DE202009000186U1

DE202009000186U1 - Kohlenstaubzuführungselement in einen Kohlenstaubbrenner

Info

Publication number: DE202009000186U1
Application number: DE200920000186
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2019-01-09
Also published as: WO2010078980A1; DE112009004265A5

Abstract

Brenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen im Flugstrom,
bei dem
– ein zentraler Oxydationsmittelkanal (8), der zum Brennermund führt, gegeben ist,
– auf der dem Brennermund abgewandten Seite ein zentraler Kegel (4), der den Oxydationsmittelkanal überdeckt, angeordnet ist,
– der Kegel konzentrisch in einem Brennstaubzuführungsraum (1) angeordnet ist,
– zwischen dem Fuß des Kegels und der inneren Wandung des Brennstaubzuführungsraumes (1) ein ringförmiger Spalt gebildet ist, der in einen den Oxydationsmittelkanal konzentrisch umschließenden Brennstaubringkanal (5) mündet,
– zwischen der Außen- und Innenwand des Brennstaubringkanals mehrere den Brennstaubringkanal kreuzende Stege angeordnet sind und
– in einem Steg eine Zuführung des Oxydationsmittels (7) zum Oxydationsmittelkanal angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen im Flugstrom mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kohlenstaub-/Oxydationsmittelzuführungselement zur Medieneinspeisung in einen Kohlenstaubbrenner, der für die Sauerstoff-Vergasung von staubförmigen Brennstoffen (Braunkohle und/oder Steinkohle oder ähnliche staubförmige Brennstoffe) unter hohen Drücken und Temperaturen in Reaktoren mit flüssigen Schlackeabzügen eingesetzt wird.
Bekannt sind Kohlenstaubbrenner für die Partialoxydation staubförmiger Brennstoffe mit einem zylindrischen wassergekühlten Gehäuse und innen liegenden koaxial angeordneten Ringräumen für die Zuführung des staubförmigen Brennstoffes und des Oxydationsmittels.
Die Zuführung des staubförmigen Brennstoffes erfolgt außerhalb und innerhalb des Brenners durch ein oder mehrere Rohre. Im Inneren des Brenners ist/sind das/die Zuführungsrohre zum Brenneraustritt so geführt, das sie mindestens ein volle Umdrehung um die Achse ausführen und dann in der Nähe des Brenneraustritts tangential angestellt enden. Am Ende des/der Staubrohre(s) tritt der Staub tangential in einen zylindrischen Ringraum ein.
Bei dem Übergang von der Rohrfläche in den Ringraum kommt es schlagartig zu einer Flächenvergrößerung und damit zum Absinken der Staubgeschwindigkeit.
Durch Erhöhung der Anzahl der Staubrohre innerhalb des Ringraumes kann zwar der Flächensprung verringert, aber nicht aufgehoben werden.
Im Ergebnis dieser Tatsache kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Staubstromes innerhalb des Ringraumes. Hier durch kann es zu einer unsymmetrischen Flammenausbildung mit einseitiger Reaktionsraumbelastung kommen.
Der bekannte Brenner hat folgende Mängel:

