DD145035A3 - Brenner fuer die vergasung von staubfoermigen brennstoffen - Google Patents

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Klaus Fleischer
Peter Goehler
Manfred Schingnitz
Friedrich Berger
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Vasilij G Fedotov
Vladimir P Gavrilin
Ernest A Gudymov
Vladimir P Semenov
Igor G Achmatov
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Description

A* 20 8 1
Titel der Erfindung
Brenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter Druck bis zu 50 bar mittels dem Braunkohlenstaub und ein Vergasungsmittel oder Vergasungsmittelgemisch einem Reaktor zur Erzeugung von Druckvergasungsgas zugeführt werden kann.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die bisher bekannten Vorrichtungen zur voneinander getrennten Zuführung von staubförmigen Brennstoffen und Vergasungsmittel in Vergasungsräume, allgemein Brenner genannt, haben zur. Grundlage, daß der staubförmige Brennstoff durch ein zentral im Brenner angeordnetes Rohr geführt wird. Um dieses Zentralrohr sind in der Regel konzentrisch ein oder mehrere Rohre so gelagert, daß sich ringförmige Kanäle zwischen den Rohren bilden. Diese Kanäle dienen der Zufuhr eines oder mehrerer Vergasungsmittel oder von Vergasungsmittelgemischen in den Reaktionsraum«, Das oder die Vergasungsmittel treten r-saktionsraumseitig aus diesen Kanälen entweder aus ringförmigen Querschnitten oder aus Bohrungen aus, die meist ringförmig angeordnet die Kanäle abschlies sen und reagieren dann mit dem zentralen Staubstrahl. Die Zuführung von staubförmigen Brennstoffen, beispielsweise Braunkohlenstaub, in einem zentral im Brenner gelegenen Rohr mit kreisförmigem. Querschnitt ist eine einfach zu realisierende Lösung» Erfahrungsgemäß ksji.ii fluidisierter Braunkohlenstaub unter Beachtung staubsoeaifischer Bedingungen bei relativ hoher
Dichte des Staubstrahls in einem technisch glatten und geraden Rohr mit gleichbleibender Querschnittsfläche relativ leicht transportiert, v/erden.
In bisher realisierten Versuchsanlagen (z. B. U.S. Bureau of Mines Morgentown) sowie in Patentvorschlägen (z. B. Offenlegungsschrift BRD 25 36 249s US-Pat. 2702, 744, DDR-Pat. 12 79 04) wird das Prinzip der zentralen Führung des Vergasungsstoffes im Brenner angewandt. Ein wesentlicher Mangel des zentralen Austritts des Vergasungsstoffes in den Reaktionsraum mit konzentrisch dazu verlaufender Vergasungsmittelzufuhr, beispielsweise Sauerstoff, liegt darin, daß sich durch den konzentrischen, ringförmigen Vergasungsmittelstrahl infolge Rezirkulation Gas aus dem Reaktionsraum mit dem Vergasungsmittel vermischen kann, wenn nicht der Vergasungsmittelstrom durch beispielsweise einen zusätzlichen Dampfschleier gegen das Rezirkulationsgas abgeschirmt wird. Dadurch wird ein Teil des zugeführten Sauerstoffs zur Oxydation brennbarer Rezirkulationsgase verbraucht. Bei der Staubdruckvergasung ist es jedoch vorteilhaft, den gesamten Vergasungssauerstoff der Reaktion mit dem Staub zuzuführen und unerwünschte Nebenreaktionen des Sauerstoffs aus Wirtschaftlichkeitsgründen der Sauerstoffbereitstellung auszuschalten.
