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Die Erfindung bezieht sich auf einen
zirkulierenden Wirbelschichtreaktor.
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Derartige Wirbelschichtreaktoren
finden unter anderem in der Energie- bzw. Kraftwerkstechnik Anwendung.
Dabei werden im Wirbelschichtbett der Reaktorbrennkammer Kohle oder
andere brennbare Stoffe, beispielsweise Abfall oder Biomasse verbrannt.
Zur Nutzung der bei der Verbrennung freiwerdenden Wärme und
zur Einstellung der Brennkammertemperatur ist der Wirbelschichtreaktor
mit einer Vielzahl von Heizflächen
ausgebildet, in denen ein Arbeitsmedium erwärmt, verdampft, überhitzt
und ggf. zwischenüberhitzt
werden kann. Das Arbeitsmedium ist üblicherweise Wasser, Dampf
oder ein Wasser-/Dampfgemisch, das im Kreislauf geführt wird und
seine durch die Erhitzung gewonnene Energie beispielsweise an eine
Dampfturbine mit nachgeschaltetem Generator zur Stromerzeugung abgibt.
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Um die Brennkammertemperatur einstellen zu
können,
sind neben den die Umfassungswände der
Reaktorbrennkammer bildenden Heizflächen innerhalb der Brennkammer
liegende und externe Heizflächen
bekannt. Aus der Druckschrift „Experience
with In-furnace surface in CFB boilers", FBC 13th International
Conference on Fluidized Bed Combustion, 1995, ASME sind Schottheizflächen, insbesondere „wing wall
panels (vertikale Schottheizflächen)" und „omega
panels" (Schottheizflächen gebildet
aus Doppel-Omega-Rohren),
die innerhalb der Brennkammer angeordnet sind, bekannt geworden.
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Aus der Druckschrift
DE 36 25 373 A1 sind sowohl
Heizflächen
innerhalb der Brennkammer als auch extern angeordnete bekannt, wobei
letztere in einem Fließbettkühler, der
zur Kühlung
des zirkulierenden Bettmateriales dient, untergebracht sind. Die in
der Brennkammer oder extern angeordneten Heizflächen können als Überhitzer- und Zwischenüberhitzerheizflächen innerhalb
des Dampfkreislaufes eingesetzt werden. Bei besonderen konstruktiven
Vorkehrungen auch als Verdampferheizfläche. Mit derartigen in der
Brennkammer liegenden bzw. externen Heizflächen ausgestattete Wirbelschichtreaktoranlagen
werden arbeitsmediumseitig (Wasser-/Dampfkreislauf) üblicherweise
im Naturumlauf betrieben, d.h. bei unterkritischen Dampfparametern.
Diese liegen entsprechend moderat, z.B. bei 140 bar und 540 °C.
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Da der heutige Trend zu großen und
größten Wirbelschichtfeuerungsanlagen
geht, muß in
den meisten Fällen
vom Naturumlauf- auf (überkritischen) Zwangdurchlaufbetrieb
des Wirbelschichtreaktor-Dampferzeugers mit hohen Dampfparametern (typischerweise
250 bis 300 bar Dampfdruck, 560 bis 620 °C Dampftemperatur) übergegangen
werden.
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Derartige Zwangdurchlauf-Wirbelschichtfeuerungen
(mit überkritischen
Dampfparametern) werden zukünftig
insbesondere für
Anlagen im oberen Größenbereich
eingesetzt (z.B. >300–400 MWelektrisch). Da die Heizfläche der
Brennkammer-Umfassungswände
unterproportional mit der Anlagengröße wächst, ist es insbesondere bei
großen überkritischen
Anlagen wichtig, dies durch Installation zusätzlicher Heizflächen (innerhalb
bzw. außerhalb
der Brennkammer) zu kompensieren, damit zur Einhaltung der Brennkammertemperatur
von ca. 850 °C ausreichend
Wärmetauscherfläche vorgehalten
wird. Nimmt man für
die erforderlichen zusätzlichen
Heizflächen
solche aus dem bekannten Stand der Technik hinzu, so zeigen sich,
je nach Art bzw. Einsatzort der Heizfläche, verschiedene Nachteile
bzw. Mängel,
wie an den nachfolgenden jeweiligen bekannten Heizflächenarten
bzw. -orten aufgezeigt wird: Externe Heizflächen (Fließbettkühler etc.):
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- – Externe
Heizflächen
benötigen
allgemein höhere
Investitionskosten (insbesondere durch erforderliche Fluidisierungsgebläse und Regelorgane), weshalb
sie möglichst
vermieden bzw. klein gehalten werden sollten.
