(Basiskenntnisse) Welche sind die grundlegenden Eigenschaften von Kesseln mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie?
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Welche sind die grundlegenden Eigenschaften von Kessel mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie?
Welche sind die grundlegenden Eigenschaften von Kessel mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie? Die grundlegenden Eigenschaften von Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett sind wie folgt: (1) Brennstoffverbrauchsteuerung bei niedrigen Temperaturen. Ihre Verbrennungsrate hängt hauptsächlich von der Geschwindigkeit der chemischen Reaktion ab, die wiederum vom Temperaturniveau bestimmt wird. Physische Faktoren sind nicht mehr der dominierende Faktor bei der Steuerung der Verbrennung. (2) Prozess der zyklischen Strömung von festen Stoffen bei hoher Geschwindigkeit, hoher Konzentration und hohem Durchsatz. Der gesamte Verbrennungsprozess in Kessel mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie erfolgt schrittweise in diesen beiden Formen der Zirkulation. (3) Prozesse der Übertragung von hoher Energiemenge, Masse und Impuls. Die Wärme in Kessel mit zyklischem Fluidisierbett entsteht hauptsächlich durch die wiederholte Zirkulation von festen Stoffen in hoher Geschwindigkeit, hoher Konzentration und hohem Durchfluss. Die Übertragung sowie der Austausch von Wärme, Masse und Impuls im Inneren des Kessels erfolgen sehr schnell, wodurch sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Kesselraum ergibt. (4) Je unterschiedlicher die Last ist, desto mehr ändert sich der Fließzustand; der niedrigste Wert beträgt 0.
(1) Niedrigtemperaturverbrennung: Die Verbrennung in einem Fluidisierbett unterscheidet sich stark von der Schichtverbrennung sowie der Verbrennung von Kohlepulver. Im Ofen muss stets eine große Menge an hochtemperaturbeständigen, inerten Stoffen vorhanden sein – wie Asche, Kalkstein oder Sand usw. Diese inerten Stoffe machen 97–98% des gesamten festen Materials im Ofen aus. Das bedeutet, dass der Anteil der brennbaren Feststoffe niemals mehr als 2–3% des gesamten Materials ausmacht. Somit kann auch bei einer Verbrennungs Temperatur von nur 850–900°C jedes feste Brennmaterial unter geeigneten Sauerstoffbedingungen vollständig verbrannt werden. Zudem sorgt die lange Verweildauer des Brennstoffs im Ofen sowie die starke Turbulenz im Betrieb dafür, dass ein Fluidisierbettkessel bei niedrigen Temperaturen stabil und effizient jedes Brennmaterial verbrennen kann. (II) Hervorragende Anpassungsfähigkeit an verschiedene Brennstoffe
Durch die oben beschriebenen Eigenschaften der Verbrennung bei niedrigen Temperaturen weisen Fluidbettkessel eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an verschiedene Brennstoffe auf. Für fast jeden Brennstoff kann ein Fluidbettkessel konstruiert werden, der in der Lage ist, diesen Brennstoff zu verbrennen – wobei dabei eine stabile Verbrennungsprozess sowie eine hohe Effizienz gewährleistet werden ； Bei bereits vorhandenen Fluidbettkesseln kann die Eigenschaft des Brennstoffs in einem recht weiten Bereich variieren, und der Kessel gewährleistet dennoch eine stabile Verbrennung. Bis heute wurden erfolgreich auf Fluidbettkesseln verschiedene Arten von Brennstoffen verbrannt – darunter alle Arten von Kohle, einschließlich Braunkohle mit hohem Asche- und Wassergehalt sowie Steinkohle mit niedrigem Schwefelgehalt. Ebenfalls werden Kohleabfälle, Waschwasser sowie Kohleschlamm verwendet. Zudem werden Bitumenkohle, Ölschiefer, Torf sowie städtische Abfälle, Ölschlamm und alte Reifen verbrannt. Auch Abfälle aus der Landwirtschaft und Forstwirtschaft wie Rinde, Späne, Reishülsen und Zuckerrohrabfälle werden als Brennstoffe genutzt. Es kann auch zur Verbrennung verschiedener flüssiger und gasförmiger Brennstoffe verwendet werden. Die verschiedenen Brennstoffe können entweder einzeln oder gemischt verbrannt werden – das ist etwas, was keine andere Verbrennungsart leisten kann. (III) Geringe Schadstoffemissionen: