DE102011056655A1

DE102011056655A1 - Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes für einen Kessel mit Plasmazündbrenner

Info

Publication number: DE102011056655A1
Application number: DE102011056655A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wild Thomas; Hellmuth Brüggemann
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: WO2013093678A1; DE202012012953U1; CN104011464B; US10054311B2; US20140290544A1; DE102011056655B4; PL2795190T3; EP2795190A1; DE202012013069U1; EP2795190B1; CN104011464A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner (20) für einen Dampferzeuger. Der Kohlenstaubbrenner (20) weist einen Brennstoffkanal (25) auf, durch den mit Hilfe eines Trägergases Kohlenstaub gefördert wird. Der Kohlenstaub tritt zusammen mit dem Trägergas an einer Brennstoffkanalmündung (32) aus. Der Kohlenstaubbrenner weist außerdem wenigstens einen Kernkanal (26) und wenigstens einen Sekundärkanal (29) auf. Durch den Kernkanal und den Sekundärkanal strömt Luft oder Sauserstoff, das an der Kernkanalmündung (30) bzw. der Sekundärkanalmündung (31) austritt. Die Kernkanalmündung (30), die Sekundärkanalmündung (31) und die Brennstoffkanalmündung (32) bilden gemeinsam eine Brennermündung (33). Der Kohlenstaubbrenner (20) weist wenigstens einen integral mit dem Kohlenstaubbrenner (20) ausgeführten Plasmazündbrenner (37) auf. Die Mündung (39) des wenigstens einen Plasmazündbrenners (37) ist in der Ebene (E) der Brennermündung oder versetzt stromabwärts in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kohlenstaubs angeordnet. Somit befindet sich die durch den Plasmazündbrenner (37) erzeugte Plasmaflamme (42) außerhalb des Brennstoffkanals (26).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes, wie zum Beispiel einen Kohlenstaubbrenner, der für den Einsatz in einem Kessel zur Dampferzeugung geeignet und vorgesehen ist. Als staubförmiger Brennstoff kann neben Kohlenstaub auch Staub aus Biomasse oder aus einem Gemisch aus Biomasse und Kohle verwendet werden.
Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes sind bekannt. Sie führen dem Kessel einen staubförmigen Brennstoff und Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas oder Sauerstoff zu, um den staubförmigen Brennstoff, insbesondere Kohlenstaub zu verbrennen und dabei Wärme zu erzeugen. Zum Zünden solcher Brenner sind Zündbrenner vorgesehen. Die Zündbrenner können als separate Zündbrenner oder als integrale Zündbrenner in Baueinheit mit dem Kohlenstaubbrenner ausgeführt sein. Zur Erzeugung der Zündflamme wird dem Zündbrenner üblicherweise ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff zugeführt.
Nachteilig bei solchen bekannten Brennern ist der Bedarf an üblicherweise fossilen Brennstoffen zur Erzeugung der Zündflamme. Der Kohlendioxidausstoß solcher Brenner ist in der Regel hoch und wegen der tendenziell steigenden Ölund Gaspreise arbeiten derartige Brenner zunehmend unwirtschaftlicher.
Als Alternative zu den gas- oder ölbetriebenen Zündbrennern hat es auch Bestrebungen gegeben, den über den Brenner zugeführten staubförmigen Brennstoff an elektrisch aufgeheizten Oberflächen des Brenners zu entzünden. In jüngster Zeit wurden außerdem Plasmazündbrenner entwickelt, die eine Plasmaflamme als Zündquelle für den Brenner nutzen. Im Unterschied zu Öl- oder Gasflammen ist die Plasmaflamme deutlich kürzer und heißer. Der Vorteil bei der Verwendung von Plasmaflammen besteht darin, dass der Zündbrenner ohne fossile Brennstoffe auskommt.
Ein Kohlenstaubbrenner mit integriertem Plasmazündbrenner ist beispielsweise aus EP 2 253 884 A1 bekannt. Der Kohlenstaubbrenner weist einen Brennstoffkanal auf, über den der Kohlenstaub durch den Brenner hindurchbefördert wird. Der Brennstoffkanal ist im Wesentlichen zylindrisch. Durch diesen Brennstoffkanal strömt außerdem Luft. Zentrisch entlang der Brennermittelache ist ein Plasmazündbrenner im Brennstoffkanal angeordnet. Das Kohlenstaub-Luft-Gemisch wird im Kohlenstaubbrenner gezündet und anschließend an der Brennermündung ausgestoßen.
US 5 689 949 und US 5 845 480 beschreiben Brenner mit einer Plasmazündeinrichtung. Innerhalb des Brenners wird in eine Kammer ein Brennstoff-Luft-Gemisch eingebracht und dort von einer an der Kammerwand angeordneten Plasmazündeinrichtung gezündet.
Bei dem aus US 5 156 100 A bekannten Brenner wird der Brennstoff in einen Hauptstrom und einen Zusatzstrom unterteilt. Der Zusatzstrom wird mit Hilfe eines Plasmazündbrenners gezündet und anschließend mit dem Hauptstrom des Brennstoffes gemischt, wodurch dieser ebenfalls gezündet wird.
Ausgehend von den verschiedenen bekannten Brennern mit integriertem Plasmazündbrenner kann es als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, einen Kohlenstaubbrenner zu schaffen, bei dem der Wartungs- und Prüfaufwand gering ist und der Rückzündungen in die Zufuhrleitung für den staubförmigen Brennstoff verhindert.
