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Die
Erfindung betrifft einen Kompaktlanzenbrenner für die Vergasung
staubförmiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden
Oxidationsmittel bei Umgebungs- oder höheren Drücken
bis 8 MPa, sowie Temperaturen zwischen 800–1800°C
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Vergasung staubförmiger
Brennstoffe. Unter staubförmigen Brennstoffen verstehen
sich hierbei zu Brennstaub aufgemahlene Kohlen verschiedenen Inkohlungsgrades,
aber auch Abfallstoffe aus Haushalt, Gewerbe und Industrie sowie
Rückstände aus Produktionsprozessen, die sich
staubfein aufmahlen lassen.
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Sie
können als direkte Brennstaub-Gas-Suspension oder als Brennstaub-Wasser-
oder Brennstaub-Öl-Suspension dem Kompaktlanzenbrenner zugeführt
werden.
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Bekannt
sind Kohlenstaubbrenner für die Partialoxidation staubförmiger
Brennstoffe nach
DD 271
038 A1 mit einem zentral angeordneten Pilotbrennerteil
und einer getrennten Brenngas- und Oxidationsmittelzuführung,
einer Flammenüberwachungseinrichtung und einer elektrischen
Hochspannungszündung. Um diese Baugruppe ist ein weiterer Ringraum
zur Zuführung des Oxidationsmittels für den Kohlenstaubbrenner
angeordnet. An der ringförmigen Austrittsöffnung
sind Drallschlaufen zur Verwirbelung des Sauerstoffstromes vorgesehen.
Beide Baugruppen (Pilotbrennteil und Oxidationsmittelzuführung)
sind in einer weiteren Baugruppe, der Brennerhalterung integriert.
Die gesamte Baugruppe Brennerhalterung ist mit einem Wasserkühlsystem
in Form einer gewickelten Rohrschlange ausgeführt, um die
auf diese Baugruppe einwirkende Wärme abzuführen.
Zusätzlich sind auch die im Zentrum der Brennerhalterung
angeordneten Baugruppen, Pilotbrennerteil und die weitere Oxidationsmittelzuführung,
mit separaten Wasserkühlsystemen ausgerüstet.
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Die
Zuführung des staubförmigen Brennstoffes ist so
vorgesehen, dass sich zwischen der Gehäusewand, der Brennerhalterung
und der zentralen Oxidationsmittelzufuhr ein Ringspalt befindet,
in dem mindestens zwei, vorzugsweise mehr Kohlenstaubförderrohre
enden und den Ringspalt mit Kohlenstaub beaufschlagen. Durch die
Ausführung der Oxidationsmittelzuführung mit Drallschlaufen
wird das austretende Oxidationsmittel in Rotation versetzt und mit
dem aus dem Ringspalt austretenden Staubschleier vermischt.
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Der
als Stand der Technik dargestellte Brenner hat folgende Nachteile:
- 1. Durch die Einführung der Kohlenstaubförderrohre
in den Ringspalt, sinkt wegen der konstruktiv bedingten Flächenvergrößerung
die Geschwindigkeit des Kohlenstaubstromes ab. Dies kann zu Verstopfungen
des Ringspaltes und damit zu Betriebsstörungen führen.
- 2. Die geringe Geschwindigkeit des Staubstromes zieht die Vergasungsflamme
näher an den Brennermantel heran, so dass die Oberfläche überhitzt und
zerstört werden kann
- 3. Zum Schutz des gemeinsamen zentralen Oxidationsmittelringraumes
vor thermischer Beanspruchung ist dieser beidseitig durch spezielle Wasserkühlkanäle
umhüllt. Hierdurch wird bei Mischung des Oxidationsmittels
mit zur Reaktion notwendigem Dampf die Mischtemperatur abgesenkt,
was im ungünstigsten Fall zur Kondensation von Wasser führen
kann. Hierdurch kann es zu Störungen bei der Flammenbildung
kommen.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung eines Staubvergasungsbrenners, bei
dem die Vergasungsflamme auf Distanz zum Brennermund gehalten werden
kann und der einen hohen Kohlenstoffumsetzungsgrad gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird durch einen Kompaktlanzenbrenner mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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In
vorteilhafter Weise wird durch konstruktive Maßnahmen ein
Staubbrenner ausgebildet, der unter den Bedingungen der Flugstromvergasung
bei Vergasung von staubförmigen Brennstoffen einen sicheren
Betrieb ohne die Gefahr von Rückzündungen mit gleichmäßiger
Flammenausbildung gewährleistet, zuverlässig arbeitet,
eine lange Lebenszeit und kompakte Abmessungen bezogen auf die Umsetzungsleistung
aufweist sowie technologisch einfach herzustellen ist.
