DE2527618C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Kohlenstaub - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub, insbesondere reaktionsunwilligem Kohlenstaub nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Verbrennen von Kohlenstaub nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Ein Verfahren zum Verbrennen pulverförmiger Brennstoffe und eine dazu geeignete Vorrichtung sind aus der DE-PS 15 01 923 bekannt Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus.

Kohlenstaubfeuerungen 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 niedrige Feuerraumtemperatur voraus. Diese wird üblicherweise durch entsprechende FeuerrauAibelastungen erreicht Man findet hier meist Feuerraumbelastungen von 1,2 bis 3 W/m³ · Pa 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 bisher mit Feuerraumbelastungen der Größenordnung 12 W/m³ · Pa 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 jeoch nicht für die Verfeuerung kleiner Kohlenstaubmengen geeignet Insbesondere erlauben Schmelzfeuerungen nicht den reglungstechnisch äußerst einfachen und in der Zentralheizungstechnik üblichen »AN/AUS-Betrieb«, weil es bei jedem Abstellen zu einem Erstarren des Schlackflusses kommen würde. Schmelzfeuerungen findet man daher fast ausschließlich im Großfeuerungsbereich, insbesondere bei Kraftwerkskesseln.

Zum Anmeldetag der DE-PS 15 01 923, die auf den nämlichen Anmelder zurückgeht, befand sich die 01- und Gasfeuerung in stürmischer Entwicklung. Feste Stoffe wurden lediglich in noch vorhandenen alten Rostfeuerungen und im Bereich der Abfallverbrennung verfeuert In der Tat hat der Anmelder zwischen 1964 und 1965 in Einzelfällen Brenner gebaut in denen Schleifstaubabfälle der Möbelindustrie und ähnliche leicht entzündliche Produkte verbrannt wurden. Diese entwickelten praktisch keine Asche, zündeten bereitwillig und brannten fast genauso schnell wie Heizöltropfen. Zur Einblasung genügte die in dem Patent 15 01 923 dargestellte einfache Einblasdüse mit entsprechender Querschnittsgestaltung. Aus diesem Grunde ist in dem Patent die Verbrennung auch pulverförmiger Brennstoffe angesprochen.

Als nach Beginn der Ölkrise der Einsatz von Kohlenstaub aktuell wurde, ist der Anmelder zunächst wie selbstverständlich davon ausgegangen, daß seine vorhandenen Brenner hierzu voll geeignet seien. Er mußte feststellen, daß bereits bei üblichen reaktionswilligen Kohlenstaubsorten der Brenner nur Bruchteile seiner Leistung erbrachte, wenn Wert auf guten Ausbrand gelegt wurde. Wenn man nämlich den Brennerdurchsatz auf die von öl und Gas her gewöhnten Größen steigert, sinKt der Ausbrand rapide bis herab zu ca. 50% und die Flamme wird strähnig, rußig und instabil.

Ursache dafür ist daß bei einer Brennstoffzufuhr nach dem vorgenannten deutschen Patent mittels einer ίο Einblasdüse durch ein Spritzloch der aus Trägerluft und Kohlenstaub bestehende Brennstoffstrahl durch die in der Brennermuffel herrschende zentrale Rückströmung, die einen im Verhältnis zum Brennstoffstrahl hohen Impuls hat fast augenblicklich zum Stehen gebracht und infolge der Rotation der Verbrennungsluft nach außen an die Wände der Brennermuffel geschleudert wird. Dort sind die Auftreffspuren des Kohlenstaubs deutlich sichtbar. Die Verbrennungsluft fördert dann den Kohlenstaub entlang der Wände des divergenten Brennraumes bis zum Austritt der BrennermuffeL Während dieser Zeit wirkt zwar die Flammenstrahlung aus dem Innern der Brennermuffel auf die Kohlenstaubkörner ein und heizt diese auf, die Verbrennungsluft kühlt sich jedoch gleich wieder, so daß erst gegen Ende des Strömungsweges eine allmähliche und nur teilweise Zündung einsetzt