- – Verdampferheizflächen sind
im Fließbettkühler konstruktiv
aufwendig, weil sie z.B. im Schwarzfallbetrieb (Stromausfall) sicher
gekühlt
werden müssen.
Zudem bereiten die hohen Wärmeübergangskoeffizienten
bei nahezu horizontaler Rohrführung
und niedrigen Wasser/Dampfmassenstromdichten Schwierigkeiten bei
der sicheren Kühlung
der Rohre. Vermeiden lässt
sich die thermische Überbeanspruchung
der Rohre nur durch einen entsprechend hohen Massenstrom pro Rohr
(hohe Massenstromdichte). Dies wird konstruktiv durch eine Serienschaltung
der Verdampferheizflächen
von Umfassungswänden
und externen Verdampferheizflächen
erreicht, wobei die gleichmäßige Verteilung
eines teilverdampften Wasser/Dampfgemisches in der zweiten Verdampferstufe
technische Probleme bereitet, die nur durch eine aufwendige Konstruktion
(2 Phasen Mischsammler) gelöst
werden kann.
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Doppel-Omega-Schott-Heizflächen:
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- – Die
Herstellungskosten für
die Doppel-Omega-Rohre sind spezifisch hoch, weshalb sie deutlich
teuerer sind als eine gleichwirksame Heizfläche aus Membranheizflächen bzw.
Schottheizflächen,
d.h. einer Rohr-Steg-Rohr-Kombination.
- – Für hohe Dampfparameter
sind Doppel-Omega-Rohre aufgrund der hohen erforderlichen Wandstärken sowie
der hohen Übertemperaturen nicht
sehr geeignet.
- – Der Übergang
auf hohe Dampfparameter hätte den
Einsatz von austenitischen Werkstoffen für die Doppel-Omega-Rohre zur
Folge. Das Verschweißen
von austenitischen Omega-Rohren ist mit heutigen Fertigungsmethoden
problematisch.
- – Große Brennkammerabmessungen
würden
erfordern, dass die Omega-Schott-Heizflächen eine sehr
weite Spannlänge
besitzen (ca. > 10–15m). Dies
erhöht
die Gefahr, dass die Schott-Heizflächen in Schwingungen geraten
können
und unzulässig
mechanisch beansprucht werden.
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Vertikale Schott-Heizflächen (Wings
oder Wingwalls):
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- – Will
man auf eine Serienschaltung von Verdampferheizflächen aufgrund
der bereits erwähnten
Notwendigkeit eines aufwendigen Zweiphasen-Mischsystems verzichten,
müssen
alle Rohre des Verdampfersystems parallel durchströmt werden.
Die für
eine ausreichende Kühlung
aller Verdampferrohre im Zwangdurchlaufbetrieb notwendigen Massenstromdichten
in den Rohren erfordern eine Auslegung mit entsprechend kleinen Rohrdurchmessern
und größeren Stegbreiten
gegenüber
der Berohrung für
Naturumlauf-Verdampfersysteme. In Rohr-Steg-Rohr Ausführung verschweißte vertikale
Schott-Heizflächen,
die aus derart kleinen Rohren bestehen, besitzen nur eine sehr geringe
Steifigkeit, so dass sie sich während
der Montage sowie unter den zum Teil instationären Betriebsbedingungen in
der Brennkammer unzulässig
verformen können.
Diese Verformungen lassen sich nachträglich nicht bzw. nur mit kostenintensivem
Aufwand beheben. Werden die Verformungen nicht beseitigt, kann es
zu einer Schädigung
der Schott-Heizflächen durch
mechanische Beanspruchung bzw. durch Verschleiß aufgrund von Strömungsbehinderung
kommen.
- – Durch
die beidseitige Beheizung bei üblichen Schott-Heizflächen bei
gleichzeitig relativ schlechter Kühlung der Rohre von innen ist
nur eine relativ kleine Rohrteilung zulässig, damit es an den Stegen
bzw. Flossen nicht zu Übertemperaturen
und zu erheblichen Temperaturdifferenzen benachbarter Rohre kommt.
