DD210733A1 - Kohlenstaubbrenner und verfahren fuer seinen betrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner und ein Verfahren fuer seinen Betrieb, wobei der Kohlenstaub in einem konzentrierten Strom zugefuehrt wird. Erzielt wird die Erhoehung der Betriebszuverlaessigkeit des Brenners und die Verbesserung der Qualitaet des erzeugten Vergasungsgases aus der Druckvergasung staubfoermiger kohlenstoffhaltiger Materialien. Die Aufgabe besteht in der konstruktiven Gestaltung des Kohlenstaubbrenners, der den Betriebsbedingungen bei der Druckvergasung von Kohlenstaub entspricht, zuverlaessig arbeitet und technologisch einfach zu erstellen ist. Erfindungsgemaess besteht der Kohlenstaubbrenner aus einem Gehaeuse, einem in seiner zentralen Achse eingebauten Kanal fuer die Zufuehrung des Kohlenstaubes, an der Peripherie des Kanals angeordneten Kanaelen fuer die Zufuehrung des Oxydationsmittels, die mit Austrittsoeffnungen versehen sind, besteht und der mit einem Stutzen fuer die Wasserdampfeinfuehrung und einer Duese fuer den Austritt desselben versehen ist.

Description

Titel der Erfindung
Kohlenstaubbrenner und Verfahren für seinen Betrieb
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner und ein Verfahren für seinen Betrieb, wobei der Kohlenstaub in einem konzentrierten Strom zugeführt wird. Das Einsatzgebiet liegt vorrangig in der chemischen Industrie bei der Vergasung von Kohlen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Es ist ein Kohlenstaubbrenner bekannt, der ein Gehäuse, einen längs der zentralen Achse angeordneten Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes sowie die längs der Peripherie angeordneten und unter einem Winkel zur Brennerachse gerichteten Kanäle für die Säuerstoffzuführung besitzt. Dabei ist in Betracht zu ziehen, daß die Austrittsenden dieser Kanäle am Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes befestigt sind (Patent Prankreichs Nr. 23 65 628, Klasse C 10 J 3/46, 1976).
Der Brenner arbeitet auf folgende Art und Weise: "über den zentralen Kanal erfolgt die Zuführung des konzentrierten Kohlenstaubstromes (mit Trägergas). Durch den Kanal für die Zuführung des Oxydationsmittels erfolgt die Zuführung des Sauerstoffes, der direkt in den Kohlenstaubstrom gelangt. Deshalb erfolgt am Ausgang aus dem Brenner in den Reaktor die Zuführung einer Mischung von Kohlenstaub und Sauerstoff.
Ein solcher Brenner hat wesentliche Nachteile:
1. Im Brenner ist ein Flammendurchschlag nach innen bei Änderung des Regimes und insbesondere bei Lasteinsenkung deshalb möglich, weil die Austrittsenden der Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels am Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes befestigt sind und der Mischungsprozeß von Sauerstoff und Kohlenstaub innerhalb des Brenners erfolgt. Das vermindert seine Betriebszuverlässigkeit,
2« Verzögerung des Prozesses der Kohlenstaubvergasung dadurch, daß aus dem Brenner die Kohlenstaubzuführung in den Reaktor zusammen mit dem Sauerstoff in einem kompakten, geraden (unverwirbelten) Strahl erfolgt.
3„ Schwierigkeiten bei der Zuführung und Mischung des Wasserdampfes mit dem Kohlenstaub dadurch, daß der Kohlenstaub bei Temperaturen unter 50 bis 60 0C zugefühit wird und die erforderliche Dampfmenge im Bereich von 0,1 bis 0,3 kg/kg liegt und bei der Zuführung des Dampfes in den Kohlenstaubstram zusammen mit dem Sauerstoff die Kondensation des Dampfes erfolgen wird, was zu einer Verstopfung des Kohlenstaubkanales führt,
4. Unökonomischer Verbrauch von Sauerstoff und Möglichkeit des Verbrennens des Brennermundes dadurch, daß die Konzentration des Sauerstoffes im austretenden Gemischstrahl-sehr ,hoch ist und deshalb bei Mischung des Austrittsstromes mit den heißen Gasen aus der Vergasung die Verbrennung der letzteren zum Auftreten sehr hoher Temperaturen in der Nähe des Brenners führt.