Je weiter nun der Durchsatz der Verbrennungsluft erhöht wird, desto kürzer wird die Verweilzeit des Kohlenstaubes in der kalten Außenströmung, und desto geringer wird der Prozentsatz der Kohelstaubteilchen, die in der kürzer gewordenen Verweilzeit noch zur Entzündung gebracht werden können. Hieraus erklärt sich das beobachtete schlechte Flammverhalten.
Wenn man dagegen umkehrt den Durchsatz bis an die unterste Grenze der Luftgeschwindigkeit senkt, bei der die Kohlenstaubteilchen von der Verbrennungsluft noch mitgenommen werden, dann wird die Brennerleistung so klein, daß der Gesamtaufwand des Brenners nicht mehr zu vertreten ist. Durch die relativ langen Verweilzeiten kommt es dann aber auch sehr schnell zur Ablagerung klebriger Ascheteilchen in der Brennermuffel, und diese wächst durch Ascheablagerungen allmählich zu.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, ein Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub, insbesondere reaktionsunwilligem Kohlenstaub, anzugeben, bei dem trotz hoher Feuerraumbelastungen von mehr als 24 W/m³ · Pa sich ein trockener Ascheabzug ergibt so daß sein Einsatz zur Befeuerung von Zentralheizungsanlagen mit »EIN/AUS-Betrieb« möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Weiterbildungen der Erfindung und eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, sowie Weiterbildungen derselben sind Gegenstand weiterer Ansprüche. Der große Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub ist der, daß aufgrund des trockenen Ascheabzugs 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 Kohlen-

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staub, wie Anthrazit oder Koks. Die Art der erfindungs- den, dessen Rand vorzugsweise düsenartig zur Ein-

gemäßen Verbrennung ermöglicht eine »EIN/ trittsspirale 2 hin ausgebördelt ist Die Brennermuffel 3

AUS«-Steuerung, wie sie bei der Verfeuerung von öl ist von einer Ausmauerung 12 umgeben. Die Beobach-

oder Gas üblich ist. Das Verfahren ist daher in gleicher tung des Zündvorganges wird durch ein Schauglas 13

Weise wie jene für die Beheizung von Ein- und Mehrfa- 5 ermöglicht

milienhäusern geeignet. Es ermöglicht darüber hinaus Zur Inbetriebsetzung der Vorrichtung wird zunächst

die Konstruktion von Vorrichtungen zur Durchführung Verbrennungsluft L\ in die Vorrichtung eingeleitet Sie

des Verfahrens, bei denen im Brenner eine Kohlen- erhält in der Eintrittsspirale 2 in bekannter Weise einen

staubzufübungseinrichtung gegen eine solche zur Zu- Drall, wobei sich im Zentrum der Eintrittsspirale ein

führung von Gas oder flüssigen Brennstoffen ausge- io starker Unterdruck einstellt Infolge des Dralles bewegt

tauscht werden kann, so daß in einer Heizungsanlage sich die Verbrennungsluft in einer schraubenartigen Be-

der Kessel leicht auf alle verschiedenen Brennstoffarten wegung mit etwa 45° Strömungswinkel zur Mantellinie

umgerüstet werden kann. der Brennermuffel 3 zu dem der Eintrittsspirale 2 ge-

Ein Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens genüberliegenden Ende der Brennermuffel. Verursacht

besteht aus einem zu beheizende Flächen aufweisenden 15 durch den erwähnten Unterdruck im Zentrum der Ein-

Raum, einer sich konisch auf den zu befeuernden Raum trittsspirale 2 kehrt hier etwa die Hälfte der Verbren-

zu erweiternden Brennermuffel mit einer am Eintritts- nungsluft radial zur Achse hin um und strömt entlang

ende vorgesehenen tangentialen Zuführeinrichtung für dem Zuführrohr 6 bis zur Eintrittsspirale 2 zurück. Hier

Verbrennungsluft einem koaxialen Zuführrohr für Koh- spreizt sich die Rückströmung radial auseinander und

lenstaub sowie einer sich an den größten Querschnitt 20 vereinigt sich mit dem neu eintretenden Verbrennungs-

der Brennermuffel anschließenden Beschleunigungsdü- luftstrom Li, um mit diesem zusammen wieder dem der

se, die in den zu befeuernden Raum mündet Zur Durch- Eintrittsspirale 2 gegenüberliegenden Ende der Bren-

führung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist diese nermuffel 3 zuzuströmen. Der Durchsatzströmung ist