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Der
erfindungsgemäße Staubbrenner weist einen zentral
angeordneten Pilotbrennerteil (1) mit Brenngas- und Oxidationsmittelzuführung,
eine Flammenüberwachungseinrichtung und eine Hochspannungszündung
und mehrere Zuführungselemente (6) zur Zuführung
des staubförmigen Brennstoffes und des entsprechenden Oxidationsmittels auf.
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Die
Zuführung des staubförmigen Brennstoffes ist erfindungsgemäß so
vorgesehen, dass sich zwischen der äußeren Gehäusewand
der Brennerhalterung (5) und dem zentral angeordnetem Pilotbrennerteil
(1) mindestens zwei oder vorzugsweise mehr gerade Zuführungselemente
(6) befinden. Diese Zuführungselemente (6)
sind in sich gerade ausgeführt und zur Brennerachse geneigt
und enden am Brennermund neben dem Pilotbrennermedienaustritt.
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Die
Zuführungselemente (6) beinhalten ein zentrales
Zuführungsrohr für staubförmigen Brennstoff
(2) und einen umhüllenden Ringkanal zur Zuführung
des Oxidationsmittels (3), der am Austritt zum Reaktionsraum
hin in ein Düsenelement (4) mit einzelnen Bohrungen
B übergeht, die zur Brennstaubaustrittsachse ML hin geneigt
sind.
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In
dem Zuführungselement enden die Medienkanäle für
den Brennstoff und das Vergasungsmittel erst am Brennermund, womit
eine getrennte sichere Zuführung der Reaktionspartner zum
Vergasungsreaktor gewährleistet ist.
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Der
Ringkanal zur Oxidationsmittelzuführung (3) geht
am Austritt in ein Düsenelement (4) mit vielen
Bohrungen über, die in ihrer Austrittsrichtung unmittelbar
nach Verlassen des Zuführungselementes (6) direkt
ins Zentrum des staubförmigen Brennstoffes eindringen.
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Durch
die Ausführung der Oxydationsmittelzuführung (3)
als Düsenelement (4) mit einer Vielzahl von kleinen
Austrittsbohrungen B, die zum Kohlenstaubstrom hin gerichtet sind,
wird das Oxydationsmittel direkt in das Zentrum des kompakten Brennstaubstromes
eingedüst und führt somit zu einer intensiven
Vermischung beider Medien und damit zu einer schnellen Reaktion
mit hohen Umsatzergebnissen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Oxidationsmittelaustritt
im Düsenelement (4) dabei so gestaltet, dass es
als austauschbares Schraubteil ausgeführt ist und damit
an besondere Bedingungen mit unterschiedlichen staubförmigen Brennstoffen
angepasst werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind unterschiedliche Einschraubdüsen
mit unterschiedlicher Richtung der einzelnen Oxidationsmittelstrahlen einsetzbar,
womit die Flammenausbildung und die Verweilzeit im Reaktionsraum
veränderbar sind.
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Die
Zuführung des Gesamtoxidationsmittels erfolgt über
eine Ringleitung (8) und wird dann auf die einzelnen Zuführungselemente
(6) in die Oxidationsmittelzuführung (3)
gleichmäßig verteilt.
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Die
Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von Figuren
in einem zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Umfang
näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine
Brennereinrichtung mit Brennstaub-Oxidationsmittellanzen (6),
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2 nähere
Einzelheiten des Einschraubdüsenteils (4) und
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3 eine
Ausführung des Düsenelements (4) mit
unterschiedlichen Anstellwinkeln der Bohrungen.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
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Der
Staubbrenner weist einen zentral. angeordneten Pilotbrennerteil
(1) mit Brenngas- und Oxidationsmittelzuführung,
eine Flammenüberwachungseinrichtung und eine Hochspannungszündung
und mehrere Zuführungselemente (6) zur Zuführung
des staubförmigen Brennstoffes und des entsprechenden Oxidationsmittels
auf. Pilotbrennerteil sowie Zuführungselemente mit Brennstaubzuführung und
entsprechender Oxidationsmittelzuführung sind in einer
gemeinsamen Baugruppe, der Brennerhalterung (5) integriert.