Der dem erfundenen Brenner hinsichtlich des technischen Charakters und.des erreichten Effektes am nächsten kommende Brenner ist ein Kohlenstaubbrenner, der ein Gehäuse, einen längs der zentralen Achse des Brenners eingebauten Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes und längs der Peripherie angeordnete Kanäle für die Sauerstoffzuführung mit Austrittsdüsen enthält, die einander gegen-
überliegend angeordnet und unter einem Winkel zur Brennerachse gerichtet sind (Urheberschein UdSSR Ur. 787786, Klasse G 23 D, 1/06, 1979).
Der bekannte Brenner arbeitet auf folgende Art und Weise: Über -den zentralen Kanal erfolgt die Zuführung des Kohlenstaubes (mit Trägergas) direkt in den Reaktionsraum, Durch die Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels erfolgt die Zufuhr des Sauerstoffes, der auch in den Reaktionsraum ausströmt. Dadurch, daß die Austritt senden der Kanäle unter einem Winkel zur Achse des Brenners gerichtet sind, treten die Sauerstoffstrahlen in den Kohlenstaubstrom ein und vermischen sich mit ihm. Danach erfolgt der Verbrennungs- und Vergasungsprozeß,
Dieser Brenner hat jedoch folgende lachteile:
1. Den mit einer geringen Intensität verlaufenden Prozeß der Vermischung von Kohlenstaub mit dem Oxydationsmittel beim Aufeinandertreffen der geraden Strahlen infolge der Anordnung der Austrittsenden der Kanäle des Oxydationsmittels einander gegenüberliegend, was zu einer Verzögerung des Vermischungsprozesses und folglich des Vergasungsprozesses führt, was wiederum seinerseits zu einer Verschlechterung der Qualität des erzeugten Vergasungsgases (seiner Zusammensetzung und seines Heizwertes) führt,
2. Unwirtschaftlicher Säuerstoffverbrauch und Gefahr der Verbrennung des Brennermundes dadurch, daß der austretende Sauerstoff teilweise in unmittelbarer Nähe von der Austrittsstelle vor dem Auftreffen auf dem Kohlenstaubstrom im Rezirkulationsstrom des Vergasungsgases verbrennt. Das führt zu einer Minderung der Qualität des erzeugten Gases und zu einer Verschlechterung der Betriebszuverlässigkeit des Brenners,
3. Möglichkeit der Verschlackung des Brennermundes an der Austrittsstelle des Kohlenstaubstromes dadurch, daß die Vergasungsgase Schlacketeilchen in geschmolzenem Zustand enthalten, der Kohlenstaubstrom eine
sehr niedrige Temperatur hat und am Austrittsquerßchnitt des Kohlenstaubkanals die Kühlung der Schlakke und ihr Pestkleben am Brenner möglich ist. Diese Erscheinung verringert die Betriebszuverlässigkeit des Brenners,
Ziel der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit des Brenners und die Verbesserung der Qualität des erzeugten Vergasungsgases aus der Druckvergasung staubförmiger kohlenstoffhaltiger Materialien.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der konstruktiven Gestaltung eines Kohlenstaubbrenners, der den Betriebsbedingungen bei der Druckvergasung von Kohlenstaub entspricht, zuverlässig arbeitet und technologisch einfach zu erstellen ist.
