DE2527618A1

DE2527618A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von kohlenstaub

Info

Publication number: DE2527618A1
Application number: DE19752527618
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Ing Schoppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Schoppe Fritz Dr-Ing 8029 Sauerlach De
Priority date: 1975-06-20
Filing date: 1975-06-20
Publication date: 1977-01-13
Also published as: FR2316537A1; DE2527618C2; GB1556680A; US4057021A; FR2316537B1

Description

PATENTANWÄLTE

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MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49 1 BERLIN-DAHLEM 33 ■ PODBIELSKIALLEE 6Θ

BERLIN: DIPL.-ING. R. M ÜLLE R-BÖRN ER MÜNCHEN: DIPL-ING. HANS-H. WEY

26 903/4

Dr.-Ing. Fritz Schoppe,
8026 Ebenhausen

Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung
von Kohlenstaub

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Verbrennung von Kohlenstaub, insbesondere reaktionsunwilligem Kohlenstaub, wie Anthrazit, Magerkohle und dgl., mit einer
auf das Flammvolumen bezogenen Feuerraumbelastung von mehr
als 2000 Mcal/m³ · h · at,
führung dieses Verfahrens.

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als 2000 Mcal/m · h · at, sowie eine Vorrichtung zur DurchKohlenstaubfeuerungen der verschiedensten Bauformen sind seit langer Zeit bekannt. Man teilt sie in solche mit trockenem
und mit flüssigem Ascheabzug ein. Der trockene Ascheabzug wird meist bei ballastreicher Kohle, insbesondere Braunkohle, verwendet, um den Wärmeinhalt der Asche in den Kesselzügen noch
auszunutzen. Trockener Ascheabzug setzt eine hinreichend

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BH RLIN: TELEFON (O30) 8 313088 MÜNCHEN: TELEFON (Οββ) 335588

KA BEL: PROPINDUS TELE*.i>4 OO 7 KABEL: PROPINDUS -TELEX Ο5 24 244

niedrige Feuerrauititemperatur voraus. Diese wird üblicherweise durch entsprechende Feuerraumbelastungen erreicht. Man findet hier meist Feuerraumbelastungen von 100 bis 250 Mcal/m · h · at, Dies bedeutet ein entsprechend grosses Volumen des Strahlungsraumes und damit ein grosses Bauvolumen des Kessels. Die niedrigen Feuerraumtemperaturen haben teilweise schlechten Ausbrand zur Folge. Dies hat entsprechend zu mehr oder weniger komplizierten Verfahren zur Rückführung des unverbrannten Teiles der Asche geführt.

Hohe Feuerraumbelastungen bei kohlenstaubbefeuerten Kesseln lassen sich bislang nur bei sogenannten Schmelzfeuerungen erzielen. Im Einschmelzbereich wird hierbei mit Feuerraumbelastungen der Grössenordnung 1000 Mcal/m · h * at und mehr gearbeitet. Man nimmt hier in bestimmten Bereichen des Feuerungsraumes bewusst in Kauf, dass ein Teil der Heizfläche mit mehr oder weniger flüssiger Schlacke bedeckt ist. Zwar erlaubt dies wegen der höheren Feuerraumbelastung den Bau entsprechend kleinerer Feuerungsräume und damit kleinerer Kessel. Wegen der Notwendigkeit der Aufrechterhaltung hoher Temperaturen sind Schmelzfeuerungen jedoch nicht für die Verfeuerung kleiner Kohlenstaubmengen geeignet. Insbesondere erlauben Schmelzfeuerungen nicht den regelungstpchnisch äusserst einfachen und in der Zentralheizungstechnik üblichen "AN/AUS-Betrieb", weil es bei jedem Abstellen zu einem Erstarren des Schlackeflusses kommen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub, insbesondere reaktionsunwilligem Kohlenstaub, anzugeben, bei dem trotz hoher Feuerraumbelastungen von mehr als 2000 Mcal/m · h * at sich ein trockener Ascheabzug ergibt, so dass sein Einsatz zur Befeuerung von Zentralheizungsanlagen mit "EIN/AUS-Betrieb" möglich wird.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren gelöst, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Der Kohlenstaub wird in eine Atmosphäre eingeführt, in der folgende Zustände herrschen:

a) überdruck gegenüber dem zu befeuernden Raum wenigstens 20 mm WS bezogen auf eine Wärmeleistung von 250 Mcal/h;

b) O_-Gehalt unter 10 %, bevorzugt unter 5 %;

c) Temperatur derart hoch, dass der Kohlenstaub

mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 1000°C/sec bis auf eine um wenigstens 100 C bis 150°C über seiner Zündtemperatur liegende Temperatur aufgeheizt wird,

Vermischung des aufgeheizten Kohlenstaubes mit einem vorwiegend Verbrennungsluft enthaltenden Gasgemisch zum Zwecke der Einleitung der Verbrennung,

nach Verbrennung von wenigstens 30 %, bevorzugt 50 %, des Heizwertumsatzes Beschleunigung des brennenden Flammstrahls durch Umsetzung des Überdrucks gemäss a) in Geschwindigkeit,

injektorartiges Einblasen des beschleunigten, noch brennenden Flammstrahls in eine Gasatmosphäre, deren Temperatur unterhalb der Ascheschmelztemperatur des Kohlenstaubs liegt.

Der überdruck der Atmosphäre, in die der Kohlenstaub eingeführt wird, gegenüber dem zu befeuernden Raum ist dazu bestimmt, einen Flammstrahl zu erzeugen. Der 0 -Gehalt

dieser Atmosphäre ist jedoch mit weniger als 10 % derart gering gehalten, dass in ihr der Kohlenstaub lediglich aufgeheizt wird, ohne zu verbrennen. Die Temperatur dieser Atmosphäre ist derart hoch gewählt, dass der Kohlenstaub auf eine um 100⁰C bis 15O°C über seiner Zündtemperatur liegende Temperatur aufgeheizt wird. Auf diese Weise zündet der Kohlenstaub bei Vermischung mit Verbrennungsluft von selbst. Die Aufheizgeschwindigkeit mit mehr als 1000 C/sec macht den Kohlenstaub extrem verbrennungsfreudig. Es wird vermutet, dass die Ursache dafür ist, dass der Dampfdruck im Kohlenstaubkorn schneller steigt,als der Dampf aus dem Kohlenstaubkorn entweichen kann und dass dadurch die Kristallstruktur des Kohlenstaubkorns teilweise zerrissen wird. Es wären dann freie Valenzen an der Oberfläche des zerrissenen Kohlenstaubkorns" vorhanden, die eine sehr grosse Oberflächenaktivität hervorrufen.

Die Atmosphäre, in die der beschleunigte, noch brennende Flammstrahl eingeblasen wird, besteht zweckmässigerweise aus rezirkulierten abgekühlten Abgasen des Flammstrahls. Die Abkühlung dieser Abgase erfolgt zweckmässigerweise ganz oder teilweise durch Konvektion, die durch die Injektorwirkung des Flammstrahls bewirkt wird.

Es ist besonders günstig, wenn um den Flammstrahl eine Kaltgasströmung geführt wird, deren Temperatur und/oder Schichtdicke und/oder Geschwindigkeit derart gewählt ist, dass aus dem Flammstrahl seitlich ausgeschleuderte brennendu Kohlenstaubpartikel von ihr unter die Ascheschmelztemperatur abgekühlt werden. Auf diese Weise ist ein trockener Ascheabzug in jedem Falle sichergestellt.

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Der Überdruck der Atmosphäre, in die der Kohlenstaub eingeführt wird, beträgt bezogen auf eine Wärmeleistung von 250 Mcal/h wenigstens 20 mm WS. Bei anderen Wärmeleistungen ist dieser Überdruck proportional der Wurzel aus dem Änderungsverhältnis gegenüber jenen 20 mm WS geändert einzustellen.