Die Eigenschaft der niedrigen Verbrennungstemperatur bei Schichtfeuerungen führt dazu, dass die Entstehung von thermischen NOx effektiv eingedämmt wird. Durch die Verwendung einer stufenweisen Verbrennung kann zudem die Emission von kohlenstoffbasierten NOx kontrolliert werden. Dadurch beträgt die Menge an NOx, die bei Schichtfeuerungen entsteht, nur noch 1/3 bis 1/4 der Menge bei Kohlepulverfeuerungen. Die NOx-Emissionen bei Blasenschichtfeuerungen können auf unter 0,03–0,04 % reduziert werden, während bei zyklischen Schichtfeuerungen die Emissionen auf 0,01–0,02 % begrenzt werden können. Außerdem kann, wenn während des Verbrennungsprozesses direkt Kalkstein oder Dolomit in den Ofen gegeben wird, aufgrund der Verbrennungstemperatur von 850–900 °C, die genau die optimale Temperatur für die Reaktion von Kalk (CaO) mit Schwefeldioxid (SO2) zur Entschwefelung darstellt, eine Entschwefelungseffizienz von etwa 90 % erreicht werden. Dies gilt je nach Schwefelgehalt des Kohlestoffs – indem man entsprechende Mengen an Kalkstein in den Brennraum des Fluidbettkessels gibt. Daher ist die Fluidisierbetttechnik eine wirtschaftlich effiziente und umweltfreundliche Kohleverbrennungsweise – das ist auch der grundlegende Grund dafür, dass sie weltweit so stark an Bedeutung gewinnt und sich schnell weiterentwickelt. (IV) Hohe Verbrennungsintensität: Aufgrund der starken turbulenten Mischung während des Verbrennungsprozesses im Fluidisierbett wird die Verbrennungsintensität erheblich erhöht. Da die Verbrennung in Dampfkesseln mit zyklischem Fluidisierbett im gesamten Kesselraum stattfindet, steigt dadurch die Leistung pro Volumeneinheit des Kessels. Gleichzeitig verringert sich die Querschnittsfläche sowie das Volumen des Kessels. Der Durchmesser von Kesseln mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie kann kleiner sein als bei herkömmlichen Kesseln. (5) Starke Wärmeübertragung im Bett: Die hohen Wärmeübertragungseigenschaften im Fluidbett ermöglichen es, den Metallverbrauch für die Heizelemente im Ofen zu reduzieren. Bei Dampfkesseln mit Blasenflussbett kann der Wärmeübergangskoeffizient der Gas/Stoff-Gemisch in dem Bett auf die darin eingebauten Rohre 233–326 W/(m²·K) betragen. In den Brennkammern von Kesseln mit zyklischem Flussbett liegt der Wärmeübergangskoeffizient des Gas/Stoff-Gemischs auf die wassergekühlten Wände im Bereich von 450–100 W/(m²·K). (VI) Gute Lastregelungsfähigkeit: Dank der großen Menge an Wärmebedarfsmaterialien im Ofen verfügen Fluidbettkessel über eine gute Lastregelungsfähigkeit. Die Regelungsbreite ist groß – auch bei nur 20 % der Nennleistung kann ein stabiler Brennvorgang aufrechterhalten werden. (7) Einfache Bedienung und Wartung: Aufgrund der niedrigen Verbrennungs Temperatur werden Asche und Schlacke nicht weich und klebrig – es entsteht somit kein Problem mit Ablagerungen im Ofen. Es ist daher nicht notwendig, Blasvorrichtungen im Ofenraum zu installieren. Eine niedrigere Ofentemperatur führt zu einem geringeren Wärmeübergang an den beheizten Oberflächen im Ofen, wodurch die Gefahr eines Wärmetransferkollapses und damit eines Rohrbruchs verringert wird. Die korrosive Wirkung durch das Verbrennen ist außerdem geringer als in Schichtfeuerungs- und Pulverkocheranlagen. All das macht Schichtfeuerungen einfach in der Bedienung und Wartung. Was die durch Fluidbettkessel häufig auftretenden Abnutzungsprobleme betrifft, so konnten diese durch eine Reihe von Schutzmaßnahmen in den besonders abnutzbaren Bereichen – wie beispielsweise Schichten aus abriebfesten Materialien – bereits gelöst werden. (8) Asche lässt sich gut für vielfältige Zwecke nutzen. Die durch das Verbrennen bei niedrigen Temperaturen entstehende Asche weist eine gute Aktivität auf. Zudem ist der Kohlenstoffgehalt in der Asche sowie im Schlackeanteil gering – in der Regel unter 4–5 %. Diese Asche kann daher als Zuschlagstoff bei der Herstellung von Zement oder als Rohstoff für andere Baustoffe verwendet werden. Dadurch wird eine effektive Nutzung der Asche ermöglicht.