Vorrichtung die im kennzeichnenden Teil des An- dabei eine intensive Rezirkulation überlagert die da- Spruchs 5 angegebenen Merkmale auf. 25 durch gekennzeichnet ist daß sich die Durchsatzkom- Mit den dort angegebenen Größen läßt sich für jede ponenten von wandnaher Durchsatz- und axialer Rück- Wärmeleistung eine entsprechende Vorrichtung auf- strömung reibend auf einer Strecke berühren, deren

bauen. Länge groß ist im Verhältnis zur Dicke der Reibungs-

Die Erfindung und ihre Wirkungsweise sowie Vor- schicht Es ist bekannt daß auf diese Weise eine beson-

richtungen zur Durchführung des Verfahrens sollen 30 ders intensive Durchmischung der beiden Strömungen

nachfolgend mit ihren Ausgestaltungen und Vorteilen erfolgt

unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Der nicht rezirkulierende Anteil der Strömung ver-

werden. Es zeigt läßt die Brennermuffel 3 über eine Beschleunigungsdüse

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Vor- 4, die an das Ende der Brennermuffel 3 angesetzt ist

richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen 35 Zwischen dem durch die Düse 4 abströmenden Strö-

Verfahrens; mungsanteil und der Rückströmung bildet sich im Be- Fig.2 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 in reich des Endes des Zuführrohres 6 ein Staupunkt der

Richtung des Pfeils A; im Betrieb von außen her deutlich erkennbar ist

F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Über das Gasrohr 7 wird jetzt ein zündbares Gas C Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 40 zugeführt und durch den Funken der Zündeleketrode 8

Die Vorrichtung nach Fig.!, nachfolgend kurz Koh- gezündet In bekannter Weise wird die Geschwindigkeit lenstaubbrenner genannt besteht aus einem Lufteintritt des Zündgases G so eingestellt, daß sich ähnlich wie bei 1 für die Verbrennungsluft Li, der in einer spiralförmi- einem Bunsenbrenner eine Flamme bildet die am Ausgen Zuführungseinrichtung 2 ein genau bemessener trittsquerschnitt des Gasrohres 7 ansetzt und durch das Drall erteilt wird, der nachstehend noch definiert wird. 45 Einblasloch 11 in die Brennermuffel 3 hineinreicht Da-An diese Zuführungseinrichtung 2, nachfolgend Ein- nach wird mittels Trägerluft L₂ der Kohlenstaub K trittsspirale genannt schließt sich koaxial die divergente durch das Zuführrohr 6 eingeblasen. Der Kohlenstaub Brennermuffel 3 an, die an einer konvergenten koaxi- zündet an der vorerwähnten Zündgasflamme. Durch alen Beschleunigungsdüse 4 endet seinen Impuls wird er ins Innere der Brennermuffel 3

Der Eintrittsspirale 2 ist koaxial an der der Brenner- 50 hineingetragen und dort durch den vorbeschriebenen

muffel 3 gegenüberliegenden Seite ein Kopfraum 5 an- Strömungsmechanismus mit der Verbrennungsluft L\

gesetzt Durch den Köpfraum 5 verläuft konzentrisch durchmischt Der Zündstrom G kann nun abgestellt

eine Zuführeinrichtung für Kohlenstaub in Form eines werden.

Rohres 6. Dieses endet etwa in Höhe des Endes der In der Brennermuffel 3 bildet sich eine Flamme F, die Brennermuffel 3, wo diese ihren größten Durchmesser 55 die Brennermuffel 3 und die Beschleunigungsdüse 4 bis

haj. Auf das freie Ende des Zuführrohres 6 ist eine Um- auf eine wandnahe Kaltluftzone Z vollständig ausfüll·^

lenkhaube 14 aufgesetzt, die die von diesem Rohr züge- Die Kontur dieser Flamme Fist in F i g. 1 näherungswei-

führte Strömung aus Kohlenstaub K und Trägerluft L₂ se gestrichelt eingezeichnet Infolge der Dichteschich-

um 180° umlenkt tung zwischen der kalten Verbrennungsluft und der hei-

In den Kopfraum 5 mündet ein Gasrohr 7, durch wel- 60 ßen Flammzone hat die Flamme F eine sehr glatte

ches Zündgas G zuführbar ist Zu dessen Zündung ist Oberfläche und bleibt sauber von den Wänden der

eine Zündelektrode 8 im Kopfraum 5 angeordnet Brennennuffel 3 und der Beschleunigungsdüse 4 ge-

Von dem Lufteintritt 1 zweigt eine Kopfluftleitung 9 trennt Infolgedessen bleiben diese Wände relativ kühl.

mit Kopfluftventil 10 ab, die in den Kopfraum 5 mündet Ihre Temperatur stellt sich als Gleichgewicht zwischen

Im Betrieb wird ein kleiner Teil der Verbrennungsluft Li 65 Flammstrahlung und Wärmeabfuhr der schnell strö-

dem Kopf raum 5 über diese Kopfluftleitung 9 und das menden Verbrennungsluft in der Kaltluftzone Zein.