Diese Aufgabe wird durch einen Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist der Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes einen Brennstoffkanal auf, durch den der staubförmige Brennstoff wie z.B. Kohlenstaub strömt und an einer Brennstoffkanalmündung austritt. Der Brenner weist außerdem einen Kernkanal mit einer Kernkanalmündung und/oder einen Sekundärkanal mit einer Sekundärkanalmündung auf. Durch den Kernkanal bzw. den Sekundärkanal strömt jeweils Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder Luft oder auch mit Sauerstoff angereicherte Luft. Der Kohlenstaubbrenner weist außerdem wenigstens einen integrierten Plasmazündbrenner auf. Der wenigstens eine Plasmazündbrenner erzeugt jeweils eine Plasmaflamme. Diese wird außerhalb des Brennstoffkanals gebildet insbesondere nahe oder benachbart zur Brennstoffkanalmündung. Stromabwärts der Brennstoffkanalmündung gelangt der dort austretende staubförmige Brennstoff in Kontakt mit der Plasmaflamme. Der staubförmige Brennstoff wird daher außerhalb des Brennstoffkanals durch die Plasmaflamme gezündet.
Dadurch ist sichergestellt, dass keine Rückzündung durch den Brennstoffkanal bis in die Zufuhrleitung für den Kohlenstaub erfolgt. Zum anderen kann durch diese Anordnung eine stabilere Zündung des staubförmigen Brennstoffs erfolgen. Stromabwärts der Brennstoffkanalmündung wird der dort austretende staubförmige Brennstoff mit der Luft oder dem Sauerstoff aufweisen den Gas oder mit Sauerstoff des Kernkanals und/oder des Sekundärkanals gemischt. In diesem Verwirbelungsbereich befindet sich die Plasmaflamme. Trotz deren geringer Länge kann durch diese Anordnung der Plasmaflamme eine verlässliche Zündung des Staub-Gas-Gemisches außerhalb des Brenners erfolgen. Durch die Verwendung eines Plasmazündbrenners entfallen Zuführleitungen für gasförmigen oder flüssigen fossilen Brennstoff. Der Kohlenstaubbrenner mit integriertem Plasmazündbrenner kann so ausgeführt werden, dass eine Nachrüstung von Kesseln, die mit Öl- oder Gas-Zündbrennern ausgestattete Kohlenstaubbrenner aufweisen, möglich ist. Die Brennerüberwachung zur Steuerung oder Regelung des Brenners ist sehr einfach, da keine separaten Zündbrenner oder Stützbrenner vorhanden sind.
Der Plasmazündbrenner kann einen Gaskanal und Zündelektroden aufweisen, die im Bereich der Gaskanalmündung angeordnet sind. Durch den Gaskanal kann beispielsweise Luft als Trägergas zur Erzeugung der Plasmaflamme geleitet werden.
Vorteilhafterweise befinden sich die Brennstoffkanalmündung und die Kernkanalmündung in einer gemeinsamen Ebene. Sie bilden dort gemeinsam eine Brennermündung des Kohlenstaubbrenners. Bei einem Ausführungsbeispiel kann auch die Sekundärkanalmündung in einer gemeinsamen Ebene mit der Brennstoffkanalmündung und/oder der Kernkanalmündung liegen. Stromabwärts der Brennermündung wird die Plasmaflamme zum Zünden des Brennstoffstaub-Gas-Gemischs erzeugt.
Es ist dabei insbesondere auch möglich, dass die Gaskanalmündung des Plasmazündbrenners und die Brennstoffkanalmündung in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Bei dieser Ausführung liegen alle Kanalmündungen in einer gemeinsamen Ebene und stellen die Brennermündung dar. Alternativ hierzu könnte die Gaskanalmündung auch stromabwärts versetzt zur Brennstoffkanalmündung angeordnet sein.
Aufgrund der stromabwärts der Brennermündung vorgesehenen Plasmaflamme kann zum Transport des staubförmigen Brennstoffs zum Brenner auch ein inertisiertes Brennstoffstaub-Gas-Gemisch eingesetzt werden.
Der Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes kann mehrere Sekundärkanäle und/oder mehrere Kernkanäle aufweisen. Vorzugsweise sind ebenfalls mehrere Plasmazündbrenner vorhanden. Die Plasmazündbrenner sind innerhalb des Kernkanalquerschnitts und/oder innerhalb des Kohlekanalquerschnitts und/oder innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts angeordnet. Insbesondere befinden sich die Plasmazündbrenner außerhalb einer Brennermittelachse, wenn der Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes beispielsweise als Rundbrenner ausgeführt ist. Es hat sich gezeigt, dass das Entzünden des Brennstoffstaub-Gas-Gemisches unzureichend ist, wenn ein zentraler Plasmazündbrenner entlang der Brennermittelachse angeordnet ist. Entlang der Brennermittelachse ist bei Rundbrennern der Kernkanal vorgesehen. Die vollständige Umspülung der Plasmaflamme mit einem sauerstoffhaltigen Gas oder mit Sauerstoff aus dem Kernkanal führt zu einem mangelhaften Kontakt der Plasmaflamme mit dem staubförmigen Brennstoff. Es ist daher vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Plasmazündbrenner versetzt zur Brennermittelachse und vorzugsweise im Bereich einer Trennwand zwischen dem Brennstoffkanal und dem Kernkanal oder an einer Trennwand zwischen dem Brennstoffkanal und dem Sekundärkanal angeordnet ist. An diesen Stellen ist sowohl ausreichend sauerstoffhaltiges Gas bzw. Sauerstoff sowie ausreichend Kohlenstaub zur sicheren Zündung der Verbrennung vorhanden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Plasmazündbrenner auf einem gemeinsamen oder mehreren konzentrischen Kreisen um die Brennermittelachse angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Plasmazündbrenner entlang unterschiedlicher Radialebenen angeordnet sind, die radial zu der Brennermittelachse orientiert sind. Die Radialebenen können in Umfangsrichtung um die Brennermittelachse regelmäßig oder unregelmäßig verteilt angeordnet sein. Eine derartige geometrische Anordnung der Plasmazündbrenner führt insbesondere bei Brennern zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes, die als Rundbrenner ausgeführt sind, zu einer weiter verbesserten Zündung des staubförmigen Brennstoffs.