Durch die oben beschriebenen Eigenschaften der Verbrennung bei niedrigen Temperaturen weisen Fluidbettkessel eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an verschiedene Brennstoffe auf. Für fast jeden Brennstoff kann ein Fluidbettkessel konstruiert werden, der in der Lage ist, diesen Brennstoff zu verbrennen – wobei dabei eine stabile Verbrennungsprozess sowie eine hohe Effizienz gewährleistet werden ； Bei bereits vorhandenen Fluidbettkesseln kann die Eigenschaft des Brennstoffs in einem recht weiten Bereich variieren, und der Kessel gewährleistet dennoch eine stabile Verbrennung. Bis heute wurden erfolgreich auf Fluidbettkesseln verschiedene Arten von Brennstoffen verbrannt – darunter alle Arten von Kohle, einschließlich Braunkohle mit hohem Asche- und Wassergehalt sowie Steinkohle mit niedrigem Schwefelgehalt. Ebenfalls werden Kohleabfälle, Waschwasser sowie Kohleschlamm verwendet. Zudem werden Bitumenkohle, Ölschiefer, Torf sowie städtische Abfälle, Ölschlamm und alte Reifen verbrannt. Auch Abfälle aus der Landwirtschaft und Forstwirtschaft wie Rinde, Späne, Reishülsen und Zuckerrohrabfälle werden als Brennstoffe genutzt. Es kann auch zur Verbrennung verschiedener flüssiger und gasförmiger Brennstoffe verwendet werden. Die verschiedenen Brennstoffe können entweder einzeln oder gemischt verbrannt werden – das ist etwas, was keine andere Verbrennungsart leisten kann. (III) Geringe Schadstoffemissionen: Die Eigenschaft der niedrigen Verbrennungstemperatur bei Schichtfeuerungen führt dazu, dass die Entstehung von thermischen NOx effektiv eingedämmt wird. Durch die Verwendung einer stufenweisen Verbrennung kann zudem die Emission von kohlenstoffbasierten NOx kontrolliert werden. Dadurch beträgt die Menge an NOx, die bei Schichtfeuerungen entsteht, nur noch 1/3 bis 1/4 der Menge bei Kohlepulverfeuerungen. Die NOx-Emissionen bei Blasenschichtfeuerungen können auf unter 0,03–0,04 % reduziert werden, während bei zyklischen Schichtfeuerungen die Emissionen auf 0,01–0,02 % begrenzt werden können. Außerdem kann, wenn während des Verbrennungsprozesses direkt Kalkstein oder Dolomit in den Ofen gegeben wird, aufgrund der Verbrennungstemperatur von 850–900 °C, die genau die optimale Temperatur für die Reaktion von Kalk (CaO) mit Schwefeldioxid (SO2) zur Entschwefelung darstellt, eine Entschwefelungseffizienz von etwa 90 % erreicht werden. Dies gilt je nach Schwefelgehalt des Kohlestoffs – indem man entsprechende Mengen an Kalkstein in den Brennraum des Fluidbettkessels gibt. Daher ist die Fluidisierbetttechnik eine wirtschaftlich effiziente und umweltfreundliche Kohleverbrennungsweise – das ist auch der grundlegende Grund dafür, dass sie weltweit so stark an Bedeutung gewinnt und sich