1. komplizierte Ausführung der Rohre innerhalb des zylindrischen Ringraumes im Brenner
2. nach dem Austritt des Kohlenstaubes erfolgt ein unvermeidbarer Flächensprung der zum Absinken der Staubgeschwindigkeit führt.
3. durch diesen Flächensprung wird der nachfolgende Ringraum ungleichmäßig mit Kohlenstaub gefüllt, so dass die Mischung mit dem Oxydationsmittel unterschiedlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Brenner derart auszugestalten, dass eine optimierte Mischung von Brennstaub und Oxidationsmittel erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Brenner werden das Vergasungsmittel in einem zentralen Oxidationsmittelkanal und der Brennstaub in einem den Oxidationsmittelkanal konzentrisch umschließenden Brennstaubringkanal zugeführt. Der Brennstaub wird in den zentralen Oxidationsmittelstrom hineingezogen, womit eine optimierte Flammenausbildung erreicht wird. Unter den Bedingungen der Kohlenstaubvergasung unter Druck wird eine zuverlässige Arbeitsweise erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird durch konstruktive Maßnahmen der in mehreren Förderrohren herangeführte Kohlenstaub zunächst in einem zylindrischen Rohr vereint, dann dieser kompakte Staubstrom gleichmäßig in einen flächengleichen Ringraum innerhalb des Kohlenstaubbrenners aufgeteilt und dieser Staubstrom bis zum Brennermund geführt, so dass ein Kohlenstaubbrenner geschaffen wird, der auch bei der Druckvergasung von staubförmigen Produkten einen sicheren Betrieb mit gleichmäßiger Flammenausbildung gewährleistet.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Kohlenstaub-/Oxydationsmittelzuführungselement zur Medieneinspeisung in den Brenner,
2 einen Querschnitt auf Höhe A-A des Zuführungselementes aus 1,
3 einen Querschnitt auf Höhe B-B des Zuführungselementes aus 1 und
4 einen Querschnitt auf Höhe C-C des Zuführungselementes aus 1.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Die Brennstaubzuführung nach 1 umfasst mehrere Brennstaubförderrohre 14, ein rotationssymmetrisches Sammelrohr 1, einen Kegel 4 zur Staubaufteilung in einen Ringspalt 5, den Ringspalt mit mehreren dachförmigen Verteilern/Stegen und Zu-/Abführungsöffnungen durch die Verteiler für die Oxydationsmittelzuführung sowie Kühlwasserzu- und -abführungen. Die Heranführung des Brennstaubes zum Brenner erfolgt über Förderleitungen 14 von oben in das Sammelrohr, dessen Querschnitt der Summenfläche der einzelnen Förderrohre entlang der Brennerachse gleich ist.
Vor Eintritt des Brennstaubes in den Brenner ist im Zentrum des zylindrischen Rohrstückes ein zentrales Rohr 8 zur Führung des Oxidationsmittels mit aufgesetztem Kegel 4 vorhanden, dessen Kegelwinkel ≤ 30° beträgt. Dieser Kegel drückt den ankommenden kompakten Kohlenstaubstrom nach außen und um hüllt das innere Rohr 8. Gleichzeitig wird das Sammelrohr im Winkel erweitert und zwingt so den Staubstrom in den Ringkanal 5. Die Querschnitte des Sammelrohres und des Ringkanals sind dabei flächengleich ausgeführt. Das Rohr 8 unterhalb des Kegels ist so bemessen, dass ein ausreichender Querschnitt für die Zuführung des notwendigen Oxydationsmittelstromes zum Brennermund gegeben ist.
Die Einleitung des Oxydationsmittels O2 in das zentrale Rohr 8 erfolgt über mehrere Stege/Verbindungen, die das Sammelrohr mit dem inneren Rohr 8 verbinden und in denen Öffnungen (Zuführungen) angeordnet sind. Die Zuführung des Oxydationsmittels zu den Öffnungen erfolgt über eine um den Ringkanal angeordnete Ringkammer 6, die über einen Zuführungsstutzen 2 gespeist wird.
Kühlmittel/-wasser H2O wird über einen Stutzen 3 in einen Ringkanal 9 geführt und dann über eine Öffnung 12 in einem Steg ins Brennerinnere in den Halbringkanal 10 um das zentrale Rohr 8 geleitet. Hier strömt das Kühlmittel bis zur Brennerspitze, wird dort umgelenkt und strömt über einen zweiten Halbringkanal wieder zurück über eine Öffnung nach Außen und von hier über einen Abführungsstutzen in den Kühlkreislauf zurück.
Die Durchführungen/Öffnungen für das Kühlwasser und das Oxydationsmittel ins Brennerinnere durch den Ringraum der Kohlenstaubzuführung sind dabei so gestaltet, dass die kontinuierliche Staubförderung nicht gestört wird. Hierfür sind entsprechend der Anzahl der Durchführungen spezielle Einbauten im staubführenden Ringraum angeordnet. Diese Einbauten laufen ober- und unterhalb der Durchführung dachförmig spitz, unter jeweils einem Winkel von ≤ 30° aus, und führen so den Staubstrom gezielt durch die hierdurch entstehenden Durchführungen herum und unterhalb der Durchführung wieder zusammen.
