DE10232373A1

DE10232373A1 - Verfahren zur Erhöhung der Flammstabilität bei Kohlenstaubfeuerungen und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10232373A1
Application number: DE2002132373
Authority: DE
Inventors: Fritz Schoppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Buchberger August De; Hentschel Andreas De
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: FR2842584A1; DE10232373B4; BE1015604A3; FR2842584B1

Abstract

Zur Erhöhung der Flammstabilität bei einer Kohlenstaubfeuerungsanlage, in der fluisierter Kohlenstaub mit Brennluft vermischt und ausgebrannt wird, ist eine Primärflamme vorgesehen, in die der Kohlenstaub eingeleitet und in der er vorerhitzt wird. Von dort gelangt er in eine Strömung heißer, sauerstoffarmer Verbrennungsabgase, in der er weiter aufgeheizt wird, wobei flüchtige Bestandteile abgehen, und schließlich werden die flüchtigen Bestandteile und der aufgeheizte Kohlenstaub mit der Brennluft vermischt und erzeugen die Hauptflamme. Durch die getroffenen Maßnahmen lassen sich eine Erhöhung der Flammstrahlgeschwindigkeit auf mehr als 100 m/s und eine gute Regelbarkeit der Brennerleistung erreichen.

Description

Diese Erfindung betrifft Feuerungen für Kohlenstaub und ähnliche Brennstäube mit mittlerem bis hohem Gehalt an Flüchtigen, beispielsweise Braunkohle, mittel- bis hochflüchtige Steinkohle oder staubförmige Biomasse, wie zum Beispiel Hoizschleifstaub.

Hierfür grundsätzlich geeignete Brennerkonstruktionen sind zum Beispiel aus EP 0 496 856 B1 bekannt, die den letzten Stand der Entwicklung auf diesem Gebiet darstellt.

Der in EP 0 496 856 B1 beschriebene Staubbrenner besteht aus einer sich in Durchströmrichtung erweiternden, konischen Brennermuffel, der die Brennluft über ein radiales Schaufelgitter zugeführt wird. An die Brennermuffel schließt sich eine Flammbeschleunigungsdüse an. Mit den in der genannten Druckschrift genannten Abmessungen und Durchsatzmengen stellt sich der diesem Brennerprinzip eigene Strömungsverlauf ein, bei dem die aus dem Schaufelgitter austretende Brennluft mit einem Drallwinkel von ca. 45° entlang der Wand der Brennermuffel bis zu deren größten Durchmesser strömt. Hier wendet sich etwa die Hälfte der Brennluftströmung radial nach innen und strömt als Rückströmung dann entlang der Achse der Brennermuffel bis zur Stirnplatte des Schaufelgitters zurück.

An der Stirnplatte des Schaufelgitters angekommen, wendet sich die Rückströmung radial nach außen und strebt zusammen mit der durch das Schaufelgitter zugeführten frischen Brennluft wieder dem größten Durchmesser der Brennermuffel zu.

Die Strömung bildet im Bereich des größten Durchmessers einen Staupunkt, den man in der Flamme deutlich sehen kann.

Zwischen der wandnahen Durchsatzströmung der zentralen Rückströmung bildet sich eine konisch-röhrenförmige Zone intensiver Turbulenz aus, in der sich nach Brennstoffzufuhr die Flamme einstellt. Deren Dicke ist gering, sie reicht von etwa 75% bis etwa 90% des Radius der Brennermuffel und hat die Gestalt einer konischen, dünnen, wandnahen Röhre. Die radial innerhalb der brennenden, rohrförmigen Strömung vorhandene Strömung in der Brennermuffel ist schwarz, hat eine Temperatur von etwa 1000 bis 1100°C und ist bei ihrem Staubgehalt von 5 bis 10 g/m³ für Wärmestrahlung fast vollständig undurchlässig.

Der Brennstaub wird mit Förderluft oder Förderabgas im Bereich des vorerwähnten Staupunktes in die Rückströmung eingeblasen. In EP 0 496 856 B1 ist dazu ein axiales Einblasrohr dargestellt, das das Schaufelgitter von hinten durchdringt und bis in den Bereich des Staupunkts reicht und dort an seinem Ende eine Umlenkhaube trägt, die den durch das Einblasrohr fluidisch zugeführten Kohlenstaub um 180° umlenkt und in die Rückströmung einbläst.