Wie erwähnt, kann der Brenner als Rundbrenner ausgeführt sein. Dabei ist der Brennstoffkanal als Ringkanal ausgeführt und umschließt den Kernkanal koaxial. Wenigstens ein als Ringkanal ausgeführter Sekundärkanal umschießt wiederum den Brennstoffkanal koaxial.
Alternativ zu dieser Ausführung des Brenners kann dieser auch einen rechteckförmigen Brennstoffkanalquerschnitt aufweisen. Innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts können mehrere Kernkanäle angeordnet sein, deren Kernkanalmündungen entlang von Achsen positioniert sind, die eine Kreuzstruktur oder eine Gitterstruktur bilden. Vorzugsweise sind alternativ oder zusätzlich auch mehrere Plasmazündbrenner vorhanden, die entlang der die Kreuzstruktur oder die Gitterstruktur bildenden Achsen angeordnet sind und insbesondere unmittelbar zwischen jeweils zwei Kernkanälen. Dadurch ergibt sich ein sehr guter Kontakt der Plasmaflamme mit dem austretenden staubförmigen Brennstoff und gleichzeitig eine ausreichend gute Durchmischung mit sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere Luft, oder Sauerstoff aus den Kernkanälen.
Bei dieser Anordnung kann es außerdem von Vorteil sein, wenn zwischen dem Brennstoffkanal und dem Sekundärluftkanal wenigstens ein Plasmazündbrenner angeordnet ist. Auch im Übergangsbereich vom Brennstoffkanal zum Sekundärluftkanal wird eine besonders gute Zündung des staubförmigen Brennstoffs erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Kohlenstaubbrenners anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1a ein Ausführungsbeispiel eines Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes in Form eines Kohlenstaubbrenners in Draufsicht auf die Brennermündung,
1b das Ausführungsbeispiel des Kohlenstaubbrenners gemäß 1a in einer schematischen Querschnittsdarstellung gemäß der Schnittlinie B-B,
1c eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Plasmazündbrenners des Kohlenstaubbrenners gemäß der 1a und 1b,
2 den Kohlenstaubbrenner gemäß der 1a und 1b, wobei mögliche Positionen eines oder mehrerer integrierter Plasmazündbrenner dargestellt sind,
3 bis 11 unterschiedliche Anordnungen von integrierten Plasmazündbrennern beim Kohlenstaubbrenner gemäß der 1a, 1b und 2 und
12 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines als Kohlenstaubbrenner ausgeführten Brenners zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes mit rechteckigem Brennstoffkanalquerschnitt und mehreren integrierten Plasmazündbrennern in einer schematischen Draufsicht auf die Brennerkanalmündung.
Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes. Der staubförmige Brennstoff kann aus Kohle, Biomasse oder einem Kohle-Biomasse-Gemisch hergestellt sein. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise Kohlenstaub K als staubförmiger Brennstoff verwendet. Der Brenner zum Verbrennen eines staubförmigen Brennstoffes ist daher im Folgenden als Kohlenstaubbrenner 20 bezeichnet. Die Erfindung ist aber auch für andere staubförmige Brennstoffe einsetzbar.
Der Kohlenstaubbrenner 20 ist für einen Kessel vorgesehen, beispielsweise einen Dampferzeuger. Der Kessel weist eine Brennkammerwand 21 auf, die eine Brennkammer 22 vollständig umschließt. In der Brennkammerwand 21 sind üblicherweise mehrere Kohlenstaubbrenner 20 angeordnet. Der über die Kohlenstaubbrenner 20 zugeführte Kohlenstaub K wird in der Brennkammer 22 zur Erzeugung von Wärme verbrannt. Die Wärme wird zur Dampferzeugung verwendet.