Erfindungsgemäß besteht der Kohlenstaubbrenner aus einem Gehäuse, einem in seiner zentralen Achse eingebauten Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes, an der Peripherie des Kanales angeordneten Kanälen für die Zuführung des Oxydationsmittels, die mit Austrittsdüsen versehen sind, die unter einem Winkel zur Brennerachse gerichtet sind, und der mit einem Stutzen für die Zuführung von Wasserdampf und einer Düse für den Austritt desselben versehen ist, wobei die Austrittsdüsen der Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r zeigen:
0,5 .R^r - 0,8 . R
R - Radius der Austrittsöffnung des Kanales für die Zuführung des Kohlenstaubes, wobei der Abstand $ zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen der Kanäle für-,
die Zuführung des Oxydationsmittels und des Kohlenstaubes' im folgenden Bereich liegt:
R f I <r :? - R f 5 . d
d - Durchmesser der Austrittsöffnungen der Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels ist*
ßrfindungsgemäß erfolgt die Mischung des Kohlenstaubes mit dem Oxydationsmittel in einem Wasserdampfstrom, der 6,5 bis 9,5 Volumenprozent Sauerstoff enthält.
Auf Abbildung 1 ist die Änderung des relativen Momentes der Bewegung des Kohlenstaubstromes in Abhängigkeit vom bezogenen Radius des Grundkreises '(r/R)dargestellt,
M - Moment der Bewegung des Oxydationsmittelstromes
bei maximalem Radius r = R. Die "punktierte Linie entspricht dem Moment der Bewegung des Oxydationsmittelstromes bei veränderlichem Radius r. Bei einem Wert r < 0,5 · R stellt man eine jähe Senkung des Gesamtmomentes der Bewegung des Kohlenstaubstromes dadurch fest, daß der Oxydationsmittelstrom tief in den Kohlenstaubstrom eindringt. Dabei zwingt er den inneren Schichten eine Drehung auf. Die äußeren Schichten werden vom Gesamtstrom weggeschleudert und erhalten keine Drehbewegung» Bei r > 0,8 . R stellt man ein Abreißen der äußeren Schichten des Kohlenstaubstromes und sogar ein Durch- und Vorbeigleiten eines Teiles des Oxydationsmittelstromes fest. Die inneren Schichten erhalten dabei kein Drehmoment.
Auf Abbildung 2 ist die Abhängigkeit des relativen Mo-
^ mm R
ment es der Bewegung vom Parameter -~jr— (sber da R und d Konstanten sind, ergibt sich diese Abhängigkeit von S ) dargestellt.
««m isfc das Moment der Bewegung des Kohlenstaubstro mom t
mes bei minimal möglichem Abstand zwischen den
Zentren der Austritt soff riungen für den Oxydationsmittel strom und den Kohlenstaubstrom:
Bei einer Verringerung des Abstandes £ unter diese Grenze trifft die Düse für das Oxydationsmittel allgemein gesagt den Kohlenstaubstrom, Dabei ist eine frühzeitige Entzündung des Kohlenstaubes mit Außerbetriebnahme des Kohlenstaubbrenners sowie eine Zerstörung des Kohlenstaubstromes möglich. Bei einem Wert von £ > R f 5 . d stellt man eine jähe Verringerung des Momentes der Bewegung des Kohlenstaubstromes fest, was mit dem Umstand in Zusammenhang steht, daß bei einem Abstand von der Düsenkante für das Oxydationsmittel bis zur Stelle des Zusammentreffens mit dem Kohlenstaubstrom $ - R > 5 , d der Kern des Oxydationsmittelstrahles mit maximaler Geschwindigkeit verschwindet und die mittlere Geschwindigkeit des auslaufenden Stromes stark abzufallen beginnt.
Die Berechnung des Säuerstoffgehaltes im Wasserdampf erfolgt nach der folgenden empirischen Formel, die auf der Grundlage einer Analyse von Versuchsergebnissen für die Vergasung und die Verbrennung-fester Brennstoffe aufgestellt wurde:
t - erforderliche Temperatur an der Stelle des Zusammentreffens des Wasserdampfstromes mit den Vergasungsgasen am Brennermund, die garantiert, daß keine Verschlackung auftritt. Sie wird bestimmt zu t = t /200,
ils
worin tv- Temperatur der normalen HLüssigschlackenabnz
führung für die vorliegende Kohle;
t , - mittlere Temperatur der eintretenden Medienströme (Wasserdampf, Oxydationsmittel, Kohlenstaub).