Ventil 10 zugeleitet Der Kopfraum 5 ist mit der Ein- Wenn nun ein brennendes und möglicherweise mit

trittsspirale 2 durch ein zentrales Einblasloch 11 verbun- einem Anteil mehr oder weniger geschmolzener Asche

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versehenes Kohlenstaubkorn P infolge der Rotation der Verbrennungsluft aus der Flamme Fin 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 1600⁰C 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 Kopfluftventiles 10 erfolgt. Der Impuls der axialen Rückströmung in der Brennermuffel 3 ist nämlich derartig groß, daß brennende Kohlenstaubpartikel durch das Einblasloch 11 in den Kopfraum hineingeblasen werden und letzteren dadurch verschmutzen. Je größer 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 Einblasloch 11 ansetzt, wie es in F i g. 1 dargestellt ist Die Erfahrung zeigt überraschenderweise, daß die Flamme diese 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. i. Der in die Rückströmung entlang der Achse der Breniiermuffel 3 in Richtung auf die Eintriusspirale 2 eingeblasene Kohlenstaub unterliegt während des Weges ·■".· entlang der Achse der Brennermuffel 3 der intensiven Einstrahlung der ihn umgebenden Flamme Fund zündet dadurch selbst bei kleinen Brennerabmessungen mit Sicherheit Das Zuführrohr 6 und die Umlenkhaube 14 sind, ebenso wie eventuelle Teile der Brennermuffel 3 und der Beschleunigungsdüse 4, aus üblichem, hitzebeständigem Chromnickelstahl gefertigt Versuche und Erfahrungen zeigten überraschenderweise, daß der Kühieffekt der sehne» strömenden Luft in der Kakluftzone Zbzw. der Trägerluft L₂ so groß ist, daß diese Teile selbst nach langem Betrieb, auch in großen Brennern mit entsprechend hoher Temperatur, sich in gebrauchstüchtigem Zustand befanden. Der zur Abkühlung ausgeschleuderter Kohlenstaubpartikel P vorgesehene kalte Luftstrom in der Kaltluftzone Z bewirkt somit zusätzlich eine entsprechende Lebensdauerverlängerung der der Rammstrahlung ausgesetzten Teile. . Wesentlich für die Abkühlung der Asche und damit ihre Oberführung vom geschmolzenen in den festen Zustand ist die Beschleunigungsdüse 4. Zwar kann man auch ohne diese eine brauchbare Verbrennung und — bei hinreichend großem Feuerungsraum — einen trokkenen 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 Austrittsquerschnitt der Beschleunig"ngsdüse 4 austretenden Strahls der Flamme F wirkt als Injektor und reißt das ihn umgebende Gasvolumen des zu befeuernden Raumes in seiner Richtung mit sich. Dadurch wird ein sehr rascher Gasumlauf in diesem Raum erzwungen. Dabei kann der Brenner sowohl koaxial wie auch exzentrisch zur Achse des zu befeuernden Raumes angeordnet sein. Seine koaxiale Anordnung ergibt die gleichmäßigste Verteilung der Wärmestromdichte über die Heizfläche.

Dabei strömen die heißen Gase der Flamme F vom Brenner fort in Richtung der Achse des zu befeuernden Raumes und kehren — je nach dessen Bauweise — ganz oder teilweise an dessen Ende um und strömen entlang der Wände bis zum Brenner hin. Hier stülpen sie sich — vom Flammimpuls mitgerissen — radial nach innen derart, daß die durch direkte Berührung mit den Wänden abgekühlten Gase jetzt die Außenzonen der Flamme F umgeben. Wegen der großen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Flamme Fund 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 diese auch nach einer gewissen Lauflänge mit den kalten Gasen ausmischt und vor Erreichen des Endes des zu befeuernden Raumes so weit abkühlt, daß die in der Flamme F noch enthaltenen, teilweise geschmolzenen Aschepartikel in die feste Form übergeführt werden.

Die Feuerbüchse hat dabei zweckmäßig eine Länge von zwei bis drei Feuerbüchs-Durchmessern. Wenn sie 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 fest Form übergeführt ist. In solchen kritischen Fällen kann man sich erfindungsgemäß dadurch helfen, daß man den dem Brenner gegenüberliegenden Feuerbüchsboden mit einem Schild aus warmfestem Material versieht

Wesentlich zur Erzielung dieses Abkühleffektes der Flamme ist eine Mindeststärke des Flammimpulses. Dieser muß stets ausreichen, Auftriebskräfte im zu befeuernden Raum zu überwinden und die genannte straffe Rezirkulation zu erzwingen. Wie Versuche zeigten, muß der Staudruck des Strahles der Flamme Firn Austrittsquerschnitt der Beschleunigungsdüse 4 mindestens 10 mal größer 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 ermitteln aus der Differenz der spezifischen Gewichte der heißen Flammgase und der sie umgebenden kälteren Gase, multipliziert mit dem Abstand von der Flammoberfläche zur darüberliegenden Wand des zu befeuernden Raumes, wie es jedem Durchschnittsfachmann geläufig ist Der Staudruck muß dann in der genannten Definition das Zahnfache der Auftriebskräfte pro Flächeneinheit übersteigen.