- – Bei
großen überkritischen
Anlagen müssen
die Zyklone (Partikelabscheider) beidseitig der Brennkammer angebracht
werden. Hierdurch entfallen diese Wände für den Einbau von vertikalen Schott-Heizflächen. Die
anderen Seitenwände (rechtwinklig
zu der Wand mit Zyklonen) eignen sich nicht für den Einbau von vertikalen Schott-Heizflächen, weil
hier die Strömungsverhältnisse
quer zu den Schott-Heizflächen
verlaufen würden,
was zu einer erhöhten
mechanischen Beanspruchung der Schott-Heizflächen führen würde. Zudem werden durch die
Querströmung Erosionen
an den Schott-Heizflächen
verursacht. Vertikale Schott-Heizflächen, bei denen der Eintritt
bzw. der Durchtritt der Heizflächen
nicht durch die Brennkammerseitenwände, sondern z.B. durch den
Düsenboden
erfolgt (Full height panel), werden sehr lang, verstärkt durch
die hohe Brennkammerhöhe
von großen überkritischen ZWSF-Anlagen
(Zirkulierende Wirbelschicht-Feuerungsanlage bzw. -Reaktoranlage).
Derart lange vertikale Schott-Heizflächen können besonders leicht
in Schwingungen geraten, wenn sie nicht steif genug ausgeführt sind.
Letzteres wird aber gerade durch die Notwendigkeit des Einsatzes kleiner
Rohrdurchmesser erschwert.
- – Bedingt
durch die z.T. geringe Steifigkeit der vertikalen Schott-Heizflächen sowie
für den
Fall, dass die mittlere Schott-Heizflächentemperatur höher ist
als die Mitteltemperatur der umgebenden Umfassungswand, ist es erforderlich,
dass eine Kompensation der Differenzlängen zwischen Schott-Heizflächen und
Umfassungswand vorgesehen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun,
einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor zu schaffen, bei dem die
vorgenannten Nachteile vermieden werden bzw. die nachfolgend genannten
Kriterien erfüllt
bzw. eingehalten werden.
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- – Die
Berohrung der innerhalb der Brennkammer angeordneten Heizfläche muss
so ausgeführt sein,
dass eine ausreichende Kühlung
von Rohren und Stegen bzw. Flossen im gesamten Lastbetrieb des Wirbelschichtreaktors
gewährleistet ist,
- – Die
innerhalb der Brennkammer angeordnete Heizfläche muss so ausgeführt sein,
dass es keine Probleme mit unzulässigen
mechanischen Belastungen bzw. Schwingungen gibt,
- – Die
Fertigung dieser Heizfläche
muss mit üblichen
Fertigungsverfahren und Materialien möglich sein,
- – Beheizungsunterschiede
an der innerhalb der Brennkammer angeordneten Heizfläche sollen möglichst
kompensiert werden bzw. nicht zu unzulässigen Spannungen zwischen
den Einzelrohren sowie zu Spannungen zwischen der Heizfläche insgesamt
sowie der Umfassungswand führen,
- – Die
zusätzliche
innerhalb der Brennkammer angeordneten Heizfläche soll möglichst kostengünstig sein.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein
zirkulierender Wirbelschichtreaktor geschaffen, der die nachfolgenden
Vorteile aufweist:
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- – Ausbildung
der Reaktorbrennkammer mit wesentlich stabileren zusätzlichen
Heizflächen
gegenüber
den herkömmlichen
paneelartigen vertikalen Schott-Heizflächen. Infolge der stabileren Bauweise
können
kastenförmige
Heizflächen auch
länger
ausgeführt
werden.
- – Kostengünstiger
als Wirbelschichtreaktoren mit extern angeordneten Heizflächen, d.h.
außerhalb der
Brennkammer angeordnete.
- – Unkomplizierte
Montage der kastenförmigen Heizfläche, weil
die Gefahr der Verformung der Heizflächen bei der Montage aufgrund
der stabileren Ausführung
vermieden wird.
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In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung
ist der Querschnitt der kastenförmigen
Heizfläche
rund oder wenigstens 3-eckig ausgeführt, um Anforderungen an Zweckmäßigkeit
und Stabilität
in hohem Maße
zu erfüllen.
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Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung
kann dann erreicht werden, wenn der Querschnitt der kastenförmigen Heizfläche rechteckig ausgebildet
ist, da diese einfach herzustellen ist und eine hohe Steifigkeit
erreicht wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung sieht vor, dass die Breite der kastenförmigen Heizfläche 1 bis
4 Meter sowie die Tiefe 0,1 bis 1,0 Meter beträgt. Mittels dieser Abmessungen
können kastenförmige Heizflächen bzw.
