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Die
Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner zur Verminderung der
Bildung von NOx beim Verbrennen von Steinkohle
oder Braunkohle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Bei
Brennern, die zur Verbrennung von staubförmigem Kohlenstoff eingesetzt
werden, stellt die Reduzierung der NOx-Emissionen nach wie
vor ein aktuelles und zu lösendes
Problem dar. Die Aufteilung der Verbrennungsluft in mehrere Teilströme ermöglicht die
Einstellung der Einzelluftströme
hinsichtlich Luftmenge, Luftverteilung und Drallintensität und ist
als Maßnahme
zur Reduzierung der Stickstoffoxide bei der Kohleverbrennung bekannt.
Der Aufbau eines solchen Brenners mit gestufter Luftzufuhr ist in
der EP-B-571704 beschrieben. Bei dieser Art der Luftführung trägt die gestufte
Luftzufuhr bereits während
der Verbrennung zu einer Reduzierung der NOx-Emissionen bei.
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Neben
der Aufteilung der Verbrennungsluft in Teilströme kann durch eine eindeutige
zeitliche und örtliche
Definition der Zündbedingungen
und der Trennung zwischen brennstoffreichem Flammenkern und sauerstoffreicher
Randströmung
eine weitere Reduzierung der NOx-Emissionen
erreicht werden.
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Eine
derartige Definition kann durch das Zusammenwirken der Bauteile
eines Drallerzeugers im Primärluftrohr,
eines Stabilisierungsringes an der Mündung des Primärluftrohres
und einer Luftabweiskehle des Sekundärluftrohres erfolgen, wie es
die EP-B-670454 beschreibt.
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Die
Brennertechnologie zur Verbrennung von staubförmigem Kohlenstoff verfolgt
in der heutigen Zeit das Ziel, eine intensive Trennung zwischen Sauerstoff
und Pyrolysegas während
der Erstreaktion bzw. Zündung
herzustellen, um anschließend
die Verbrennungsluft gestuft an der weiteren Oxidation der Feststoffe
teilnehmen zu lassen und hierdurch eine noch effektivere Reduzierung
der NOx-Emissionen zu erzielen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zur Verbrennung von
staubförmiger
Steinkohle und Braunkohle geeigneten Brenner zu verbessern, der
eine weitere Reduzierung der NOx-Emissionen durch
eine wirkungsvollere und kontrollierbarere Beeinflussung der Verbrennung
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennervorrichtung mit den im Hauptanspruch
angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung basiert auf der aus dem Stand der Technik bekannten Brennertechnik
zur Verbrennung von staubförmiger
Steinkohle und staubförmiger
Braunkohle.
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Der
erfindungsgemäße Brenner,
der sowohl zur Verbrennung von Steinkohle als auch zur Verbrennung
von Braunkohle eingesetzt werden kann, hat bevorzugt einen konzentrischen
Aufbau mit einem Primärluftrohr
und einem Sekundärluftrohr.
Das von dem zylindrischen Sekundärluftrohr
umgebene Primärluftrohr
bildet hierbei mit diesem einen Verbrennungsluft führenden
Ringkanal (Sekundärluftringkanal)
aus.
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Auf
der Außenseite
am austrittsseitigen Ende des Primärluftrohres ist ein Sekundärluftleitkörper angeordnet,
der in Strömungsrichtung
von einer in den Ringkanal zurückgezogenen
Position und einer mit der Mündung
des Primärluftrohres
bündig
abschließenden
Position verstellbar ist.
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Zusätzlich ist
auf der Außenseite
am austrittsseitigen Ende (Mündung)
des Primärluftrohres eine
Luftabweiskehle angeordnet, die den Querschnitt des Ringkanals zwischen
dem Primärluftrohr und
dem Sekundärluftrohr
an deren austrittsseitigen Enden verengt und bevorzugt mit der Mündung bündig abschließt.
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Auf
der Innenseite am austrittsseitigen Ende (Mündung) des Primärluftrohres
ist ein Stabilisierungsring angeordnet, der durch eine zur Brennerlängsachse
nach innen gerichtete Kante ausgebildet ist, die bevorzugt mit der
Mündung
bündig
abschließt und
in die Strömung
aus Primärluft
und Kohlenstaub hineinragt.
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Der
erfindungsgemäße Brenner
weist zusätzlich
ein Kernluftrohr auf, das von dem zylindrischen Primärluftrohr
umgeben ist und einen Primärluft
und Kohlenstaub führenden
Ringkanal bildet (Primärluftdüse bzw.
Staubrohrdüse).