Zum Umstellen des Brenners auf einen Gasbetrieb braucht lediglich das Zuführrohr 6 durch ein im Kopfraum endendes 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 einem Fall wurde auch das Zuführrohr 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 Zuführrohr 6 durch eine übliche öllanzc mit einer Zerstäuberdüse ersetzt wird, wobei die Düse sich im Kopfraum befindet, 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. Die die Zerstäubung von Heizöl EL haben sich Öldrucke zwischen 1500 und 2500 kPa als besonders geeignet erwiesen. Ferner ist Zerstäubung des Heizöls EL mit Druckluft möglich, sofern etwa gleiche Spritzwinkel eingehalten werden. Er zeigt auch mit diesen Brennstoffen die günstige trokkene Aschebildung.

Der erforderliche Vordruck der Verbrennungsluft ergibt sich aus dem Druckverlust der Verbrennungsluft beim Durchströmen des Kohlenstaubbrenners gemäß F i g. 1 zuzüglich des Druckverlustes beim Durchströmen des nachgeschalteten Kessels, der Leitungen, der Rauchgasentstaubung etc. Für kleine Brenner (Wärmeleistungen 166—233 kW) erwiesen sich Druckverluste beim Durchströmen des Kohlenstaubbrenners nach F i g. 1 von 250—300 Pa als ausreichend. Mit steigender Brennergröße wird der erforderliche Druckverlust in bekannter Weise größer. Bei einer Feuerungsleistung von 1160 kW ist der erforderliche Mindestdruckverlust ca. 600—800 Pa. 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 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 Ausführungsbeispic! der Erfindung dar. So kann die Eintrittsspirale 2 in bekannter Weise durch ein aerodynamisch gleichwertiges radiales Scheufeigitter ersetzt werden.

Ebenso spielt es keine Rolle, ob der Brenner wie in der gezeichneten Anordnung waagerecht oder in einer anderen Lage verwendet wird, sofern der zu befeuernde Raum, insbesondere die Anordnung der Feuerbüchse, den Feuerungsverhältnissen nach den bekannten Regeln der Technik angepaßt ist So ist es beispielsweise unzulässig, statt eines schlanken, länglichen Raumes einen sehr kurzen, breiten zu befeuernden Raum vorzusehen, bei dem die Flamme noch im brennenden Zustand auf die der Brennermündung gegenüberliegende Wand aufprallt

Für die Gestaltung des Kohlenstaubbrenners nach F i g. 1 ist es wesentlich, eine straffe und kontrollierte Strömungsführung zu erhalten, die erstens eine glatte Flammoberfläche und eine genau definierte Kaltluftzone Z sowie zweitens eine lange 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 F i g. 1 mit den im Anspruch 5 angegebenen Abmessungen wählt. Dieser Strömungseffekt kann durch geringfügige Variation der Abmessungen geringfügig verstärkt oder geschwächt werden,

ίο schlägt aber um in ein ganz anderes Strömungsbild und verschwindet völlig, sofern die Abmessungen der Vorrichtung nach F i g. 1 gewisse Werte über- oder unterschreiten.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung liefert tatsäch-

Hch eine Flammform wie in Fig. 1 dargestellt. Die Flammoberfläche ist glatt und der Staupunkt 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

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, den Austrittsdurchmesser der Beschleunigungsdüse 4 näherungsweise gleich dem Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel dzu machen.

Die Abmessungen lassen sich geringfügig verändern, wodurch man den Druckverlust und die Dicke der KaItluftzone Z entsprechend verändert Eine Verkleinerung des Eintrittsdurchmessers t/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 Ver kleinerungsfaktoren beider Größen) 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 Brenner- muffel 3 und der Beschleunigungsdüse 4, und der Abkühleffekt der Verbrennungsasche wird entsprechend sehr klein. Hier liegt die Grenze des Verfahrens.