Kastenschotten innerhalb der Wirbelschichtreaktor-Brennkammer geschaffen
werden, die sicherstellen, dass die Brennkammertemperatur sicher
im geforderten Temperaturbereich von ca. 700 °C bis 950 °C liegt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung
der Erfindung sieht vor, den Außendurchmesser
der Rohre des Kastenschottes mit 20 bis 70 mm auszuführen. Damit
wird erreicht, dass in Abhängigkeit
der Größe des Kastenschottes
ausreichend Rohre mit der passenden Dimensionierung zur sicheren
Kühlung
der Heizfläche
sowie Temperaturregelung der Brennkammer zur Verfügung gestellt
werden können.
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Um beispielsweise bei Teillastbetrieb
des Wirbelschichtreaktors bzw. seines Dampferzeugers eine sichere
Kühlung
der Kastenschotten zu gewährleisten
ist es vorteilhaft, die Rohre der kastenförmigen Heizfläche mit
einer beispielsweise schraubenförmigen
Innenberippung auszubilden. Durch die Innenberippung können die
Rohre des Kastenschottes mit deutlich niedrigeren Massenstromdichten
des Arbeitsmediums betrieben und sicher gekühlt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung sind die kastenförmigen
Heizflächen
innerhalb der Brennkammer im wesentlichen vertikal ausgebildet bzw.
angeordnet. Durch diese Maßnahme wird
erreicht, dass die Heizflächen
durch das ebenfalls vertikal nach oben strömende Rauchgas wesentlich weniger
erodiert wird.
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Um die kastenförmige Heizfläche innerhalb der
Brennkammer stabil auszubilden kann es vorteilhaft sein, die Heizfläche am oberen
und/oder am unteren Durchtritt durch die Brennkammerumfassungswände mit
der Brennkammerdecke bzw. Brennkammerboden zu verbinden.
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Da die unteren Bereiche der Brennkammerumfassungswände sowie
der Kastenschotten bzw. kastenförmigen
Heizflächen
in Wirbelschichtreaktoren einer erhöhten Verschleißbelastung
unterliegen, sind diese Bereiche üblicherweise durch eine feuerfeste
Stampfmasse bzw. feuerfeste Steine geschützt. Damit am Übergang
vom unteren, mit einer Feuerfestauskleidung geschützten Bereich
zum oberen, nicht geschützten
Bereich der Membranrohrwände der
Kastenschotten kein Erosionsangriff durch Turbulenzen der Gas- und Feststoffströmung an
den Membranrohrwänden
auftritt, ist der Übergang
bzw. sind die Vorderkanten der Feuerfestauskleidung sowie dem nicht
geschützten
Bereich der Membranrohrwand vorteilhafterweise in vertikaler Sicht
im wesentlichen fluchtend ausgeführt,
indem die Rohre der Kastenschotten jeweils nach innen in den Innenraum eingezogen
bzw. ausgebogen werden und die Feuerfestauskleidung auf die eingezogenen
Rohre aufgebracht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor-Heizfläche kann
infolge ihrer stabilen Ausbildung in vorteilhafter Weise in mit
höchsten
Leistungen betriebenen und mit Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgebildeten
Wirbelschichtreaktoren zur Brennkammertemperaturregelung angewandt
werden. Durch die stabile Ausführung
der kastenförmigen Heizfläche können auch
sehr hohe Brennkammern von Wirbelschichtreaktoren mit diesen noch
bestückt werden.
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Nachstehend sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 schematisch
dargestellt einen Wirbelschichtreaktor im Längsschnitt
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2 schematisch
dargestellt eine Brennkammer eines Wirbelschichtreaktors mit einem Brennkammertrichter
im Längsschnitt,
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3 schematisch
dargestellt eine Brennkammer eines Wirbelschichtreaktors mit zwei
Brennkammertrichter („Pant
leg") im Längsschnitt,
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4 schematisch
dargestellt eine Brennkammer eines Wirbelschichtreaktors (mit einem Brennkammertrichter)
im Querschnitt gemäß Schnitt A–A der 2, Schnitt um 90 ° gedreht,
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5 schematisch
dargestellt eine Brennkammer eines Wirbelschichtreaktors (mit zwei Brennkammertrichter)
im Querschnitt gemäß Schnitt B–B der 3, Schnitt um 90 ° gedreht,
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6 schematischer
Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schott-Heizfläche gemäß Detail
C der 4 und 5.