Durch die konzentrische Anordnung des Kernluftrohres, Primärluftrohres
und Sekundärluftrohres
wird eine individuelle Einzelluftzufuhr ermöglicht.
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Ein
Zündbrenner
ist innerhalb des Kernluftrohres in der Brennerlängsachse angeordnet. An diesem
Zündbrenner
ist ein Drallkörper
in Form eines Schaufelkranzes befestigt, der in radialer Richtung an
seinem äußeren Ende
von einer Rohrverlängerung
abgedeckt wird, die sich in Strömungsrichtung konisch
erweitert und sich über
die Mündung
des Zündbrenners
hinaus erstreckt. Der Zündbrenner, der
Drallkörper
des Zündbrenners
und die konische Rohrverlängerung
sind bevorzugt als einstückiges Bauteil
ausgeführt,
das in Strömungsrichtung
von einer in das Kernluftrohr zurückgezogenen Position bis zu
einer Position an der Mündung
des Kernluftrohres verschiebbar ist.
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Die
Mischungsintensität
von Brennstoff und Verbrennungsluft kann durch einen Primärdrallkörper, der
in dem Ringkanal zwischen dem Kernluftrohr und dem Primärluftrohr
angeordnet ist, und einen Sekundärdrallkörper, der
in dem Ringkanal zwischen dem Primärluftrohr und dem Sekundärluftrohr
angeordnet ist, eingestellt werden.
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Der
erfindungsgemäße Brenner
ermöglicht über die
aus dem Stand der Technik bekannten Brennertechnik für Kohlenstaub
hinausgehend einen Brennerbetrieb, bei dem die Reduktionsreaktionen eines
sauerstoffarm (unterstöchiometrisch)
betriebenen Feuerraumes in die brennernahe Zone zwischen Primärflamme
und Sekundärluftströmung verlagert wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners
wird in dieser brennernahen Zone ein sauerstoffarmes Rauchgasrezirkulationsgebiet
aufgebaut, in dem NO-Verbindungen, die während der Primärreaktion unvermeidlich
entstehen, aufgespalten und zu molekularem Stickstoff reduziert
werden. Dadurch ist eine wirkungsvollere Reduzierung der NOx-Emissionen mit dem erfindungsgemäßen Brenner
im Vergleich zu Brennern des Standes der Technik möglich.
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Der
erfindungsgemäße Brenner
ist in Ausführungsbeispielen
sowohl für
einen Steinkohlebrenner als auch für einen Braunkohlebrenner in
den beigefügten
Figuren dargestellt. Der in den 1 bis 3 dargestellte
Brenner zeigt Ausführungsbeispiele
eines Steinkohlebrenners, während
der in
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4 gezeigte
Brenner ein Ausführungsbeispiel
eines Braunkohlebrenners darstellt. Der erfindungsgemäße Brenner
zur Verbrennung von staubförmigem
Brennstoff wie Steinkohle oder Braunkohle wird im Folgenden näher erläutert. Es
zeigen:
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1 den
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner,
wobei der Zündbrenner
in das Kernluftrohr zurückgezogen
ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper in der Mündung der
Primärluftdüse angeordnet
ist,
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2 den
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner,
wobei der Zündbrenner
in der Position entsprechend 1 angeordnet
ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper auf der Außenseite
des Primärluftrohres
in den betreffenden Ringkanal zurückgezogen ist,
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3 den
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner,
wobei der Zündbrenner
in der Mündung
des Kernluftrohres angeordnet ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper die
in 1 beschrieben Position aufweist, und
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4 den
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Braunkohlebrenner,
wobei der Zündbrenner
in der Mündung
des Kernluftrohres angeordnet ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper eine
gemäß 3 beschrieben
Position einnimmt.
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Aufgrund
der die Erfindung kennzeichnenden Gemeinsamkeiten zwischen Steinkohlebrenner und
Braunkohlebrenner erfolgt die Beschreibung der 1 bis 4 zunächst in
allgemeingültiger
Form.
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Der
erfindungsgemäße Brenner,
der in den 1 bis 4 dargestellte
ist, weist einen in Strömungsrichtung
verschiebbaren Zündbrenner 7 auf, der
in der Brennerlängsachse
innerhalb eines Kernluftrohres 6 angeordnet ist. Das zylindrische
Kernluftrohr 6 ist von einem zylindrischen Primärluftrohr 1 umgeben,
wodurch ein Ringkanal gebildet wird. Dieser Ringkanal ist wiederum
von einem zylindrischen Sekundärluftrohr 2 umgeben
und teilt dadurch den Verbrennungsluftsektor in mindestens einen
oder zwei Ringkanäle
auf.