An der Durchführungsstelle wird der Ringraumdurchmesser entsprechend der Durchführungsfläche erweitert, so dass vor, in und nach der Durchführung stets Flächengleichheit besteht und der Staubstrom mit gleichbleibender Geschwindigkeit zum Brennermund geführt werden kann.
Nach Einführung der Medien Sauerstoff und Kühlwasser ins Brennerinnere hat der Kohlenstaubbrenner dann folgenden Aufbau. Im Zentrum des Brenners erfolgt die Oxydationsmittelzuführung zum Brennermund, an dessen Austrittsöffnung ein Wirbelkörper angeordnet ist, der den Oxydationsmittelstrom in eine Drehbewegung versetzt. Die zentrale Oxydationsmittelzuführung wird von zwei komplementären Halbringkanälen 10 umhüllt, durch die Kühlwasser bis zur Brennerspitze und wieder zurück geführt wird. Hierdurch wird die auf die Brennerspitze einwirkende thermische Belastung verringert und die Standzeit des Brenners erhöht.
Um diesen wasserdurchströmten Kühlraum ist ein Brennstaubringkanal 5 angeordnet. Die Außenhülle um den Kohlenstaubringkanal bildet ein weiterer Kühlkanal 11, der mit Kühlwasser durchströmt wird.
Die Öffnung(en) für das Oxidationsmittel ist/sind ungefähr auf halber Bauhöhe des Kohlenstaub-/Oxydationsmittelzuführungselementes angeordnet, die Zu- beziehungsweise Abführungen für das Kühlmittel sind demgegenüber näher zum Brennermund angeordnet.
Das Brennstaub-/Oxydationsmittelzuführungselement weist also mehrere radial zur Zentralachse angeordnete Stege auf, die auf den Umfang des Brennstaubringkanals verteilt sind. Die Stege verbinden die Außen- und Innenwand des Brennstaubringkanals und kreuzen ihn. Im Ausführungsbeispiel sind 5 Stege angeordnet.
In 2 sind die Stege mit den sich nach oben dachförmig verjüngenden Einbauten erkennbar.
In 3 sind in 3 Stegen die Öffnungen zur Zuführung des Oxidationsmittels O2 zum zentralen Rohr 8 erkennbar.
In 4 sind in 2 Stegen, die verschieden sind von den Stegen zur Zuführung des Oxidationsmittels, die Öffnungen zur Zuführung beziehungsweise Abführung des Kühlmittels zu den beiden Halbringkanälen erkennbar.
Die Erfindung umfasst auch ein Kohlenstaub-/Oxydationsmittelzuführungselement zur Medieneinspeisung in einen Kohlenstaubbrenner für die Vergasung staubförmiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Umgebungs- oder höheren Drücken, sowie Temperaturen zwischen 800–1800°C, bei dem der in mehreren Förderrohren (14) zum Brenner geführte staubförmige Brennstoff in einem zylindrischen Sammelrohr (1) vereint wird, dessen Durchmesser der freien Fläche der einzelnen Förderrohre (14) entspricht.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung trifft der in einem Sammelrohr (1) zum Brenner geführte staubförmige Brennstoff auf einen im Rohrzentrum befindlichen aufgesetzten Kegel (4) mit einem Kegelwinkel ≤ 30 und wobei der kompakte Staubstrom in einen flächengleichen Ringraum (5) geleitet wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich unterhalb des Kegels (4) ein Rohr (8), durch welches das Oxydationsmittel bis zum Brennermund geführt wird. Die Zuführung des Oxydationsmittels bis in das zentrale Rohr (8) erfolgt über einen Stutzen (2) zunächst in einen Ringkanal (6) und von hier gleichmäßig verteilt über mehrere Öffnungen (7) ins Brennerzentrum.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird Kühlwasser über die Stutzen (3), die Ringkammer (9) und über Öffnungen (12) in den Kühlwasserringraum (10) geleitet. Im Kühlwasserringraum, der dem Oxydationsmittelzuführungskanal umhüllt, strömt das Kühlwasser bis zum Brennermund, wird hier umgelenkt und strömt dann wieder durch den Kühlwasserkanal (10), über die Öffnungen (12) in die Ringkammer (9) zurück und wird dann über Stutzen (3) abgeführt.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Öffnungen (7) für die Durchführung des Oxydationsmittels und des Kühlwassers (12) durch den Ringspalt (5) zur Zuführung des staubförmigen Brennstoffes geführt. Um hierbei den im Ringspalt strömenden staubförmigen Brennstoff nicht zu behindern sind spezielle Einbauelemente (13) vorgesehen, die durch günstige Strömungsprofilausführung (an der Spitze und am Ende dachförmig ausgebildet) den Staubstrom gleichmäßig um die Durchführungen herumführen. Spitze und Ende der Einbauelemente (13) sind ebenfalls mit einem Winkel < 30° ausgeführt. Im Bereich der Einbauelemente (13) ist der Durchmesser des Staubringspaltes (5) um den fehlenden Betrag der Fläche der Einbauelemente (13) erweitert, um bei der Durchströmung Flächengleichheit zu erhalten.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der gesamte Brenner von einem äußeren Kühlteil (11) zum Schutz vor thermischer Überlastung umhüllt, der gleichzeitig die Druckhülle bildet.