schnell weiterentwickelt. (IV) Hohe Verbrennungsintensität: Aufgrund der starken turbulenten Mischung während des Verbrennungsprozesses im Fluidisierbett wird die Verbrennungsintensität erheblich erhöht. Da die Verbrennung in Dampfkesseln mit zyklischem Fluidisierbett im gesamten Kesselraum stattfindet, steigt dadurch die Leistung pro Volumeneinheit des Kessels. Gleichzeitig verringert sich die Querschnittsfläche sowie das Volumen des Kessels. Der Durchmesser von Kesseln mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie kann kleiner sein als bei herkömmlichen Kesseln. (5) Starke Wärmeübertragung im Bett: Die hohen Wärmeübertragungseigenschaften im Fluidbett ermöglichen es, den Metallverbrauch für die Heizelemente im Ofen zu reduzieren. Bei Dampfkesseln mit Blasenflussbett kann der Wärmeübergangskoeffizient der Gas/Stoff-Gemisch in dem Bett auf die darin eingebauten Rohre 233–326 W/(m²·K) betragen. In den Brennkammern von Kesseln mit zyklischem Flussbett liegt der Wärmeübergangskoeffizient des Gas/Stoff-Gemischs auf die wassergekühlten Wände im Bereich von 450–100 W/(m²·K). (VI) Gute Lastregelungsfähigkeit: Dank der großen Menge an Wärmebedarfsmaterialien im Ofen verfügen Fluidbettkessel über eine gute Lastregelungsfähigkeit. Die Regelungsbreite ist groß – auch bei nur 20 % der Nennleistung kann ein stabiler Brennvorgang aufrechterhalten werden. (7) Einfache Bedienung und Wartung: Aufgrund der niedrigen Verbrennungs Temperatur werden Asche und Schlacke nicht weich und klebrig – es entsteht somit kein Problem mit Ablagerungen im Ofen. Es ist daher nicht notwendig, Blasvorrichtungen im Ofenraum zu installieren. Eine niedrigere Ofentemperatur führt zu einem geringeren Wärmeübergang an den beheizten Oberflächen im Ofen, wodurch die Gefahr eines Wärmetransferkollapses und damit eines Rohrbruchs verringert wird. Die korrosive Wirkung durch das Verbrennen ist außerdem geringer als in Schichtfeuerungs- und Pulverkocheranlagen. All das macht Schichtfeuerungen einfach in der Bedienung und Wartung. Was die durch Fluidbettkessel häufig auftretenden Abnutzungsprobleme betrifft, so konnten diese durch eine Reihe von Schutzmaßnahmen in den besonders abnutzbaren Bereichen – wie beispielsweise Schichten aus abriebfesten Materialien – bereits gelöst werden. (8) Asche lässt sich gut für vielfältige Zwecke nutzen. Die durch das Verbrennen bei niedrigen Temperaturen entstehende Asche weist eine gute Aktivität auf. Zudem ist der Kohlenstoffgehalt in der Asche sowie im Schlackeanteil gering – in der Regel unter 4–5 %. Diese Asche kann daher als Zuschlagstoff bei der Herstellung von Zement oder als Rohstoff für andere Baustoffe verwendet werden. Dadurch wird eine effektive Nutzung der Asche ermöglicht.
