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Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner für die Vergasung staubförmiger Brennstoffe, in dem die umzusetzenden Medien in separaten Zuführungskanälen der Reaktionszone eines Vergasungsreaktors zugeführt werden. Die Vergasungsreaktion erfolgt mit Sauerstoff als Oxidationsmittel bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und hohen Drücken von 8 MPa (80 bar) sowie Temperaturen zwischen 800–1800°C. Zur Moderation der Reaktion und Einstellung der Vergasungstemperatur- und Synthesegaszusammensetzung kann Dampf dem Vergaser zugeführt werden. Hierfür wird bisher im Stand der Technik der Dampf vor Eintritt in den Brenner mit dem Sauerstoff gemischt und gemeinsam mit dem Sauerstoff dem Reaktionsraum zugeführt.
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Bei einem Flugstromvergaser erfolgt die Zündung des staubförmigen Brennstoffes mit Hilfe eines zentral am Kopf des Vergasers angeordneten Pilotbrenners, der mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betrieben und zusätzlich zur Drucksteigerung bei Anfahrvorgängen und zur Druckhaltung bei Ausfall der Staubbrenner verwendet werden kann. Mehrere Staubbrenner sind um diesen Pilotbrenner symmetrisch verteilt positioniert, um ein ungleichmäßiges Temperaturprofil im Reaktionsraum zu vermeiden. Die einzelnen dem Staubbrenner zugeführten Stoffströme wie Sauerstoff, Dampf oder der mit Gas fluidisierte staubförmige Brennstoff werden voneinander unabhängig und in einzelnen ringförmigen Kanälen oder durch rohrförmige Elemente dem Reaktionsraum zugeführt. Da die einzelnen Stoffströme unterschiedliche Temperaturen aufweisen, kann es trotz Trennung der Medien durch Trennwände zu unerwünschten Wechselwirkungen kommen. Zum Beispiel kann es durch unterschiedliche Temperaturen des Sauerstoffes und Dampfes zur Abkühlung des Dampfes durch den kälteren Sauerstoff und damit zur Kondensation eines Teils des Wasserdampfes kommen. Diese Kondensation ist mit einer starken Volumenkontraktion verbunden, was letztendlich zu unerwünschten Betriebszuständen, wie beispielsweise Rückströmungen, führen kann. Des Weiteren können bei Wiederverdampfung auf der der Reaktionszone zugewandten Oberfläche des Brenners unzulässige Temperaturgradienten und damit höhere Spannungszustände im Material auftreten, die zu einer Reduzierung der Standzeit führen. Ein weiterer unerwünschter Betriebszustand entsteht, wenn die gegenüber dem staubförmigen Brennstoff, wie zum Beispiel der Kohle, hohe Temperatur des Dampfes zu einer Aufheizung des Kohlenstaubes führt. In Abhängigkeit des Inkohlungsgrades aber auch des Gehaltes an flüchtigen Bestandteilen im staubförmigen Brennstoff ist es dadurch möglich, dass es zu Vorstufen einer Pyrolysereaktion und Freisetzung von flüssigen und/oder gasförmigen Produkten kommt. Diese freigesetzten Produkte können den Kohlenstaubstrom nachteilig beeinflussen und zu Förderproblemen bis hin zur Verblockung führen.
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Aus dem Patentdokument
DE 10 2007 040 890 und dem Gebrauchsmuster
DE 20 2014 101 214 sind Kohlenstaubbrenner bekannt, bei denen die Medienkanäle durch Kühlwasser-führende Kühlteile voneinander getrennt sind. Diese Kühlteile bedingen einen größeren Abstand des Oxidationsmittels Sauerstoff vom zu vergasenden staubförmigen Brennstoff beim Eintritt in den Reaktionsraum und eine damit verbundene verzögerte Durchmischung und Reaktion der Stoffströme. Ein weiterer Nachteil der Kühlteile besteht in ihrem Aufbau aus mehrlagig ausgeführten Trennwänden, der Zu- und Abführung des Kühlwassers über einen zusätzlich notwendigen Wasserkreislauf mit Rückkühlung und komplexer Verrohrung am Brennerkopf sowie den damit verbundenen höheren Investitionskosten und aufwendigerer Montage beim Brennerwechsel.