Da praktisch für alle Kohlen t • im Bereich von 1100 bis 1500 0C liegt und die mittlere Temperatur der eintretenden Medienströme im Bereich von 100 bis 200 0C liegen, liegt der Änderungsbereich der Sauerstoffkonzentration im Bereich von 6,5 bis 9,5 Vol.-%. Bei einer Sauerstoffkonzentration unterhalb der unteren Grenze wird für alle Kohlearten eine Verschlackung des Brennermundes erfolgen. Bei Sauerstoffkonzentration oberhalb der oberen Grenze wird eine Überhitzung des Brennermundes mit einer Verkürzung der Betriebszeit oder einer unverzüglichen zwangsläufigen Außerbetriebsetzung des Brenners erfolgen.
Auf Abbildung 3 ist der vorgeschlagene Brenner im Längsschnitt dargestellt.
Auf Abbildung 4 ist der Querschnitt des Brenners dargestellt.
Der vorgeschlagene Brenner besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 1, das mit einem Stutzen 2 für die Zuführung des Wasserdampfes und einer Düse 3 für dessen Austritt, einem in der zentralen Achse des Brenners eingebauten runden Kanal 4 für die Zuführung des Kohlenstaubes, an der Peripherie angeordneten (ebenfalls runden) Kanälen 5 für die Zuführung des Oxydationsmittels mit Austrittsdüsen 6 versehen ist, die unter einem Winkel zur Achse des Brenners eingebaut sind, wobei die Achse der Austrittsdüsen in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r zeigt, wobei
0,5 £ r 6 o,8 .R
und der Abstand S zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen des Oxydationsmittels und des Kohlenstaubes im Bereich liegt:
Die Kanäle 5 für die Zuführung des Oxydationsmittels
sind an einer Rohrführung 7 befestigt, die sich zwischen dem Gehäuse 1 und der Kammer 8 für die Verteilung des Oxydationsmittels befindet, die mit einem Eintrittsstutzen 9 versehen ist.
Der vorgeschlagene Brenner arbeitet wie folgt: Nachdem im Reaktor der Gaspilotbrenner gezündet und der Betriebsdruck (30 atm) eingestellt wurde erfolgt über den Kanal 4 die Zuführung des konzentrierten Kohlenstaubstromes mit Trägergas (Stickstoff), wobei pro einem Betriebskubikmeter Stickstoff 400 bis 500 kg Braunkohlenstaub zugeführt werden. Über den Stutzen 2 erfolgt die Zuführung des Wasserdampfes, der aus der Düse 3 ausfließt. Über den Stutzen 9 erfolgt die Zuführung des Sauerstoffes, der in die Kammer 8 eintritt und über die Kanäle 5 verteilt wird. Der Sauerstoff tritt aus den Austrittsdüsen in den Wasserdampf ein»
Ausführungsbeispiele
Pur die Vergasung werden Braunkohlen mit einem erhöhten Gehalt an Bisenoxyd verwendet. Dabei beträgt die Temperatur für die normale Flüssigsefrlackeabführung t ν 1100 0G, Auf ein Kilogramm Kohlenstaub mit einer Temperatur von 50 0C führt man 0,3 Nirr Wasserdampf mit einer Temperatur von 600 0G und 0,5 Mm Sauerstoff mit einer Temperatur von 200 C zu. Dabei beträgt die mittlere Temperatur der Medienströme 200 0G, Dem Wasserdampf gibt man Sauerstoff so zu, daß dessen Konzentration in der Mischung 6,5 % beträgt. Die Austrittsdüsen 6 ordnet man so an, daß der Abstand zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen des Kohlenstaubes und des Oxydationsmittels £ = R f w beträgt und die Achse der Düsen 6 für das Oxydationsmittel in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r = 0,5 . R zeigen.