Der grosse Vorteil der Erfindung ist gegenüber herkömmlichen, kohlenstaubbefeuerten Verfahren ist der, dass aufgrund des trockenen Ascheabzuges auch Flammrohrkessel befeuert werden können. Weiterhin können sehr kleine Kohlenstaubmengen verfeuert werden, insbesondere solche, wie sie lediglich zur Befeuerung von Warmwasser- und Dampfkesseln für die Hausversorgung benötigt werden. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht sowohl die Verfeuerung von sehr zündwilligem Kohlenstaub, wie beispielsweise Braunkohlenstaub oder Gasflammkohlenstaub, wie auch die Verfeuerung von sehr zündunwilligem Kohlenstaub, wie Anthrazit oder Koks. Die Art der erfindungsgemässen Verbrennung ermöglicht eine "EIN/AUS"-Steuerung, wie sie bei der Verfeuerung von öl oder Gas üblich ist. Das Verfahren ist daher in gleicher Weise wie jene für die Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern geeignet. Es ermöglicht darüber hinaus die Konstruktion von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, bei denen im Brenner eine Kohlenstaubzuführungseinrichtung gsjen eine solche zur Zuführung von Gas oder flüssigen Brennstoffen ausgetauscht werden kann, so dass in einer Heizungsanlage der Kessel leicht auf alle verschiedenen Brennstoffarten umgerüstet werden kann.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht aus einem mit einer zu beheizenden Fläche aufweisenden Heizraum, einer sich konisch auf den Heizraum zu erweiternden Brennermuffel mit einer am engsten Querschnitt vorgesehenen tangentialen Zuführungseinrichtung

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für Verbrennungsluft enthaltendes Gasgemisch und einer axialen Zuführeinrichtung für Kohlenstaub, sowie einer sich an den grössten Querschnitt der Brennermuffel anschliessenden Beschleunigungsdüse, die in den Heizraum mündet. Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist diese Vorrichtung erfindungsgemäss bei einer Wärmeleistung von 200 bis 250 Gcal/h und einem Druckverlust der Verbrennungsluft beim Durchströmen der Brennermuffel von 100 mm WS so ausgestaltet, dass der Drallwinkel der tangentialen Zuführeinrichtung gegen die Umfangsrichtung etwa 7 bis 10 beträgt, die tangentiale Zuführeinrichtung eine Breite von etwa 85 mm aufweist, die Brennermuffel einen Eintrittsdurchmesser von etwa 14 5 mm, einen Austrittsdurchmesser von etwa 290 mm und eine Länge von etwa 560 mm hat und das Zuführrohr für die Verbrennungsluft einen Durchmesser von etwa 300 mm aufweist.

Mit diesen Grössenangaben lässt sich für jede Wärmeleistung eine entsprechende Vorrichtung aufbauen. Weicht die Wärmeleistung einer Vorrichtung von der zuvor angegebenen ab, dann sind die Abmessungen mit Ausnahme des Drallwinkels bei anderen Wärmeleistungen als 2 50 Mcal/h näherungsweise proportional der Wurzel aus dem Ä'nderungsverhältnis gegenüber den zuvor angegebenen Abmessungen geändert zu wählen.

Die Erfindung und ihre Wirkungsweise sowie Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sollen nachfolgend mit ihren Ausgestaltungen und Vorteilen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 von rechts;

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Fig. 3 eine spezielle Bauform eines Einblasrohres für Kohlenstaub für die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine Anlage zum Transport, Befüllung, Lagerung und Verbrennung von Kohlenstaub in einem Warmwasserkessel in Flammrohrbauweise;

Fig. 5 einen Feuerungsraum für Kohlenstaubbefeuerung in der erfindungsgemässen Art;

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform eines Feuerraums;

Fig. 7a und 7b Querschnitte durch Kessel mit Feuerungsräumen nach den Fig. 5 und 6 in denen gegenüber verringertem Massstab.

Die Vorrichtung nach Fig. 1, nachfolgend kurz Kohlenstaubbrenner genannt, besteht aus einem Lufteintritt 1 für die Verbrennungsluft L , der in einer spiralförmigen Zuführungseinrichtung 2 ein genau bemessener Drall erteilt wird, der nachstehend noch definiert wird. An diese Zuführungseinrichtung 2, nachfolgend Eintrittsspirale genannt, schliesst sich koaxial die vorzugsweise divergente Brennermuffel 3 an, die an einer konvergenten koaxialen Beschleunigungsdüse 4 endet. Die Brennermuffel braucht nicht notwendig divergent zu Bein, auch eine zylindrische Brennermuffel ist funktionsfähig.

Der Eintrittsspirale 2 ist koaxial an der der Brennermuffel 3 gegenüberliegenden Seite ein Kopfraum 5 angesetzt, in den eine Zuführungseinrichtung 6 in Form eines Einblasrohres ebenfalls koaxial hineinragt. Zündgas wird über ein Gasrohr 7 zugeführt und durch eine Zündelektrode 8 gezündet, die in dem Kopfraum

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angeordnet ist. Der Kopfraum 5 wird von einem kleinen Teil der Verbrennungsluft L durchströmt, der über die Kopfluftleitung 9 und das Kopf luftventil 10 eintritt.. Der Kopfraum 5 ist mit der Eintrittsspirale 2 durch ein zentrales Einblasloch 11 verbunden, dessen Rand vorzugsweise düsenartig zur Eintrittsspirale 2 hin ausgebördelt ist. Die Brennermuffel 3 ist von einer Ausmauerung 12 umgeben. Die Beobachtung des Zündvorganges wird durch ein Schauglas 13 ermöglicht.

Zur Inbetriebsetzung der Vorrichtung wird zunächst Verbrennungsluft L in die Vorrichtung eingeleitet. Sie erhält in der Eintrittsspirale 2 in bekannter Weise einen Drall, wobei sich im Zentrum der Eintrittsspirale ein starker Unterdruck einstellt. Infolge des Dralles bewegt sich die Verbrennungsluft in einer schraubenartigen Bewegung mit etwa 45 Strömungswinkel zur Mantellinie der Brennermuffel 3 zu dem der Eintrittsspirale 2 gegenüberliegenden Ende der Brennermuffel. Verursacht durch den erwähnten Unterdruck im Zentrum der Eintrittsspirale 2 kehrt hier etwa die Hälfte der Verbrennungsluft radial zur Achse hin um und strömt entlang der Achse der Brennermuffel 3 bis zur Eintrittsspirale 2 zurück. Hier spreizt sich die Rückströmung radial auseinander und vereinigt sich mit dem neu eintretenden Verbrennungsluftstrom L , um mit diesem zusammen wieder dem der Eintrittsspirale 2 gegenüberliegenden Ende der Brennermuffel 3 zuzuströmen. Der Durchsatzströmung ist dabei eine intensive Rezirkulation überlagert, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Durchsatzkomponenten von wandnaher Durchsatz- und axialer Rückströmung reibend auf einer Strecke berühren, deren Länge gross ist im Verhältnis zur Dicke der Reibungsschicht. Es ist bekannt, dass auf diese Weise eine besonders intensive Durchmischung der beiden Strömungen erfolgt.

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Der nicht rezirkulierende Anteil der Strömung verlässt die Brenneriftuffel 3 üba: eine Beschleunigungsdüse 4, die an das Ende der Brennermuffel 3 angesetzt ist. Zwischen dem durch die Düse 4 abströmenden Strömungsanteil und der Rückströmung bildet sich ein Staupunkt S der im Betrieb von aussen her deutlich erkennbar ist.