Auf ihrem axialen Strömungsweg vom größten zum kleinsten Durchmesser der Brennermuffel mischt sich die heiße, sauerstoffarme Rückströmung mit der den Kohlenstaub fluidisierenden Trägerluft beziehungsweise Trägerabgas und dem Kohlenstaub. Letzterer erwärmt sich dabei und gibt flüchtige Bestandteile sowie Stickstoff in Form von NO ab.

Für die Aufheizung des Kohlenstaubs in der Rückströmung steht das Temperaturgefälle der Rückströmung von etwa 1000 bis 1100°C bis herunter zu 400 bis 500°C zur Verfügung. Im letztgenannten Temperaturbereich beginnt die Abspaltung der flüchtigen Bestandteile vom Kohlenstaub.

Da wegen der optischen Undurchlässigkeit des Staub-Gas-Gemischs in den Innenzonen der Brennermuffel die Strahlung der weiter außen befindlichen rohrförmigen Flamme den Kohlenstaub in der Rückströmung nicht erreicht, erfolgt die Aufheizung des Kohlenstaubs fast vollständig nur durch turbulenten Wärmeaustausch.

Wegen der Modellgesetze der freien Turbulenz ist die Aufheizung des Kohlenstaubs bei großen und bei kleinen Brennern fast gleich und somit in der Wirkung begrenzt.

Dieses hat zwei Folgen:

– Die Strömungsgeschwindigkeiten und damit die Brennerleistung können nicht weiter gesteigert werden, weil die Aufbereitungszeit für den Kohlenstaub dann zu kurz würde. Man kann das schon am Flammbild sehen: Wird die Aufheizzeit zu kurz, bilden sich schwarze Strähnen auf der Flammoberfläche. Bei noch weiterer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit geht die Flamme aus.
– Auch der Regelbereich nach unten ist begrenzt, weil mit abnehmender Last die Rückströmung kälter wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Flammstabilität bei Kohlenstaubfeuerungen verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beziehungsweise im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht demnach u.a. darin, daß am Austritt des Kohlenstaubs aus der Umlenkhaube des Einblasrohrs eine Primärflamme installiert wird, die Umlenkhaube im Bereich des Staupunkts angeordnet wird und der Kohlenstaub mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit in den Brenner eingeblasen wird.

Im einzelnen gilt folgendes:

1. Der Kohlenstaub wird mit 3,5 bis 5%, bevorzugt 4,0 bis 4,5%, der bei Vollast notwendigen Brennluftmenge eingeblasen;
2. Der Ringspalt zwischen dem Einblasrohr und der Umlenkhaube ist so bemessen, daß die Austrittsgeschwindigkeit des von Förderluft fluidisierten Kohlenstaubs wenigstens 15 m/s, bevorzugt mehr als 20 m/s beträgt.
3. Die Umlenkhaube ist im Bereich des größten Durchmessers der Brennermuffel angeordnet.

Bei dieser konstruktiven Ausgestaltung und Betriebsweise stellt sich aufgrund des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen der Rückströmung und der aus dem Ringspalt austretenden Förderluftströmung ein kräftiger Wirbel am Austritt des Ringspaltes ein, an den die Primärflamme ansetzt. Die Geschwindigkeit der Förderluftströmung liegt vorteilhaft über 20 m/s, sollte aber nicht so groß sein, daß unter dem Einfluß der Schleifwirkung des Kohlenstaubs und des darin enthaltenen Quarzsandanteils die mit der Strömung in Berührung gelangenden Teile verschleißen. Geschwindigkeiten unter 30 m/s haben sich als ausrei chend erwiesen.

Zwischen der nach innen umkehrenden Rückströmung und der zum Austritt der Flammbeschleunigungsdüse gehenden Strömung bildet sich ein Staupunkt, der beispielsweise bei Gasfeuerungen gut sichtbar ist. Er ist axial gegenüber der vom größten Durchmesser der Brennermuffel bestimmten Ebene um eine Distanz in Richtung auf den Austritt versetzt, die ¼ bis ½ des größten Durchmessers der Brennermuffel entspricht.

