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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kohlenstaubkombinationsbrenner
der zur Vergasung von Kohlestaub bei hohem Druck und Temperatur
eingesetzt wird. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Staubbrenner
(Hauptbrenner), welcher konzentrisch um einen Pilotbrenner angeordnet
ist. Beide Brenner werden mit Sauerstoff betrieben und Arbeiten
im unterstöchiometrischen Bereich.
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Der
Pilotbrenner hat zwei Hauptaufgaben zu erfüllen: Erstens
liefert der Pilotbrenner die Zündenergie zur Zündung
der Hauptbrennerflamme und zweitens wird mit seiner Hilfe ein permanentes
Zündpotential für den Hauptbrenner aufrecht erhalten
und eine Drucksteigerung durchgeführt. Die Zündung
des Pilotbrenners selbst muss in einem abgeschlossenem Reaktionsraum
ohne direkten Zugang von Außen bei einem leichten Überdruck
(ca. 3 bar) erfolgen. Diese Zündung erfolgt üblicher
Weise mittels Zündfunken.
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Die
Erfindung betrifft einen Pilotbrenner für einen Flugstromvergaser
zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe mit einem freien
Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Drücken zwischen
Umgebungsdruck und hohen Drücken von 80 bar (8 MPa) sowie
Temperaturen zwischen 800–1800°C mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Bekannt
sind Kohlenstaubbrenner für die Partialoxydation staubförmiger
Brennstoffe, die durch einen extern angeordneten Pilotbrenner gezündet
werden.
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In
der Patentschrift
DD 285 523 ist
ein gattungsgemäßer Pilotbrenner zur partiellen
Oxidation von gasförmigen Kohlenwasserstoffen zu CO- und H2-haltigen
Gasen in einem unter Druck stehenden Reaktor beschrieben.
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Dieser
Pilotbrenner besteht aus koaxialen Kanälen für
Brenngas und Oxidationsmittel, die nach dem Reaktionsraum hin offen
sind und die durch wasserdurchströmte Kanäle getrennt bzw.
umhüllt sind. In dem Brenngaskanal ist ein Zündkabel
angeordnet, das mit einer Hochspannungszündvorrichtung
außerhalb des Brenners verbunden ist und das an seinem
nach dem Reaktionsraum zugewandten Ende in eine metallische Elektrode übergeht,
die bis an die Brennerspitze geführt ist und hier eine
Funkenstrecke zur metallischen Wand bildet. Die Elektrode dieses
Brenners ist im Brenngaskanal so positioniert, dass sie durch den
die Düse bildenden Konfusor, ringförmige Düse
und Diffusor hindurchgeht und am achsparallelen Krümmungsradius
des Diffusors, d. h. im Wirbelbereich, der den Übergang
zum Sauerstoffkanal bildet, die Funkenstrecke zur metallischen Wand
hat. Die Anordnung der metallischen Elektrode ist so gewählt,
dass einerseits die Direktzündung des Brenngas/Sauerstoffes
ermöglicht und andererseits die metallische Elektrode durch
das nachströmende Brenngas gekühlt wird. Die Einführung
des Hochspannungszündkabels in den Brenner erfolgt durch
zwei separate Druckabdichtungen. Der hierdurch entstehende druckdichte
Raum wird als Sicherheitszone gegenüber austretenden Brenngasleckagen
genutzt und druckseitig überwacht.
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Weitere
Kombinationen von aus einem Zünd-, Pilot- und Staubbrenner
bestehenden Kombinationsbrenner werden beschrieben in:
- – Sino
German Gasification and CDM Form vom 5.–6. August 2004
in Beijing "Lignite and Coal Gasification for Syngas and Energetic
Gas Production" und
- – Chinesische
Patentanmeldung Nr. CN 200520110716 vom 24. Juni 2005 vom
Beijing Aerospace Power Institute „Vortex burner with flammable powder
as fuel"
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Die Übertragung
des Flammensignals zur Überwachungseinrichtung erfolgt
mittels eines mehradrigen Lichtleitkabels. Der bekannte Pilotbrenner hat
folgende Mängel.
- – die Übertragung
des Flammensignals aus dem Reaktionsraum zum Flammenwächter
erfolgt mittels Lichtleitka bel, das durch den geringen Abstand zur
Flamme thermisch belastet wird und gleichzeitig auch durch auftreffende
Russpartikel im Sichtfeld eingeschränkt werden kann. Außerdem
behindert die vor dem optischen Einblick befindliche metallische
Elektrode den freien Einblick in den Reaktionsraum.
- – Die metallische Elektrode muss aus Platzgründen
als Draht ausgeführt werden, der bis zur Elektrodenspitze
mehrfach gebogen ist. Durch dieses instabile Gebilde kann die zur
Zündung notwendige Justierung an der Funkenüberschlagstelle
nur schwer exakt eingestellt werden. Hierdurch entstehen Zündstörungen
und die Funktionstüchtigkeit des Brenners ist nicht immer
gewährleistet.