Über das Gasrohr 7 wird jetzt ein zündbares Gas G zugeführt und durch den Funken der Zündelektrode 8 gezündet. In bekannter Weise wird die Geschwindigkeit des Zündgases G so eingestellt, dass sich ähnlich wie bei einem Bunsenbrenner eine Flamme bildet, die am Austrittsquerschnitt des Gasrohres 7 ansetzt und durch das Einblasloch 11 in die Brennermuffel 3 hineinreicht. Danach wird mittels Trägerluft L„ der Kohlenstaub K durch das Einblasrohr 6 eingeblasen. Der Kohlenstaub zündet sofort an der vorerwähnten Zündgasflamme· Durch seinen Impuls wird er ins Innere der Brennermuffel 3 hineingetragen und dort durch den vorbeschriebenen Strömungsmechanismus mit der Verbrennungsluft L durchmischt. Der Zündgasstrom G kann nun abgestellt werden.

In der Brennermuffel 3 bildet sich eine Flamme F, die die Brennermuffel 3 und die Beschleunigungsdüse 4 bis auf eine wandnahe Kaltluftzone Z vollständig ausfüllt. Die Kontur dieser Flamme F ist in Fig. 1 näherungsweise gestrichelt eingezeichnet. Infolge der Dichteschichtung zwischen der kalten Verbrennungsluft und der heissen Flammzone hat die Flamme F eine sehr glatte Oberfläche und bleibt sauber von den Wänden der Brennermuffel 3 und der Beschleunigungsdüse 4 getrennt. Infolgedessen bleiben diese Wände relativ kühl. Ihre Temperatur stellt sich als Gleichgewicht zwischen Flammstrahlung und Wärmeabfuhr der schnell strömenden Verbrennungsluft in der Kaltluftzone Z ein.

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Wenn nun ein brennendes und möglicherweise mit einem Anteil mehr oder weniger geschmolzener Asche versehenes Kohlenstaubkorn P infolge der Rotation der Verbrennungsluft aus der Flamme F in die Kaltluftzone Z ausgeschleudert wird, so wird es dort, wie Versuche überraschenderweise zeigten, durch das stossartig erhöhte Sauerstoffangebot der Kaltluftzone Z äusserst schnell ausgebrannt. Der verbleibende, relativ kleine Ascherest wird in der schnellen Kaltluftströmung so rasch abgekühlt, dass er nicht mehr klebrig ist, wenn er die Wände der Brennermuffel 3 oder der Beschleunigungsdüse 4 erreicht. Obwohl im Innern der Flamme F Verbrennungstemperaturen zwischen 1400 C und 1600 C herrschen, bleiben überraschenderweise die Innenwände von Brennermuffel 3 und Beschleunigungsdüse 4 sauber und frei von Anbackungen aller Art. Sie erreichen dadurch eine entsprechend lange Lebensdauer.

Von erheblichem praktischen Nutzen ist dabei die Dosierung der über die Kopfluftleitung 9 in den Kopfraum 5 eintretenden Luftmenge, was durch eine einmalige Einstellung des Kopftluftventiles 10 erfolgt. Der Impuls der axialen Rückströmung in der Brennermuffel 3 ist nämlich derartig gross, dass brennende Kohlenstaubpartikel durch das Einblas-loch 11 in den Kopfraum hineingeblasen werden und letzteren dadurch verschmutzen. Je grosser der durch die Kopfluftleitung 9 in den Kopfraum 5 eingeblasene Luftstrom ist, desto weiter wird die Flamme in die Brennermuffel 3 hineingedrückt, was durch das Schauglas 13 beobachtet werden kann. Zweckmässig stellt man dabei mit dem Kopfluftventil 10 bei einem beliebigen Luft- und Kohlenstaubdurchsatz die Kopfluftmenge derart ein, dass die Flamme gerade sichtbar am Einblaseloch 11 ansetzt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Erfahrung zeigt überraschenderweise, dass die Flamme diese

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Lage und Form dann über einen hinreichend weiten Durchsatz- und Regelbereich beibehält, so dass nach dieser einmaligen Einstellung der Kopfluftmenge keine weitere Einstellung mehr nötig ist. Die Einstellung ist einfach und kann von jedem Durchschnittsfachmann nach vorstehender Anweisung mühelos vorgenommen werden.

Bei sehr kleinen Brennern und/oder Kohlenstaubsorten mit sehr schlechten Zündeigenschaften kann die Verweilzeit des Kohlenstaubs in der Brennermuffel 3 durch eine konstruktive Massnahme erhöht werden, die in Fig. 3 dargestellt ist. Das Einblaserohr 6* ist hier verlängert bis etwa zu dem in Fig. 1 dargestellten Staupunkt S. Hier ist dem Einblaserohr 6 eine Umlenkhaube 14 aufgesetzt, welche den Trägerluftstrom L„ und den von ihm transportierten Kohlenstaub K um 180 umlenkt und mit der Rückströmung entlang der Achse der Brennermuffel 3 in Richtung auf die Eintrittsspirale 2 transportiert. Während des Weges entlang der Achse der Brennermuffel 3 unterliegt der Kohlenstaub dadurch der intensiven Einstrahlung der ihn umgebenden Flamme F und zündet dadurch selbst bei kleinen Brennerabmessungen mit Sicherheit. Das Einblaserohr 6¹ und die Umlenkhaube 14 werden dadurch ebenso wie eventuelle Teile der Brennermuffel 3 und der Beschleunigungsdüse 4 aus üblichem, hitzebeständigem Chromnickelstahl gefertigt. Versuche und Erfahrungen zeigten überraschenderweise, dass der Kühleffekt der schnell strömenden Luft in der Kaltluftzone Z bzw. der Trägerluft L so gross ist, dass diese Teile selbst nach langem Betrieb, auch in grossen Brennern mit entsprechend hoher Temperatur, sich in gebrauchstüchtigem Zustand befanden. Der ursprünglich erfindungsgemäss zur Abkühlung ausgeschleuderter Kohlenstaubpartikel P vorgesehene kalte Luftstrom in der Kaltluftzone Z bewirkt damit ebenfalls

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eine entsprechende Lebensdauer der der Flammstrahlung ausgesetzten Teile.

Wesentlich für die Abkühlung der Asche und damit ihre Überführung vom geschmolzenen in den festen Zustand ist die Bescheunigungsdüse 4. Zwar kann man auch ohne diese eine brauchbare Verbrennung und - bei hinreichend grossem Feuerungsraum - einen trockenen Ascheabzug mit der beschriebenen Vorrichtung erzielen. Die Beschleunigungsdüse erlaubt jedoch im Sinne der Erfindung eine Verbesserung des Ausbrandes, eine Vergleichmässigung der Wärmestromdichte entlang der Heizfläche des Feuerungsraumes und die Verringerung der erforderlichen Feuerraumabmessungen. Sie wirkt wie folgt:

Der Impuls des aus dem Austrittsquerschnxtt der Beschleunigungsdüse 4 austretenden Strahls der Flamme F wirkt als Injektor und reisst das ihn umgenbede Gasvolumen des Feuerungsraumes in seiner Richtung mit sich. Dadurch wird ein sehr rascher Gasumlauf im Feuerungsraum erzwungen. Dabei kann der Brenner sowohl koaxial wie auch exzentrisch zur Achse des Flammrohres angeordnet sein. Seine koaxiale Anordnung ergibt die gleichmässigste Verteilung der Wärmestromdichte über die Heizfläche des Feuerungsraumes, wie es etwa in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei strömen die heissen Gase der Flamme F vom Brenner fort in Richtung der Achse des Flammrohres und kehren - je nach Bauweise des Flammrohres - ganz oder teilweise an dessen Ende um und strömen entlang der Flammrohrwände bis zum Brenner hin. Hier stülpen sie sich - vom Flammimpuls mitgerissen - radial nach innen derart, dass die durch direkte Berührung mit den Flammrohrwänden abgekühlten Gase jetzt die Aussenzonen der Flamme F umgeben. Wegen der grossen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Flamme F und den genannten, stark abgekühlten Gasen kommt es in der Berührungszone, welche die Flamme röhrenähnlich umgibt, wiederum zu einer intensiven Turbulenz, welche nicht nur den restlichen Ausbrand der Flamme sichert, sondern

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diese auch nach einer gewissen Lauflänge mit den kalten Gasen ausmischt und vor Erreichen des Flammrohrendes so weit abkühlt, dass die in der Flamme F noch enthaltenen, teilweise geschmolzenen Aschepartikel in die feste Form übergeführt werden.