Die Anordnung der Umlenkhaube nicht am Staupunkt, sondern am größten Durchmesser der Brennermuffel ist optimal. Verschiebt man die Umlenkhaube mehr in Richtung auf den Staupunkt, werden Teile der Primärflamme nutzlos aus dem Austritt der Flammbeschleunigungsdüse geblasen. Verschiebt man die Umlenkhaube in Richtung auf das Schaufelgitter, das heißt in einen Bereich, wo die Rückströmung schon schneller geworden ist, dann ist die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Rückströmung und der aus dem Ringspalt zwischen Einblasrohr und Umlenkhaube austretenden Strömung kleiner. Der Wirbel am Austritt des Ringspaltes wird dann schwächer, und die Primärflamme wird weniger intensiv.

Wirkung und Verlauf der Primärflamme kann man gut sichtbar machen, wenn man das Einblasrohr nach Verteuerung beispielsweise von rheinischem Braunkohlenstaub demontiert. Dieser Staub hat nämlich eine gelb-ocker-farbene Asche, im Gegensatz zu den anderen Brennstäuben, deren Asche meist grau ist.

In einer ersten, dem Ringspalt unmittelbar benachbarten, relativ kurzen Zone, ist das Einblasrohr nämlich metallisch blank, denn es ist vom ausgeblasenen Kohlenstaub poliert worden.

In einer sich daran anschließenden zweiten, etwas längeren Zone ist das Einblasrohr gelb-ocke-farben. In diesem Bereich hat die Primärflamme gebrannt.

In einer sich hieran anschließenden dritten, sehr viel längeren Zone zeigt das Einblasrohr schwarzen, trockenen Ruß. Hier sind niedrigflüchtige Bestandteile, zum Beispiel CH₄, aus dem Kohlenstaub abgegangen.

In einer sich daran anschließenden vierten, etwa ebenso langen Zone wird der schwarze Belag auf dem Einblasrohr zunehmend fettig, verursacht von den hier aus dem Kohlen staub abgegangenen höherflüchtigen Bestandteilen.

In einer fünften Zone kurz vor dem Schaufelgitter sieht das Einblasrohr so aus, als wenn Teer aufgebracht worden wäre. Hier sind mit Crackvorgängen die höchstsiedenden Kohlebestandteile aus der Kohle abgegangen.

In einer sechsten; das Schaufelgitter durchdringenden Zone ist das Einblasrohr wieder gelb-ocker-farben. Hier ist der aufgeheizte Staub zum ersten Mal mit der Brennluft in Berührung gekommen, und hat spontan gezündet. Hier liegt der Beginn der Hauptflamme, die sich röhrenförmig nahe der Muffelwand entlang erstreckt.

Hinter dem Schaufelgitter, das heißt außerhalb des Brennraums, ist das Einblasrohr von Verbrennungsvorgängen unbeeinflusst.

Dieses sich an dem Einblasrohr zeigende Bild erlaubt auch die optimale Einstellung der Trägerluftmenge:

– Bei weniger Trägerluft wird in der Primärflamme weniger Wärme entwickelt. Die zweiten bis vierten Zonen verschieben sich in Richtung auf die Umlenkhaube. Die fünfte Zone wird länger, hier bilden sich teerhaltige, koksartige, dicke Beläge auf dem Einblasrohr, die den Betrieb des Brenners stören können. Dieses ist eine Folge der zu niedrigen Temperatur der Rückströmung. Die Aufbereitung des Kohlenstaubs in der Rückströmung ist ungenügend.
– Bei mehr Trägerluft werden die Rückströmung und das Einblasrohr sehr heiß. Das Einblasrohr kann überhitzt werden, und es wird in der Primärflamme bereits ein unzulässig hoher Anteil der flüchtigen Bestandteile aus dem Kohlenstaub verbrannt, der nachher in der Hauptflamme fehlt. Eine örtliche Überhitzung des Einblasrohres erkennt man an einem Abbrand an der betreffenden Stelle des Rohres, die dort eine Einschnürung zeigt, wo das Rohrmaterial weggebrannt ist.

Bei der angegebenen erfindungsgemäßen Einstellung der Trägerluft bleibt das Einblasrohr langfristig sauber, und wird nicht überhitzt. Am Ende der Rückströmung im Bereich der fünften und sechsten Zonen liegt ein Maximum an flüchtigen Bestandteilen vor. Betrachtet man den Beginn der Hauptflamme an der sechsten Zone durch ein Schauglas, sieht man eine fast vollständig gasartige Flamme, in der nur noch einzelne rotglühende Grobkörner herumwirbeln. Da der Feinkornanteil nicht zu sehen ist, darf man vermuten, daß er vergast oder in der sechsten Zone ausgebrannt worden ist.