Eine Vergrößerung des Eintrittsdurchmessers d und der Eintrittsbreite b um insgesamt einen Faktor von 130 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 α hat in dem angegebenen Bereich keinen meßbaren Effekt gehabt, was landläufigen Vorstellungen widerspricht Lediglich die Druckverluste wurden mit größer werdendem Spiralwinkel etwas schwächer. Bei Oberschreiten eines Spiralwinkels von ca. 20°, was durch schwenkbare radiale Schaufeln erreicht wurde, schlägt das ganze Strömungsbild hörbar um. Aus dem hochfrequenten, etwas

es zischenden Flammgeräusch wird ein niederfrequentes, dumpfes Bullern; die Flamme ist nicht mehr straff und diszipliniert, sondern besteht — obwohl noch eine kräftige Rückströmung feststellbar ist — aus Undefinierten,

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ringähnlichen Wirbelformationen. Flammstabilität und um tote Ecken und damit Ablagerungen von Asche zu Ausbrand sind schlecht, und der Druckverlust des Sy- vermeiden. Der brennerseitige Feuerbüchsdeckel 35 stems geht auf einen Bruchteil der Originalwerte zu- wird dabei zweckmäßig in der Mitte nach innen gerück. Bei Verkleinern des Spiralwinkels α tritt deutlich wölbt, um einen strömungsgünstigen Anschluß an die sieht- und höhrbar der umgekehrte Umschlag wieder 5 hineinragende Beschleunigungsdüse 4 des Brenners zu ein. erreichen. Auch hierdurch werden tote Ecken und Ver-

Da das Strömungsbild in Vorrichtungen nach F i g. 1 wirbelungen vermieden. Am Eintrittskrümmer 32 ist ei-

nicht von der Reynolds-Zahl abhängt, ist es sehr einfach, ne Reinigungstür 33 angeordnet, deren Form dem Strö-

durch storchschnabelartiges Vergrößern oder Verklei- mungsverlauf angepaßt ist.

nern der Vorrichtung, diese für jeweils andere Leistun- 10 Zweckmäßig wird nach den üblichen Regeln der Strögen auszulegen. Die Umrechnungsgleichung ist einfach, mungslehre der Querschnitt des Rauchgaszuges 34 derda die Durchsätze genau den Querschnitten, d. h. dem art bemessen, daß bei der jeweils örtlichen Rauchgas-Quadrat der Abmessungen proportional sind temperatur der Staudruck der Rauchgase zwischen 100

Fig.3 zeigt die Ausführung eines zu befeuernden und 250 Pa liegt, bevorzugt 150—200 Pa. Bei kleineren Raumes für eine kleine Kohlenstaubfeuerung mit dem 15 Staudrucken besteht die Gefahr, daß Asche liegenentsprechenden Aschegehalt, insbesondere für Warm- bleibt; außerdem sinkt mit kleiner werdendem Stasi· wasserkessel im Zentralheizungsbereich. Der Kohlen- druck auch die Wärmeübergangszahl, wodurch sich der staubbrenner ist mit seinem Lufteintritt 1 und der Bren- Bauaufwand oder die Abgastemperatur in unwirtschaftnermuffel 3 gestrichelt angedeutet Die langgestreckte licher Weise erhöht Oberhalb einer Grenze von ca. Feuerbüchse 30 kann runden oder rechteckigen Quer- 20 200—250 Pa ergeben sich aus bisher nicht geklärten schnitt haben. Ihr Verhältnis von Länge zu Durchmesser Gründen dynamische Effekte, die zu Pulsationen der soll größer als 1 sein, bevorzugt 2—2,5. Für die vorste- Gasmasse im Feuerungsraum führen können. Zwischen hend als Beispiel angegebene Leistung von den beiden angegebenen Grenzen befindet sich ein Be-233—?9 IkW wird zweckmäßig ein Feuerbüchsen- triebsbereich, bei dem einerseits die Rauchgaszüge noch durchmesser von 500— 550 mm gewählt Macht man bei 25 sauerbleiben, andererseits aber noch keine dynamischen gleicher Brennergröße und Leistung den Feuerbüchsen- Effekte auftreten.

