DE4405894C2 - Wasserrohrkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserrohrkessel mit einem Feuerraum, in dessen Innenraum eine Rohrbündel-Anordnung vorhanden ist, bestehend aus einer Vielzahl parallel zueinander ausge­ richteter Wasserrohre, die in Strömungsrichtung der Rauchgase in einem bestimmten Abstand (P) hintereinander und in Querrichtung dazu in einem bestimmten Rasterabstand in Reihen ange­ ordnet sind, wobei die Wasserrohre als Flammenberührungsheizflächen von dem Flammen­ volumen im Feuerraum direkt beaufschlagt sind.

Wasserrohrkessel dieser Art sind aus der DE 39 30 037 C2 bekannt. Sie werden nach dem sogenannten Rohrbündelbrennkammerverfahren betrieben, bei dem die Brennerflamme direkt in das Wasserrohrbündel hineingeblasen wird, so daß die Wasserrohre als Flammenberührungsheiz­ flächen direkt mit der Brennerflamme beauf­ schlagt sind. Dadurch ergibt sich eine bessere Nutzung des Feuerraumvolumens und somit eine kleinere und kompaktere Bauweise des Wasser­ rohrkessels.

Allerdings hat das Rohrbündelbrennkammer­ verfahren Nachteile, die in einer instabilen Verbrennung zu sehen sind, da die Brenner­ flamme durch das Auftreffen auf die Rohr­ bündel-Anordnung gestört wird und eine stabile Flammenausbildung äußerst schwierig ist. Die Flammenführung kann leicht umschlagen, und es ist eine Tendenz zu einer pulsierenden Ver­ brennung mit erheblicher Geräuschentwicklung festzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wasserrohrkessel des einleitend definierten Typs so zu verbessern, daß die vorstehend beschriebenen Nachteile des Rohrbündelbrennkammerverfahrens vermieden werden, ohne dabei jedoch die Vorteile der besseren Nutzung des Feuerraum­ volumens und damit der kleineren Bauweise solcher Wasserrohrkessel zu beeinträchtigen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kenn­ zeichen des Hauptanspruches angegebenen Merk­ male, wobei hinsichtlich bevorzugter Ausge­ staltungen auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen wird.

Nach der Lehre der Erfindung wird der her­ kömmliche Brenner, der üblicherweise am Kopf des Feuerraums vorhanden ist, durch sogenannte Brennstoffzuführungsrohre ersetzt, die vor der ersten Reihe des Wasserrohrbündels (und im Bedarfsfall auch zusätzlich zwischen zwei nachfolgenden Reihen des Wasserrohrbündels) positioniert sind und die in ihrer Anzahl, ihren Abmessungen und in ihrer Anordnung dem Raster­ abstand der Wasserrohre entsprechen. Der in Strömungsrichtung der Rauchgase gemessene Ab­ stand L der Brennstoffzuführungsrohre vor dem jeweils nachfolgenden Wasserrohr soll dabei gleich oder größer sein als der dreifache Rohrdurchmesser der Wasserrohre bzw. der Brenn­ stoffzuführungsrohre.

Der Brennstoff, der den Brennstoffzuführungs­ rohren zugeführt wird, kann ein teilweise mit Verbrennungsluft vorgemischter Brennstoff sein, oder ein vollständig mit Verbrennungsluft vorgemischter Brennstoff oder Brennstoff ohne Verbrennungsluft, wobei im ersten und letzten Fall Verbrennungsluft gesondert am Kopf des Feuerraums zugeführt wird. Dies hängt von der jeweiligen Kesselkonstruktion ab.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht nach Anspruch 5 vor, daß die Brennstoffzuführungsrohre jeweils Brenn­ stoffeinspritzdüsen aufweisen, die mit gleichem Abstand und gleichgerichtet entlang des Brennstoffzu­ führungsrohres angeordnet sind und deren Einspritzrichtung im wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung der Rauchgase oder quer dazu ausgerichtet sind.