Gegenüber einem Zustand ohne Primärflamme ist der Unterschied im Verhalten der Hauptflamme erheblich:

a) Die Hauptflamme verhält sich fast wie eine Gasflamme. Sie brennt auch bei höheren Durchsätzen, bei denen sie ohne Primärflamme ausgeblasen wäre, stabil und pulsationsfrei.
b) Man kann den Austrittsquerschnitt der Beschleunigungsdüse noch weiter verkleinern und damit noch höhere Flammstrahlgeschwindigkeiten, die bei 100 bis 120 m/s liegen, erreichen, ohne daß die Flamme abreist. Zwar nennt die oben genannte EP 0 496 856 B1 auch Geschwindigkeiten von ca. 100 m/s. Dieses ist aber dort Wunschdenken. Rechnet man nämlich den dort dargestellten Brenner für die in der Druckschrift angegebene Feuerungsleistung von 3,9 MW und den Austrittsdurchmesser der Düse unter Berücksichtigung der in der Druckschrift gemachten Angaben nach, ergeben sich je nach Luftüberschuß nur Flammstrahlgeschwindigkeiten von 51 bis 58 m/s. Ein äußeres Indiz für diese geringen Geschwindigkeiten ist, daß der Austrittsdurchmesser der Beschleunigungsdüse mit 350 mm größer ist als der den Durchsatz bestimmenden Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel mit 338 mm. Für eine Flammstrahlgeschwindigkeit von 100 m/s wäre aber ein Austrittsdurchmesser der Beschleunigungsdüse von 260 mm erforderlich, der also erheblich kleiner ist, als der angegebene Eintrittsdurchmesser von 338 mm. EP 0 496 856 B1 gibt also in dieser Hinsicht keine Lehre zum technischen Handeln.
c) Eine weitere Folge der Primärflamme ist der erheblich vergrößerte Regelbereich. Während Brenner nach EP 0 496 856 B1 von 100% Last bis ca. 40% Last geregelt werden könnten, wie von den realisierten Anlagen bekannt ist, also im Verhältnis 1:2,5 geregelt werden können, steigt bei Einsatz der Primärflamme nach der vorliegenaden Erfindung der Regelbereich auf etwa 1:20. Im Grenzfall bei nur 5% Last brennt nur noch die Primärflamme, aber sicher.

Welche erheblichen praktischen und wirtschaftlichen Vorteile die vorstehenden Punkte b) und c) bringen, soll nachfolgend an zwei verschiedenen Beispielen dargestellt werden.

Beispiel 1

Brenner für die Umrüstung von Wasserrohrkesseln.

In der DE 100 55 507 A1 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem öl- oder gasgefeuerte Wasserrohrkessel auf die Befeuerung mit rheinischem Braunkohlenstaub umgestellt werden können. Dazu ist eine Feuerungseinrichtung erforderlich, die mit diesem Brennstoff Flammstrahlgeschwindigkeiten von mehr als 100 m/s erzeugen kann und deren Vorhandensein in der genannten Druckschrift unterstellt ist. Wie man dieses aber erreicht, ist dort nicht beschrieben und auch nicht Gegenstand der Anmeldung. Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmalig eine so hohe Flammstrahlgeschwindigkeit erreicht.