Das Flammrohr hat dabei zweckmässig eine Länge von zwei bis drei Flammrohrdurchmessern. Wenn es erheblich kürzer ist, besteht die Gefahr, dass die Ausmischung der Flamme mit den kalten rezirkulierenden Gasen noch nicht so weit vorgediehen ist, dass die Asche hinreichend in feste Form übergeführt ist. In solchen kritischen Fällen kann man sich erfindungsgemäss dadurch helfen, dass man den dem Brenner gegenüberliegenden Flammrohrboden mit einem Schild aus warmfestem Material versieht.

Wesentlich zur Erzielung dieses Abkühlungseffektes der Flamme ist eine Mindeststärke des Flammimpulses. Dieser muss stets ausreichen, Auftriebskräfte im Feuerungsraum zu überwinden und die genannte straffe Rezirkulation zu erzwingen. Wie Versuche zeigten, muss der Staudruck des Strahles der Flamme F im Austrittsquerschnitt der Beschleunigungsdüse 4 mindestens Io mal grosser sein als die Auftriebskräfte pro Flächeneinheit der Oberfläche des Flammstrahles. Der Staudruck des Flammstrahles ergibt sich in bekannter Weise aus dem Produkt der halben Dichte und dem Quadrat der Geschwindigkeit der heissen Gase im Austritt aus der Beschleunigungsdüse 4, während die Auftriebskräfte sich ebenfalls in bekannter Weise erir.itteln aus der Differenz der spezifischen Gewichte der heissen Flammgase und der sie umgebenden kälteren Gase des Feuerungsraumes, multipliziert mit dem Abstand von der Flammoberfläche zur darüberliegenden Wand des Feuerungsraumes, wie es jedem Durchschnittsfachmann geläufig ist. Der Staudruck muss dann in der genannten Definition das Zehnfache der Auftriebskräfte pro Flächeneinheit übersteigen.

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Flg. 4 .zeigt ein komplettes System einer kohlenstaubgefeuerten Zentralheizungsanlage mit einem Warmwasserkessel W, der als erfindungsgemässes Beispiel ein Flammrohr mit Umkehrströmung aufweist, das an seinem dem Brenner gegenüberliegenden Ende geschlossen ist. Der Kohlenstaubbrenner ist mit einigen der Einfachheit halber nur angedeuteten Teilen 1, 2, 6, 7 koaxial zum Flammrohr angeorndet, beispielsweise getragen von einer grossen Flanschplatte oder Tür, nach deren Entfernung das Innere des Flammrohres und gegebenenfalls der Rauchgaszüge zugänglich sind, wie es heute in der Zentralheizungstechnik üblich ist.

Ein Gebläse 16 fördert über eine Drosselklappe D , die jetzt als horizontal stehend angenommen werden soll, Verbrennungsluft L und Trägerluft L . Der Verbrennungsluftstrom L wird dem Lufteintritt 1 des Brenners zugeleitet. Die Träger luft L geht zu Staubtanks 17', 17", die in Fig. 4 mehr oder weniger gefüllt dargestellt sind. Der darin befindliche Kohlenstaub wird über Förderschnecken 18 der Trägerluft L zudosiert. Zweckmässig ist immer nur einer der Staubtanks in Betrieb, beispielsweise der Staubtank 17' .

Der Kohlenstaub K wird von der Trägerluft L„ dpm Kohlenstaubbrenner zugeführt und in der beschriebenen Weise verbrannt. Die abgekühlten, staubhaltigen Abgase gehen dann zu einer Entstaubung, für die als Beispiel in Fig. 4 eine Kombination aus einem Zyklon 20' und einem nachgeschalteten Filter 20'' dargestellt ist. Die Drosselklappe D wird dabei zunächst als senkrecht stehend angenommen, um den Austritt der entstaubten Rauchgase R zum Kanim zu ermöglichen. Die abgeschiedene Asche sammelt sich in üblicher Weise dabei in einem Behälter unterhalb des Zyklon 20'.

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Nun ist"es in der Zentralheizungstechnik üblich, den Brenner "An-aus-" zu regeln, um ihn dadurch dem wechselnden Wärmebedarf anzupassen. Erfindungsgemäss wird dies zum Reinigen des Filters 20' und zum Abtransport der abgeschiedenen Asche ausgenutzt. Dazu wird die Drosselklappe D senkrecht und die Drosselklappe D kurzzeitig waagrecht gestellt. Dadurch wird das Filter 20" wieder sauber-gebluden. Gleichzeitig wird durch die Leitungsführung gemäss Fig. 4 der in dem Sammelraum unterhalb des Zyklons 20' gelagerte Aschestaub einer Aschtonne 21 mit darauf sitzendem Zyklon zugeleitet. Die in diesem relativ einfachen Zyklon nur teilweise entstaubte Luft geht wieder zum Gebläse 16 zurück und wird auf diese Weise mehrfach im Kreise geführt, bis alle Asche zur Aschtonne 21 geblasen und die umlaufende Luft durch hinreichende Umlaufzahl genügend entstaubt ist. Dieser ganze Vorgang dauert nur wenige Minuten. Danach ist die Anlage wieder bereit für den nächsten Verbrennungslauf, wobei die Drosselklappen D und D wieder in die ursprünglich geschilderte Lage zurückgekehrt sind.

Der Kohlenstaub kann erfindungsgemäss in einem Staubtankwagen 22 angeliefert werden. Er besitzt zur Befüllung der Staubtanks 17', 17" eine Doppelschlauchleitung 23, ein Fördergebläse 24 und einen kleinen Zyklon 25, der auf den jeweils zu befüllenden Staubtank - in diesem Falle 17" aufgesetzt wird. Die Träger luft für das Staubgebläse 24 wird zweckmässig dem Staubtankwagen 22 entnommen. Der Zyklon 25 kann leicht auf die verschiedenen Staubtanks aufgesetzt werden. Die Befüllung geht dabei ähnlich schnell wie im Falle einer ölgefeuerten Anlage.

Bei manchen Kohlesorten kann es erforderlich sein, atmosphärische Luft fernzuhalten, um einerseits Schwelvorgänge im Kohlenstaub sowie andererseits die Kondensation

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der atmosphärischen Feuchtigkeit zu verhindern, insbesondere bei langen Stillstandszeiten der Tanks. Zu diesem Zweck kann erfindungsgemäss eine Abdeckung 26 vorgesehen sein, die beispielsweise aus einem Teflon-Asbestgewebe besteht und die über einen Faltenschlauch mit der oben auf dem Staubtank befindlichen Einfüllvorrichtung verbunden ist.