Der Anordnung der Brennstoffzuführungsrohre vor der ersten Reihe der Wasserrohre kann gemäß Anspruch 3 eine Zündvorrichtung nach­ geschaltet sein, die nahe der ersten Reihe der Wasserrohre positioniert ist.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die Ver­ brennung, die Flammenhaltung und der Mischvorgang im Rohrbündel selbst ausgeführt werden, wodurch der her­ kömmliche Brenner ersetzt, und die damit zusammenhängenden Probleme beseitigt werden.

Die Verbrennung, die Flammenhaltung und der Mischvorgang finden stromabwärts an jedem Wasserrohr statt. Gemäß der Erfindung be­ sitzt jedes Wasserrohr die Funktion eines Hochlei­ stungsflammenhalters durch den Effekt des stumpfen Körpers. Außerdem wird der Mischvorgang geför­ dert durch die Karmanwirbel in dem Raum zwischen, den Wasserrohrreihen durch die Einhaltung eines in Stromrichtung der Rauchgase gemessenen Ab­ standes zwischen zwei Wasser­ rohren, der gleich oder größer als der zweifache Rohrdurchmesser ist (siehe Anspruch 4). Die Bedeutung der Erfindung liegt darin, die Verbrennung und die Wärmeabsorption zur gleichen Zeit in dem gleichen Wasserrohrbündel vorzusehen. Je­ de Flamme wird in einem stagnierenden Teil am Was­ serrohrwirbelstrom gehalten (s. Fig. 2). Das Mischen von Luft und Brennstoff wird durch Karmanwirbel ge­ fördert, die in einem Raum zwischen den Wasserrohren gebildet werden. Hierdurch werden die Verbrennung, die Flammenhaltung und der Wärmeübergang geför­ dert. Dieses Phänomen tritt von der ersten Rohrreihe bis zum Ende der Rohrreihe wiederholt ein, worauf die vollständige Verbrennung erzielt wird. Darüber hinaus kann der Verbrennungsvorgang durch die Verwendung von Verbrennungs- Katalysatoren optimiert werden die z. B. zwischen einzelnen Reihen des Wasserrohrbündels angeordnet sind (siehe Anspruch 10). Die Funktion des stumpfen Körpers zum Halten der Flamme des Wasserrohres und/oder des Brennstoffzuführrohres kann verstärkt werden durch Rippen an den Brennstoffzuführrohren. Es wird wirkungsvoller sein, U-förmige oder quadratische Öffnungen oder Löcher mit einem geeigneten Durchmesser an den Rippen vorzu­ sehen.

Hinsichtlich des Effektes der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Wasserrohrkessels ergeben sich die fol­ genden Hauptvorteile:

• 1. Die Probleme des Pulsierens der Verbrennung, die bei herkömmlichen Brennern auftreten, werden gelöst. Es läßt sich hierdurch ein breiterer Verbrennungsbereich, niedriges Ge­ räusch, niedriges NOx sowie eine geringere Größe und Gewicht des Kessels erzielen.
• 2. Der Zugverlust bei der gleichmäßigen Vermi­ schung der Luft mit dem Brennstoff wird drastisch reduziert, da ein herkömmlicher Brenner entfällt. Dies führt zu einer erheb­ lichen Reduzierung der dynamischen Gebläsekraft und der elektrischen Leistung.
• 3. Die Verbrennung mit einem niedrigen Luftver­ hältnis gestattet eine Verbes­ serung des Kesselwirkungsgrades, was zu Energie­ einsparung führt.
• 4. Der NOx-Wert wird reduziert auf 10-20 ppm, welches bei einer herkömmlichen Verbrennungs­ methode unmöglich ist. Die Verbrennung mit ei­ nem niedrigen Überschußluftverhältnis läßt eine 1,0%ige O₂-Konzentration im Abgas erreichen.
• 5. Es wird möglich, die Flammenhaltefunktion zu unterstützen durch die Anordnung einer geeigne­ ten Anzahl, Höhe und Winkel von Rippen an den Wasserrohren und/oder den Brennstoffzuführungsrohren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile eines er­ findungsgemäßen Wasserrohrkessels werden nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B und 1C, jeweils mit ihren Abbildungen -(1) und -(2), drei ver­ schiedene Ausführungsbei­ spiele der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Darstellung der Flammen­ haltung an den Wasserrohren,