Beispiel 2

Heißgaserzeuger

Die Erfindung erlaubt auch den Bau verbesserter Heißgaserzeuger. Damit sind Feuerungen gemeint, die keine strahlende Flamme erzeugen, sondern ein möglichst homogenes heißes Gas, etwa zum Beheizen von Trocknern, Mühlen, usw.. Bei dafür geeigneten Vorrichtungen entfällt die Flammbeschleunigungsdüse. Die Vorrichtung kann heiße Gase von 200°C bis 900°C erzeugen, wobei bei 900°C die Flamme die Brennermuffel bis auf eine dünne, wandnahe Kaltluftschicht ausfüllt. Die Flamme endet ungefähr am größten Durchmesser der Muffel. Eine konkrete Ausführungsform wird später erläutert.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:
1 schematisch im Längsschnitt eine Brennermuffel mit Beschleunigungsdüse und Einblasrohr,
2 in vergrößertem Maßstab den Endbereich des Einblasrohres mit aufgesetzter Umlenkhaube;
3 eine der 1 vergleichbare Darstellung zur Erläuterung verschiedener Ablagerungszonen an dem Einblasrohr;
4 einen detaillierten Längsschnitt durch eine Anordnung nach 1
5 schematisch im Längsschnitt einen Heißgaserzeuger, und
6 im Längsschnitt schematisch einen konventionellen Brenner für Braunkohlenstaub, der im Sinne der Erfindung adaptiert ist.
Man erkennt in 1 im Längsschnitt einen insgesamt mit 1 bezeichneten Kohlenstaubbrenner bestehend aus einer sich konisch erweiternden Brennermuffel 1a und einer sich an deren größten Durchmesser D anschließenden, sich konisch verengenden Flammbeschleunigungsdüse 1b. Vom kleineren Durchmesser der Brennermuffel 1a ausgehend und diesen durchstoßend erstreckt sich in die Brennermuffel 1a ein Einblasrohr 2, das beim größten Durchmesser D des Brenners endet und dort eine Umlenkhaube 3 trägt. Die Umlenkhaube 3 bildet zusammen mit dem Außendurchmesser des Einblasrohrs 2 gemäß 2 einen Ringspalt 4 aus, dessen Öffnung auf das Ende kleineren Durchmessers der Brennermuffel 1a gerichtet ist.
Am kleineren Durchmesser der Brennermuffel 1a befindet sich ein Schaufelgitter 1c, das der Zuführung von Brennluft in die Brennermuffel 1a dient.
Die sich im Betrieb einstellenden Strömungen sind in den 1 und 2 mit Pfeilen dargestellt. Mit Hilfe von 3,5 bis 5%, bevorzugt 4,0 bis 4,5%, der für die Verbrennung von Kohlenstaub, beispielsweise Braunkohlenstaub, benötigten Brennluftmenge wird der Kohlenstaub in fluidisiertem Zustand durch das Einblasrohr 2 in den Brenner eingeblasen, wo er durch den Ringspalt 4 zwischen Umlenkhaube 3 und Einblasrohr 2 austritt. Die restliche, d.h. überwiegende Teil der Verbrennungsluft L wird über das Schaufelgitter 1c der Brennermuffel 1a unter einem Schraubenwinkel zugeführt, so daß sie nahe der Wand der Brennermuffel 1a in Richtung auf deren größten Durchmesser strömt. Aufgrund der beschriebenen Strömungsdynamik wendet sich ein Teil dieser Strömung im Bereich des größten Durchmessers D der Brennermuffel 1a nach innen und strömt zentral als Rückströmung 7 in Richtung auf das Schaufelgitter 1c zurück. Der in die Rückströmung 7 eingeblasene und von ihr mitgeführte Kohlenstaub wird mit Hilfe einer Zündflamme, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, erstmalig gezündet. Die Zündflamme wird mit Leuchtgas oder Erdgas von einem Zündbrenner 23 erzeugt, der in einen Kopfraum 24 mündet, der hinter einer der das Schaufelgitter 1c nach rückwärts begrenzenden Kopfplatte 25 liegt, die von dem Einblasrohr 2 unter Ausbildung eines breiten Ringspaltes 26 durchdrungen wird. Die Zündflamme erstreckt sich wie ein Toruswirbel durch diesen Ringspalt 26 in den Bereich des Schaufelgitters 1c. Wenn der durch die Rückströmung dorthin getragene Kohlenstaub gezündet hat, d.h. die Hauptflamme brennt, kann die Zündflamme abgestellt werden.
Der mit Luft fluidisierte Kohlenstaub, in den Zeichnungen mit K + L bezeichnet, tritt mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 15 m/s, bevorzugt mehr als 20 m/s, aus dem Ringspalt 4 aus, wodurch ein kräftiger, torusförmiger Wirbel 5 erzeugt wird, an dem im Betrieb die Primärflamme 6 ansetzt. Die Primärflamme zündet innerhalb von Sekundenbruchteilen nach dem Zünden der Hauptflamme von selbst.