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7 schematischer
Längsschnitt
einer kastenförmigen
Heizfläche
mit vertikal fluchtendem Übergang
von der Feuerfestauskleidung zur oberen Membranrohrwand, entspricht
Schnitt A – A
der 8,
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8 schematischer
Querschnitt einer kastenförmigen
Heizfläche
gemäß Schnitt
C – C
der 9,
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9 schematischer
Längsschnitt
einer kastenförmigen
Heizfläche
gemäß Schnitt
B – B
der 8.
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1 zeigt
schematisch dargestellt einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor 1 für die Verbrennung
von Kohle oder anderen verbrennbaren Stoffen. Der zu verbrennende
Stoff wird entweder gemeinsam mit einem Inertmaterial oder separat
durch die Zuführungsleitung 16 in
die Wirbelschichtbrennkammer 2 des Reaktors 1 eingetragen.
Zum Aufbau des Wirbelschichtbettes und zur Verbrennung des eingebrachten
Stoffes innerhalb der Brennkammer 2 wird ein Fluidisierungsgas
durch die Zuführungsleitung 15 der Wirbelschichtbrennkammer 2 zugeführt. Das
Fluidisierungsgas ist in der Regel Luft und wird somit für die Verbrennung
als Oxidationsmittel benutzt. Das bei der Verbrennung entstehende
Abgas bzw. Rauchgas und die vom Abgas mitgetragenen Feststoffe (Inertmaterial,
Aschepartikel und Unverbranntes) werden über die Öffnung 6 aus der Brennkammer 2 abgeführt und
einem Abscheider, in der Regel einem Fliehkraftabscheider bzw. Zyklonabscheider 13 zugeführt. Im
Abscheider 13 werden die Feststoffe vom Abgas weitgehendst
abgetrennt und über
die Rückführleitung 14 wieder
der Brennkammer 2 zugeführt.
Das Abgas kann über
die Abgasleitung 17 einer weiteren Reinigung bzw. energetischen
Nutzung der Abgaswärme
zugeführt
werden. Der Querschnitt der Brennkammer 2 ist in der Regel
rechteckig ausgebildet. Er kann jedoch auch rund sein oder eine
andere Form aufweisen.
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Die 2 bis 5 zeigen im Längs- sowie
im Querschnitt die rechteckig ausgebildete und im wesentlichen vertikal
angeordnete Brennkammer 2 eines Wirbelschichtreaktors 1.
Die Brennkammer 2 ist seitlich durch Umfassungswände 5,
oben durch eine Brennkammerdecke 12 und unten durch einen Brennkammerboden 11,
der in der Regel als Düsenboden
ausgebildet ist, begrenzt. 2 zeigt
eine Brennkammer 2 mit einem einfachen Trichter 3 im unteren
Bereich der Brennkammer 2, wogegen 3 eine Brennkammer 2 mit zweifachem
Trichter 4, eine sogenannte „pant leg" Ausführung, zeigt. Die Brennkammerumfassungswände 5 sowie
die Brennkammerdecke 12 und der Brennkammerboden 11 sind
als arbeitsmediumdurchströmte
Heizflächen ausgebildet,
wobei diese Heizflächen
aus gasdichten Membranwänden
gebildet sind. Derartige Membranwände können durch gasdichtes Verschweißen einer Rohr-Steg-Rohr-Kombination
zusammengesetzt werden. In der Regel umfasst die Rohr-Steg-Rohr-Kombination
Rohre 18, die am Außenumfang
glatt sind und die jeweils mit separaten Stegen verbunden sind.
Möglich
sind jedoch auch Flossenrohre 18, deren Außenwand
bereits mit Stegen ausgebildet sind und die miteinander verbunden werden.
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Zur energetischen Nutzung der in
der Brennkammer 2 bei der Verbrennung frei werdenden Wärme und
zur Einstellung der Brennkammertemperatur sind neben den Brennkammerumfassungswänden 5, 11, 12 ferner
zusätzliche
Heizflächen 7 in
der Brennkammer 2 angeordnet, die bei Wirbelschichtreaktoren
gemäß dem Stand
der Technik als Schott-Heizflächen
ausgebildet sind. Bei Schott-Heizflächen handelt es sich um in
sich geschlossene und plattenartige Heizflächen (d.h. die einzelnen nebeneinander angeordneten
Rohre 8 sind mit Stegen 9 miteinander zu einem
Schott verbunden), die im Gegensatz zu Bündelheizflächen stehen, die offen ausgebildet
sind (d.h. die einzelnen nebeneinander angeordneten Rohre sind nicht
mit Stegen miteinander verbunden),.