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wasserrohrkessels in schematischer Darstellung,

Fig. 5 mit den Abbildungen -(1), -(1A), -(1B) und -(2) und -(3)

sowie Fig. 6 mit den Abbildungen -(1) bis -(5) verschiedene Ausführungsformen der Brennstoffzuführungsrohre,

Fig. 7 mit den Abbildungen -(1A), -(1B), -(2A) und -(2B) mögliche Rippenansätze an den Wasserrohren und/oder den Brennstoffzuführungsrohren eines erfindungsgemäßen Wasserrohrkessels

Die Fig. 1A, 1B und 1C zeigen jeweils den Feuerraum 10 eines Wasserkessels, in dessen Innenraum ein Wasserrohrbündel mit den Wasser­ rohren 1 angeordnet ist. Die Wasserrohre ver­ laufen parallel zueinander und haben in Strömungsrichtung der Rauchgase (vergl. hierzu den Richtungspfeil für die Luftzuführung in den Fig. 1A und 1B) einen Abstand P zu­ einander, siehe hierzu Fig. 1A-(1). In Quer­ richtung dazu sind die Wasserrohre in einem bestimmten Rasterabstand in Reihen angeordnet, siehe hierzu die Fig. 1A, 1B, 1C, jeweils deren Abbildungen -(2).

In dem Feuerraum ist vor der ersten Reihe der Wasserrohre eine Reihe von Brennstoff­ zuführungsrohren 4 angeordnet, und zwar in der Anzahl und im Rasterabstand wie die erste Reihe der Wasserrohre. Der Abstand L zu dem jeweils nachfolgenden Wasserrohr ist aus Fig. 1A-(1) ersichtlich. Der Durchmesser D der Brennstoffzuführungsrohre 4 entspricht dem Durchmesser der Wasserrohre 1.

Über das Brennstoffhauptrohr 3 wird den einzelnen, im Feuerraum positionierten Brennstoffzuführungsrohren 4 Brennstoff zu­ geführt, der über Brennstoffeinspritzdüsen, die im gleichen Abstand entlang der Brenn­ stoffzuführungsrohre angeordnet sind, in gleichmäßiger Verteilung in den Feuerraum abgegeben wird.

Den Brennstoffzuführungsrohren 4 ist eine Zündvorrichtung 5 nachgeschaltet, die nahe der ersten Reihe der Wasserrohre 1 positioniert ist.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele der Fig. 1A, 1B und 1C unterscheiden sich in der Weise voneinander, daß bei dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 1A die erforderliche Ver­ brennungsluft ausschließlich über den Luft­ ansatzstutzen 2 dem Feuerraum zugeführt wird. Bei dem Beispiel nach Fig. 1B wird ein Teil der benötigten Verbrennungsluft dem Brenn­ stoffhauptrohr 3 zugegeben, so daß die Brenn­ stoffzuführungsrohre 4 ein Brennstoff/Luft­ gemisch führen. Bei dem Beispiel nach Fig. 1C entfällt die Zuführung von Verbrennungsluft über einen Luftansatzstutzen des Feuerraums vollständig und die benötigte Verbrennungs­ luft wird ausschließlich über das Brennstoff­ hauptrohr 3 und damit als Brennstoff/Luftge­ misch über die Brennstoffzuführungsrohre 4 in den Feuerraum eingegeben.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch insgesamt vier Wasserrohre 1 und durch zwei vorgelagerte Brennstoffzuführungsrohre 4, die Brennstoff­ einspritzdüsen 8 aufweisen, deren Einspritz­ richtung in den Feuerraum entgegen der Strömungs­ richtung der zugeführten Luft ausgerichtet sind. Der Flammenhaltebereich hinter jedem der Rohre ist mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Die Karmanwirbel, die sich hinter jedem Rohr ausbilden und zu einer guten Durchmischung des Brennstoff/Luftgemisches und damit zu einer vollständigen Verbrennung beitragen, sind mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wasserrohrkessels, bei dem zusätzlich zu der Anordnung von Brennstoffzuführungsrohren 41 vor der ersten Reihe der Wasserrohre 1 eine weitere Anordnung von Brennstoffzuführungs­ rohren 42 zwischen zwei nachfolgenden Reihen der Wasserrohre 1 vorhanden ist.