- – Die Ausführung der wassergekühlten
Düse (Konfusor, Zylinder und Diffusor) ist sehr kompliziert
und führt besonders im Diffusor zu thermischen Belastungen,
die zur Rissbildung im Material und damit zum Ausfall des Brenners
führen.
- – Durch die Anordnung der Elektrodenspitze innerhalb
des Diffusors der Düse bildet sich notwendigerweise an
dieser Stelle ein Wirbelgebiet aus, das Sauerstoffanteile mit dem
Brennstoff mischt und damit ein zündfähiges Gemisch
bildet, das gezündet werden kann. Kommt es bei der Zündung
zu Medienschwankungen verschiebt sich das Wirbelgebiet und damit
die Gemischstelle, was Fehlzündungen zur folge hat. Eine
erhöhte Störanfälligkeit ist damit vorgegeben.
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Der
Kombinationsbrenner nach der
chinesischen
Patentanmeldung Nr. CN 2005 201 10716 zeichnet sich weiterhin
dadurch aus, dass das Pilotbrennergas, sowie der dazugehörige
Sauerstoff durch einen gemeinsamen Kanal im Brennerzentrum dem Brennermund
zuströmen. Dies birgt die große Gefahr, dass bei
Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit, wie
sie bei In- und Außerbetriebnahmen auftritt, eine Rückzündung
in den Brennerkanal auftritt, die zu seiner Zerstörung
führt mit erheblichen Gefährdungen der Betriebssicherheit.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung eines Pilotbrenners, der zu einem
Kohlenstaubkombinationsbrenner integrierbar ist und bei dem auf
eine nicht kabelgebundene Art und Weise die notwendige Zündenergie
zuführbar ist.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß über
wird einen optischen Einblick ein Laserstrahl ausreichend hoher
Leistung durch den Brenner in den Reaktionsraum geleitet wobei eine
Fokussierung des Laserstrahls vor dem Brennermund im Bereich der
Mischung von Brenngas und Sauerstoff erfolgt. Durch die Fokussierung des
Laserstrahls in diesem Bereich wird lokal die Energiedichte erhöht,
so dass dadurch das Brenngas-Sauerstoff-Gemisch gezündet
wird.
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Durch
die Ausbildung der Flamme in der zentralen Achse des Reaktors werden
Vorteile gegenüber der bisherigen Lösung hinsichtlich
Ausbrand und Umsatz erreicht. Gleichzeitig erfolgt eine Entflechtung
der Medienzuführung zum Reaktorkopf. Mit der Einpassung
des Pilotbrenners in den Kohlenstaubbrenner wurden gleichzeitig
konstruktive Änderungen am Pilotbrenner vorgenommen, so
dass ein funktionssicherer und störungsfreier Betrieb gewährleistet
werden kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in
einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer
Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kohlenstaubkombinationsbrenners mit integriertem Pilotbrenner.
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Der
erfindungsgemäße Kohlenstaubkombinationsbrenner
umfasst einen zentral angeordneten Pilotbrennerteil mit getrennter
Brenngas- und Oxydationsmittelzuführung in separaten Kanälen, einer Flammenüberwachungseinrichtung 6 und
einer Laserquelle 8. Um diese Baugruppe ist ein Ringraum 13 zur
Zuführung des Oxydationsmittels für den Kohlenstaub-
Kombinationsbrenner angeordnet. An der ringförmigen Austrittsöffnung
sind Drallschaufeln 14 zur Verwirbelung des Oxydationsmittelstromes
angeordnet. Die Außenkontur des Pilotbrenners im Zentrum
und das Innenrohr des außen liegenden Hauptbrenners bilden
den Hauptbrenneroxidationsmittelkanal (13). Um diesen Kanal
und dem Innenkühlteil 18 sind die Kohlenstaubzuführung 15 und
die gekühlte Außenhülle 16 des
Hauptbrenners angeordnet.
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Der
Pilotbrenner umfasst ein zentral angeordnetes, inertgas-, insbesondere
stickstoffgespültes, Rohr 1, das als optische
Einblicksöffnung für die außerhalb des
Brenners befindliche Flammenüberwachungseinrichtung 6 dient,
einen um das Zentralrohr angeordneten Ringraum 2 zur Brenngaszuführung,
einen weiteren Ringraum 3 zur Oxydationsmittelzuführung,
der an der Stirnfläche geschlossen ist und in einzelne
Düsenbohrungen 4 übergeht sowie den das
Ganze umhüllenden wasserdurchströmten Ringraum 5 zur
Zu- und Abführung des Kühlwassers.