Der aus den Düsen 6 austretende Sauerstoff, die auf die vorgenannte Art und Weise angeordnet sind, ruft eine Dreh-
bewegung dec Kohlenstaubes hervor. Dabei v/ird der konzentrierte Strom aufgelöst und heftig mit dem Sauerstoff und dem Wasserdampf vermischt. Danach beginnt die intensive Verbrennung und die nachfolgende Vergasung des Kohlenstaubes.
Dadurch, daß im Wasserdampf 6,-5 % Sauerstoff enthalten sind, wird am Brennermund eine Temperatur von 1300 0C aufrecht erhalten und eine Verschlackung des Brennermundes erfolgt nicht.
Beispiel 2
Pur die Vergasung wird eine Kohle mit einer Temperatur ti' = 1500 0C verwendet. Die Medienströme werden hinsichtlich des Durchsatzes wie im Beispiel 1 aufrecht erhalten. Aber die Temperatur des Wasserdampfes beträgt 230 0C und die Säuerstofftemperatur 120 0C. Dabei beträgt die mittlere Temperatur der Medienströme 100 0C. Dem Wasserdampf führt man Sauerstoff bis auf eine Konzentration von 9,5 % zu. Die Austrittsdüse 6 wird in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r = 0,8 . R und in einem Abstand S = R +- 5 . d zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen des Sauerstoffes und des Kohlenstaubes angeordnet. Eine Verschlackung des Brennermundes erfolgt auf diese Art und Weise nicht und der Prozeß der Verbrennung und Vergasung verläuft intensiv.
Der vorgeschlagene Kohlenstaubbrenner hat folgende Vorteile:
1. Dadurch, daß die Kanäle für die Zuführung des Kohlenstaubes und des Oxydationsmittels rund ausgeführt sind und die Achsen der Austrittsdüsen der Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r zeigen:
0,5 . R - r - 0,8 . R worin: R - Radius der Austrittsöffnung des Kanales für die Zuführung des Kohlenstaubes ist,
und jde^.^stif^d .,J,. zwischßn den Zentren der Austritte-Öffnungen; für d?,e ^Zuführung ,des Oxydationsmittels und des Kohlenstaubes<-.im,^Bereich liegt: , .'r~
&$-ί>ψ\ d/3 '* ' u* "Worin: -1 - ; -
d - d;eryPurphmesser. 4.er .4ustrittsöffnung fiär die Zuführung des Oxydationsmittels ist, ]'' erreicht man eine intensive Vermischung des Kohlenstäubströmes mit1 dem' Ö^dätioÄsriiittei 'unter'Bildung ';: eine s rot ι er end en 1Ot ro nies«' Öabei' erfolgt" "eine heft ige : Verbrennung' und Vergasung äes köhlenstäubes' rhit; Brzeu-r gung',eines qualitativ Kochfertigen' Gases (hinsichtlich der Zusammensetzung und iäes' liei^viärtöB).1 : ; Dadurch, daß' das Breriheirgehäüse';mii; 6ihem\yStüt;zen :für l die!^Zuführung :-'v©n •lasB-erdampf:- und ieiner AustrittsdU-; . se fi3r*vd£ese1n; Jverseli^ni i?s"t;, und >dadurch, daß . die Ver--i; mischuiSg des; Kohlenstaub'es irait; Vd em /Oxydation smitt el imriWasserdämpf strdm erfolgt;^ cliegt seini?unwirtschaft^· ; ·,. Ii eher -Ver^audh avoii Sauerstoff xnicht; ^vor -und es :;entfallt-'die'·1 Gefahr einesr^Wegbiteniiensι des,Brennermundes. Das führt zuoeiner^Verbesserungvder'Gasqualität und ; ; zu'"öirier ErhöhungoderVBetriebszuverlässigkeit des ;:; :.