Der nicht zur Rückströmung umkehrende Anteil der wandnahen, brennenden Strömung tritt in die Flammbeschleunigungsdüse 1b ein. Dabei entsteht zwischen der nach innen umkehrenden Rückströmung 7 und der in die Flammbeschleunigungsdüse 1b eintretenden Strömung 10 ein Staupunkt 11 in der Achse des Brenners, der gegenüber der von dem größten Durchmesser D bestimmten Ebene um etwa ¼ bis ½ des größten Durchmessers D in Richtung auf den Austritt 9 der Flammbeschleunigungsdüse 1b versetzt ist.
Durch ein im Bereich des Schaufelgitters 1c angeordnetes Schauglas 12 kann man in der schon erwähnten Weise die Schaufelgitter ansetzende Hauptflamme beobachten.
3 zeigt schematisch die sieben Zonen unterschiedlich gefärbter und strukturierter Ablagerungen von Verbrennungsrückständen entlang des Einblasrohrs 2. Die mit a bezeichnete erste Zone schließt sich unmittelbar an den Austritt des Ringspalts 4 an. Sie ist relativ schmal und metallisch blank, d.h. es sind dort keinerlei Niederschläge auf dem Einblasrohr 2 vorhanden. Daran schließt sich die zweite Zone b an, die gelb-ocker-farben ist. Diese Zone ist breiter als die erste Zone a. Darauf folgt eine etwa dreimal so lange, dritte Zone c, auf der schwarzer, trockener Ruß abgeschieden ist. An diese schließt sich die vierte Zone d an, die einen schwarzen Belag zeigt, der in Richtung auf das Schaufelgitter 1c zunehmend fettig aussieht. Hieran schließt sich eine bis in den Bereich des Schaufelgitters 1c reichende fünfte Zone e an, die etwas kürzer als die vierte Zone ist und so aussieht, als wenn auf ihr Teer aufgebracht worden wäre. Die sechste Zone liegt im Bereich des Schaufelgitters 1c und ist gelb-ocker-farben. Jenseits des Schaufelgitters 1c, wo keine Verbrennungsvorgänge mehr stattfinden, ist das Rohr 2 sauber, oder besser gesagt in seinem Ursprungszustand.
4 zeigt im Längsschnitt eine praktische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie besteht aus einem doppelkonischen Brenner vergleichbar mit der schematischen Darstellung von 1, weshalb an dieser Stelle auf diese Bezug genommen werden soll. Die Brennluft tritt bei 13 in einen Sammelraum 14 ein und wird durch radiale Leitschaufeln 15 am Ende kleineren Durchmessers der Brenermuffel 16 in Rotation versetzt. In deren Folge durchströmt die Brennluft die Brennermuffel 16, an die sich die Flammbeschleunigungsdüse 17 anschließt.
Kohlenstaub und Förderluft werden durch ein Einblasrohr 18, das an seinem freien Ende eine Umlenkhaube 19 trägt, zugeführt. Ihre Ausführung und Betriebsweise entsprechen der Beschreibung zu den 1 und 2. Damit stabilisiert sich erfindungsgemäß am Austritt der Umlenkhaube 19 die hier nicht gezeichnete Primärflamme, wodurch es möglich ist, den Austrittsdurchmesser 20 der Flammbeschleunigungsdüse 17 so weit zu verringern, daß eine Flammstrahlgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s entsteht.
Für eine Feuerungsleistung von 22 MW ergeben sich damit für die Verfeuerung von Kohlenstaub gleichgültig welcher Sorte folgende Daten, wie sie aus 4 entnommen werden können:
Zugeführte Brennluftmenge: 20642 m_n ³/h
Zugeführte Förderluftmenge: 1125 m_n ³/h
Zugeführte Kohlenstaubmenge: 3653 kg/h
Flammstrahl: 31797 kg/h
Flammstrahlgeschwindigkeit: 107 m/s
Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel 16: 818 mm
Länge der Brennermuffel 16: 3350 mm
Größter Durchmesser der Brennermuffel 16: 1610 mm
Länge der Flammbeschleunigungsdüse 17: 1655 mm
Austrittsdurchmesser der Flammbeschleunigungsdüse 17: 668 mm
Einblasrohrdurchmesser: 180 × 25 mm
Mit dieser Konstruktion und den angegebenen Durchsatzmengen werden die Emissions grenzen nach der TA Luft eingehalten. Zwar könnte dieser Brenner auch mit höheren Leistungen betrieben werden, dann steigt jedoch der NO_x-Gehalt über die Grenzwerte der TA Luft an, was nicht zulässig ist. Aus diesem Grunde ist im Betrieb die Leistung auf 22 MW zu begrenzen. Für andere Leistungen bei Verfeuerung von Braunkohlenstaub können die linearen Abmessungen proportional mit der Wurzel aus dem Leistungsverhältnis verändert werden.