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Der
Brennstoff und Luft führende
Ringkanal, der durch das Kernluftrohr 6 und das Primärluftrohr 1 ausgebildet
wird, ist mit einer nicht gezeigten Mühle verbunden, in der die Kohle
gemahlen und während des
Mahlens mit einem heißen,
gasförmigen
Medium getrocknet wird. In einem bestimmten Abstand zum Austrittsende
dieses Ringkanals ist auf der Außenseite des Kernluftrohres 6 ein
Primärdrallkörper 10 angeordnet,
welcher der Strömung
aus Primärluft und
Kohlenstaub eine Rotation aufprägt.
Dadurch wird die Strömung
vergleichmäßigt und
der Kohlenstaub bevorzugt an der Innenseite des Primärluftrohres 1 angereichert.
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Des
Weiteren ist auf der Innenseite an dem austrittsseitigen Ende des
Primärluftrohres 1 ein
Stabilisierungsring 4 angeordnet, der eine radial nach
innen gerichtete Kante aufweist. Diese Kante, die in den Strom aus
Primärluft
und Kohlenstaub hineinragt, sorgt dafür, dass die Kohlepartikel vor
dem Verlassen des Primärluftrohres 1 auf
einen Widerstand treffen, dadurch verzögert werden und von der Gasströmung in Richtung
zur Mitte des Brennerrohres hin erneut beschleunigt werden.
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Die
Außenseite
des austrittsseitigen Endes des Primärluftrohes 1 weist
einen konisch radial nach außen
hin erweiterten Abschnitt auf, der eine Luftabweiskehle 3 für die außen vorbei
geführte
Strömung der
Sekundärluft
darstellt. Die Sekundärluft
strömt durch
die Luftabweiskehle 3 nach außen, entfernt sich von dem
brennstoffreichen Flammenkern und wird ausreichend verzögert den
Brennstoffprodukten zugeführt.
Die Luftabweiskehle 3 sorgt hierbei für einen Zündvorgang, der ohne eine Beeinflussung
der Sekundärluft
abläuft
und nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen gestört wird.
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Durch
den Stabilisierungsring 4 und die Luftabweiskehle 3 findet
auf die oben beschriebene Weise eine kontrollierte Zündung des
Kohlenstaubs in nahezu allen Betriebssituationen statt. Dabei wird durch
den Stabilisierungsring 4 und die Luftabweiskehle 3 ein
rotationssymmetrisches Rezirkulationsgebiet heißer, sauerstoffarmer Rauchgase
stromab der Mündung
des Primärluftrohres 1 zwischen
Primärflamme
und der Sekundärluftströmung ausgebildete.
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Um
den Partikelstrom des Kohlenstaubs vom Ringkanal, der durch das
Kernluftrohr 6 und das Primärluftrohr 1 gebildet
wird, weiter in Richtung der Brennerachse zu verlagern und damit
die Ausdehnung des Rezirkulationsgebietes zu erhöhen, muss das Kernluftrohr 6,
in Strömungsrichtung
betrachtet, bevorzugt deutlich vor dem Stabilisierungsring 4 der Staubrohrdüse enden.
Allerdings ist bei einer solchen Zuordnung der Rohre des erfindungsgemäßen Brenners
ein sicherer Betrieb des verstellbaren Zündbrenners 7, vor
allem im Kombibetrieb mit Öl und
Kohle, nicht möglich,
da die nach innen zur Brennerachse gerichtete Strömung des
Kohlenstaubs die Flamme des Zündbrenners 7 beeinträchtigt und
zusätzlich
die Überwachung
der Zündflamme
aufgrund der Abdunkelung durch den Kohlenstaub behindert wird.
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Um
trotzdem einen sicheren Brennerbetrieb für alle Betriebszustände zu gewährleisten,
ist der am Zündbrenner 7 befestigte
Drallkörper 8 in
seinem äußeren Bereich
durch eine Rohrverlängerung 9 abgedeckt.
Diese Rohrverlängerung 9,
die den Schaufelkranz des Drallkörpers 8 umgibt,
ist stromab konusförmig
verlängert
und dient als Abweiser für
den Kohlenstaub, der vom Stabilisierungsring 4 in Richtung Brennermitte
abgelenkt wird. Gemeinsam mit dem Zündbrenner 7 ist die örtliche
Lage der konischen Rohrverlängerung 9 in
Strömungsrichtung
verstellbar. Dadurch wird eine sichere Zündung sowie Überwachbarkeit
der Zündbrennerflamme
in allen Betriebssituationen sichergestellt.