Ein weiterer Mangel der Zuführung des gesamten zu vergasenden Kohlenstaubes in den Reaktionsraum in nur einem Rohr, das brenntechnisch aus Symmetriegründen zur Zentralrohranordnung führt, besteht darin, daß bei zeitweiliger nichtkontinuierlicher Kohlenstaubzufuhr die Betriebssicherheit der Anlage gemindert wird. Während im allgemeinen die Zufuhr der gasförmigen Vergasungsmittel in einem kontinuierlichen Strom sichergestellt ist, können demgegenüber im Transport fluidisierter Stäube relativ leicht Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Dichte des Staubstromes auftreten. Bei erheblichen Schwankungen im Kohlenstaubangebot am Austritt des Brenners sind Schädigungen des Brenners und des ReaktionsrauE.es nicht ausgeschlossen, wenn das dadurch hervorgerufene Überangebot an Sauerstoff nicht sofort in der Folge dieser Schwankungen durch Regelung abgebaut wird·
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung "besteht darin, "bei der Druckvergasung von Braunkohlenstaub den spezifischen Sauerstoffbedarf zu senken die Funktions- und Betriebssicherheit eines Brenners zur Kohlen« staubdruckvergasung zu gewährleisten und zu erhöhen sowie- den Raumbedarf für Kohlen staubdruckvergasungsbreriner, insbesondere großer Leistungen möglichst gering zuhalten· Die notwendige Anzahl von Brennern soll in Abhängigkeit von der Anlagenleistung gering sein»
Darlegung des Wesens der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch zweckmäßige geometrische Gestaltung und Anordnung der kohlenstaub- und vergasungsmittelführenden Konstruktionsteile eines Brenners zur Kohlenstaubdruckvergasung eine funktionsgerechte und sichere··-Betriebsweise des Brenners zu erreichen. Dabei soll die Zuverlässigkeit der Staubzufuhr erhöht werden. Der kompakte, träge Staubstrom muß bei Eintritt in den Reaktionsraum aufgelöst v/erden und sich gut mit dem Vergasungsmittel mischen, was insbesondere in allen Lastbereichen des Brenners garantiert sein muß. Die Brennerkonstruktion muß die Mögj.ichkeit einer Flammenkontrolle bieten und bei Ausfall eines Staubstromes eine solch© symmetrische Flammenforni gewährleisten, daß der Yerbrennungs- bzw, Reaktionsraum nicht durch -ungleichmäßige Temperaturverteilung zerstört bzw» der Betrieb nicht spürbar gestört wird.
- Es wurde gefunden» daß der Transport von in einem Trägergas fluidisiertem Kohlenstaub auch bei höchsten Staubbeladungen (bis 900 kg Staub/mr' Trägergas) ungehindert bei Profiländerungen des Strömungsquerschnittes verläuft, wenn folgende Bedingungen eingehalten werden:
« In jedem Abschnitte L der gesamten Brennerlänge L, in der sich das Profil des Staubströmungsquerschnittes ändert, ist die Querschnittsfläche gleich groß der Fläche der in den Brenner eintretenden Flachs der Kohlenstaub-Trägergas~Zu~ führung (Figuren 2t 3» 4-? 5)·
.Die sicii durch die Profiländerung ergebende Neigung einer den Staubströmungsquerschnitt begrenzenden Fläche oder Fläehenteiles zur Strömungsachse darf 8 nicht überschreiten.
Es wurde weiterhin gefunden, daß eine Vergleichmäßigung des . Staubförderstromes bei hohen Staubbeladungen durch eine Erweiterung des Querschnittes des senkrechten, fallenden Förderrohres vor dem Brenner bis zu 20 % des bis dorthin verlaufenden Förderrohres erreicht wird9 Die, Länge des zu erv* eiternden' Rohrabschnittes und die Größe der Querschnittserweiterurtg hängt von den Förderbedingungen in der gesamten Rohrleitung ab«
Der erfindungsgemäße Brenner besteht darin, daß der Kohlenstaub-Trägergasstrom aus zwei oder mehreren Kreisringen oder Kreisringabschnitten, die konzentrisch zur Brennerachse und" zum Zentralrohr für Vergasungsmittel angeordnet sind, senkrecht nach unten in den Reaktor eintritt. Das Vergasungsmittel (ze B. Sauerstoff, Wasserdampf oder Sauerstoff/Dampfgemisch) tritt aus einem Zentralrohr und aus einem Außenring für Vergasungsmittel in den Reaktor ein. Das Vergasungsmittel aus einem dieser beiden Zuführungsräume strömt unter einem Winkel von mindestens 45° zur Achse des Staubstromes in Richtung Staubstromj der zweite Vergasungsmittelstrom tritt axial, parallel zum Staubstrom aus* Der axiale, zum Staubstrom parallele Ver- " gasungsmittelaustritt aus dem Zentralrohr wird dann vorgenommen, wenn über das Zentralrohr für Vergasungsmittel eine optische oder thermoelektrische Flammenkontrolle vorgenommen v/erden soll (Fige 1, 2, 4, 5).