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Das
zentral angeordnete Rohr 1 ist innerhalb des Brenngaskanals 2 bis
an den Brennermund geführt und in Richtung Reaktionsraum
mit Stickstoff gespült, um das Eindringen heißer
Gases oder Verunreinigungen aus dem Reaktionsraum auszuschließen.
Gegenüber der Atmosphäre ist das Zentralrohr mit
einem speziellen Quarzglas 12 druckdicht getrennt. Die
außerhalb des Brenners befindliche optische Flammenüberwachung
erkennt durch das Quarzglas 12 die Brennerflamme und ist
somit vor thermischer Belastung und Schmutzpartikeln geschützt.
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Das
stickstoffgespülte Zentralrohr 1 dient als Kanal
für einen Laserstrahl. Dieser wird außerhalb des
Brenners erzeugt (8) und mittels Adapter (11), beispielsweise
Prisma oder halbdurchlässigen Spiegel im Zentralrohr ausgerichtet.
Der Laserstrahl wird mittels einer geeigneten Optik derart fokussiert,
dass der Brennpunkt im Mischgebiet von Oxidationsmit tel und Brenngas
des Pilotbrenners (17) liegt und dieses zündfähige
Gemisch zündet.
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Der
um das Zentralrohr befindliche Ringraum 2 zur Zuführung
des Brenngases ist am Austritt zur Düsenausbildung eingezogen
(im Querschnitt reduziert).
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Die
Zuführung des Oxydationsmittels für den Pilotbrenner
erfolgt über den Ringraum 3. Dieser Ringraum ist
am Austritt zum Reaktionsraum hin mit einem austauschbaren Einschraubteil 10,
das mit mehreren Bohrungen 4 versehen ist, verschlossen.
Diese Bohrungen 4 können je nach der Beschaffenheit
des Brenngases in Durchmesser und Austrittsrichtung angepasst sein.
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Der
Oxydationsmittelzuführungsraum 3 wird durch ein
Wasserkühlsystem 5 umhüllt, das die Inneneinbauten
und die Düse des Pilotbrenners vor thermischer Belastung
schützt. Um die Wasserkühlung 5 des Pilotbrenners
ist ein weiteres Rohr 19 angeordnet, das als Träger
für austauschbare Wirbelkörper 14 im
Hauptbrenneroxydationsmittelkanal dient. Durch diese erfindungsgemäße
Gestaltung der Hülle um den Pilotbrenner kann bei Demontage
des Pilotbrenners schnell und einfach der Wirbelkörper 14 in
der Hauptbrenneroxydationsmittelzuführung gewechselt werden
und somit die Hauptbrennerflamme optimal an die Reaktionsraumkontur
des Reaktors angepasst werden.
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Durch
die Ausführung der Oxydationsmittelzuführung mit
Wirbelkörpern/Drallschaufeln wird der austretende Sauerstoffstrom
stark in Rotation versetzt, in den die über die speziell
gestalteten Zuführungselemente 15 austretenden
Staubstrahlen eingesaugt werden.
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Durch
eine unterschiedliche Anstellung der Wirbelkörper bzw.
Drallschaufeln kann die Flammenausbildung in ihrer Breite und Länge
beeinflusst werden.
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In
einer gestalterischen Variante des erfindungsgemäßen
Kohlenstaubkombinationsbrenners können die Ringräume
der Oxida tionsmittelzuführung (3) und der Brenngaszuführung
(2) einander vertauscht angeordnet sein. Weiterhin ist
es möglich, die Oxidationsmittelzuführung Hauptbrenner
(13) mit dem Brennstaubkanal (18) in ihrer Position
zu vertauschen. In diesem Fall sind die Kohlenstaubzuführungsrohre
(15) im neuen Brennstaubkanal und die Wirbelkörper
(14) und das Wirbelkörperträgerrohr (19)
in der neuen Oxidationsmittelzuführung Hauptbrenner anzuordnen.
Auch eine Kombination beider Varianten ist möglich.