1: Kohlenstaubzuführungszylinder
2: Oxydationsmittelzuführung
3: Innere Kühlwasserzuführung
4: Zentralkegel zur Überleitung des staubförmigen Brennstoffes in einen Ringkanal
5: Ringkanal für den staubförmigen Brennstoff
6: Ringkammer zur Verteilung des Oxydationsmittels
7: Öffnungen zur Einleitung des Oxydationsmittels in das Zentralrohr
8: Zentralkanal zur Oxydationsmittelzuführung zum Brennermund
9: Ringkanal zur Verteilung des Kühlwassers
10: Kühlwasservor- und -rücklaufkanal
11: Äußeres Kühlteil
12: Öffnungen zur Ein- und Ableitung des Kühlwassers
13: Einbauelemente zur Staubführung um die Öffnungen Zu-/Abführungen
14: Kohlenstaubförderrohre

Claims

Brenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen im Flugstrom, bei dem – ein zentraler Oxydationsmittelkanal (8), der zum Brennermund führt, gegeben ist, – auf der dem Brennermund abgewandten Seite ein zentraler Kegel (4), der den Oxydationsmittelkanal überdeckt, angeordnet ist, – der Kegel konzentrisch in einem Brennstaubzuführungsraum (1) angeordnet ist, – zwischen dem Fuß des Kegels und der inneren Wandung des Brennstaubzuführungsraumes (1) ein ringförmiger Spalt gebildet ist, der in einen den Oxydationsmittelkanal konzentrisch umschließenden Brennstaubringkanal (5) mündet, – zwischen der Außen- und Innenwand des Brennstaubringkanals mehrere den Brennstaubringkanal kreuzende Stege angeordnet sind und – in einem Steg eine Zuführung des Oxydationsmittels (7) zum Oxydationsmittelkanal angeordnet ist.
Brenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Förderrohre (14) in den Brennstaubzuführungsraum (1) münden.
Brenner nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstaubzuführungsraum (1) im Mündungsbereich der Förderrohre (14) einen Kreisumfang aufweist, der das Bündel Förderrohre eng umschließt.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel (4) einen Kegelwinkel < 30 Grad aufweist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Brennstaubzuführungsraumes (1) den Kegel derart rotationssymmetrisch umschließt, dass von der Kegelspitze bis zum Kegelfuß ein konstanter Querschnitt für den Brennstaub gebildet ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stege radial zur Zentralachse angeordnet und auf den Umfang des Brennstaubringkanals verteilt sind.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Stegen jeweils eine Zuführung für das Oxydationsmittel angeordnet sind und auf der Außenwand des Brenners eine Verteilkammer (6) angeordnet ist, die mit den Zuführungen und einem Zuführungsstutzen (2) verbunden ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg in Richtung des Brennstaubzuführungsraumes dachförmig zulaufend ausgebildet ist.
Brenner nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Dachfirst in Richtung der Brenneraußenwand zum Brennermund hin abfällt.
Brenner nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Dachfirst in Verlängerung der Kegeloberfläche abfällt.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg in Richtung des Brennermundes kontinuierlich sich verjüngend ausgebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Querschnitte der Kanäle für den Brennstaub zwischen den Stegen der Summe der Querschnitte der Förderrohre (14) gleicht.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Oxydationsmittelkanal (8) und dem Brennstaubringkanal (5) zwei halbringförmige Kühlmittelkanäle (10) angeordnet sind, die jeweils über einen Steg mit einer Kühlmittelzuführung (3) beziehungsweise einer Kühlmittelabführung verbunden sind und die in der Nähe des Brennermundes miteinander verbunden sind.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Steg und Brennermund ein den Brennstaubringkanal umschließender Kühlmittelkanal (11) angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Brennermund zugewandten Seite des Oxydationsmittelkanales (8) ein Wirbelkörper angeordnet ist zum Versetzen des Oxydationsmittelstroms in eine Drehbewegung.