Fig. 4 zeigt die Möglichkeit, zwischen ausge­ wählten Reihen der Wasserrohre ein Katalysator­ material 61 und 62 zur Verbesserung der Ver­ brennung anzuordnen.

Der Brennstoff wird mittels Brennstoffeinspritzdüsen 8 injiziert, die mit nahezu dem gleichen Abstand entlang der Rohrachse der Brennstoffzuführungsrohre ange­ ordnet sind, wie dies in Fig. 5-(1) wiedergegeben ist. Es ist vorteilhaft für einen besseren Mischzustand und die Flammenhaltung an dem Brennstoffzuführwir­ belstrom, die Düsen so einzustellen, daß sie den Brenn­ stoff in entgegengesetzter Richtung zum Verbren­ nungsluftstrom oder quer dazu injizieren, wie dies in den Fig. 5-(1A) und Fig. 5-(1B) dargestellt ist. Hierdurch wird, wenn die Luftverhältnisverteilung und eine gleichmäßige Ver­ brennung in allen Abschnitten des Rohrbündels erreicht werden, die Flamme an jedem Wasserrohrwirbelstrom gehalten, und der Mischvorgang wird durch Karman­ wirbel gefördert, wodurch sich eine gleichmäßige Nied­ rigtemperaturverbrennung ergibt bei einem gleichmä­ ßigen Verbrennungsvorgang, einer Flammenhaltung und einem Wärmeübergang. Schließlich wird ein niedri­ ges NOx erreicht.

Verschiedene Aufbauten der Brennstoffzuführrohre sind in Fig. 5-(2), Fig. 5-(3), Fig. 6-(1), Fig. 6-(2), Fig. 6-(3), Fig. 6-(4) und Fig. 6-(5) wiedergege­ ben. Immer kann eine stabile Verbrennung mit niedriger Geräuschbildung erreicht werden ohne pulsierende Verbrennung und ohne ein Anheben der Flamme, da die Flammenhalteoberfläche an den Wasserrohren wesentlich größer ist als bei Wasserrohren, die bei einer herkömmlichen Bauart der Wasser­ rohrkessel direkt mit der Brenner­ flamme beaufschlagt sind. Ein herkömmli­ cher Brenner besitzt im Schnitt eine ungleichmäßige Luftverhält­ nisverteilung, und das Rohrbündel wird durch Brenner­ strahlen mit einem großen Geschwindigkeitswert be­ aufschlagt. Dieses verursacht ein Ausbrennen der Was­ serrohre, eine Wärmeermüdung und eine Korrosions­ ermüdung bei unausgeglichener Wärmeübergangslast­ verteilung. Die vorliegende Erfindung behebt diese Pro­ bleme.

Im Gegensatz zum Wasserrohr kann eine Wärmebe­ lastung des Brennstoffzuführrohres eintreten, da es auf der Vorderseite durch die Verbrennungsluft gekühlt wird, während die Rückseite des Brennstoffzuführroh­ res durch die Flamme erhitzt wird. In diesem Fall ist es gut, einen Wasserkühlungsdoppelrohraufbau für das Brennstoffzuführrohr vorzusehen entsprechend der Darstellung in Fig. 5-(2).