Grundlegende Eigenschaften von Brennöfen mit zyklischer Fluidisierungsfeuerung:
(1) Brennen unter kontrollierter Temperatur
Die zyklische Fluidisierungsfeuerung ist ein Prozess der Fluidisierungsverbrennung, bei dem die hochgeschwindigkeitsweise strömenden Rauchgase in engem Kontakt mit den darin enthaltenen, stark turbulenten Festkörnern stehen. Zudem kommt es zu einer großen Menge an Rückmischung der Körner； Gleichzeitig werden im Außenbereich des Ofens die überwiegende Mehrheit der hochtemperierten festen Partikel aufgefangen und wieder in den Ofen zurückgeführt, um erneut am Verbrennungsprozess teilzunehmen. Auf diese Weise wird der Verbrennungsprozess in einem kontinuierlichen Zyklus ablaufen. Offensichtlich wird die Zeit, in der das Brennstoff im Ofen brennt, verlängert. Bei dieser Verbrennungsart liegt die Temperatur im Ofen aufgrund der optimalen Temperatur für die Schwefelentfernung in der Regel bei etwa 850 °C. Eine solche Temperatur liegt weit unter den Temperaturen in herkömmlichen Kohlefeuerungsanlagen und auch unter dem Schmelzpunkt des Asches aus Kohle. Dadurch entfallen alle Probleme, die durch das Schmelzen des Asches entstehen können. Diese Art der „Niedertemperaturverbrennung“ hat viele Vorteile: Die Bildung von Schlacke sowie das Austritt von Alkalimetallen sind im Vergleich zu Kohlepulverkesseln erheblich geringer. Zudem ist die Empfindlichkeit gegenüber den Eigenschaften des Asches geringer. Es ist außerdem nicht notwendig, viel Platz für die Abkühlung des heißen Asches zur Verfügung zu haben. Die Menge an Stickoxiden, die entstehen, ist niedrig. Zudem lässt sich im Kessel ein kostengünstiger und effizienter Prozess zur Entschwefelung durchführen. Aus Sicht der Dynamik der Verbrennungsreaktionen wird die Verbrennung in Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett in der dynamischen Verbrennungszone (oder Übergangszone) kontrolliert. Da in Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett die Temperatur relativ niedrig ist und außerdem eine starke Mischung der festen Partikel stattfindet, hängt die Verbrennungsrate in diesem Fall hauptsächlich von der Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen ab – also vom Temperaturniveau. Physische Faktoren spielen dabei keine entscheidende Rolle mehr bei der Steuerung der Verbrennungsrate. Die Verbrennungsgrad des Brennstoffs in Kessel mit zyklischer Fluidisierung ist sehr hoch. In der Regel kann die Verbrennungseffizienz solcher Kessel 95–99 % oder sogar mehr betragen. (2) Prozess der Fluidisierung von festen Stoffen bei hoher Geschwindigkeit, hoher Konzentration und hohem Durchsatz – Die festen Stoffe im Kreislauf-Fluidisierbettkessel (einschließlich Brennstoff, Asche, Desulfurierungsmittel sowie inertem Bettmaterial) durchlaufen einen externen Kreislauf, der aus dem Kesselraum, dem Trennapparat sowie dem Rückführungsmechanismus besteht. Gleichzeitig besteht im Inneren des Ofens aufgrund der Wandeffekte ein innerer Kreislauf. Dadurch nimmt das Material in den Brennwertkesseln mit zirkulierendem Schlamm an beiden Kreislaufprozessen – dem äußeren und dem inneren Kreislauf – teil. Sowohl der gesamte Verbrennungsprozess als auch der Schwefelentfernungsprozess werden im Laufe eines dynamischen Kreislaufprozesses in diesen beiden Formen schrittweise abgeschlossen. (3) Prozesse der Übertragung von hoher Energiemenge, Masse und Impuls In Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett bewegen sich große Mengen an festen Stoffen unter starken Turbulenzen durch den Brennraum. Durch gezielte Eingriffe kann die Menge der durchfließenden Stoffe verändert werden, ebenso wie die Verteilung der Stoffe im Brennraum – damit die Bedingungen für das Verbrennen angepasst werden können. Bei dieser Organisationsweise sind die Prozesse der Wärme-, Masse- und Impulstransmission im Ofen äußerst intensiv, wodurch sich die Temperaturverteilung in der gesamten Ofenhöhe gleichmäßig gestaltet.