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Die in
DE 10 2007 040 890 und
DE 20 2014 101 214 beschriebenen Brenner zeigen rohrförmige oder rechteckige Zuführungskanäle für den staubförmigen Brennstoff, die kurz vor dem Austritt aus dem Brenner in einen Ringspalt münden. Diese Zuführungskanäle werden Wendel-förmig dem Ringkanal zugeführt, womit eine gleichmäßigere Verteilung des staubförmigen Brennstoffes am Austritt des Ringkanals zu erreicht wird. Die erzeugte tangentiale Geschwindigkeitskomponente führt zu einer radial nach außen gerichteten Strömung, welche vom innen liegenden Sauerstoffkanal wegführt und damit zu einer Verschlechterung der Durchmischung von Sauerstoff und Brennstaub beiträgt. Nachteilig an dieser Anordnung ist weiterhin, dass der Übergang der Zuführungskanäle in den Ringkanal nicht flächengleich erfolgen kann und somit ein Geschwindigkeitsabfall vom Zuführungskanal auf den Ringspalt in Kauf genommen werden muß. Die Flächenänderung kann zu Entmischungserscheinungen zwischen Fördergas und staubförmigen Brennstoff führen.
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In der Patentdokument
DE 10 2007 040 890 erfolgt eine wirksame Trennung der Medien durch Kühlteile aber auch Wasserdurchflossene Wände mit einer Kühlwassertemperatur unter 100°C. Dadurch kann die Temperatur im Kohlenstaubkanal unterhalb der Entgasungstemperatur staubförmiger Brennstaubes, wie zum Beispiel von Braunkohle, gehalten werden.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Brenner für die Vergasung von Brennstaub anzugeben, bei dem heißer Moderationsdampf in ausreichenden Mengen zugeführt werden kann, bei dem die Temperatur im Brennstaubkanal unterhalb einer kritischen Grenztemperatur gehalten werden kann, bei dem eine Mischung von Oxidationsmittel und Brennstaub nach kurzer Strecke nach Austritt aus dem Brenner gegeben ist, der mit reduziertem Aufwand hergestellt und betrieben werden kann und bei dem der Wärmeeintrag aus dem Reaktionsraum reduziert ist.
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Das Problem wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brenner ist die Zuführung von kaltem Sauerstoff 13 und heißem Dampf 12 in separaten Zuführungskanälen realisiert, wobei der Dampfkanal als Zentralrohr angeordnet und durch einen Sauerstoffkanal ringförmig umschlossen ist; das bislang erforderliche breite Kühlteil zwischen Oxidationsmittelkanal 10 und Brennstaubkanal ist durch eine weniger breite metallische Trennwand 6 ersetzt, wobei der über weite Strecken an der Innenseite der Trennwand 6 geführte kalte Sauerstoff 13 einer übermäßigen Aufheizung des Brennstaubkanals entgegenwirkt. Damit ist sichergestellt, dass die Temperatur im Brennstaubkanal unterhalb einer kritischen Grenztemperatur gehalten, aber gleichzeitig heißer Moderationsdampf in ausreichenden Mengen zugeführt werden kann. Der verringerte Abstand von Oxidationsmittelkanal und Brennstaubkanal am Brennermund bewirkt eine rasche Mischung von Oxidationsmittel und Brennstaub nach kurzem Weg nach Austritt aus dem Brenner. Der Aufwand für die Herstellung und den Betrieb des bislang erforderlichen Kühlteils zwischen Oxidationsmittelkanal und Brennstaubkanal entfällt. Es ist ein schlanker Brenner mit kompakten Abmessungen geschaffen, bei dem der Wärmeeintrag aus dem Reaktionsraum reduziert ist.