In Fig. 4 zeigt 17" einen weitgehend gefüllten Staubtank, bei dem die Abdeckung 2 6 oben auf dem Staub liegt und der Faltenschlauch fast ganz zusammengedrückt ist. Beim Staubtank 17' ' ist der Staubinhalt fast ganz entleert, wodurch die Abdeckung 26 auf der Stauboberfläche weit nach unten durchhängt und der Faltenschlauch fast ganz in die Länge gezogen j st. Bei den reaktionsträgen Brennstoffsorten, wie beispielsweise Koks- oder Anthrazitstaub, wird diese Abdeckung meist nicht erforderlich sein. Aus dem Betrieb industrieller Kohlenstaublager verfügt der Durchschnittsfachmann hier über hinreichende Erfahrungen.

Die für die Zündung benötigte Gasmenge G kann aus einer Gasflasche 15 entnommen werden, die üblicherweise Propan enthält und deren Inhalt für die Starts mehrerer Monate reicht. Ebenso kann selbstverständlich das Gas einer Gasleitung entnommen werden.

Zum Umstellen des Brenners auf einen Gasbetrieb braucht lediglich das Einblaserohr 6 durch ein entsprechendes Gaszuführungsrohr ersetzt zu werden. Die aus diesem austretende Gasmenge wird ebenso wie in der vorbeschriebenen Weise gezündet. Versuche zeigten, dass sich dann eine leise, stabile und vollständige Verbrennung ergibt, wobei der Brenner ebenfalls seine volle Leistung abgibt. Versuche zeigten, dass auf diese Weise übliches Stadtgas, Ferngas, Propan und ähnliche handelsübliche Heizgase ohne Schwierigkeiten oder Neuregulierung des Brenners verfeuert werden können. In

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einem Fall wurde auch das Einblaserohr 6 mit einem dieses konzentrisch umgebendes Gasrohr (nicht gezeichnet) versehen. Der Brenner konnte dann in jedem Mischungsverhältnis zwischen 0 und 100 % mit Gas und Kohlenstaub gleichzeitig oder einem beider Brennstoffe allein befeuert werden.

Wenn das Einblaserohr 6 durch eine übliche Öllanze mit einer Zerstäuberdüse ersetzt wird, wobei die Düse sich dort befinden soll, wo das Ende des Einblaserohres 6 in Fig. 1 dargestellt ist, arbeitet der Brenner einwandfrei als Ölbrenner. Insbesondere ist er in der vorliegenden Form als Brenner für Heizöl EL geeignet. Erforderlich sind hier Spritzwinkel der Düse von etwa 30 , um die Ölverteilung dem Strömungsverlauf der schlanken Brennermuffel 3 anzupassen. Für die Zerstäubung von Heizöl EL haben sich Öldrucke zwischen 15 und 25 atü als besonders geeignet erwiesen. Ferner ist Zerstäubung des Heizöls EL mit Druckluft möglich, sofern etwa gleiche Spritzwinkel eingehalten werden.

Der erforderliche Vordruck der Verbrennungsluft ergibt sich aus dem Druckverlust der Verbrennungsluft beim Durchströmen des Kohlenstaubbrenners gemäss Fig. 1 zuzüglich des Druckverlustes beim Durchströmen des nachgeschalteten Kessels, der Leitungen, der Rauchgasentstaubung etc. Für kleine Brenner (Wärmeleistungen 100 - 200 Mcal/h erwiesen sich Druckverluste beim Durchströmen des Kohlenstaubbrenners nach Fig. 1 von 25 - 30 mm WS als ausreichend. Mit steigender Brennergrösse wird der erforderliche Druckverlust in bekannter Weise grosser. Bei einer Feuerungsleistung von 1 Mcal/h ist der erforderliche Mindestdruckverlust ca. 60 mm WS. Nach oben haben diese Brenner keine Leistungsgrenze, da das in ihnen vorhandene Strömungsbild nicht von der Reynolds-Zahl abhängt, sofern die Reaktionsgeschwindigkeit des Brennstoffes ausreicht. Im Falle von Kohlenstaub hängt

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diese von der Mahlfeinheit ab; im Falle von Öl und Gas wurde Flammstabilität bis in den Bereich der Überschallgeschwindigkeit beobachtet, was jedoch unwirtschaftliche Luftvordrucke erfordert.

Der vorbeschriebene Brenner stellt nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. So kann die Eintrittsspirale 2 in bekannter Weise durch ein aerodynamisch gfeichwertiges radiales Schaufelgitter ersetzt werden. Für Transport und Lagerung des Kohlenstaubs können die üblichen heutigen Mittel verwendet werden. So ist eine Lagerung in einer grösseren Anzahl von Batterietanks gemäss Fig. 4 ebenso möglich wie die Lagerung in einem grossen zentralen Silo. Weiterhin sind dabei auch die üblichen Methoden zur Aufrechterhaltung der Fliessfähigkeit des Kohlenstaubs in dem Silo bzw. Tank anwendbar. So ist es üblich, mechanische Auflockerungsvorrichtungen in den Tanks anzuordnen, aufblasbare Gummikissen an den Tankwänden oder Düsen, durch die Druckluft in die Tanks eingeblasen wird. In einzelnen Fällen kann es dann, wenn atmosphärische Feuchtigkeit zu einem Zusammenbacken des Tankinhaltes geführt hat, ausreichen, den unteren Teil des Tankes auf eine Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur aufzuheizen. In Fig. 4 sind die unteren Teile der Tanks 17', 17" mit einer von Warmwasser aus dem Warmwasserkessel W durchströmten Doppelwand 19 versehen.

Ferner können die Brenner mit den üblichen Dosier-, Überwachungs- und Zündeinrichtungen versehen werden. Zur Entstaubung der Rauchgase hinter dem Kessel sind alle einschlägigen Entstaubungsverfahren geeignet, einschliesslich der Rauchgaswäsche durch Einspritzung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser. Ebenso können, was bei grösseren Anlagen zweckmässig sein kann, mehrere Gebläse für die verschiedenen Funktionen anstelle des einen Gebläses 16 verwendet werden, insbesondere dann, wenn die Anlage für kontinuierlichen Betrieb geeignet sein soll.

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Ebenso spielt es keine Rolle, ob der Brainer wie in der gezeichneten Anordnung waagerecht oder in einer anderen Lage verwendet wird, sofern der Feuerungsraum, insbesondere die Anordnung des Flammrohres, den Feuerungsverhältnxssen nach den bekannten Regeln der Technik angepasst ist. So ist es beispielsweise unzulässig, statt eines schlanken, länglichen Feuerungsraumes einen sehr kurzen, breiten Feuerungsraum vorzusehen, bei dem die Flamme noch im brennenden Zustand auf die der Brennermündung gegenüberliegenden Feuerraumwand aufprallt.

Für die Gestaltung des Kohlenstaubbrenners nach Fig. 1 ist es wesentlich, eine straffe und kontrollierte Strömungsführung zu erhalten, die erstens eine glatte Flammoberfläche und eine genau definierte Kaltluftzone 2 sowie zweitens eine lange und kräftige Rückströmung entlang der Achse der Brennermuffel 3 liefert.

Wie vorangegangene Versuche des Erfinders zeigten, gibt es einen eigentümlichen Strömungseffekt, der diese Forderungen erfüllt und den man erhält, sofern man eine Vorrichtung gemäss Fig. 1 mit ganz bestimmten Abmessungen wählt. Dieser Strömungseffekt kann durch geringfügige Variation der Abmessungen geringfügig verstärkt oder geschwächt werden, schlägt aber um in ein ganz anderes Strömungsbild und verschwindet völlig, sofern die Abmessungen der Vorrichtung nach Fig. 1 gewisse Werte über- oder unterschreiten.