durchmesser kleiner, so wird mit abnehmendem Durch- Die vorstehend beschriebene Gestaltung und Anordmesser die erforderliche Umlaufbewegung der Rauch- nung von Brenner, Feuerbüchse und Rauchgaszügen gase in der Feuerbüchse in steigendem Maße behindert, kann geometrisch vergrößert und verkleinert werden, und es kommt nicht mehr zu der erforderlichen Abküh- 30 wobei die Abmessungen der Feuerbüchse näherungslung der brennenden Flammgase durch beigemischtes weise proportional mit den Abmessungen des Brenners kälteres, rezirkulierendes Rauchgas. Vergrößert man gehen. Die Durchsätze sind dann in bekannter Weise andererseits bei ansonsten gleicher Brennergröße und direkt proportional dem Querschnitt, also dem Quadrat Leistung den Durchmesser der Feuerbüchse, so sinkt der Abmessungen. Die storchschnabelartige Vergrößemit steigendem Durchmesser die Umlaufgeschwindig- 35 rung und Verkleinerung tier Abmessungen von Brenner keit der Rauchgase, die Feuerbüchse wird nicht mehr und Kessel ist somit möglich, da es sich -wegen der starsauber, und es kommt zum Liegenbleiben von Asche, ken Strömungsimpulse und der Besonderheit der Strödie auf die Dauer zu Störungen führt Der angegebene mungsführung um Strömungsbilder der freien Turbu-Durchmesserbereich erfüllt also sowohl die Forderung lenz handelt, die von Zähigkeits- oder Auftriebskräften nach hinreichender Rauchgasabkühlung wie auch nach 40 in nur vernachlässigbar geringer Weise beeinflußt wer-Sauberhaltung der Feuerbüchse. den kann. Die Reynolds-Zahl und ähnliche Kenngrößen

Bei niedrigem Ascheschmeizpunkt kann es im Stau- sind hier also vernachlässigbar. Damit ist eine einfache bereich der Flammgase an dem dem Brenner gegen- und eindeutige Anweisung zum Bau solcher Anlagen überliegenden Ende der Feueibuchse zum Aufstau von gegeben. Der Erfahrungsbereich umfaßt dabei Feuer-Asche kommen, insbesondere wenn unzulässig grobe 45 büchsdurchmesser von 200—1200 mm. Innerhalb dieses Teile im Kohlenstaub vorhanden waren. Diese Schwie- Bereiches haben sich die angegebenen Auslegungsrerigkeit kann dadurch behoben werden, daß hier ein geln mit einer Genauigkeit von über 90% bewährt Dies Schild 31 aus Chromnickelstahl angebracht wird, der in ist nicht nur von technischer Wichtigkeit, weil hierdurch üblicher Weise so befestigt ist, daß er sich beim Erhitzen neue Berechnungsmethoden für Feuerungsanlagen gegenüber dem Boden der Feuerbüchse frei ausdehnen 50 möglich geworden sind, sonden vor allem von größter kann. Versuche zeigten, daß ein solches Schild sich frei wirtschaftlicher Bedeutung, weil es nicht mehr erfordervon Asche und Schlacke hält, was möglicherweise mit Hch ist, Anlagen unterschiedlicher Größe jeweils für sich den wechselnden thermischen Ausdehnungen zusam- experimentell zu entwickeln.

menhängt Am besten haben sich hier Schilde aus auste- .

nitischem Chromnickel-Stahlguß bewährt 55 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Die Rauchgase verlassen entgegen den üblichen Aus- —'■■

führungen die Feuerbüchse an ihrem unteren Ende an
einer der beiden Stirnseiten der Feuerbüchse. Fig.3
zeigt eine Anordnung mit einem Rauchgasaustritt am

brennerseitigen Ende der Feuerbüchse. Der Austritts- ep
krümmer 32 enthält eine strömungsgünstige Form mit
zügiger Verjüngung, um eine ständige Beschleunigung
: der Strömung und eine Vermeidung von Strömungsab-
- lösungen bis zum Eintritt in den Rauchgaszug 34 zu

, vermelden. Dieser wird zweckmäßig abwärts geneigt 65
geführt, um der Ablagerung von Asche entgegenzuwirken. Ebenso werden die Feuerbüchsdeckel 35 bzw. 35'
mit möglichst großem Krümmungsradius ausgeführt.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub, insbesondere reaktionsunwilligem Kohlenstaub, wie s Anthrazit, Magerkohle u.dgU in einem Feuerraum mit einer auf das Flammvolumen bezogenen Feuerraumbelastung von mehr als 24 W/m³ · Pa durch Vermischung des Kohlenstaubs mit Verbrennungsluft zum Zwecke der Einleitung der Verbrennung, Beschleunigungen des Flammstrahls und injektorartigen Einblasen des beschleunigten, noch brennenden Flammstrahls in den zu befeuernden Raum, dadurch gekennzeichnet,