In den 1a und 1b ist stark schematisiert blockschaltbildähnlich ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kohlenstaubbrenners 20 dargestellt. Der dort gezeigte Kohlenstaubbrenner 20 ist als Rundbrenner ausgeführt. Er weist einen ringförmigen Brennstoffkanal 25 auf. Der Brennstoffkanal 25 ist koaxial zu einer Brennermittelachse A angeordnet. Der Außendurchmesser des Brennstoffkanals 25 ist mit D2 bezeichnet, der Innendurchmesser mit D1. Entlang der Brennermittelachse A verläuft ein Kernkanal 26. Der Kernkanal 26 hat bei dem als Rundbrenner ausgeführten Kohlenstaubbrenner 20 eine zylindrische und vorzugsweise kreiszylindrische Form. Durch den Kernkanal 26 strömt Sauerstoff oder vorzugsweise Luft L. Der Kernkanal 26 und der Brennstoffkanal 25 grenzen unmittelbar aneinander an. Sie sind durch eine hohlzylindrische erste Trennwand 27 voneinander getrennt. Koaxial um die erste hohlzylindrische Trennwand 27 ist eine zweite hohlzylindrische Trennwand 28 mit Abstand angeordnet, die den Brennstoffkanal 25 gegenüber einem als Ringkanal ausgeführten Sekundärkanal 29 getrennt. Der Sekundärkanal 29 grenzt somit unmittelbar an den Brennstoffkanal 25 an und umschließt diesen ringförmig. In Abwandlung zu dem in den 1a und 1b dargestellten Ausführungsbeispielen können auch mehrere konzentrisch zueinander angeordnete, ringförmige Sekundärkanäle 29 vorhanden sein.
Durch den Kernkanal 26 sowie den wenigstens einen Sekundärluftkanal 29 strömt Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas und beispielsgemäß Luft L. Die Luft L tritt an einer Kernkanalmündung 30 des Kernkanals 26 bzw. an einer Sekundärkanalmündung 31 des betreffenden Sekundärkanals 29 aus.
Durch den Brennstoffkanal 26 strömt Kohlenstaub K, der dem Kohlenstaubbrenner 20 über nicht dargestellte Zufuhrleitungen zugeführt wird. Der Kohlenstaub K tritt an einer Brennstoffkanalmündung 32 aus dem Kohlenstaubbrenner 20 aus. Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die Brennstoffkanalmündung 32 in einer Ebene E. In dieser Ebene E kann auch die Kernkanalmündung 30 und/oder die jeweilige Sekundärkanalmündung 31 des wenigstens einen Sekundärkanals 29 des Kohlenstaubbrenners 20 angeordnet sein. In der Ebene E ist eine Brennermündung 33 des Kohlenstaubbrenners 20 gebildet. Beispielsgemäß bilden die Kanalmündungen 30, 31, 32 gemeinsam die Brennermündung 33 des Kohlenstaubbrenners 20. Alternativ hierzu könnte die Sekundärkanalmündung 31 des jeweiligen Sekundärkanals 29 auch versetzt stromabwärts zur Kernkanalmündung 30 und/oder zur Brennstoffkanalmündung 32 angeordnet sein. Wie in 1b schematisch veranschaulicht, ist die Brennermündung 33 leicht versetzt zur Brennkammerwand 21 angeordnet. Die Brennermündung 33 ist über ein Mundstück 34 mit der Brennkammerwand 21 verbunden. Das Mundstück 34 hat die Form einer Kegelstumpfmantelfläche und erweitert sich ausgehend von der Brennermündung 33 zur Brennkammerwand 21 hin konisch.
Zur Zündung und/oder zur Unterstützung der Verbrennung des über den Brennstoffkanal 25 zugeführten Kohlenstaubs K weist der erfindungsgemäße Kohlenstaubbrenner 20 wenigstens einen und beispielsgemäß mehrere Plasmazündbrenner 37 auf. Jeder Plasmazündbrenner 37 weist einen Gaskanal 38 auf, durch den ein Trägergas, bspw. Luft, strömt. Im Bereich der Gaskanalmündung 39 weist der Plasmazündbrenner 37 zwei Zündelektroden 40 auf. Zwischen den beiden Zündelektroden 40 wird durch Anlegen einer Spannung ein Lichtbogen 41 gebildet, wodurch das durch den Gaskanal strömende Trägergas eine Plasmaflamme 42 bildet, wie die schematisch in 1c dargestellt ist. Abgesehen von der 1c ist der Plasmazündbrenner 37 in allen anderen Figuren schematisch durch den Gaskanal 38 bzw. die Gaskanalmündung 39 veranschaulicht. Bei den sehr stark schematisiert dargestellten Plasmazündbrenner 37 nach 1c ist die Anode hohlzylindrisch ausgestaltet. Die Kathode ist entlang der Längsachse stromaufwärts der Anode als zentrales zylindrisches oder hohlzylindrisches Element ausgeführt. Der Innendruchmesser der Anode ist größer als der Durchmesser der Kathode, so dass das Trägergas um die Kathode herum innen durch die Anode strömen kann, wobei durch die dort vorhandenen Lichtbögen 41 die Plasmaflamme 42 entzündet wird. Die Kathode kann Kühlkanäle zur Wasserkühlung aufweisen.
Die Gaskanalmündung 39 befindet sich außerhalb des Brennstoffkanals 25. Der über den Brennstoffkanal 25 zugeführte Kohlenstaub gelangt daher erst stromabwärts seiner Brennstoffkanalmündung 32 mit der Plasmaflamme 42 in Kontakt. Eine Entzündung des Kohlenstaubs innerhalb des Brennstoffkanals 25 ist vermieden. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die Gaskanalmündung 39 in Strömungsrichtung entlang der Brennermittelachse auf der Höhe der Brennermündung 33. Alternativ hierzu könnte die Gaskanalmündung 39 des wenigstens einen Plasmazündbrenners auch stromabwärts versetzt zur Brennstoffkanalmündung 32 bzw. zur Brennermündung 33 angeordnet sein, bspw. Innerhalb des Bereichs des Mundstücks 34. Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kohlenstaubbrenners 20 ist, das der Kohlenstaub erst stromabwärts der Brennstoffkanalmündung 32 mit der Plasmaflamme 42 in Kontakt gelangt.
