DE102009005855A1

DE102009005855A1 - Kompaktlanzenbrenner

Info

Publication number: DE102009005855A1
Application number: DE102009005855A
Authority: DE
Inventors: Tino Dr. Just; Christian Reuther; Manfred Dr. Schingnitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-24
Also published as: DE102009005855B4

Abstract

Es wird ein Kompaktlanzenbrenner für die Vergasung staubförmiger Brennstoffe im Flugstrom bei höheren Drücken und Temperaturen vorgeschlagen, bei dem zu einem zentralen Pilotbrenner mit Zündeinrichtung und Flammenüberwachung mehrere Zuführungslanzen zur Zuführung des Brennstoffes und des Oxidationsmittels schräggestellt angeordnet sind. Eine in der Nähe des Pilotbrennermundes endende Zuführungslanze führt den staubförmigen Brennstoff und des Vergasungsmittels getrennt bis zu einem Düsenelement mit einer Vielzahl von kleinen Austrittsbohrungen, die zum Brennstaubstrom hin gerichtet sind, wodurch das Oxydationsmittel direkt in das Zentrum des kompakten Brennstaubstromes eingedüst wird, was zu einer intensiven Vermischung beider Medien und damit zu einer schnellen Reaktion mit hohen Umsatzergebnissen führt. Eine Ausgestaltung betrifft die Austauschbarkeit unterschiedlicher Düsenelemente zur Anpassung an die besonderen Bedingungen unterschiedlicher Brennstoffe und Vergasergeometrien.

Description

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.
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.
Sie können als direkte Brennstaub-Gas-Suspension oder als Brennstaub-Wasser- oder Brennstaub-Öl-Suspension dem Kompaktlanzenbrenner zugeführt werden.
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.
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.
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.

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.
Die Aufgabe wird durch einen Kompaktlanzenbrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Zuführung des Gesamtoxidationsmittels erfolgt über eine Ringleitung (8) und wird dann auf die einzelnen Zuführungselemente (6) in die Oxidationsmittelzuführung (3) gleichmäßig verteilt.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von Figuren in einem zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Umfang näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Brennereinrichtung mit Brennstaub-Oxidationsmittellanzen (6),
2 nähere Einzelheiten des Einschraubdüsenteils (4) und
3 eine Ausführung des Düsenelements (4) mit unterschiedlichen Anstellwinkeln der Bohrungen.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DD 271038 A1 [0004]

Claims

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, wobei – in dem Kompaktlanzenbrenner ein Pilotbrenner (1), der eine Zündvorrichtung und eine Flammenüberwachung aufweist, zentral angeordnet ist, – mehrere Zuführungselemente (6) zur Zuführung des staubförmigen Brennstoffes (2) und des Oxidationsmittels (3) auf den Umfang des Kompaktlanzenbrenners verteilt angeordnet sind, – die Mittellinie eines Zuführungselementes zur Zentralachse des Pilotbrenners geneigt ist, – ein Zuführungselement unmittelbar neben dem Brennermund des Pilotbrenners endet, – ein Zuführungselement ein Zuführungsrohr (2) für den staubförmigen Brennstoff und einen diesen konzentrisch umschließenden Ringkanal (3) für das Oxidationsmittel aufweist, – das Zuführungselement an seinem dem Brennermund zugewandten Ende ein Düsenelement (4) aufweist, – das Düsenelement eine Vielzahl von Bohrungen B aufweist, die in einem derartigen Winkel zur Mittellinie des Zuführungselementes ausgerichtet sind, dass sie das Oxidationsmittel außerhalb des Düsenelementes in den Brennstaubstrom eindösen.
Kompaktlanzenbrenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenelement in dem Zuführungselement austauschbar befestigt ist.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zuführungselement unterschiedliche Düsenelemente befestigbar sind.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenelement als Einschraubdüsenteil ausgestaltet ist.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (A) der Bohrungen (B) des Düsenelementes (4) die Mittellinie (ML) in einem vorgegebenen Abstand passieren.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenelement mehrere Gruppen von Bohrungen aufweist, wobei die Achsen der Bohrungen (B1) der ersten Gruppe die Mittellinie in einem ersten Abstand (Z1) passieren und die Achsen der Bohrungen (B2) der zweiten Gruppe die Mittellinie in einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen Abstand (Z2) passieren.
Kompaktlanzenbrenner nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (B1, B2, B3) unterschiedlicher Gruppen über den Umfang des Düsenelementes einander abwechseln.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenelement mehrere Klassen von Bohrungen aufweist, wobei die Bohrungen der ersten Klasse die Mittellinie in einer ersten Höhe kreuzen und die Bohrungen der zweiten Klasse die Mittellinie in einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Höhe kreuzen.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen unterschiedlicher Klassen über den Umfang des Düsenelementes einander abwechseln.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (A) der Bohrungen (B) des Düsenelementes (4) die Mittellinie (ML) schneiden.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (B, B1, B2, B3) des Düsenelementes unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelzuführungen (3) der Zuführungselemente (6) mit einer gemeinsamen Ringleitung (8) zur Zuführung der dem Kompaktlanzenbrenner insgesamt zugeführten Oxidationsmittelmenge verbunden sind.
Kompaktlanzenbrenner nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelmenge in der Ringleitung (8) messbar und regelbar ist.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelmenge für jede Oxidationsmittelzuführung (3) separat messbar und regelbar ist.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Staubstrom für jedes Zuführungselement (6) separat überwachbar, messbar und regelbar ist.
Kompaktlanzenbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstaub als dichte Brennstaub-Gas-Suspension oder als Brennstaub-Wasser- oder Brennstaub-Öl-Suspension dem Kompaktlanzenbrenner zugeführbar ist.