(1) Brennen unter kontrollierter Temperatur
Die zyklische Fluidisierungsfeuerung ist ein Prozess der Fluidisierungsverbrennung, bei dem die hochgeschwindigkeitsweise strömenden Rauchgase in engem Kontakt mit den darin enthaltenen, stark turbulenten Festkörnern stehen. Zudem kommt es zu einer großen Menge an Rückmischung der Körner； Gleichzeitig werden im Außenbereich des Ofens die überwiegende Mehrheit der hochtemperierten festen Partikel aufgefangen und wieder in den Ofen zurückgeführt, um erneut am Verbrennungsprozess teilzunehmen. Auf diese Weise wird der Verbrennungsprozess in einem kontinuierlichen Zyklus ablaufen. Offensichtlich wird die Zeit, in der das Brennstoff im Ofen brennt, verlängert. Bei dieser Verbrennungsart liegt die Temperatur im Ofen aufgrund der optimalen Temperatur für die Schwefelentfernung in der Regel bei etwa 850 °C. Eine solche Temperatur liegt weit unter den Temperaturen in herkömmlichen Kohlefeuerungsanlagen und auch unter dem Schmelzpunkt des Asches aus Kohle. Dadurch entfallen alle Probleme, die durch das Schmelzen des Asches entstehen können. Diese Art der „Niedertemperaturverbrennung“ hat viele Vorteile: Die Bildung von Schlacke sowie das Austritt von Alkalimetallen sind im Vergleich zu Kohlepulverkesseln erheblich geringer. Zudem ist die Empfindlichkeit gegenüber den Eigenschaften des Asches geringer. Es ist außerdem nicht notwendig, viel Platz für die Abkühlung des heißen Asches zur Verfügung zu haben. Die Menge an Stickoxiden, die entstehen, ist niedrig. Zudem lässt sich im Kessel ein kostengünstiger und effizienter Prozess zur Entschwefelung durchführen. Aus Sicht der Dynamik der Verbrennungsreaktionen wird die Verbrennung in Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett in der dynamischen Verbrennungszone (oder Übergangszone) kontrolliert. Da in Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett die Temperatur relativ niedrig ist und außerdem eine starke Mischung der festen Partikel stattfindet, hängt die Verbrennungsrate in diesem Fall hauptsächlich von der Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen ab – also vom Temperaturniveau. Physische Faktoren spielen dabei keine entscheidende Rolle mehr bei der Steuerung der Verbrennungsrate. Die Verbrennungsgrad des Brennstoffs in Kessel mit zyklischer Fluidisierung ist sehr hoch. In der Regel kann die Verbrennungseffizienz solcher Kessel 95–99 % oder sogar mehr betragen. (2) Prozess der Fluidisierung von festen Stoffen bei hoher Geschwindigkeit, hoher Konzentration und hohem Durchsatz – Die festen Stoffe im Kreislauf-Fluidisierbettkessel (einschließlich Brennstoff, Asche, Desulfurierungsmittel sowie inertem Bettmaterial) durchlaufen einen externen Kreislauf, der aus dem Kesselraum, dem Trennapparat sowie dem Rückführungsmechanismus besteht. Gleichzeitig besteht im Inneren des Ofens aufgrund der Wandeffekte ein innerer Kreislauf. Dadurch nimmt das Material in den Brennwertkesseln mit zirkulierendem Schlamm an beiden Kreislaufprozessen – dem äußeren und dem inneren Kreislauf – teil. Sowohl der gesamte Verbrennungsprozess als auch der Schwefelentfernungsprozess werden im Laufe eines dynamischen Kreislaufprozesses in diesen beiden Formen schrittweise abgeschlossen. (3) Prozesse der Übertragung von hoher Energiemenge, Masse und Impuls In Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett bewegen sich große Mengen an festen Stoffen unter starken Turbulenzen durch den Brennraum. Durch gezielte Eingriffe kann die Menge der durchfließenden Stoffe verändert werden, ebenso wie die Verteilung der Stoffe im Brennraum – damit die Bedingungen für das Verbrennen angepasst werden können. Bei dieser Organisationsweise sind die Prozesse der Wärme-, Masse- und Impulstransmission im Ofen äußerst intensiv, wodurch sich die Temperaturverteilung in der gesamten Ofenhöhe gleichmäßig gestaltet.