Die Anzahl und die Anordnung der Plasmazündbrenner 37 kann vielfältig variiert werden. Die Plasmazündbrenner sind jedenfalls versetzt zur Brennermittelachse A angeordnet. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1a, 1b und 3 sind vier Plasmazündbrenner 37 vorhanden, die innerhalb des Kernkanalquerschnitts angeordnet sind. Die Plasmazündbrenner 37 sind bei diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar benachbart zur ersten Trennwand 27 in Umfangsrichtung U regelmäßig verteilt angeordnet. Im Bereich der ersten Trennwand 27 gelangen die Plasmaflammen 42 sehr gut in Kontakt mit dem aus den Brennstoffkanal 25 austretenden Kohlenstaub. Gleichzeitig wird über den Kernkanal 26 ausreichend Luft L zugeführt, so dass eine sichere Zündung oder Aufrechterhaltung der Verbrennung gewährleistet werden kann. In Abwandlung zu diesen in den 1a und 1b dargestellten ersten Ausführungsbeispiels kann die Anzahl der Plasmazündbrenner 37 innerhalb des Kernkanalquerschnitts auch größer oder kleiner gewählt werden, beispielsweise können auch lediglich zwei oder drei Plasmazündbrenner vorgesehen sein, wie dies in 6 schematisch veranschaulicht ist.
In 2 sind die bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kohlenstaub-Rundbrenners möglichen Stellen für die Anordnung der Plasmazündbrenner 37 dargestellt. Dabei wurde folgendes Anordnungsprinzip berücksichtigt. Zum einen wurden konzentrisch zur Brennermittelachse A mehrere und beispielsgemäß vier Kreisbahnen 46 vorgegeben. Alle möglichen Anordnungspositionen für die Plasmabrenner 37 befinden sich auf diesen Kreisbahnen 46 konzentrisch um die Brennermittelachse A. Radial zur Brennermittelachse A sind mehrere Radialebenen 47 definiert. Beim Ausführungsbeispiel sind vier Radialebenen 47 vorgegeben. Alle möglichen Anordnungspositionen für die Plasmazündbrenner 37 befinden sich an den Schnittpunkten zwischen den Kreisbahnen 46 und den Radialebenen 47 (2). Die in 2 angegebenen Positionen für die Plasmazündbrenner 37 sind nicht alle besetzt. In der Regel sind zwei bis sechs oder acht Plasmazündbrenner 37 ausreichend.
Der Durchmesser einer Kreisbahn 46 innerhalb des Kernkanalquerschnitts ist mit dK bezeichnet, der Durchmesser einer Kreisbahn 46 innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts ist mit dB bezeichnet und der Durchmesser einer Kreisbahn 46 im Sekundärkanalquerschnitt ist mit dS bezeichnet (2).
Die Radialebenen 47 sind beim Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung U unregelmäßig verteilt angeordnet. Ein erster Winkel α zwischen einer ersten Radialebene 47a und einer unmittelbar benachbarten zweiten Radialebene 47b ist verschieden von einem zweiten Winkel β zwischen der ersten Radialebene 47a und einer auf der anderen Seite unmittelbar benachbart zur ersten Radialebene 47a vorgesehenen dritten Radialebene 47c. Eine vierte Radialebene 47d ist rechtwinkelig zur ersten Radialebene 47a ausgerichtet.
In den 3 bis 11 sind verschiedene Anordnungsmöglichkeiten von jeweils mehreren Plasmazündbrennern 37 auf Basis des Grundmusters gemäß 2 veranschaulicht. Dabei kann die Anzahl der vorgesehenen Plasmabrenner 37 und/oder deren jeweilige Position variieren.
Die in 3 dargestellte Anordnung weist vier Plasmazündbrenner 37 innerhalb des Kernkanalquerschnitts auf, wie dies bereits im Zusammenhang mit 1a beschrieben wurde. Bei der in 4 dargestellten Anordnung sind mehrere Plasmazündbrenner 37 unmittelbar im Anschluss an die zweite Trennwand 28 angeordnet. Dabei befinden sich die Plasmazündbrenner 37 innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts des Sekundärkanals 29.
Sowohl beim Ausführungsbeispiel nach 3, als auch beim Ausführungsbeispiel nach 4 sind die Plasmazündbrenner 37 in Umfangsrichtung U um die Brennermittelachse A gleichmäßig verteilt angeordnet. Sie befinden sich jeweils im Anschluss an eine den Brennstoffkanal 25 begrenzende Trennwand 27, 28, so dass der Kontakt der Plasmaflamme 42 mit dem aus dem Brennstoffkanal 25 auftretenden Kohlenstaub K sehr gut ist, was zu einer stabilen Zündung der Verbrennung führt.