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a) daß der Kohlenstaub an einer Stelle des Fäuerrautns eingeführt wird, an der folgender Zustand herrscht:

— Oberdruck gegenüber dem zu befeuernden Raum von wenigstens 200Pa bei einer Wärmeleistung von von 291 kW und einem Druckverlust der Verbrennungsluft von 1 kPabeim Durchströmendes Feuerraums, wobei bei anderen Wärmeleistungen der Überdruck gegenüber 200 Pa näherungsweise proportional der Wurzel aus dem Änderungsverhältnis der Wärmeleistung geändert ist,

— O2 Gehalt unter 10%;

b) daß der Kohlenstaub vorwiegend durch Flammenstrahlung mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 1000°C/s bis auf eine um wenigstens 100 bis 150" C über seiner Zündtemperatur liegende Temperatur aufgeheizt und anschließend zur Verbrennung mit einem vorwiegend Verbrennungsluft enthaltenden Gasgemisch vermischt wird,

c) daß nach Verbrennung von wenigstens 30% des Brennstoffs die Beschleunigung des brennenden Flammstrahls durch Umsetzung des Überdrucks gemäß a) in Geschwindigkeit erfolgt, und

d) daß die Temperatur der Gasatmosphäre des zu befeuernden Raumes unterhalb der Ascheschmelztemperatur des Kohlenstaubs gehalten wird.

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 nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Feuerraum 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. Vorrichtung mit einem zu beheizende Flächen aufweisenden, zu befeuernden Raum, einer sich konisch auf den zu befeuernden Raum zu erweiternden Brennmuffel mit einer am Eintrittsende vorgesehenen tangentialen Zuführeinrichtung für Verbrennungsluft, einem koaxialen Zuführrohr für Kohlenstaub sowie einer sich an den größten Querschnitt der Brennermuffel anschließenden Beschleunigungsdüse, die in den zu befeuernden Raum mündet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche der Drallwinkel cc der tangentialen Zuführeinrichtung (2) gegen die Umfangsrichtung etwa 7° bis 11° beträgt, daß das Zuführrohr (6) für den Kohlenstaub bis etwa zum größten Querschnitt der Brennermuffel (3) reicht und am freien Ende eine um 180° strömungsumlenkende Umlenkhaube (14) trägt, daß bei einer Wärmeleistung von 233 bis 291 kW und einem Druckverlust der Verbrennungsluft beim Durchströmen der Brennermuffel (3) von 1 kPa die tangential Zuführeinrichtung (2) eine Breite φ) von etwa 85 mm und die Brennermuffel (3) einen Eintrittsdurchmesser d von etwa 145 mm aufweisen, wobei eine oder beide dieser Abmessungen um Faktoren verringert sein können, die einzeln und deren Produkt kleiner als 1,6 oder um Faktoren vergrößert sein können, die einzeln und deren Produkt kleiner als 13 sind, die Brennermuffel (3) einen größten Durchmesser D von etwa 290 mm und eine Länge L von etwa 560 mm hat, das Zuführrohr (1) für die Verbrennungsluft einen Durchmesser (Jl von etwa 300 mm aufweist und daß die Abmessungen mit Ausnahme des Drallwinkels λ bei anderen Wärmeleistungen näherungsweise proportional der Wurzel aus dem Änderungsverhälnis gegenüber der vorgenannten Wärmeleistung geändert gewählt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsdurchmesser der Beschleunigungsdüse (4) etwa gleich dem Eintrittsdurchmesser (d)aer Brennermuffel (3) ist

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Stirnseite der tangentialen Zuführeinrichtung (2) ein zum Feuerraum koaxialer Kopfraum (5) angeordnet ist, in den eine Einblasvorrichtung (7) für gasförmigen Brennstoff und eine Zuleitung (9) für einen Verbrennungsluft-Teilstrom mündet, und der mit einer Zündeinrichtung (8) versehen ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (6) am Eintrittsende von einer Einblasöffnung (11) für ein Gemisch aus gasförmigem Brennstoff und Luft umgeben ist

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (6) in der Vorrichtung auswechselbar befestigt ist

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zu befeuernde Raum eine langgestreckte Feuerbüchse (30) von kreisförmigem, rechteckigem oder ähnlichem Querschnitt ist, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Feuerbüchse (30) größer als 1,5 ist, bevorzugt 2,5.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß für eine Wärmeleistung von 233 kW—291 kW der Durchmesser der Feuerbüchse (30) etwa 500—550 mm beträgt und für andere Leistungen proportional den Abmessungen der Brennermuffel vergrößert bzw. verkleinert ist.