Als günstigste Werte für eine Vorrichtung, die 200 bis 250 Mcal/h Brennstoff bei einem Druckverlust von 100 mm WS der Verbrennungsluft beim Durchströmen der Vorrichtung liefert, ergaben sich folgende Abmessungen:

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h 0 9 8 H 7 I 0 9 3 b

- Spiralwinkel ·^Ί· der Eintrittsspirale 2 gegen die -Umfangsrichtung: 7-11

- axiale Breite b der Eintrittsspirale 2: 85 mm

- Eintrittsdurchmesser der Eintrittsspirale 2 in die Brennermuffel 3: d = 145 mm 0

- axiale Länge der Brennermuffel 3: L 3 560 mm

- grösster Durchmesser der Brennermuffel 3: D = 290 mm 0

- Durchmesser des Einblaseloches 11: d =35-40 mm

- innerer Durchmesser des Lufteintritts 1: d = ca. 300 mm 0.

JLl

Eine solche Vorrichtung liefert tatsächlich eine Flammform wie in Fig. 1 dargestellt. Die Flammoberfläche ist glatt, und der Staupunkt S ist deutlich sichtbar. Die Dicke der Kaltluftzone Z zwischen der Flammoberfläche und der Wandung der Brennermuffel 3 beträgt im Mittel etwa 15 mm. Bei abgenommener Beschleunigungsdüse 4 kann man durch die Kaltluftzone Z hindurch von aussen bis auf den Boden der Eintrittsspirale 2 hindurchsehen und letzteren deutlich erkennen. Diese besondere Strömungs- und Flammführung ergibt die günstigsten Voraussetzungen für die Durchfüi,i ung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, den Austrittsdurchmesser der Beschleunigungsdüse 4 näherungsweise gleich dem Exntrittsdurchmesser der Brennermuffel d zu machen.

Die Abmessungen lassen sich geringfügig verändern, wodurch man den Druckverlust und die Dicke der Kaltluftzone Z entsprechend verändert. Eine Verkleinerung des Eintrittsdurch-

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messers d oder der Spiralbreite b verstärkt den Drall der Verbrennungsluft und damit ihren Unterdruck sowie den Impuls der Rückströmung entlang der Achse der Brennermuffel 3. Entsprechend wird die Dicke der Kaltluftzone 2 geringer. Versuche zeigten, dass der Verkleinerungsfaktor des Eintrittsdurchmessers d oder der Eintrittsbreite b (oder das Produkt der Verkleinerungsfaktoren beider Grossen) bis zu etwa 1,60 gehen kann. Die Dicke der Kaltluftzone Z am Austrittsdurchmesser D der Brennermuffel 3 wird dabei so gering, dass sie nicht mehr deutlich messbar ist. Entsprechend steigt die Temperatur der Wände der Brennermuffel 3 und der Beschleunigungsdüse 4, und der Abkühleffekt der Verbrennungsasche wird entsprechend sehr klein. Hier liegt die Grenze des Verfahrens.

Eine Vergrösserung des Eintrittsdurchmessers α und der Eintrittsbreite b um insgesamt einen Faktor von 1,30 ist möglich; allerdings wird die Dicke der Kaltluftzone Z und damit diejenige Luftmenge, die der Verbrennung nicht mehr frühzeitig genug beigemischt wird, so gross, dass es zum Auftreten unverbrannter Bestandteile kommt. Ausserdem wird die Rückströmung entlang der Achse der Brennermuffel 3 dann so schwach, dass die Flammstabilisierung merklich nachlässt.

Eine Variation des Spiralwinkels -% hat in dem angegebenen Bereich keinen messbaren Effekt gehabt, was landläufigen Vorstellungen widerspricht. Lediglich die Druckverluste wurden mit grosser werdendem Spiralwinkel etwas schwächer. Bei Überschreiten eines Spiralwinkels von ca. 20 , was durch schwenkbare radiale Schaufeln erreicht wurde, schlägt das ganze Strömungsbild hörbar um. Aus dem hochfrequenten, etwas zischenden Flammgeräusch wird ein niederfrequentes, dumpfes

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Bullern; die Flamme ist nicht mehr straff und diszipliniert, sondern besteht - obwohl noch eine kräftige Rückströmung feststellbar ist - aus Undefinierten, ringähnlichen Wirbelformationen. Flammstabilität und Ausbrand sind schlecht, und der Druckverlust des Systems geht auf einen Bruchteil der Originalwerte zurück. Bei Verkleinern des Spiralwinkeis Oi tritt deutlich sieht- und höhrbar der umgekehrte Umschlag wieder ein.

Da das Strömungsbild in Vorrichtungen nach Fig. 1 nicht von der Reynolds-Zahl abhängt, ist es sehr einfach, durch storchschnabelartiges Vergrössern oder Verkleinern der Vorrichtung, diese für jeweils andere Leistungen auszulegen. Die Umrechnungsgleichung ist einfach, da die Durchsätze genau den Querschnitten, d.h. dem Quadrat der Abmessungen proportional sind.

Fig. 5 zeigt die erfindungsgemässe Ausführung eines Feuerungsraumes für eine kleine Kohlenstaubfeuerung mit dem entsprechenden Aschegehalt, insbesondere für Warmwasserkessel im Zentralheizungsbereich. Der Kohlenstaubbrenner ist mit seinem Lufteintritt 1 und der Brennermuffel 3 gestrichelt angedeutet. Die langgestreckte Feuerbüchse 30 kann runden oder rechteckigen Querschnitt haben. Ihr Verhältnis von Länge zu Durchmesser soll grosser als 1 sein, bevorzugt 2 - 2,5. Für die vorstehend als Beispiel angegebene Leistung von 200 - 250 Mcal/h wird zweckmässig ein Feuerbüchsdurchmesser von 500 - 550 mm gewählt. Macht man bei gleicher Brennergrösse und Leistung den Feuerbüchsdurchmesser kleiner, so wird mit abnehmendem Durchmesser die erforderliche Umlaufbewegung der Rauchgase in der Feuerbüchse in steigendem Masse behindert, und es kommt nicht mehr zu der erforderlichen Abkühlung der brennenden Flammgase durch beigemischtes

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kälteres, rezirkulierendes Rauchgas. Vergrössert man andererseits bei ansonsten gleicher Brennergrösse und Leistung der. Durchmesser der Feuerbüchse, so sinkt mit steigendem Durchmesser die Umlaufgeschwindigkeit der Rauchgase, die Feuerbüchse wird nicht mehr sauber geblasen, und es kommt zum Liegenbleiben von Asche, die auf die Dauer zu Störungen führt. Der angegebene Durchmesserbereich erfüllt also sowohl die Forderung nach hinreichender Rauchgasabkühlung wie auch nach Sauberhaltung der Feuerbüchse.

Bei niedrigem Ascheschmelzpunkt kann es im Staubereich der Flammgase an der dem Brenner gegenüberliegenden Ende der Feuerbüchse zum Aufstau von Asche kommen, insbesondere wenn unzulässig grobe Teile im Kohlenstaub vorhanden waren. Erfindungsgemäss kann diese Schwierigkeit dadurch behoben werden, dass hier ein Schild 31 aus Chromnickelstahl angebracht wird, der in üblicher Weise so befestigt ist, dass er sich beim Erhitzen gegenüber dem Boden der Feuerbüchse frei ausdehnen kann. Versuche zeigten, dass ein solcher Schild sich frei von Asche und Schlacke hält, was möglicherweise mit den wechselnden thermischen Ausdehnungen zusammenhängt. Am besten haben sich hier Schilde aus austenitischem Chromnickel-Stahlguss bewährt.