Allgemein gelten für den als Rundbrenner ausgeführten Kohlenstaubbrenner 20 beim Ausführungsbeispiel folgende Regeln für die Anordnung des wenigstens einen Plasmazündbrenners 37:

– Bei der Anordnung eines Plasmazündbrenners 37 auf einer Kreisbahn 46 innerhalb des Kernkanalquerschnitts gilt: dK / D1 ≥ 0,5;
– Bei der Anordnung eines Plasmazündbrenners 37 auf einer Kreisbahn 46 innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts gilt: D1 < dB < D2;
– Bei der Anordnung eines Plasmazündbrenners 37 auf einer Kreisbahn 46 innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts gilt: dS / D2 ≤ 1,5;

Dadurch wird erreicht, dass der Abstand zwischen dem Plasmazündbrenner 37 und der Brennstoffkanalmündung 32 quer zur Brennermittelachse A betrachtet klein genug ist, um einen ausreichenden Kontakt zwischen der Plasmaflamme 42 und dem staubförmigen Brennstoff, also beispielsgemäß dem Kohlenstaub K sicherzustellen.
Eine weitere Abwandlung der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele ist in 5 veranschaulicht. Dort sind sowohl unmittelbar im Anschluss an die innere, erste Trennwand 27, als auch im Anschluss an die äußere, zweite Trennwand 28 jeweils mehrere und beispielsgemäß jeweils zwei Plasmazündbrenner 37 angrenzend an die Brennstoffkanalmündung 32 angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform sind insgesamt vier Plasmazündbrenner 37 vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die Plasmazündbrenner 37 in einer gemeinsamen Radialbebene 47.
Die vorgesehenen Plasmazündbrenner 37 können innerhalb des Kernkanalquerschnitts und/oder innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts und/oder innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts angeordnet sein. Bei dem in 7 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist innerhalb von allen drei Kanalquerschnitten jeweils zumindest ein Plasmazündbrenner 37 angeordnet. Beispielsgemäß befinden sich alle vorhandenen Plasmazündbrenner 37 auf unterschiedlichen Radialebenen 47 und unterschiedlichen konzentrischen Kreisbahnen 46.
Wie beispielhaft in 8 veranschaulicht, ist es auch möglich, alle Plasmazündbrenner 37 innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts anzuordnen. Die Anordnung eines Plasmazündbrenners 37 innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts bedeutet nicht, dass die Plasmaflamme 42 innerhalb des Brennstoffkanals 25 angeordnet ist. Lediglich der Gaskanal 38 verläuft zwischen den beiden Trennwänden 27, 28 durch den ringförmigen Brennstoffkanal 25 hindurch. Die Gaskanalmündung 39 ist außerhalb des Brennstoffkanals 25. Dies gilt für alle Ausführungsbeispiele. Beim Beispiel nach 8 sind zwei Plasmazündbrenner 37 vorhanden, die diametral gegenüberliegend auf einer gemeinsamen Radialebene 47 angeordnet sind. In Abwandlung hierzu könnten auch mehr als zwei Plasmazündbrenner 37 vorgesehen sein.
In 9 ist das Ausführungsbeispiel nach 8 insoweit abgewandelt, als zusätzlich im Sekundärkanalquerschnitt unmittelbar benachbart zur zweiten Trennwand 28 mehrere weitere und beispielsgemäß zwei weitere Plasmazündbrenner 37 angeordnet sind. In Umfangsrichtung U betrachtet sind alle Plasmazündbrenner 37 regelmäßig verteilt angeordnet. Im vorliegenden Fall sind insgesamt vier Plasmazündbrenner 37 vorgesehen. In Abwandlung hierzu könnten zusätzlich auch innerhalb des Kernkanalquerschnitts mehrere weitere Plasmazündbrenner 37 angeordnet sein, wie dies in 10 veranschaulicht ist. Die innerhalb desselben Querschnitts, also innerhalb des Kernkanalquerschnitts oder innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts oder innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts angeordneten Plasmazündbrenner 37 liegen jeweils in einer gemeinsamen Radialebene 47.
11 zeigt eine weitere Anordnungsmöglichkeit für beispielsweise acht Plasmazündbrenner 37. Zwei Plasmazündbrenner 37 sind innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts und jeweils drei Plasmazündbrenner 37 sind innerhalb des Kernkanalquerschnitts sowie innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts angeordnet. Die Plasmazündbrenner 37 sind in verschiedenen Radialebenen 47 und unterschiedlichen Kreisbahnen 46 unregelmäßig verteilt angeordnet.
In Abwandlung zu den dargestellten Anordnungsmöglichkeiten existieren viele weitere Varianten, um eine verschiedene Anzahl von Plasmazündbrennern 37 am Kohlenstaubbrenner 20 anzuordnen. Grundsätzlich sind alle Kombinationen der in 2 dargestellten Anordnungsmöglichkeiten realisierbar. Bevorzugt sind Anordnungen, bei denen wenigstens ein Plasmazündbrenner 37 unmittelbar an einer dem Brennstoffkanal begrenzten Trennwand 27, 28 angeordnet ist.
12 zeigt einen Kohlenstaubbrenner 20 der im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht als Rundbrenner ausgeführt ist. Die in 12 angegebenen Positionen für die Plasmazündbrenner 37 sind nicht alle besetzt. Die in 12 dargestellten Plasmazündbrenner 37 geben lediglich die Positionen an, an denen ein Plasmazündbrenner angeordnet werden kann, wie dies auch bei 2 der Fall ist.