Das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch wird dem Brenner mittels zweier oder mehrerer Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen zugeführt und auf die gleiche Anzahl von 'Kreisringen oder Kreisringabschnitteii aufgeteilt. Der Einlauf des Kohlenstaubes in die Kreisringe (Fig. 5) erfolgt etwa. 45° gegen die Waagerechte schräg abwärts über Tangentialeinläufβ, die flächengleich mit der Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung sind und einen stetigen Einlauf in den Ringspalt gewährleisten» Der Einlauf in die Kreisringabschnitte (Fig. 2? 3, 4) erfolgt über senkrechte Fall-
rohre, die im Brenner in flächengleiche Kreisringabschnitte übergehen« Einlaufrohre und Kreisringe bzw.· Kreisringabschnitte besitzen erfindungsgemäß an allen Stellen gleichen Strömungsquerschnitt. Bei einem Brenner werden mindestens zwei Kreisringe konzentrisch (Fig* 5) bzw, mindestens drei 240°~Krei'sringabschnitte (Fig. 3» 4-), die durch versetzte Anordnung einen geschlossenen Doppelring ergeben, vorgesehen, um eine .annähernd symmetrische flamme bei Ausfall eines Staubstroraes zu gewährleisten ο
Die Kohlenstaub-'und Vergasungsmittelzuführungen schließen zweckmäßigerweise in der'Ebene- der Brennerniündung ab« Durch diese mehrfachen und getrennten Staubströme wird die Gefahr eines Sauerstoffdurchbruches in die dem Reaktor folgenden Anlagenteile bei Störungen in der Staubzufuhr beseitigt'bzw,. zumindest erheblich vermindert.
Erfindungsgemäß bietet auch die unterschiedliche Anzahl der Staubströme die Möglichkeit einer variablen Betriebsweise und Vergrößerung der Regelbreite.
-6- .γ . 20 8 1 5 4
Ausführungsbei spiele
1. Beispiel: Figur 1 und 2 .
Über drei Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen 2 gleicher Fördercharakteristik gelangt das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 2 - 10 m/s in eine geringfügig erweiterte Rohrstrecke 6 und von dort zum Brennergehäuse 3· Im Brenner gehäuse 3 verändert sich der Förderrohrquerschnitt von Kreisform in einen Kreisringabschnitt bei ständig gleichbleibendem Flächeninhalt, wobei die Flächen senkrecht zur Strömungsachse betrachtet werden. Die Kreisringabschnitte besitzen ge einen Ausschnittswinkel von ca. 120 , so daß durch die drei Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen 2 ein geschlossener Kreisring mit Staub beaufschlagt wird und eine symmetrische Flammenform gewährleistet ist. Durch den Vergasungsmittelregler 5 und die Mengenmeßeinrichtung 9 wird die erforderliche Vergasungsmittelmenge für das Zentralrohr 1 und für den Außenring 4 über die Regelarmaturen proportional eingestellt.
Das Vergasungsmittel, das Geschwindigkeiten von ca. 15 bis 150 m/s erreicht, löst den Staubstrahl auf und sichert durch schräge Anströmung des Staubstromes eine intensive Vermischung.
Durch das Zentralrohr für Vergasungsmittel 1 kann mittels Flarmaenkontrolleinrichtung 8 die Flamme überwacht und kontrolliert werden.