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In besonderer Ausgestaltung ist am Ende des Dampfkanals 5 ein Mischelement 1 angeordnet, das die Mischung von Dampf 12 und Sauerstoff 13 auf einer kurzen Strecke zum Brennermund bewirkt. In besonderer Ausgestaltung kann der Dampfkanal in einen Blütenmischer als Mischelement übergehen. Die Erfindung, und insbesondere die Ausgestaltung mit einem Blütenmischer, hat somit den Vorteil, dass eine ausreichende Mischqualität von Sauerstoff und Dampf bei gleichzeitig geringem Druckverlust erreicht werden kann und mechanisch instabilere Mischelemente vermieden werden. Durch diesen Aufbau kann sichergestellt werden, dass keine Sauerstoff- oder Dampfsträhnen auftreten und eine homogene Reaktion des Sauerstoff/Dampf-Gemisches mit staubförmigem Brennstoff gegeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der ringförmige Sauerstoffkanal als Einzelrohr 6, 7 weitergeführt und an dessen Ende vor Austritt in den Reaktionsraum ein mittig angeordneter Drallkörper 2 integriert. Dieser Drallkörper besteht aus einer Nabe und darauf angeordneten Leitblechen, die dazu dienen, das Sauerstoff/Dampf-Gemisch zu verdrallen und in Folge mit dem staubförmigen Brennstoff zu durchmischen. Durch diesen dem Mischelement nachgeordneten Drallkörper wird zusätzlich sichergestellt, dass die Mischqualität weiter verbessert wird und am Zentralrohr in besonderen Betriebszuständen kondensiertes Wasser verdampfen kann, ohne auf Hochtemperatur beanspruchte Bauteile zu treffen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der staubförmige Brennstoff in rohrförmigen Elementen 8 zugeführt, welche mit tangentialer Anstellung in einem Ringkanal 9 enden. Um den dabei auftretenden Flächensprung zu verringern wird die mittlere Trennwand, respektive das Trennrohr 6, zwischen dem Sauerstoff- und Brennstoffkanal im Übergangsbereich zwischen dem Ende der rohrförmigen Elemente, zum Beispiel Staubrohre 8, und dem Brennermund 11 in ein speziell ausgeformtes Bauteil 7 überführt. Die Gestaltung dieses Bauteiles erfolgt in vorteilhafter Weise durch eine nach außen parabolische Form (konvex) und nimmt im Inneren den Drallkörper 2 auf. Die parabolische Ausformung bringt einen verringerten Flächensprung am Austritt der Staubrohre 8 und gleichzeitig eine in Richtung des Reaktionsraumes spitz zulaufende Kontur des Brennstaubkanals 9, womit aufgrund einer Querschnittsverringerung eine ansteigende Staubaustrittsgeschwindigkeit bewirkt wird. Durch diese vorteilhafte Kontur ist eine Entmischung der Dichtstromförderung bis zum Austritt aus dem Brenner und eine homogene Verteilung des Brennstaubes im Ringraum des Brennstaubkanals 9 gegeben. Das spitze Auslaufen des Ringraums des Brennstaubkanals 9 am Brennermund führt weiterhin dazu, dass nach dem Austritt von Brennstaub und Oxidationsmittel aus dem Brennermund 11 der Weg bis diese sich vermischen verkürzt ist.
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Die konstruktive Ausgestaltung, wonach das Ende des zweiten Trennrohrs 6 gegenüber der Außenkontur des Brennstaubkanals 9 nach Innen versetzt ist, bewirkt, dass nach dem Austritt von Brennstaub und Oxidationsmittel aus dem Brennermund 11 der Weg bis diese sich vermischen weiter verkürzt ist.
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Die spitz zulaufende Kontur des Brennstaubkanals 9 ermöglicht eine Ausgestaltung der Brennerspitze als Kegelstumpf 15, wodurch die Wärme aus dem Reaktionsraum aufnehmende Fläche der Brennerspitze verringert ist. In Kombination mit der durch die Medien erfolgten Bauteilkühlung wird eine lange Standzeit des Brenners erreicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in die parabolische Ausformung des Bauteiles ein oder mehrere Thermoelemente 3 integriert, um den Wärmeeintrag in das Bauteil zu erfassen und somit die Position der Flamme zu bestimmen. Weiterhin ermöglicht diese Temperaturmessung eine Überwachung der Metalltemperatur und somit eine rechtzeitige Abschaltung des Brenners bei Überschreitung der zulässigen Grenztemperatur.