Die Rauchgase verlassen erfindungsgemäss entgegen den üblichen Ausführungen die Feuerbüchse an ihrem unteren Ende an einer der beiden Stirnseiten der Feuerbüchse. Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit einem Rauchgasaustritt am brennerseitigen Ende der Feuerbüchse. Der Austrittskrümmer 32 erhält eine strömungsgünstige Form mit zügiger Verjüngung, um eine ständige Beschleunigung der Strömung und eine Vermeidung von Strömungsablösungen bis zum Eintritt in den Rauchgaszug 34 zu vermeiden.

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b 0 9 8 8 11 U 9 3 5

Dieser wird zweckmässig abwärts geneigt geführt, um der Ablagerung vo:i Asche entgegenzuwirken. Ebenso werden die Feuerbüchsrt'.ekel 35 bzw. 35' mit möglichst grossem Krümmungsradius ausgeführt, um tote Ecken und damit Ablagerung von Asche zu vermeiden. Der brennerseitige Feuerbüchsdeckel 35 wird dabei zweckmässig in der Mitte nach innen gewölbt, um einen strömungsgünstigen Anschluss an die hineinragende Beschleunigungsdüse 4 des Brenners zu erreichen. Auch hierdurch werden tote Ecken und Verwirbelungen vermieden.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Anordnung mit einem Austrittskrümmer 32' am dem Brenner gegenüberliegenden Ende der Feuerbüchse 30. Auch hier geht der Austrittskrümmer 32' mit zügiger Beschleunigung der Strömung unter Vermeidung von Strömungsablösung in den Rauchgaszug 34 über. Am brennerseitigen Ende liegt wiederum ein Rauchgaskrümmer 32, der nach den gleichen Regeln geformt ist und in den zweiten Rauchgaszug 36 überleitet. Am Austrittskrümmer 32 ist eine Reinigungstür 33 angeordnet, deren Form dem Strömungsverlauf angepasst ist.

Fig. 7a zeigt einen Schnitt A-B durch Fig. 6. Die Feuerbüchse 30 hat einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt, dessen Ecken zur Vermeidung von Ascheablagerung sorgfältig ausgerundet sind. Die im Schnitt ebenfalls sichtbaren Rauchgaszüge 34 und 36 sind hier als flache Schlitze von näherungsweise rechteckigem Querschnitt ausgebildet, deren Ecken wie vorstehend ebenfalls ausgerundet sind. In diesem Fall hat man die Möglichkeit, den Strömungsquerschnxtt entlang des Strömungsweges ohne nennenswerten zusätzlichen Bauaufwand entsprechend der Temperaturabsenkung abnehmen zu lassen. Selbstverständlich können auch Rauchgaszüge von anderem Querschnitt, etwa Rauchrohre in üblicher Anordnung, verwendet werden. Allerdings ist dabei auf die Vermeidung von Stauzonen und toten Ecken zu achten.

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Fig. 7b zeigt eine gleiche Anordnungsform, wobei jedoch die Feuerbüchse 30 kreisförmigen Querschnitt hat.

Zweckmässig wird nach den üblichen Regeln der Strömungslehre der Querschnitt der Rauchgaszüge 34 und 36 derart bemessen, dass bei der jeweils örtlichen Rauchgastemperatur der Staudrtn ;-. der Rauchgase zwischen 10 und 25 mm WS liegt, bevorzugt 15-20 mm WS. Bei kleineren Staudrucken besteht die Gefahr, dass Asche liegenbleibt; ausserdem sinkt mit kleinerwerdendem Staudruck auch die Wärmeübergangszahl, wodurch sich der Bauaufwand oder die Abgastemperatur in unwirtschaftlicher Weise erhöht. Oberhalb einer Grenze von ca. 20 - 2 5 mm WS ergeben sich aus bisher nicht geklärten Gründen dynamische Effekte, die zu Pulsationen der Gasmasse im Feuerungsraum führen können. Zwischen den beiden angegebenen Grenzen befindet sich ein Betriebsbereich, bei dem einerseits die Rauchgaszüge noch sauberbleiben, andererseits aber noch keine dynamischen Effekte auftreten.

Bei den im Schnitt vereinfacht dargestellten Kesseln in Fig. 5 und Fig. 6 ist der Oberteil der Kessel nicht mitgezeichnet. Hier kann in üblicher Weise ein Austritt für Warmwasser oder Dampf angeordnet werden, oder ein Boiler zur Erzeugung von Brauchwasser.

Die erfindungsgemässe, vorstehend beschriebene Gestaltung und Anordnung von Brenner, Feuerbüchse und Rauchgaszügen kann geometrisch vergrössert und verkleinert werden, wobei die Abmessungen der Feuerbüchse näherungsweise proportional mit den Abmessungen des Brenners gehen. Die Durchsätze sind dann in bekannter Weise direkt proportional dem Querschnitt, also dem Quadrat der Abmessungen. Die storchschnabelartige Vergrösserung und Verkleinerung der Abmessungen von Brenner und Kessel ist somit möglich, da es sich wegen der starken

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Strömungsimpulse und der Besonderheit der Strömungsführung um Strömungsbilder der freien Turbulenz handelt, die von Zähigkeits- oder Auftriebskräften in nur vernachlässigbar geringer Weise beeinflusst werden. Die Reynolds-Zahl, die Froude-Zahl und ähnliche Kenngrössen sind hier also vernachlässigbar. Damit ist eine einfache und eindeutige Anweisung zum Bau solcher Anlagen gegeben. Der Erfahrungsbereich umfasst dabei Feuerbüchsdurchmesser von 200 - 1200 mm. Innerhalb dieses Bereiches haben sich die angegebenen Auslegungsregeln mit einer Genauigkeit von über 90 % bewährt. Dies ist nicht nur von technischer Wichtigkeit, weil hierdurch neue Berechnungsmethoden für Feuerungsanlagen möglich geworden sind, sondern vor allem von grösster wirtschaftlicher Bedeutung, weil es nicht mehr erforderlich ist, Anlagen unterschiedlicher Grosse jeweils für sich experimentell zu entwickeln. Vielmehr genügt es, eine Anlage beliebiger Grosse zu bauen, die dann storchschnabelartig vergrössert oder verkleinert werden kann. Die physikalische Ursache liegt darin, dass der erfindungsgemässe Kohlenstaubbrenner neben den anfangs geschilderten Eigenschaften der einzige ist, dessen Strömungsbild von der Reynolds-Zahl nicht abhängt.

Die in den Fig. 5 bis 7 dargestellte Anordnung stellt die nach dem bisherigen Stand der Erkenntnisse günstigste Bauform dar. Diese kann selbstverständlich innerhalb gewisser Grenzen variiert werden, insbesondere dann, wenn man eine Asche mit hohem Schmelzpunkt verfeuert, die in der Feuerbüchse keine Schwierigkeiten verursacht. Dann kann beispielsweise der Brenner mehr oder weniger stark aussermittig angesetzt werden, wodurch es wesentlich zu einem einseitigen Umlauf der Rauchgase in der Feuerbüchse kommt. Dies führt jedoch zu einer Verschlechterung der Verhältnisse, insbesondere weil sich die Flamme dann der Feuerbüchswand stärker nähert, und weil die

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Verteilung der Wärmestromdichte über die gesamten Feuerbüchswände ciann ungleichmässiger wird. Auch die Aufteilung der Rauchgaszüge auf mehrere parallele Querschnitte, insbesondere auf ein Rohrbündel in bekannter Weise, ist möglich, erfordert jedoch einen zusätzlichen Bauaufwand zur sorgfältigen Einleitung der Rauchgase in diese Rohre zwecks Vermeidung von Stauzonen, Totwassergebieten und anderen Bereichen, in denen eine Gefahr der Ascheablagerung besteht.