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Die
Erfindung umfasst einen Kombinationsbrenner für die Vergasung
staubförmiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden
Oxidationsmittel bei Umgebungs- oder höheren Drücken,
sowie Temperaturen zwischen 800–1800°C, wobei
der Kombinationsbrenner aus einem gasbeaufschlagten Pilotbrenner
mit Zündeinrichtung und Flammenüberwachung, der
im Zentrum des Kombinationsbrenners angeordnet ist und einem Brenner
für staubförmigen Brennstoff, der symmetrisch
um den Pilotbrenner angeordnet ist besteht, wobei alle Betriebskanäle
voneinander durch wasserdurchströmte Kühlkanäle
getrennt zum Brennermund geführt und die Medien erst am
Brennermund gemischt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kombinationsbrenner
ein äußeres Wasserkühlteil (16)
und 2 bis 6 Kohlenstaubzuführungsrohre (15),
welche über den Umfang verteilt sind, dessen inneres Wasserkühlteil
(7) die Begrenzung zur Aufnahme eines zentral angeordneten
Pilotbrenners mit außen liegenden Wirbelkörpern
(14) dient und gleichzeitig die Oxidationsmittelzuführung
Hauptbrenner (13) bildet. Weiterhin dient der zentral angeordnete Pilotbrenner,
bestehend aus einem Zentralrohr (1) als optischer Einblick
in den Vergasungsraum mit außen liegender Flammüberwachung
(6), einer Brenngaszuführung (2) mit
Einschraubdüse (9), einer Oxidationsmittelzuführung
(3) und wasserdurchströmten Kühlräumen
(5) zur Inbetriebnahme der Kohlenstaubbrennereinheit, bestehend
aus innerem Wasserkühlteil (7), Oxidationsmittelzuführung
Hauptbrenner (13), Wirbelkörper (14),
Kohlenstaubzuführungsrohren (15), äußeres
Wasserkühlteil (16) und Brennstaubkanal (18).
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zentralrohr (1)
gegenüber der Atmosphäre mit einem Quarzglas (12)
verschlossen und trägt auf der drucklosen Seite einen optischen
Flammenwächter, wobei es in Richtung Brenneraustrittsöffnung
mit einem Inertmedium, beispielsweise Stickstoff, spülbar ist,
um das Eindringen heißer Gase aus dem Reaktionsraum zu
verhindern.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung geht der Kanal der Oxydationsmittelzuführung
(3) im Bereich des Medienaustritts mittels eines Einschraubteiles
(10) mit Düsenbohrungen (4) über,
die je nach gewünschter Flammenform in Austrittsrichtung
und Austrittswinkel anpassbar sind.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung bildet die äußere
Hülle des Pilotbrenners mit dem inneren Kühlteil
(7) des Hauptbrennerteiles den Hauptbrenneroxydationsmittelkanal
(13), der am Medienaustritt mit austauschbaren Wirbelkörpern
(14) ausgerüstet ist, die auf dem Wirbelkörperträgerrohr
(19) des Pilotbrenners befestigt sind und mit deren Hilfe die
Flammengeometrie im Reaktionsraum anpassbar ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein in einer Laserquelle
(8) generierter Laserstrahl mittels Adapter (11)
durch das Zentralrohr (1) in den Reaktionsraum geführt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der durch das Zentralrohr
(1) in den Reaktionsraum geführte Laserstrahl
derart fokussiert, dass der Brennpunkt im Mischgebiet von Oxidationsmittel
und Brenngas (17) liegt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiedichte im Brennpunkt
des Laserstrahls so groß, dass die Brenngas-Oxidationsmittel-Mischung im
Mischgebiet von Oxidationsmittel und Brenngas (17) zur
Zündung gebracht wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Oxidationsmittelzuführung
Hauptbrenner (13) einschließlich Wirbelkörper
(14) und Wirbelkörperträgerrohr (19)
sowie der Brennstaubkanal (18) einschließlich
der Kohlenstaubzuführungsrohre (15) vertauscht
angeordnet
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Oxidationsmittelzuführung
Pilotbrenner (3) und die Brenngaszuführung (2)
vertauscht angeordnet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl die Oxidationsmittelzuführung
Hauptbrenner (13) einschließlich Wirbelkörper
(14) und Wirbelkörperträgerrohr (19)
sowie der Brennstaubkanal (18) einschließlich
der Kohlenstaubzuführungsrohre (15) als auch die
Oxidationsmittelzuführung Pilotbrenner (3) und
die Brenngaszuführung (2) vertauscht angeordnet.
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- 1
- Zentralrohr,
stickstoffgespült
- 2
- Brenngaszuführung
- 3
- Oxidationsmittelzuführung
Pilotbrenner
- 4
- Düsenbohrungen
- 5
- Wasserdurchströmte
Kühlräume
- 6
- Flammenüberwachung
- 7
- Inneres
Wasserkühlteil
- 8
- Laserquelle
- 9
- Einschraubdüse
- 10
- Einschraubteil
mit Bohrungen
- 11
- Adapter
- 12
- Quarzglas
- 13
- Oxidationsmittelzuführung
Hauptbrenner
- 14
- Wirbelkörper
im Hauptbrenneroxidationsmittelstrom
- 15
- Kohlenstaubzuführungsrohre, 2 bis 6 Stück über
den Umfang verteilt
- 16
- Äußeres
Wasserkühlteil
- 17
- Mischgebiet
von Oxidationsmittel und Brenngas
- 18
- Brennstaubkanal
- 19
- Wirbelkörperträgerrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DD 285523 [0005]
- - CN 200520110716 [0007, 0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Sino German
Gasification and CDM Form vom 5.–6. August 2004 in Beijing
"Lignite and Coal Gasification for Syngas and Energetic Gas Production" [0007]