2. Beispiel: Figur 1 und 5
Über zwei Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen 2 gleicher Fördercharakteristik gelangt das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 2 - 10 m/s in den schrägen Tangen-, tialstutzen 10 des Brennergehäuses 3« Der Tangentialstutzen stellt einen flächengleichen Übergang vom kreisförmigen Rohr in einen rechteckigen Schlitz dar, der in den Ringraum 2 des Brenners mündet. Der Ringraum besitzt die gleiche Querschnittsflache wie die Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung 2 und.der Tan-
gentialstutzen 10. Der Tangentialstutzen 10 ist 4-5° zur Brennerachse geneigt«
Am Brennermund wird der Kohlenstaub-Ti'ägergas-Strahl durch das Vergasungsmittel aus dem Außenring 4 und dem Zentralrohr 1 infolge der unterschiedlichen Anströinungsrichtungen und hohen Geschwindigkeiten zwischen 15 iJnd 150 m/s aufgelöste Da"bei vermischen sich intensiv Kohlenstaub und Vergasungsmittel. Die ringförmige Staubauführung gewährleistet eine völlig symmetrische Verbrennung. Sie bleibt auch bei Ausfall eines Brenners erhalten und ermöglicht ein Anfahren des Brenners mit unterschiedlicher Anzahl von Staubströmen» Die Vergasungsmittelregelung und Flammenkontrolle erfolgen wie im Beispiel 1«

Claims (1)

  1. Erfindungsansprüehe
    1. Brenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen, bestehend aus einem Zentralrohr sowie einem Außenring zur Zuführung von Vergasungsmitteln und aus Staubzuführungs- sowie - Verteilungselementen zur Zuführung von Staub-Trägergas-Gemischen hoher Beladungen bis etwa 9oo kg Staub/m Trägergas in einen unter einem Druck.bis 5o bar stehenden Reaktor, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen (2) mit kreisförmigem Strömungsquerschnitt im Brennergehäuse (3) in um das Zentralrohr für Vergasungsmittel (1) konzentrisch angeordnete Kreisringabschnitte gleichen Durchmessers übergehen, die auf dem gesamten Wege der Profiländerung des Strömungsquerschnittes flächengleich mit der zugehörigen Kohlenstaub -Träger gas -Zuführung (2) sind und die am Brennermund gemeinsam einen annähernd geschlossenen Kreisring bilden.
    Brenner nach Punkt 1, gelcennzeich.net dadurch, daß mehrere Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen (2) in ein Brennergehäuse (3) einbinden, wobei jede Kohlenstaub-Träger gas -Zuführung (2) mit kreisförmigem Querschnitt in einen flächengleichen, rechteckigen Schlitz vor dem Brennergehäuse (3) übergeht, der stetig in einen für jede Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung. (2) separaten,
    sum Brerner axialen Ringraum tangential mündet, wobei die Pörderrohrquerschnitte, die Querschnitte des Tangentialstutzens (1o) entlang des Strömungs-. weges und die axialen Ringräume flächengleich sind.
    ο Brenner.nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jedoch mindestens drei Kohlenstaub-Trägergas -Zuführungen (2) im Brennergehäuse (3) vom kreisförmigen Querschnitt in Kreisringabschnitte übergehen, die.auf Kreisringen unterschiedlicher Durchmesser liegen, 2/n-fache länge des zugehörigen ganzen Kreisrings besitzen und so versetzt zueinander angeordnet sind, daß zxfei geschlossene Ringe.für die Staubzuführung bestehen (Figur 3? 4) (n „.. Anzahl der Förderrohre).
    4, Brenner nach Pkt. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der Anordnung der Vergasungsmittelzuführung als Zentralrohr (1) optische oder thermoelektrische Sonden zur !Flammenkontrolle und Plammentemperaturmessung an oder in diesem Zentralrohr für Vergasungsmittel (1) angebracht sind (Figuren 1, 2, 4, 5).
    5» Brenner nach Punkt 1r 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Brenner die Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung (2) eine senkrecht fallende Erweiterungsstrecke zur Vergleichmäßigung der Strömung vorgesehen wird, wobei die Erweiterung maximal 2o <fo zum vorangehenden Rohrabschnitt betragen darf und diese Erweiterung innerhalb der Brennerelemer.te zu berücksichtigen ist.
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