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Die
Zuführungen des staubförmigen Brennstoffes und
des Oxidationsmittels sind jeweils in einem Zuführungselement
(6) integriert, welches aus einem zentralen Rohr (2)
zur Zuführung des staubförmigen Brennstoffes besteht
und umhüllt wird von einem weiteren Rohr (3) zur
Zuführung des Oxidationsmittels. Jedes Zuführungselement
(6) ist in sich gerade ausgeführt und zur Brennerachse
hin geneigt und endet unmittelbar neben dem Pilotbrennermund (1).
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Die
gesamte Brennerhalterung (5) ist mit einem Wasserkühlsystem
in Form einer gewickelten Rohrschlange (7) ausgeführt,
um die auf diese Baugruppe einwirkende Wärme abzuführen.
Zusätzlich ist auch das im Zentrum der Brennerhalterung
befindliche Pilotbrennerteil (1) mit einem separaten Wasserkühlsystem
ausgerüstet.
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Einem
Vergasungsreaktor mit einer Leistung von 200 MW brutto mit einer
Erzeugung von 50.000 m3 i.N/h Rohgas werden
30 Mg/h auf eine Restfeuchte von 10 Ma% getrockneten Braunkohlestaubes
zugeführt. Der Prozess läuft bei 4 MPa (40 bar)
ab, die Vergasungstemperatur beträgt 1.450°C.
Im Zentrum des Kompaktbrenners befindet sich der Pilotbrenner (1),
der mit Erdgas und Sauerstoff betrieben wird. Er besitzt eine Zündeinrichtung,
das Vorhandensein der Pilotbrennerflamme wird überwacht.
Der Sauerstoffbedarf beträgt 15.000 m3 i.N/h,
dem 2 Mg/h Wasserdampf zugemischt sind. Der Vergasungsbrenner besitzt
3 Zuführungselemente (6) für die Vergasungspartner,
wobei jedes System mit 10 Mg/h Brennstaub sowie 5.000 m3 i.N/h
Sauerstoff beaufschlagt ist, dem die entsprechende Wasserdampfmenge
zugemischt ist. Der Brennstaub wird im Zuführungsrohr (2)
bis zur Brennerspitze und das Oxidationsmittel im Ringraum (3)
gleichfalls bis zur Brennerspitze geführt. Bei dem Zuführungselement
(6) zur Zuführung des staubförmigen Brennstoffes
(2) und des Oxidationsmittels (3) sind die Betriebskanäle
voneinander getrennt bis zum Brennermund geführt, wobei
die Medien erst am Brennermund nach Austritt aus dem Düsenelement
gemischt werden. Das Düsenelement (4) sorgt für
eine gute Durchmischung der Vergasungsstoffe. Das Düsenelement
kann als auswechselbares Einschraubdüsenteil (4)
ausgeführt sein, das mittels Schraubverbindung mit dem
Rohr der Oxidationsmittelzuführung (3) zusammengefügt
wird. Zur Anpassung der Flammengeometrie und- ausbildung im Reaktor
können Einschraubdüsenteile (4) in unterschiedlichen
Ausführungen (Anzahl und Durchmesser der Bohrungen sowie
Winkelanstellung der Austrittsbohrungen zur Mittellinie) eingebaut
werden.
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Die
Zuführungselemente (6), die Medienzuführungslanzen
bilden, sind bezüglich des zentralen Pilotbrenners (1)
schräg gestellt, wobei die Mittellinien ML der Zuführungselemente
die Zentralachse des Pilotbrenners kreuzen. Die Mittellinien können
die Zentralachse in einem Punkt schneiden. In einer besonderen Ausgestaltung
schneiden die Mittellinien die Zentralachse nicht, sondern passieren
die Zentralachse in einem vorgegebenen Abstand derart, dass ein
zylindrischer Raum um die Zentralachse von den Mittellinien nicht
geschnitten, aber die Zylinderfläche tangiert wird. Hierbei
sind die Mittellinien der Zuführungselemente gleichsinnig
verkippt, wobei die sich an den Enden der Zuführungselemente
ausbildenden Flammen gegeneinander verschränkt sind.
