die Nachverbrennungskammer 2 und werden dort ausgebrannt.
Die Zugabe von Sekundärluft über die Luftzuführungsleitungen 6 kann gestuft sein,
d. h. der Verbrennungsablauf wird über die gesamte Nachverbrennungskammer 2 verteilt.
Die entstehende
Asche fällt infolge der Schwerkraft nach unten
auf den Ausbrandrost 10, auf den auch die in der Nachverbrennungskammer 2 abgeschiedenen
Stäube fallen. Nach einer entsprechenden Ausbrandzeit wird die Asche in bekannter
Weise abgeführt. Das Rauchgas tritt durch das Tauchrohr 7 aus.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Feuerungsanlage ist die Nachverbrennungskammer
1-2 unmittelbar über der Pyrolyse-oder Schwelkamer 11 angeordnet. Die Brennstoffzuführungsleitung
14 mündet seitlich oberhalb des Festbettes 13 in die Pyrolyse- oder Schwelkammer
11, während die Luftzuführungsleitung 15 im Bereich des Festbettes 13 angeordnet
ist, so daß die Verbrennung im Gegenstrom erfolgt. Auch in diesem Falle ist die
Nachverbrennungskammer 12 in der Art eines Zyklons ausgebildet. Sie weist ebenfalls
tangential angeordnete Luftzuführungsleitungen 16 und ein durch die Decke 18 der
Nachverbrennungskammer 12 hindurchgeführtes Tauchrohr 17 auf. Durch die Anordnung
der Nachverbrennungskammer 12 unmittelbar über der Pyrolyse-oder Schwelkammer 11
fallen die durch die Zyklonwirkung in der Nachverbrennungskammer 2 abgeschiedenen
Stäube in die Pyrolysestufe zurück.
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Fig. 4 zeigt eine Feuerungsanlage, bei der - wie bei dem in Fig. 3
dargestellten Ausführungsbeispiel - die Nachverbrennungskammer 22 unmittelbar über
der Pyrolyse-oder Schwelkammer 21 angeordnet ist. In diesem Falle weist die Pyrolyse-
oder Schwelkammer 21 jedoch ein Wirbelbett 23 auf, in das über eine Luftzuführungleitung
25 Luft eingeführt wird. Für die Zuführung der Sekundärluft in die Nachverbrennungskammer
22 sind Luftzuführungsleitungen 26 vorgesehen. Die Umfangswände der Pyrolyse- oder
Schwelkammer 21 und der Nachverbrennungskammer 22 sind teilweise als gekühlte Flächen
20 bzw. 30 ausgebildet.
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Ferner weist diese Feuerungsanlage eine weitere Leitung 35 auf, mit
der eine Wassereindüsung oder eine Dampfeinblasung durchgeführt werden kann.