In Fig. 5-(2) identifiziert die Bezugsziffer 4 ein Dop­ pelrohrbrennstoffzuführrohr, die Bezugsziffer 8 eine Brennstoffeinspritzdüse und die Bezugsziffern 91 und 92 den Kühlwassereinlaß bzw. den Kühlwasserauslaß.

In Fig. 5-(3) ist ein sogenannter Dreifachrohraufbau wiedergegeben. Das innere Rohr befindet sich in dem Doppelbrennstoffzuführrohr, das in Fig. 5-(2) dargestellt ist, wobei Luft mit dem Brennstoff in dem inneren Rohr vermischt wird. Dieser Aufbau ist ein An­ wendungsbeispiel, welches einen sicheren Einsatz er­ möglicht für Kessel großen Ausmaßes.

Im Fall von P ≧ 2D (wobei P den Längsabstand zwischen jeder Wasserrohrreihe und D den Durchmes­ ser des Wasserrohres angibt) wird der Mischvorgang mit dem Brennstoff gefördert durch die Bildung von Karmanwirbeln, wodurch sich die Verbrennung und der Wärmeübergang verbessern läßt. Im Fall von P < 2D werden Karmanwirbel nicht so kraftvoll gebildet, so daß sich ein schlechterer Mischvorgang ergibt.

Fig. 6-(1) zeigt, daß das Brennstoffzuführrohr aus einem Verbrennungskataly­ sator mit porösem oder honigwabenförmigem Aufbau bestehen kann.

Fig. 6-(2) zeigt ein Brennstoffzuführrohr mit einer Anzahl von Brennstoffeinspritzöffnungen auf der gesamten Umfangsfläche verteilt.

Fig. 6-(3) zeigt ein Brennstoffzuführrohr, welches aus den gleichen Materialien wie in 6-(1) besteht, wobei die Brennstoffeinspritzdüsen den Brennstoff in entgegengesetzte Richtung zum Verbrennungsluftstrom injizieren.

Fig. 6-(4) zeigt ein Brennstoffzuführrohr, bei wel­ chem die Düse den Brennstoff im rechten Winkel zum Luftstrom injiziert.

Fig. 6-(5) zeigt einen Doppelaufbau des Brennstoff­ zuführrohres mit einem inneren Rohr für die Brenn­ stoffzufuhr. Der Brennstoff aus dem inneren Rohr wird gemischt mit Verbrennungsluft, die im äußeren Rohr geführt wird. Dann wird das Luft/Brennstoffgemisch von dem äuße­ ren Rohr in den Feuerraum injiziert.

Die Fig. 7 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Wasserrohres und/oder des Brennstoffzuführrohres mit einer geeigneten Anzahl und Höhe von Rippen 13, um die Flammenhaltefunktion zu verbessern.

Die Fig. 7-(1A) zeigt, daß zwei Rippen 13 an dem Wasserrohr 1 in einem rechten Winkel zum Luftstrom angeordnet sind. In diesem Fall gilt 2h + Dw (dabei ist h die Höhe einer Rippe und Dw der Durchmesser eines Wasserrohres) ist gleich dem Wasserrohrdurchmesser D, der zuvor beschrieben wurde.

Anzahl, Winkel und Höhe der Rippe sind im Aufbau veränderbar. Fig. 7-(1B) gibt an, daß zwei Rippen 13 an dem Brennstoffzuführrohr 4 be­ festigt sind. Die Brennstoffeinspritzdüsen 8 befinden sich auf der Rückseite der Rippen.