3. Dadurch,' daß der; Wasserdampfa6,-5/;bis 9,5 Vol.-% Sauerstoff enthält, wird die Temperatur der Strömung in unmittelbarer Nähe des Brennermundes über der Temperatur der normalen Flüssigschlackeabführung gehalten und eine Verschlackung des Brenners erfolgt nicht. Das erhöht die Betriebszuverlässigkeit des Brenners.
Da es in der UdSSR keine Brenner gibt, die in Vergasungsapparaten unter Druck mit Flüssigschlackeabzug arbeiten und für die Verwendung eines konzentrierten Kohlenstaubstr'omes mit Sauerstoff vorgesehen sind und da ausländische Brenner für einen Vergleich nicht zugänglich sind, wurden als Basisobjekte Kohlenstaubbrenner ausgewählt, die.in der Zyklonfeuerung, einem hinsichtlich seiner Kon-
~ 11 -
struktion dem Apparat für die Vergasung von Kohlenstaub unter Druck analogen Apparat, installiert sind (Ju. L, Marsak "Feuerungsanlagen mit vertikalen Zyklonkammern", linergöizdat, 1966, Seite 60, Abbildungen 2 - 3a). Sine Zyklonfeuerung ist in einem Kessel mit Flüssigschlackeabführung des Zakamsker WärmekraftWerkes (Gebiet Perm) eingebaut.
Da im Basisobjekt in der Zone der intensiven Vermischung höchstens 16 % des Oxydationsmittels (Luft) durchgesetzt werden, wird der Abbauprozeß außerordentlich verzögert. Zum Zeitpunkt des Austrittes aus der Feuerung ist er nur zu 90 % abgeschlossen. Außerdem stellte man während des Betriebes eine Verschlackung des Brenners fest,
Untersuchungen des Modelles des vorgeschlagenen Kohlenstaubbrenners in einem Reaktor mit einer Leistung von 100 kg/h zeigten, daß der Vermischungsprozeß und der Umsetzungsprozeß des Sauerstoffes auf einem sehr kurzen Abschnitt erfolgen und praktisch das gesamte Reaktorvolumen für den Vergasungsprozeß verwendet wird. Das gestattet es, ein qualitativ hochwertiges Gas bei einer Vollständigkeit des Prozesses von 97 bis 98 % zu erhalten. Dabei wurde bei allen durchgeführten Versuchen keine Verschlackung des Brenners festgestellt.

Claims (2)

  1. iSrfindungsansprttchi»
    1. Kohlenstaubbrenner, der aus einem Gehäuse, einem in
    seiner zentralen Achse eingebauten Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes, an der Peripherie angeordneten Kanälen für die Zuführung des Oxydationsmittels mit Austrittsdüsen besteht, die unter einem Winkel
    zur Brennerachse gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Betriebes und zur Verbesserung der Qualität des erzeugten
    Vergasungsgases der Brenner mit einem Stutzen für die Zuführung des Dampfes und einer Düse für dessen Austritt versehen ist und die Achse der Austrittsdüsen
    der Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels
    in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r zeigen:
    0,5.R-r-0,8.R worin:
    R - Radius der Austrittsöffnung des Kanales für die
    Zuführung des Kohlenstaubes,
    wobei der Abstand £ zwischen den Zentren der Austritt soff nungen der Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels und des Kohlenstaubes im Bereich liegt:
    R f I < § - R f 5 . d worin:
    d - Durchmesser der Austrittsöffnungen der Kanäle für die Zuführung des Oxydationsmittels,
  2. 2. Verfahren zum Betrieb des Kohlenstaubbrenners entsprechend Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung des Oxydationsmittels mit dem Kohlenstäub im Strom eines Wasserdampfes erfolgt, der 6,5 bis 9S5 Vol.-% Sauerstoff enthält.
    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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