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Die
Bedeutung des von dem Stabilisierungsring 4 und der Luftabweiskehle 3 ausgebildeten
Rezirkulationsgebietes, das einen sauerstoffarmen Bereich darstellt,
ist im Hinblick auf die NOx-Reduktion aus
dem Stand der Technik bekannt. Ein Großteil der durch die Primärverbrennung
entstandenen Reaktionsprodukte gelangt in das sauerstofffreie Rezirkulationsgebiet,
wo die Zersetzung der Stickstoffoxide durch reaktionsfähige Brennstoffbestandteile
erfolgt. Daher ist es das Bestreben der vorliegenden Erfindung,
die Größe des Rezirkulationsgebietes
auf ein Optimum im Hinblick auf niedrige NOx-Emissionen einzustellen.
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Dies
geschieht erfindungsgemäß durch
einen in Strömungsrichtung
verstellbaren Sekundärluftleitkörper 5,
der auf der Außenseite
des Primärluftrohres 1 angeordnet
ist und in Strömungsrichtung zwischen
einer in den Sekundärluftringkanal
zurückgezogenen
Position und einer mit der Mündung
des Primärrohres 1 bündig abschließenden Position
verstellbar ist. Dazu wird die Brennerdüse aus Luftabweiskehle 3 und
Stabilisierungsring 4 als ein Bauteil bereitgestellt und
mit dem Staubrohr 1 des Brenners dauerhaft fest verbunden.
Zusätzlich
wird eine einstückige
Herstellung von der Luftabweiskehle 3 und dem Stabilisierungsring 4 bevorzugt.
Dieses einstückige
Bauteil aus der Luftabweiskehle 3 und dem Stabilisierungsring 4 wird
vorrangig, aber nicht ausschließlich
im Schleudergussverfahren hergestellt. Die Wirkungsweise des verstellbaren
Sekundärluftleitkörpers 5 in
Verbindung mit der Luftabweiskehle 3 im Hinblick auf das
Rezirkulationsgebiet und unter Berücksichtigung des Betriebszustandes
wird anhand der beigefügten
Zeichnungen im Folgenden erläutert.
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1 zeigt
einen Steinkohlebrenner, bei dem der Zündbrenner 7 in das
Kernluftrohr 6 zurückgezogen
ist und der verstellbare Sekundärluftleitkörper 5 in
der Mündung
des Primärluftrohres 1 angeordnet
ist. In dieser Position des Sekundärluftleitkörpers ist dieser stromabwärts nicht
weiter verschiebbar und schließt
bündig
mit der Luftabweiskehle 3 ab, wodurch die Wirkungsweise
der Luftabweiskehle 3 verstärkt wird. Die Sekundärluft, die
durch den Ringkanal, der von Primärluftrohr 1 und Sekundärluftrohr 2 gebildet
wird, strömt,
wird nach außen
abgelenkt und entfernt sich in radialer Richtung vom Flammenkern
der Primärverbrennungszone.
Durch die Verstellung des Sekundärluftleitkörpers 5 auf
die in 1 gezeigte Position wird eine einstellbare maximal
große
Trennschicht stromab der Mündung
des Primärluftrohres 1 zwischen
Primärverbrennung
und Sekundärluftströmung erzeugt.
Dieses in seiner Ausdehnung maximal große Rezirkulationsgebiet stellt für den in 1 zugrunde
liegenden Betriebszustand ein Optimum im Hinblick auf die NOx-Reduktion dar.
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2 zeigt
den Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner,
bei dem der Zündbrenner 7 an
der in 1 dargestellten Position angeordnet ist und der
verschiebbare Sekundärluftleitkörper 5 auf
der Außenseite
des Primärluftrohres 1 in
den Sekundärluftringkanal
zurückgezogen
ist. Hierbei sind die Bauteile so für einen Betriebszustand des
Steinkohlebrenners angeordnet, bei dem eine weniger große Trennschicht
zwischen Primärverbrennung
und Sekundärluftströmung und
damit ein in radialer Richtung weniger großes Rezirkulationsgebiet stromab
der Mündung
des Primärluftrohres 1 gefordert
ist. Der verstellbare Zündbrenner 7 ist
für diesen
Betriebszustand wiederum in das Kernluftrohr 6 zurückgezogen.
Der Sekundärluftleitkörper 5,
der durch seine einstellbare Position die Größe des Rezirkulationsgebietes
beeinflusst, ist entsprechend der Lage des Zündbrenners 7 in dem
betreffenden Ringkanal zurückgezogen.