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Die Heizfläche 7 des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors 1 umfasst
umfangseitig einen Innenraum 20 und ist, wie in 6 dargestellt, kastenförmig ausgebildet,
weshalb die Heizfläche 7 in der
weiteren Beschreibung auch als kastenförmige Heizfläche oder
als Kastenschotten) 7 bezeichnet wird. Die 6 zeigt dabei eine vorteilhafte Ausbildung
der kastenförmigen
Heizfläche 7 mit
rechteckigem Querschnitt auf. Das Kastenschott 7 gemäß der 6 weist vier Seitenwände aus
verschweißten Membranrohrwänden auf,
die an den Ecken zusammengeschweißt sind, wobei die Membranrohrwände aus
Rohren 7 und Stegen 8 gebildet wird. Es ergibt sich
somit ein Kasten in gasdicht verschweißter Rohr-Steg-Rohr-Ausführung bzw.
-Kombination. Anstelle der in 6 querschnittseitig
aufgezeigten rechteckigen Ausführung
des Kastenschottes 7 kann dieser auch mit einem anderen
Querschnitt ausgebildet sein, z. B n-eckig, rund, oval etc. D. h.
in diesem Fall hat der durch die kastenförmige Heizfläche 7 umfasste
Innenraum 20 einen n-eckigen bzw. runden bzw. ovalen Querschnitt.
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Da die unteren Bereiche (entspricht
dem Trichterbereich 3, 4) der Brennkammerumfassungswände 5 sowie
der Kastenschotten bzw. kastenförmigen
Heizflächen 7 in
Wirbelschichtreaktoren 1 einer erhöhten Verschleißbelastung
unterliegen, sind diese Bereiche üblicherweise durch eine feuerfeste Stampfmasse
bzw. feuerfeste Steine 21 geschützt. Damit am Übergang 23 vom
unteren, mit einer Feuerfestauskleidung 21 geschützten Bereich
zum oberen, nicht geschützten
Bereich 22 der Membranrohrwände der Kastenschotten 7 kein
Erosionsangriff durch Turbulenzen der Gas- und Feststoffströmung an
den Membranrohrwänden
auftritt, kann der Übergang 23 bzw.
die Vorderkanten der Feuerfestauskleidung 21 und der nicht
ausgekleideten Heizfläche 22 gemäß der 7 bis 9 in vorteilhafter Weise in vertikaler
Sicht im wesentlichen fluchtend ausgeführt werden, indem die Rohre 8 der
Kastenschotten 7 im Übergangsbereich 23 jeweils
nach innen in den Innenraum 20 eingezogen bzw. ausgebogen
werden und die Feuerfestauskleidung 21 auf die eingezogenen
Rohre 8 aufgebracht wird
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Die kastenförmigen Heizflächen 7 sind
vorteilhaft vertikal in der Brennkammer 2 angeordnet, um
dem von unten nach oben strömenden
Gas- und Partikelstrom möglichst
wenig Erosionsangriffspunkte zu geben. Dabei können die vertikal angeordneten Kastenschotten 7 beispielsweise
wie in 2 gezeigt längs die
ganze Brennkammer 2 durchqueren, d. h. durch Brennkammerboden 11 und
-decke 12 hindurchtreten oder beispielsweise wie in 3 gezeigt längs zwischen
Trichtersattel 19 des Brennkammerbodens 11 und
Brennkammerdecke 12 die Brennkammer 2 durchqueren.
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Innen bzw. im Innenraum 20 der
Kastenschotten 7 sind diese vorteilhaft durch Aussteifungen 10,
r. B. durch Kammbleche, innenliegende Bandagen bzw. sonstige Einbauten
versteift, wodurch die Längs-
und Quersteifigkeit gravierend erhöht wird. Hierdurch lassen sich
sehr steife Kastenschotten 7 mit sehr kleinen Rohrabmessungen
herstellen.
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Die Kastenschotten 7, die
sich über
eine Länge
L und über
ihren Querschnitt über
eine Breite B und eine Tiefe T erstrecken, besitzen vorteilhafterweise
Abmessungen von ca. 1,0 bis 4,0 m über die Breite B, ca. 0,1 bis
1,0 m über
die Tiefe T und ca. 20 m bis 50 m über die Länge L. Damit wird es ermöglicht,
die Brennkammertemperatur auch größter Anlagen zu regeln.