In 4 ist der Brenner wassergekühlt dargestellt. Die Wasserkühlung ist Teil des befeuerten Kessels. Der Brenner kann aber auch ungekühlt ausgeführt werden, zum Beispiel wenn er ausgemauert ist. Das hat auf die Vorgänge im Brenner nur einen geringen Einfluß und ist nur eine Frage der Praxis.
Die Flammenlänge, gerechnet ab dem Eintrittsdurchmesser der Muffel 16, ist in grober Näherung umgekehrt proportional dem Luftverhältnis λ. Bei den vorstehend und in 4 angegebenen Daten ist die Länge des brennenden Flammstrahls etwa 6,5 m ab Austrittsdurchmesser der Flammbeschleunigungsdüse 17 oder etwa 12,9 m ab Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel 16.
Mit steigendem Luftverhältnis λ wird die Flamme kürzer. Bei λ = 2,0 bis 2,3 tritt die Flamme kaum noch aus dem Austrittsdurchmesser der Flammbeschleunigungsdüse 17 heraus, brennt also fast vollständig innerhalb des Brenners. Bei einem λ von etwa 2,8 erstreckt sich die Flamme nur bis zum größten Durchmesser D der Muffel, und bei einem λ von 5 reicht sie nur bis zur halben Muffellänge.
Bei einem λ von 20, also 5% der Nennleistung, brennt nur noch die Primärflamme.
Die aus dem Austrittsdurchmesser der Flammbeschleunigungsdüse austretenden heißen Gase sind in jedem Falle jedoch sehr gleichmäßig ausgemischt.
5 zeigt schematisch ein Beispiel eines Heißgaserzeugers. Er entspricht in seinen wesentlichen Teilen der Konstruktion nach 4, jedoch fehlt die Flammbeschleunigungsdüse. Die Brennluft tritt bei 13a in einem Verteilerkasten 14 ein. Bei 13b wird eine kleinere Zusatzluftmenge zur Kühlung der Brennermuffel 16 eingeführt. Die Brennermuffel besteht hier aus warmfestem Blech. Die Bezeichnungen sind im übrigen die gleichen, wie sie in Fig. verwendet wurden. Dieser Heißgaserzeuger kann heiße Gase mit Temperaturen zwischen 200°C und 900°C erzeugen. Bei 900°C fühlt die Flamme die Brennermuffel 16 bis auf eine dünne, wandnahe Kaltluftschicht vollständig aus. Die Flamme endet ungefähr am größten Durchmesser der Muffel 16.
Wegen ihrer Einfachheit haben sich solche Heißgaserzeuger gut bewährt. Sie hatten bislang aber den Nachteil, daß man sie kaum unter ein Gesamt-λ von etwa 3,0 herunterregeln konnte, entsprechend einer Heißgastemperatur am Austritt der Muffel von 750 bis 800°C. Wenn niedrigere Temperaturen gebraucht wurden, hat man einfach die Zusatzluftmenge bei 13b erhöht. Dieses hatte aber den Nachteil schlechterer Temperaturverteilung. In der Mitte war die Strömung nämlich zu heiß, und außen war sie zu kalt.
Gerade bei temperaturempfindlichen Produkten, die mit einem solchen Heißgas behandelt werden sollten, führte dieses zu Problemen und erforderte häufig zusätzliche Heißgasmischeinrichtungen.
Diese Probleme sind durch die Erfindung durch den Einsatz einer Primärflamme behoben, die entsprechend der 1 und 2 an der Umlenkhaube ansetzt, die in den 1 und 2 mit 3 und in den 4 und 5 mit 19 bezeichnet ist. Damit läßt sich die Flamme viel weiter herunterregeln, nämlich im Grenzfall bis auf ein λ von etwa 20, wenn nur noch die Primärflamme brennt. Dieses entspricht einer Heißgastemperatur von nur noch 100 bis 130° C. Das aus der Muffel 16 austretende Heißgas ist auch in diesem Falle sehr homogen, so daß zusätzliche Heißgasmischvorrichtungen nicht mehr erforderlich sind.
Die Wirkung der Erfindung ist nicht auf die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschriebenen Brenner beschränkt, sondern löst auch Probleme bei konventionellen Brennern. So benötigen auch heute noch Braunkohlenstaubbrenner bekannter Fabrikate eine Zufeuerung von 5 bis 10% Heizöl EL oder Gas, um überhaupt eine stabile Flamme zu erzielen. Die Ursache hierfür ist eine unzureichende Aufbereitung des Kohlenstaubs vor Eintritt in die Flamme.
Auch hierfür bringt die vorliegende Erfindung eine Lösung. 6 zeigt einen konventionellen Brenner. Ihm wird Brennluft bei 13 über axiale Leitschaufeln 15 zugeführt, die in der trichterartigen Muffel 16 einen Toruswirbel 21 erzeugen, der die Flammstabilisierung bewirken soll. Auch hier ist ein Staupunkt 11 sichtbar, der die vorwärtsgerichtete Strömung und die Rückströmung von einander trennt.
Der Braunkohlenstaub wurde in einen solchen Brenner bislang auf verschiedene Weise eingeblasen:

– vom Umfang der Muffel 16 zu deren Achse hin,
– oft auch aus dem Zentrum des Leitschaufelsystems 15,

An den vorstehend beschriebenen Nachteilen haben die beschriebenen Maßnahmen nichts ändern können. Hier schafft aber die Erfindung Abhilfe. Dazu wird gemäß 6 ein Einblasrohr 18 mit Umlenkhaube 19 entlang der Achse des Brenners bis in den Bereich des Staupunktes 11 eingebracht. Diesem Brenner ist eine, wenn auch sehr begrenzte, Rückströmung vorhanden, in die der aus der Umlenkhaube 19 austretende Kohlenstaub eingeblasen wird. Zwar ist die Rückströmung und damit die Verweilzeit des Kohlenstaubs aufgrund der axialen Kürze des Brenners bei weitem nicht so lang, wie bei dem Brenner nach den 1 bis 5, aber immer noch wesentlich länger als zuvor.
So gelingt es erfindungsgemäß, eine wenn auch begrenzte Aufbereitung des Kohlenstaubs zu erzielen, so daß wenigstens mittlere und größere Kohlenstaubbrenner dieses Typs ohne Zufeuerung von Heizöl oder Gas stabil brennen können.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Flammstabilität bei einer Kohlenstaubfeuerungsanlage, in der fluidisierter Kohlenstaub mit Brennluft vermischt und ausgebrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer Hauptflamme getrennte Primärflamme erzeugt wird und der Kohlenstaub in die Primärflamme eingeleitet und dort vorerhitzt und dann in eine Strömung heißer, sauerstoffarmer Verbrennungsluft eingeleitet wird, in der er weiter aufgeheizt wird, wobei flüchtige Bestandteile abgehen, und die flüchtigen Bestandteile und der aufgeheizte Kohlenstaub anschließend mit der Brennluft vermischt werden und die Hauptflamme erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstaub in mit Trägerluft fluidisiertem Zustand durch ein Einblasrohr mit aufgesetzter Umlenkhaube in eine Rückströmung in einer sich konisch erweiternden Brennermuffel eingeblasen wird, wobei, – die Trägerluftmenge 3,5 bis 5%, bevorzugt 4,0 bis 4,5%, der für die Verbrennung benötigten Gesamtluftmenge beträgt, – die Austrittsgeschwindigkeit von Trägerluft und Kohlenstaub aus dem Ringspalt zwischen Einblasrohr und Umlenkhaube mindestens 15 m/s, bevorzugt mehr als 20 m/s beträgt, und – die Umlenkhaube sich im Bereich des größten Durchmessers der Brennermuffel befindet.
Brenner für Kohlenstaub mit erhöhter Flammstabilität und einer Flammstrahlgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s, der aus einer sich konisch erweiternden Muffel und einer sich an deren größten Durchmesser anschließenden, sich konisch verengenden Flammbeschleunigungsdüse besteht und der für eine Leistung von 22 MW folgende Abmessungen aufweist: – Eintrittsdurchmesser der Muffel: 828 mm – Länge der Muffel: 3350 mm – Größter Durchmesser der Muffel: 1610 mm – Länge der Flammbeschleunigungsdüse: 1657 mm – Austrittsdurchmesser der Flammbeschleunigungsdüse: 668 mm, wobei für andere Leistungen die genannten Abmessungen mit der Wurzel aus dem Verhältnis der anderen Leistung zur angegebenen Leistung von 22 MW gegenüber den angegebenen Abmessungen geändert sind.
Heißgaserzeuger zur Befeuerung mit Kohlenstaub mit vergrößertem Regelbereich für einen Heißgastemperaturbereich von wenigstens 200°C bis 900°C, bestehend aus einem Brenner nach Anspruch 3, bei dem die Flammbeschleunigungsdüse fehlt.