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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 von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 das in den Vergasungsreaktor ragende Ende des erfindungsgemäßen Brenners und
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2 nähere Einzelheiten des Blütenmischers 1 aus 1.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
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Der erfindungsgemäße Staubbrenner ist im Wesentlichen als ein bezüglich der Zentralachse rotationssymmetrisches Gebilde ausgestaltet. Der Brenner weist als Außenkontur einen zylindrischen Mantel 4 auf, der zum Medienaustritt 11 hin in einen Kegelstumpf 15 übergeht. Der Mantel 4 ist durch ein flüssigkeits-gekühltes äußeres Kühlteil gegeben. Innerhalb des Mantels ist ein zentrales Trennrohr 5 angeordnet, das als Dampfkanal für die Zuführung von heißem Moderationsdampf 12 dient. Konzentrisch zu dem zentralen Trennrohr 5 ist ein zweites Trennrohr 6 angeordnet, das einen Ringkanal für die Zuführung von Sauerstoff 13 bildet. Das Ende des Staubbrenners, an dem die Vergasungsmedien Dampf 12, Sauerstoff 13, und Brennstoff 14 aus dem Brenner austreten, bildet den Brennermund 11. Zwischen dem zweiten Trennrohr 6 und dem äußeren Kühlteil 4 ist ein Ringkanal 9 für Brennstaub gebildet. Der Innendurchmesser des durch das zweite Trennrohr 6 begrenzten Oxidationsmittelkanals 10 verjüngt sich in Richtung zum Brennermund 11. Das Ende des zweiten Trennrohres 6 ist am Brennermund um etwa 0,2 Innendurchmesser des zweiten Trennrohres 6 zurückgezogen. Das Ende des 5 ist um mehrere Durchmesser des zweiten Trennrohres 6 zurückgezogen und mündet in den Oxidationsmittelkanal 10. Am Ende des Dampfkanals 5 ist ein Blütenmischer 1 angeordnet. Im Ende des zweiten Trennrohres 6, des Oxidationsmittelkanals 10 ist ein Drallkörper 2 mit Nabe und Leitblechen angeordnet, der eine Verdrallung der austretenden Oxidationsmedien Sauerstoff 13 und Dampf 12 bewirkt. Das zweite Trennrohr 6 weist an seinem dem Brennermund zugewandten Ende eine nach außen hin parabolische Ausformung 7 auf, die eine Verengung des Brennstaubkanals 9 bewirkt. In dem Brennstaubkanal 9 sind ein oder mehrere Staubrohre 8 Wendel-förmig geführt und enden in unmittelbarer Nähe der parabolischen Ausformung 7, mehrere Durchmesser des Staubrohres vor der dem Brennermund 11. In der parabolischen Ausformung 7 ist eine Tasche zur Aufnahme eines Thermoelements 3 angeordnet.
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Der in 2 dargestellte Blütenmischer 1 weist eine 6blättrige Struktur, punktsymmetrisch zur Zentralachse, auf.
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Das Oxidationsmittel ist durch den Dampf 12 und den Sauerstoff 13 gegeben. Der Oxidationsmittelkanal 10 führt eine Mischung aus Dampf und Sauerstoff.
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Die Erfindung ist auch gegeben durch einen Staubbrenner für die Vergasung staubförmiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und hohen Drücken von 8 MPa sowie Temperaturen zwischen 800–1800°C, der mit einem äußeren Kühlteil 4 ausgeführt ist, bei dem ein (zweites) Trennrohr 6 zwischen der Zuführung von Sauerstoff 13 und Brennstaub 14 angeordnet ist, das am Ende in ein parabolisch ausgeformtes Bauteil 7 übergeht, bei dem im Inneren des parabolisch ausgeführten Bauteiles ein Drallkörper 2 mittig angeordnet ist, bei dem ein zentrales Trennrohr 5 für die Zuführung von Dampf 12 im Wesentlichen bis kurz vor den Drallkörper 2 geführt ist, der Staubbrenner mit einem oder mehreren schraubenförmig auslaufenden rohrförmigen Staubzuführungselementen 8 ausgeführt ist und von dem mindestens 3 baugleiche und symmetrisch um einen Pilotbrenner Staubbrenner angeordnet sind, die in einer Brennerbefestigungsvorrichtung aufgenommen sind.
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Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
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Die Erfindung schließt auch einen Vergasungsbrenner mit einem zentral angeordneten Pilotbrenner ein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blütenmischer
- 2
- Drallkörper mit Nabe und Leitblechen
- 3
- Thermoelement
- 4
- Äußeres Kühlteil, Mantel
- 5
- Zentrales Trennrohr, Dampfkanal
- 6
- Zweites Trennrohr, Sauerstoffkanal
- 7
- Parabolisches Bauteil, konvexes Bauteil
- 8
- Staubrohr
- 9
- Brennstaubkanal
- 10
- Oxidationsmittelkanal
- 11
- Brennermund
- 12
- Dampf
- 13
- Sauerstoff
- 14
- Brennstaub
- 15
- Kegelstumpf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040890 [0003, 0004, 0005]
- DE 202014101214 U [0003]
- DE 202014101214 [0004]