In dieser Position teilt der Sekundärluftleitkörper 5 den Luftstrom
des Sekundärluftrohres 2 in
zwei unterschiedliche Teilströme
auf und vergleichmäßigt diese.
Dadurch sorgt der Sekundärluftleitkörper 5 dafür, dass
der Zündvorgang am
Brenneraustritt nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen
der Sekundärluft
gestört
wird und die Sekundärluft
ausreichend verzögert
den Brennstoffprodukten zugeführt
wird.
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3 zeigt
den Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner,
wobei der Zündbrenner 7 in
der Mündung
des Kernluftrohres 6 angeordnet ist und der verschiebbare
Sekundärluftleitkörper 5 die
in 1 dargestellte Position aufweist. Die Bauteile
des erfindungsgemäßen Brenners
sind entsprechend eines Betriebszustands im Zündbetrieb bzw. Kombibetrieb
des Steinkohlebrenners angeordnet. Für diesen Betriebszustand ragt
die konische Rohrverlängerung 9 sowohl über die
Mündung
des Kernluftrohrs 6 als auch stromab über den Stabilisierungsring 4 des
Primärluftrohres 1 in
Strömungsrichtung
hinaus, um eine sichere Zündung
und Überwachbarkeit
des Zündbrenners 7 sicherzustellen.
Der Sekundärluftleitkörper 5 ist,
wie in 1, in der Mündung
des Primärluftrohres 1 angeordnet
und ist stromabwärts
nicht weiter verschiebbar. Durch die Anordnung des Luftleitkörpers 5 wird
die Wirkungsweise der Luftabweiskehle 3 verstärkt und
es bildet sich eine maximal große
Trennschicht stromab der Mündung
des Primärluftrohres 1 aus,
in dem die NO-Verbindungen der Primärreaktion aufgespalten und
zu molekularem Stickstoff reduziert werden können und sich ein Optimum hinsichtlich
der NOx-Reduktion für den dargestellten Betriebszustand
einstellt.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Braunkohlebrenners, der die gleichen erfindungsgemäßen Merkmale
wie der zuvor beschriebene Steinkohlebrenner aufweist. Unterschiede
zu einem Steinkohlebrenner bestehen in den Verhältnissen der Durchmesser der
Brennerrohre.
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4 zeigt
den Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Braunkohlebrenner,
wobei der Zündbrenner 7 in
der Mündung
des Kernluftrohres 6 angeordnet ist und der verschiebbare
Sekundärluftleitkörper 5 eine
gemäß 3 beschrieben
Position einnimmt. Die Bauteile des Brenners sind entsprechend eines
Betriebszustands im Zündbetrieb
bzw. Kombibetrieb des Braunkohlebrenners angeordnet. Für diesen
Betriebszustand des erfindungsgemäßen Brenners nimmt der Zündbrenner 7 eine
Position in der Mündung
des Kernluftrohres 6 ein und ist stromabwärts nicht
weiter verschiebbar. Die konische Rohrverlängerung 9 ragt über die
Mündung
des Kernluftrohrs 6 und den Stabilisierungsring 4 hinaus, um
eine sichere Zündung
des Zündbrenners 7 sicherzustellen.
Der verschiebbare Sekundärluftleitkörper 5 weist
die in 1 und 3 beschriebene Position auf,
aus der er nicht weiter stromab verschiebbar ist. Durch diese Positionierung
des Sekundärluftleitkörpers 5 bildet
sich ein maximal großes Rezirkulationsgebiet
stromab der Mündung
des Primärluftrohres 1 aus,
in dem die Reduktion der NO-Verbindungen zu molekularem Stickstoff,
entsprechend des Betriebszustandes im Hinblick auf ein Optimum der
NOx-Reduktion, erfolgen kann.
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Durch
den erfindungsgemäßen Brenner 5 zur
Verbrennung von staubförmigem
Brennstoff wie Steinkohle oder Braunkohle ist eine Vorrichtung bereit
gestellt, die eine höhere
Reduzierung der NOx-Emissionen hinsichtlich
des Lastzustandes und der Qualität
des Kohlenstaubs im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht.
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- 1
- Primärluftrohr
- 2
- Sekundärluftrohr
- 3
- Luftabweiskehle
- 4
- Stabilisierungsring
- 5
- Sekundärluftleitkörper
- 6
- Kernluftrohr
- 7
- Verstellbarer
Zünder
- 8
- Drallkörper
- 9
- Konische
Rohrverlängerung
- 10
- Primärdrallkörper