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Ein
Kanal in Ringform (8) der die Zentralachse des Pilotrenners
umschließt, ist mit den Oxydationsmittelkanälen
(3) der Zuführungselemente (6) verbunden. Über
den Kanal in Ringform (8) wird den Zuführungselementen
das Oxydationsmittel zugeführt. Die den einzelnen Zuführungselementen
zugeführte Oxydationsmittelmenge kann jeweils in der Verbindung
zwischen dem Kanal in Ringform (8) und dem betreffenden
Zuführungselement überwacht, gemessen und geregelt
werden. Es ist aber auch möglich, die dem Kompaktlanzenbrenner
insgesamt zugeführte Oxydationsmittelmenge mittels der
dem Kanal in Ringform (8) insgesamt zugeführten
Oxydationsmittelmenge zu überwachen, messen und regeln.
Die einem Zuführungselement zugeführte Brennstoffmenge
wird separat überwacht, gemessen und geregelt.
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2 zeigt
ein als Einschraubteil ausgestaltetes Düsenelement (4),
das einen zentralen Kanal für den Brennstoff aufweist.
Auf dem Umfang des rotationssymmetrischen Düsenelementes
ist eine Vielzahl – im Beispiel 16 – Bohrungen
B angeordnet, die so ausgerichtet sind, dass sie das Oxydationsmittel
in den Brennstoffstrom eindösen, nachdem er das Düsenelement
verlassen hat. Zur Anpassung an unterschiedliche Vergasungsbedingungen,
wie z. B. unterschiedliche Brennstoffe, unterschiedliche Vergasungsreaktoren,
sind unterschiedliche Einschraubdüsenelemente einsetzbar.
Die Einschraubdüsenelemente können sich bezüglich
Anzahl, Durchmesser oder Ausrichtung der Bohrungen unterscheiden.
Die Achse A der Bohrungen schneidet die Mittellinie ML des Einschraubelementes.
Ein Teil der Bohrungen mag die Mittellinie in einer ersten Höhe
schneiden und ein zweiter Teil der Bohrungen mag die Mittellinie auf
einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Höhe schneiden.
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3 zeigt
ein Düsenelement, bei dem die Achsen A der Bohrungen in
den zentral herangeführten Brennstoffstrom gerich tet sind,
die Mittellinie ML jedoch nicht schneiden, sondern nur kreuzen.
Hierbei wird ein zylinderförmiger Raum Z um die Mittellinie von
den Achsen der Bohrungen nicht geschnitten, vielmehr bilden die
Achsen der Bohrungen Tangenten auf die Oberfläche des Zylinders
Z. Dabei können die Achsen eines ersten Teils der Bohrungen
B1 einen ersten Zylinder Z1 tangieren und die Achsen eines zweiten
Teils der Bohrungen B2 einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen
Zylinder Z2 tangieren. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige
Durchsetzung des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel erzielt werden.
Die Bohrungen des ersten Teils B1 und die Bohrungen des zweiten
Teils B2 mögen einander abwechselnd über den Umfang
des Düsenelementes verteilt angeordnet sein. Aufeinanderfolgende
Bohrungen weisen also unterschiedliche Anstellwinkel auf. In der 3 ist
auch ein dritter Teil von Bohrungen B3 dargestellt, deren Achsen
einen dritten, vom ersten und zweiten unterschiedlichen Zylinder
Z3 tangieren. Die Bohrungen des ersten Teils, die Bohrungen des
zweiten Teils und die Bohrungen des dritten Teils mögen über
den Umfang des Düsenelementes derart angeordnet sein, dass
die Bohrungen benachbarter Zylinder aufeinanderfolgen, wobei alle Zylinder
zyklisch durchritten werden. Im Beispiel ergibt sich eine Reihenfolge
B1 – B2 – B3 – B2 – B1 und so
fort. Die Bohrungen sind gleichsinnig angestellt oder verkippt,
so dass das durch die Bohrungen zugeführte Oxydationsmittel
den Brennstoffstrom in Rotation versetzt, verdrallt.
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- 1
- Pilotbrenner
mit Gas- und Sauerstoffzuführung und integrierter Flammenüberwachung und
Hochspannungszündeinrichtung
- 2
- Zuführungsrohr
für staubförmigen Brennstoff
- 3
- Oxydationsmittelzuführung
zum staubförmigen Brennstoff
- 4
- Einschraubdüsenteil
mit Bohrungen B zur Oxydationsmittelzuführung
- 5
- Brennerhalterung
- 6
- Zuführungselement
für staubförmigen Brennstoff und Oxidationsmittel
- 7
- Gewickelte
Rohrschlange
- 8
- Ringleitung
zur Oxidationsmittelzuführung
- A
- Achse
einer Büsenbohrung B
- B
- Düsenbohrung
- ML
- Mittellinie
- Z
- Zylinder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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