Der Brennstoffkanal 25 hat einen rechteckigen Querschnitt. Im Unterschied zu den anderen Ausführungsformen sind beim Ausführungsbeispiel nach 12 mehrere zylindrische Kernkanäle 26 angeordnet. Die Kernkanäle 26 sind entlang von Achsen 48 angeordnet. Die Achsen 48 bilden eine Kreuz- oder Gitterstruktur innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts. Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Achsen 48 mit Abstand parallel zueinander angeordnet, die die beiden langen Seiten des rechteckförmigen Brennstoffkanals 25 schneiden. Rechtwinklig dazu erstreckt sich eine Achse 48, die die Seitenhalbierende der beiden kürzeren Seiten des Brennstoffkanals 25 darstellt. Die Anzahl der Achsen 48 kann variieren.
Entlang dieser Achsen 48 sind außerdem mehrere Plasmazündbrenner 37 jeweils zwischen zwei Kernkanälen 26 angeordnet. Zusätzlich können an der dem rechteckförmigen Brennstoffkanal 25 begrenzenden äußeren Kanalwand 49 weitere Plasmazündbrenner 37 angeordnet sein. Diese können sich beim Ausführungsbeispiel entlang aller vier Seiten der äußeren Kanalwand 49 der Brennstoffkanals 25 befinden.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoffkanal 25 in zwei Kanalabschnitte 25a und 25b unterteilt. Hierfür ist zwischen den beiden kürzeren Seiten der äußeren Kanalwand 49 eine Zwischenwand 50 angeordnet. Die Zwischenwand 50 kann Kühlluftkanäle aufweisen. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind im Bereich der Zwischenwand 50 weitere Plasmazündbrenner 37 angeordnet.
Mit einem Abstand S zur äußeren Kanalwand 49 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Sekundärkanäle 29 vorgesehen. Die Sekundärkanäle 29 können mit Abstand S benachbart zu einer kurzen Seite der äußeren Kanalwand 49 und/oder zu einer langen Seite der äußeren Kanalwand 49 angeordnet sein. Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel sind jeweils drei Sekundärkanäle 29 auf gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffkanals 25 angeordnet, beispielsgemäß benachbart zu jeweils einer kurzen Seite der äußeren Kanalwand 49. Die Sekundärkanäle 29 haben beispielsgemäß einen rechteckförmigen Querschnitt. Die benachbart zu einer gemeinsamen Seite der äußeren Kanalwand 49 angeordneten Sekundärkanäle 29 schließen unmittelbar ohne Abstand aneinander an.
Zumindest zwischen einem der Sekundärkanäle 29 und dem Brennstoffkanal 25 ins wenigstens ein Plasmazündbrenner 37 mit einem Abstand s1 zwischen dem Mittelpunkt seiner Mündung und der äußeren Kanalwand 49 angeordnet, vorzugsweise derart, dass gilt: s1 / S ≤ 0,5 mit

s1:: Abstand des Mittelpunkts der Mündung 39 des Plasmazündbrenners 37 von der Kanalwand 49 und
S:: Abstand des benachbarten Sekundärkanals 29 von der Kanalwand 49.

Dadurch ist ein ausreichender Kontakt des staubförmigen Brennstoffes, beispielsgemäß des Kohlenstaubs K, mit der Plasmaflamme 42 gewährleistet.
Auch bei dem in 12 veranschaulichten Ausführungsbeispiel bilden die Brennstoffkanalmündung 32, die Sekundärkanalmündung 31 sowie die Kernkanalmündung 30 die Brennermündung 33 in einer gemeinsamen Ebene E. Die Gaskanalmündungen 39 der Plasmazündbrenner 37 befinden sich vorzugsweise ebenfalls in der Ebene E oder versetzt stromabwärts der Ebene E bzw. der Brennermündung 33.
Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner 20 für einen Dampferzeuger. Der Kohlenstaubbrenner 20 weist einen Brennstoffkanal 25 auf, durch den mit Hilfe eines Trägergases Kohlenstaub K strömt. Der Kohlenstaub K tritt zusammen mit dem Trägergas an einer Brennstoffkanalmündung 32 aus. Der Kohlenstaubbrenner 20 weist außerdem wenigstens einen Kernkanal 26 und wenigstens einen Sekundärkanal 29 auf. Durch den Kernkanal 26 und den Sekundärkanal 29 strömt Luft L, die an der Kernkanalmündung 30 bzw. der Sekundärkanalmündung 31 austritt. Die Kernkanalmündung 30, die Sekundärkanalmündung 31 und die Brennstoffkanalmündung 32 bilden gemeinsam eine Brennermündung 33. Der Kohlenstaubbrenner 20 weist wenigstens einen integral mit dem Kohlenstaubbrenner 20 ausgeführten Plasmazündbrenner 37 auf. Die Mündung 39 des wenigstens einen Plasmazündbrenners 37 ist in der Ebene E der Brennermündung 33 oder versetzt stromabwärts in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kohlenstaubs K angeordnet. Somit befindet sich die durch den Plasmazündbrenner 37 erzeugte Plasmaflamme 42 außerhalb des Brennstoffkanals 26.