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Dampf- bzw. arbeitsmediumseitig werden
die Kastenschotten 7 üblicherweise
durch ein Wasser/Dampf Gemisch gekühlt und diese somit als Verdampferheizfläche innerhalb
des Arbeitsmediumkreislaufes eingesetzt. Grundsätzlich ist aber auch die Kühlung mit
Speisewasser (Economizerwasser), überhitztem Dampf bzw. zwischenüberhitztem Dampf
möglich.
In diesem Fall ist die kastenförmige Heizfläche 7 als
Economizer bzw. Überhitzer bzw. Zwischenüberhitzer
innerhalb des Arbeitsmediumkreislaufes des Reaktordampferzeugers
eingesetzt.
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Die für die Kastenschotten 7 eingesetzten Rohre 8 besitzen
in vorteilhafter Ausbildung Außendurchmesser
zwischen 20 mm und 70 mm. Durch den Einsatz kleiner Rohrdurchmesser
und der daraus resultierenden Massenstromdichte in den Rohren 8 wird über den
gesamten Lastbereich des Wirbelschichtreaktors 1 eine ausreichende
Kühlung
der Kastenschotten-Rohrwand bzw. der Rohre 8 und Stege 9 gewährleistet.
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Die Berohrung der Kastenschotten 7 erfolgt in
der Regel mit Glattrohren, d.h. dass die Innenfläche des Rohres 8 glatt
ausgebildet ist. Die Berohrung der Kastenschotten 7 kann
vorteilhafterweise mit innen berippten Rohren 8 erfolgen,
wobei durch die Innenberippung die Kühlung der Rohrinnenwand vor allem
bei Zweiphasenströmung,
d.h. bei einem Wasser-/Dampfgemisch zusätzlich verbessert wird. Als Innenberippung
sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ausführungen bekannt. In der Regel
verläuft
die Innenberippung schraubenförmig
innerhalb des Rohres. Die Rohre 8 der kastenförmigen Heizfläche 7 sind
wie bereits weiter oben angeführt
jeweils mit einem Steg 9 zu einer Rohr-Steg-Rohr-Kombination gasdicht
verschweißt.
Anstelle der üblichen Rohr-Steg-Rohr
Verbindung ist es auch möglich, Flossenrohre
gasdicht miteinander zu verschweißen. Flossenrohre haben bereits
werkseitig an zwei gegenüberliegenden
Stellen vorstehende Stege bzw. Flossen.
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Die Fertigung der Kastenschotten 7 ist
mit im Kesselbau üblichen
Materialien und Fertigungsverfahren möglich.
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Durch die Steifigkeit der Kastenschotten 7 werden
zudem die Auswirkungen von Temperaturunterschieden zwischen den
einzelnen Rohren 8 des Kastenprofils gemindert, so dass
es zu keinen nennenswerten temperaturbedingten Verformungen des Kastenschottes 7 kommt.
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Dadurch, dass die Kastenschotten 7 so
stabil sind und zudem eine Mitteltemperatur besitzen, die der der
Umfassungswände 5, 11, 12 nahezu
entspricht (da sie wie die Umfassungswand 5, 11, 12 ebenfalls
nur einseitig beheizt werden), ist es möglich, dass die Kastenschotten 7 am
unteren Durchtritt, d. h. durch den Brennkammerboden 11 bzw.
durch den Düsenboden
und am oberen Durchtritt, z. B. durch die Brennkammerdecke 12 mit
der Umfassungswand 5, 11, 12 fest verschweißt werden.
Eine aufwändige
Kompensation kann damit entfallen.
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Die Steifigkeit der Kastenschotten 7 sowie die
Tatsache, dass Sie mit den Umfassungswänden 11, 12 verbunden
werden können,
erlaubt, dass sie auch eine tragende Funktion zur Lastübertragung von
Brennkammerbauteilen, wie beispielsweise dem innenliegenden Trichter 4 (Pant-Leg) übernehmen können.
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Mittels der von der Anzahl her variierbaren Kastenschotten 7 – und abhängig davon
die variierbare Fläche
der einseitig beheizten Heizfläche
des Kastenschottes 7 – und
in Abhängigkeit
der zulässigen
Wärmestromdichten
innerhalb der Brennkammer 2 wird es in einfacher Weise
ermöglicht,
eine effiziente Brennkammerauslegung zu erzielen. Folge davon sind
beispielsweise deutlich niedrigere Brennkammerhöhen im Vergleich zu Anlagen
gemäß dem Stand
der Technik.