Die Fig. 7-(2A) und 7-(2B) zeigen Rippen mit unterschiedlichen Öffnungen oder Ausnehmungen. Fig. 7-(2A) zeigt die Rippe 13 mit U-förmigen Öffnungen 14 am Brennstoffzuführrohr und Fig. 7-(2B) zeigt die Rippe mit Löchern 19 am Brennstoffzuführrohr. In jedem Fall ist es besser, die Brennstoffeinspritzdüsen so anzuordnen, daß sie zwischen den Öffnungen oder Löchern positioniert sind. Es ist besser, größere Löcher vorzusehen in Übereinstimmung mit dem Ab­ stand von dem Wasserrohr, um die Flamme zu halten.

Claims (11)

1. Wasserrohrkessel

• - mit einem Feuerraum, indessen Innenraum eine Rohrbündel-Anordnung vorhanden ist, bestehend aus einer Vielzahl parallel zueinander aus­ gerichteter Wasserrohre, die in Strömungs­ richtung der Rauchgase in einem bestimmten Abstand (P) hintereinander und in Querrichtung dazu in einem bestimmten Rasterabstand in Reihen angeordnet sind,
• - wobei die Wasserrohre als Flammenberührungs­ heizflächen von dem Flammenvolumen im Feuer­ raum direkt beaufschlagt sind,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß in dem Feuerraum (10) zumindest vor der ersten Reihe der Wasserrohre (1) und ent­ sprechend der Anzahl und dem Rasterabstand der Wasserrohre und parallel dazu Brenn­ stoffzuführungsrohre (4) angeordnet sind, die jeweils mehrere Brennstoffeinspritzdüsen (8) aufweisen,
• - daß die Brennstoffzuführungsrohre jeweils im wesentlichen den gleichen Durchmesser (D) wie die Wasserrohre besitzen
• - und daß der in Strömungsrichtung der Rauch­ gase gemessene Abstand (L) der Brennstoff­ zuführungsrohre von dem jeweils nachfolgenden Wasserrohr entsprechend L ≧ 3D bemessen ist.

2. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zusätzlich zu der Anordnung der Brenn­ stoffzuführungsrohre (4, 41) vor der ersten Reihe der Wasserrohre weitere Anordnungen von Brennstoffzuführungsrohren (42) zwischen zwei Reihen von Wasserrohren vorhanden sind.

3. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Anordnung der Brennstoffzuführungs­ rohre vor der ersten Reihe der Wasserrohre eine Zündvorrichtung (5) nachgeschaltet ist, die nahe der ersten Reihe der Wasserrohre positioniert ist.

4. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der in Strömungsrichtung der Rauchgase gemessene Abstand (P) zwischen zwei Wasser­ rohren entsprechend P ≧ 2D bemessen ist.

5. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Brennstoffzuführungsrohre jeweils Brennstoffeinspritzdüsen (8) aufweisen, die mit gleichem Abstand und gleichgerichtet entlang des Brennstoff­ zuführungsrohres angeordnet sind
• - und deren Einspritzrichtung im wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung der Rauchgase oder quer dazu ausgerichtet sind.

6. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Brennstoffzuführungsrohre jeweils als Doppelmantelrohre ausgebildet sind,
• - wobei der Außenmantelhohlraum Kühlwasser führt.

7. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Brennstoffzuführungsrohre jeweils als Doppelmantelrohre ausgebildet sind,
• - wobei der Außenmantelhohlraum der Zuführung von Verbrennungsluft dient, die im Außen­ mantelhohlraum mit dem im Innenrohr zugeführten Brennstoff gemischt wird.

8. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Brennstoffzuführungsrohre jeweils als Dreifachmantelrohre ausgebildet sind,
• - wobei der Außenmantelhohlraum Kühlwasser führt und der Zwischenmantelhohlraum der Zuführung von Verbrennungsluft dient.

9. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Brennstoffzuführungsrohre aus einem porösen Material gefertigt sind, das als Verbrennungskatalysator wirkt.

10. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen den Reihen der Wasserrohre ein Katalysatormaterial zur Verbesserung der Verbrennung angeordnet ist.

11. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Brennstoffzuführungsrohre und/oder die Wasserrohre Rippen (13) mit Durchbrüchen (14, 19) aufweisen.