Ansprüche:

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub, insbesondere reaktionsunwilligem Kohlenstaub, wie Antrhrazit, Magerkohle und dgl., mit einer auf das Flammvolumen bezogenen Feuerraumbelastung von mehr als 2000 Mcal/m · h * at, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Überdruck gegenüber dem zu befeuernden Raum wenigstens 20 mm WS bezogen auf eine Wärmeleistung von 250 tecal/h;

b) O_-Gehalt unter 10 %, bevorzugt unter 5 %;

c) Temperatur derart hoch, dass der Kohlenstaub

mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 1000 C/sec bis auf eine um wenigstens 100⁰C bis 150°C über seiner Zündtemperatur liegende Temperatur aufgeheizt wird,

injektorartiges Einblasen des beschleunigten, noch brennenden Flammstrahls in eine Gasatmosphäre,

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deren Temperatur unterhalb der Ascheschmelztemperatur des Kohlenstaubs liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre, in die der beschleunigte noch brennende Flammstrahl eingeblasen wird, aus rezirkulierten abgekühlten Abgasen des Flammstrahls besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung der Abgase ganz oder teilweise durch Konvektion erfolgt, die durch die Injektorwirkung des Flammstrahls bewirkt wird.

4. Verfahren riuch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass um den Flammstrahl eine Kaltgasströmung geführt wird, deren Temperatur und/oder Schichtdicke und/oder Geschwindigkeit derart gewählt ist, dass aus dem Flammstrahl seitlich ausgeschleuderte brennende Kohlenstaubpartikel von ihr unter die Ascheschmelztemperatur abgekühlt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck der Atmosphäre, in d.i ο der Kohlenstaub eingeführt wird, gegenüber dem zu belauernden Raum bei anderen Wärmeleistungen als 250 Gcal/h näherungsweise proportional der Wurzel aus dem Änderungsverhältnis gegenüber 20 mm WS geändert gewählt ist.

6. Vorrichtung mit einem zu beheizende Flächen aufweisenden Heizraum, einer sich konisch auf den Heizraum zu erweiternden Brennermuffei mit einer am engsten Querschnitt vorgesehenen tangentialen Zuführeinrichtung für Verbrennungsluft und einer

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axialen Zuführeinrichtung für Kohlenstaub, sowie einer sich an den grössten Querschnitt der Brennermuffel anschliessenden Beschleunigungsdüse, die in den Heizraum mündet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einer Wärmeleistung von 200 bis 250 Mcal/h und einem Druckverlust der Verbrennungsluft beim Durchströmen der Brennermuffel (3) von 100 mm WS der Drallwinkel 00 der tangentialen Zuführeinrichtung (2) gegen die ümfangsrichtung etwa 7 bis 11 beträgt, die tangentiale Zuführeinrichtung (2) eine Breite (6) von etwa 85 mm aufweist, die Brennermuffel (3) einen Eintrittsdurchmesser (d) von etwa 145 mm, einen Austrittsdurchmesser (D) von etwa 290 mm und eine Länge (1) von etwa 560 mm hat und das Zuführungsrohr (1) für die Verbrennungsluft (L ) einen Durchmesser (d_T) von etwa 300 mm aufweist.

Ij

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsdurchmesser der Beschleunigungsdüse (4) etwa gleich dem Eintrittsdurchmesser (d) der Brennermuffel (3) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Stirnseite der tangentialen Zuführungseinrichtung (2) ausgebildete Kohlenstaub-Einblasloch (11) einen Durchmesser von etwa 3 5 bis 40 mm aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Stirnseite der tangentialen Zuführungseinrichtung (2) ein koaxialer Kopfraum (5) angeordnet ist, in dem die Zuführungsvorrichtung (6) für den Kohlenstaub (K) und eine Zuleitung (9) für einen Verbrennungsluft-Teilstrom mündet, und der mit einer

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Zündeinrichtung (8) versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen mit Ausnahme des Drallwinkels (ot) bei anderen Wärmeleistungen als
250 Mcal/h näherungsweise proportional der Wurzel aus dem Änderungsverhältnis gegenüber den in Anspruch 6
angegebenen Abmessungen geändert gewählt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsdurchmesser (d) der Brennermuffel (3) und/oder die Breite (b) der tangentialen Zuführungseinrichtung (2) jeweils um Faktoren gegenüber den in Anspruch 6 angegebenen Abmessungen verkleinert sind, die einzeln und deren Produkt kleiner als 1,6 sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsdurchmesser (d) der Brennermuffel (3) und/oder die Breite (b) der tangentialen Zuführungseinrichtung (2) jeweils um Faktoren gegenüber den in Anspruch 6 angegebenen Abmessungen vergrössert sind, die einzeln und deren Produkt kleiner als 1,3 sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennermuffel (3) wenigstens teilweise ausgemauert ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nicht ausgemauerte Teile der
Brennermuffel (3) und/odi-l~ der Beschleunigungsdüse (4) aus hitzebeständigem Stahl, insbesondere Chromnickelstahl, bestehen.

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15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung (6) für den Kohlenstaub (K) einer Einblasvorrichtung (7) für gasförmigen Brennstoff (G) benachbart oder von ihr umgeben ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung (6) für Kohlenstaub (K) ein Blasrohr ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Blasrohr in der Vorrichtung auswechselbar befestigt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennermuffel (3) zentral von einem Ende in eine langgestreckte Feuerbüchse (30) von kreisförmigem, rechteckigem oder ähnlichen Querschnitt hineinfeuert, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Feuerbüchse (30) grosser als 1,5 ist, bevorzugt 2,5.

19. Vc-i richtung nach einem cer Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die der Brennermuffel (3) gegenüberliegenden Deckel (35*) der Feuerbüchse (30) ein Schild (31) aus warmfestem Material angebracht ist, das sich gegenüber der kalten Kesselwand entsprechend seiner Erwärmung ausdehnen kann.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (31) aus Chromnickelstahlguss besteht.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I8>fois 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerbüchsendeckel (35, 35')

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mit möglichst grossem Krümmungsradius ausgeführt sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsdüse (4) in die Feuerbüchse (30) hineinragt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des Feuerbüchsdeckels (35) an der Brennermuffel so gehalten ist, dass seine Kontur möglichst ohne Strömungsstörungen in die konvergente Beschleunigungsdüse (4) an der Brennermuffel (3) übergeht.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite am Ende der Feuerbüchse (30) sich ein Rauchabzug befindet, an den sich ein Krümmer (32, 32') mit sich stetig verringerndem Querschnitt anschliesst.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, uj:-:ö sich am Krümmer (32) unterhalb der Brennermuffel (3) eine Reinigungstür (33) befindet, deren Innenform der Krümmerform angepasst ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die sich an die Krümmer (32, 32') anschliessenden Rauchgaszüge (34, 36) abwärts geneigt sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgaszüge (34, 36) sich im Querschnitt stetig verringern.

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28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgaszüge (34, 36) einen flachen, im wesentlichen rechteckig schlitzförmigen Querschnitt aufweisen.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rauchgaszüge (34, 36) in bekannter Weise so bemessen ist, dass der örtliche Staudruck der Rauchgase dort zwischen 10 und 25 mm WS, bevorzugt 15 - 20 mm WS beträgt.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Wärmeleistung von 200 250 000 Mcal/h der Durchmesser der Feuerbüchse (30) etwa 500 - 550 mm beträgt und für andere Leistungen proportional den kennzeichnenden Abmessungen der Brennermuffel nach Anspruch 6 vergrössert bzw. verkleinert ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass in der Versorgungsleitung für Kohlenstaub eine Förder- und Dosiereinrichtung (18) vorgesehen ist.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstaub von Bunkern (17) zugeführt ist, in denen eine flexible Abdeckung (26) zum Schutz gegen atmosphärische Luft angeordnet ist.

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