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Die oben angeführten Heizflächen der Brennkammerumfassungswände 5, 11, 12 bzw.
deren Rohre 18 sowie des/der Kastenschottes) 7 bzw. dessen/deren
Rohre 8 sind miteinander kommunizierende, d. h. verbundene
Bestandteile des Wirbelschichtreaktor-Dampferzeugers, in dem ein Arbeitsmedium,
in der Regel Wasser bzw. Dampf bzw. ein Wasser-/Dampfgemisch im
Kreislauf geführt
wird und das Arbeitsmedium seine durch die Erwärmung gewonnene Energie über eine
Dampfturbine an einen Generator weitergibt. Üblicherweise bzw, bei kleineren
und mittleren Wirbelschichtreaktorgrößen wird dessen Dampferzeuger
im Naturumlauf betrieben. Für
die Erzielung von hohen und höchsten
Dampfleistungen kann der Dampferzeuger im Zwangdurchlauf, ggf. im überkritischen
Zwangdurchlauf betrieben werden. Dies erfordert die für Zwangdurchlaufbetrieb bekannten
Ausführungen
und Schaltungen sämtlicher
Heizflächen
im Dampferzeuger.
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Durch die besonders stabile Ausbildung
des erfindungsgemäßen Kastenschottes 7 kann
insbesondere ein mit höchster
Leistung betriebener und mit einem Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgebildeter
Wirbelschichtreaktor 1 vorteilhaft mit einem bzw. mehreren
Kastenschotten) 7 zur Brennkammertemperaturregelung ausgebildet
sein. Durch die stabile Ausführung
der kastenförmigen
Heizfläche 7 können auch
sehr hohe Brennkammern 2 von Wirbelschichtreaktoren 1 mit
diesen noch bestückt
werden.
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Obwohl die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung bzw.
erfindungsgemäßen kastenförmigen Heizfläche 7 für Brennkammern
von Wirbelschichtreaktoren prädestiniert
ist, beschränkt
sich die Anwendung nicht nur auf diese, sondern kann auch in Brennkammern
mit anderen Feuerungssystemen, beispielsweise in kohlenstaubbefeuerten
Reaktoren (Verbrennung des feinst gemahlenen Kohlenstaubes mittels
Strahl- oder Rundbrenner) zum Einsatz kommen. Während bei Wirbelschichtreaktoren
wegen der vertikalen, stark erosiven Gas- und Feststoffströmung die
kastenförmigen
Heizflächen 7 vertikal
innerhalb der Brennkammer 2 angeordnet werden müssen, können die
erfindungsgemäßen Heizflächen 7 in
der kohlenstaubbefeuerten Brennkammer wegen der gering staubbeladenen
und damit kaum erosiven Gasströmung
auch quer zur Gasströmung und
somit horizontal innerhalb der Brennkammer angeordnet werden. Damit
können
auch kohlenstaubbefeuerte Reaktoren größter Leistung mit sehr großen Brennkammern
(bis zu 30 Meter Breite bzw. Tiefe) mit sehr stabilen Heizflächen ausgerüstet werden. Die
kastenförmigen
Heizflächen
können
sich dann zwischen zwei gegenüberliegenden
Brennkammerwänden
erstrecken und von diesen aufgenommen bzw. mit diesen verbunden
werden.
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- 1
- Zirkulierender
Wirbelschichtreaktor
- 2
- Brennkammer
- 3
- Trichter
einfach
- 4
- Trichter
zweifach („Pant
leg")
- 5
- Brennkammerumfassungswände
- 6
- Öffnung (Austritt)
zum Fliehkraftabscheider bzw. Zyklon
- 7
- Heizfläche, kastenförmig bzw.
Kastenschott
- 8
- Rohr
- 9
- Steg
- 10
- Aussteifung
- 11
- Brennkammerboden
- 12
- Brennkammerdecke
- 13
- Fliehkraftabscheider
- 14
- Rückführleitung
- 15
- Zufuhr
Fluidisierungsgas
- 16
- Zufuhr
Brennstoff
- 17
- Abgasleitung
- 18
- Rohr
der Brennkammerumfassungswände, Brennkammerdecke,
Brennkammer
-
- boden
- 19
- Trichtersattel
- 201
- Innenraum
- 21
- Kastenschottbereich
mit Feuerfestauskleidung
- 22
- Kastenschottbereich
ohne Feuerfestauskleidung
- 23
- Übergangsbereich
mit Rohrbiegungen
- 21
-