Bezugszeichenliste

20: Kohlenstaubbrenner
21: Brennkammerwand
22: Brennkammer
25: Brennstoffkanal
25a: Kanalabschnitt
25b: Kanalabschnitt
26: Kernkanal
27: erste Trennwand
28: zweite Trennwand
29: Sekundärkanal
30: Kernkanalmündung
31: Sekundärkanalmündung
32: Brennstoffkanalmündung
33: Brennermündung
34: Mundstück
37: Plasmazündbrenner
38: Gaskanal
39: Gaskanalmündung
40: Zündelektrode
41: Lichtbogen
42: Plasmaflamme
46: Kreisbahn
47: Radialebene
47a: erste Radialebene
47b: zweite Radialebene
47c: dritte Radialebene
47d: vierte Radialebene
48: Achse
49: äußere Kanalwand
50: Zwischenwand
a: erster Winkel
b: zweiter Winkel
A: Brennermittelachse
D1: Innendurchmesser des Brennstoffkanals
D2: Außendurchmesser des Brennstoffkanals
dB: Durchmesser einer Kreisbahn innerhalb des Brennstoffkanalquerschnitts
dK: Durchmesser einer Kreisbahn innerhalb des Kernkanalquerschnitts
dS: Durchmesser einer Kreisbahn innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts
K: Kohlenstaub
L: Luft
S: Abstand zwischen Sekundärkanal und Brennstoffkanal
s1: Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Mündung eines Plasmazündbrenners und der äußeren Kanalwand
U: Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2253884 A1 [0005]
US 5689949 [0006]
US 5845480 [0006]
US 5156100 A [0007]

Claims

Kohlenstaubbrenner (20), mit einem Kernkanal (26), durch den Luft (L) oder Sauerstoff strömt und an einer Kernkanalmündung (30) austritt und/oder mit einem Sekundärkanal (29), durch den Luft (L) oder Sauerstoff strömt und an einer Sekundärkanalmündung (31) austritt, mit einem Brennstoffkanal (25), durch den Kohlenstaub (K) strömt und an einer Brennstoffkanalmündung (32) austritt, und mit einem Plasmazündbrenner (37), der eine Plasmaflamme (42) erzeugt, die außerhalb des Brennstoffkanals (25) angeordnet ist und die stromabwärts der Brennstoffkanalmündung (32) mit dem Kohlenstaub (K) in Kontakt kommt.
Kohlenstaubbrenner (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmazündbrenner (37) einen Gaskanal (38) und Zündelektroden (40) aufweist, die im Bereich der Gaskanalmündung (39) angeordnet sind.
Kohlenstaubbrenner (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkanalmündung (32) und die Kernkanalmündung (30) und/oder die Sekundärkanalmündung (31) in einer gemeinsamen Ebene (E) angeordnet sind und dort eine Brennermündung (33) bilden.
Kohlenstaubbrenner (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskanalmündung (39) und die Brennstoffkanalmündung (32) in einer gemeinsamen Ebene (E) angeordnet sind.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sekundärkanale (29) und/oder mehrere Kernkanäle (26) vorhanden sind.
Kohlenstaubbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Plasmazündbrenner (37) außerhalb einer Brennermittelachse (A) angeordnet ist.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Plasmazündbrenner (37) vorhanden sind, die innerhalb des Kernkanalquerschnitts und/oder innerhalb des Kohlekanalquerschnitts und/oder innerhalb des Sekundärkanalquerschnitts angeordnet sind.
Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmazündbrenner (37) auf einem oder mehreren konzentrischen Kreisen (46) um eine Brennermittelachse (A) angeordnet sind.
Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Plasmazündbrenner (37) in unterschiedlichen Radialebenen (47) angeordnet sind, die radial zu einer Brennermittelachse (A) orientiert sind.
Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung (U) um die Brennermittelachse (A) betrachtet die Winkel (a, b) zwischen einer Radialebene (47a) und deren beiden unmittelbar benachbarten Radialebenen (47b, 47c) unterschiedlich groß sind.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Plasmazündbrenner (37) unmittelbar an einer Trennwand (27) zwischen dem Brennstoffkanal (25) und dem Kernkanal (26) angeordnet ist.
Kohlenstaubbrenner nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Plasmazündbrenner (37) unmittelbar an einer Trennwand (28) zwischen dem Brennstoffkanal (25) und dem Sekundärkanal (29) angeordnet ist.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Plasmazündbrennern (37) Luft (L) oder Sauerstoff aus dem Kernkanal (26) oder aus dem Sekundärkanal (29) strömt.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffkanal (25) als Ringkanal ausgeführt ist und den Kernkanal (26) koaxial umschließt.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkanal (29) als Ringkanal ausgeführt ist und den Brennstoffkanal (25) koaxial umschließt.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffkanal (25) einen rechteckigen Kohlekanalquerschnitt aufweist.
Kohlenstaubbrenner (20) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Kohlekanalquerschnitts mehrere Kernkanäle (26) und/oder mehrere Plasmazündbrenner (37) angeordnet sind, wobei die Kernkanalmündungen (30) und/oder die Plasmazündbrenner (37) entlang von Achsen (48) angeordnet sind, die eine Kreuz- oder Gitterstruktur bilden.
Kohlenstaubbrenner (20) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Plasmazündbrenner (37) unmittelbar von zwei Kernkanälen (26) benachbart ist bzw. sind.
Kohlenstaubbrenner (20) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Plasmazündbrenner (37) zwischen dem Brennstoffkanal (25) und dem Sekundärluftkanal (29) angeordnet ist.