DE2806363A1

DE2806363A1 - Verfahren zum zuenden einer kohlenstaubflamme und brenner zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2806363A1
Application number: DE19782806363
Authority: DE
Inventors: Martin Edward Smirlock; Donald Arthur Smith
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1977-02-18
Filing date: 1978-02-15
Publication date: 1978-08-24
Also published as: BR7800999A; FI780525A; SE433878B; SE7801871L; FR2381242B1; AU520507B2; FI62896C; NL7801829A; DE2806363C2; GB1588078A; CA1086146A; IT7820353A0; ES467075A1; NL174871C; FI62896B; IT1092756B; FR2381242A1; AU3362978A

Description

DIPL-ING. II. MARSCH 4ooo Düsseldorf i.

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*\, POSTFACH 140208

PATENTANWÄLTE * «^ TELEFON (0211) 07 22 40

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Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., looo Prospect Hill Road, Windsor, Connecticut o6o95, USA

betrifft:

"Verfahren zum Zünden einer Kohlenstaubflamme und Brenner zur Durchführung des Verfahrens"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zünden einer Kohlenstaubflamme und auf einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und der Brenner sind insbesondere bestimmt und geeignet für kohlengefeuerte Kessel von Dampferzeugern. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die erstmalige Zündung der Flamme beim Anfahren eines solchen Kessels.

Aus Gründen der Kosten und der zur Verfügung stehenden Reserven wird es immer wünschenswerter, anstelle von Erdgas oder Erdöl in Stromerzeugungsanlagen Kohle zu verfeuern. Die gegenwärtig verwendeten kohlegeheiztenDampferzeuger verwenden flüssige und gasförmige Brennstoffe, sowohl für die Zündung als auch für die Flammenstabilisierung bei Teillastbetrieb. Die erforderliche Menge dieser Hilfsbrennstoffe ist erheblich. Es besteht demgemäß ein Bedürfnis für Verfahren

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und Vorrichtungen, mit denen die Menge von Hilfsbrennstoffen bei der Kohlenstaub-Kesselfeuerung verringert wird.

Aufgabe der Erfindimg ist es, ein Verfahren für die direkte
Zündung eines Stromes von Kohlenstaub und Luft, die einem
Brenner zugeführt werden, zu schaffen, und den Brenner entsprechend auszubilden.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1, während die Ansprüche 2-5 Weiterbildungen des Verfahrens und Anspruch 6 einen entsprechend ausgebildeten Brenner definieren. Gemäß der Erfindung werden Luft und Kohlenstaub in einen Verbrennungsraum in Form eines Brennstoffstromes eingeführt, wobei das Gewichtsverhältnis der Transportluft zu der Kohle
kleiner ist als l,o, vorzugsweise kleiner ist als o,5. Eine
Quelle hinreichend hoher Energie zum Erhitzen der Reaktionsteilnehmer bis zur Zündtemperatur wird in dem Kohlenstaub-Luftgemisch in Betrieb genommen, wobei die Zündung des Gemisches erfolgt. Die Zündenergiequelle kann beispielsweise
eine elektrische Zündkerze sein. Das entzündete Gemisch befindet sich innerhalb eines Rezirkulationsbereiches oder
Ruckströrobereiches.derart, daß die heißen Verbrennungsprodukte zurück in Richtung auf den Injektionspunkt des Kohlenstaub-Luftgemisches rezirkuliert werden, um so die termische Energie zu konzentrieren, die freigesetzt wird, und eine
sich selbst erhaltende Flamme zu schaffen. Die Rezirkulation wird bewirkt durch einen Strom von Sekundärluft. Im Interesse einer sicheren Zündung wird zusätzlich zur Steuerung oder
Regelung des Luftkohlenstaub-Gemischverhältnisses stromaufwärts des Verbrennungsraumes die Geschwindigkeit des Kohlenstaub-Luftgemisches verändert gemäß dem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen und dem Vermahlungsgrad der Kohle; die Kohlenstaub-Luftgemischinjektions-Geschwindigkeit liegt dann unter 5o m pro Sekunde, und vorzugsweise im Bereich zwischen 2o
und 25 m pro Sekunde. In einigen Fällen wird die Zuschaltung der Sekundärluftströmung, welche die Rezirkulation der heißen Verbrennungsprodukte zurück zu dem Kohlenstaub-Luftinjektionspunkt bewirkt, verzögert; dies trifft insbesondere in dem Fall

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zu, daß Zündfunken hoher Energie Anwendung finden„ Gemäß der Erfindung trägt die Sekundärluft nur mit etwa 15 % zu der stoichiometrisch erforderlichen Verbrennungsluft bei«

An dem Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellen.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Lichtbogen zündbaren Kohlenstaubbrenner, der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung zündbar ist.

Fig. 2 ist eine schematisierte Schnittdarstellung eines Kohlenstaubzufuhrsystems für den Brenner nach Fig. 1 und

Fig. 3 ist eine Frontansicht des Zufuhrsystems nach Fig. 2.

Die in den ZEichnungen dargestellte Brenneranordnung ist repräsentativ für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei dem ein Strom von Kohlenstaub und Luft direkt gezündet wird, ohne daß merkbare Mengen an Öl oder Erdgas für die Zündung verwendet würden. Die Erfindung beruht auf dem Vorhandensein eines dichtfasigen Kohleluftgemisches, bei dem das Gewichtsverhältnis der transportierenden Luft und der Kohle, gemessen in einer Austragleitung stromaufwärts einer Verbrennungszone l,o oder niedriger ist. Die Zündenergiequelle ist so angeordnet, daß sie sich entweder in dem strömenden Luftkohlestaubgemisch in der Verbrennungszone befindet, oder in diese einführbar ist. Die Energie, die auf das Luftkohlenstaubgemisch durch die Zündenergiequelle übertragen wird, entzündet die Kohlepartikel. Unter der Annahme, daß die Zündenergiequelle einen starken elektrischen Lichtbogen umfaßt, wobei der Zünder pulsierend betrieben wird, entsteht eine Serie von Flammentaschen.

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Die Lehre der Erfindung umfaßt ferner den Aufbau einer Sekundärluftströmung zur Verbrennungszone durch die Sekundärluftregister des Brenners. Die Brennersekundär-Luftregister sind in an sich bekannter Weise so ausgelegt, daß sich ein Bereich rezirkulierender Luft und Verbrennungsprodukte (heiße Gase) ergibt, wobei die Taschen von verbrennender Kohle zurück in Richtung auf den Punkt der ursprünglichen Kohlenstaubinjektion geführt werden und die Energie in dem Rezirkulationsbereich zunimmt, bis die Flamme sich selbst unterhält.

Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wurde erfolgreich eingesetzt unter Verwendung eines mit hoher Energie betriebenen elektrischen Lichtbogens als Zündenergiequelle. Die Zündenergiequelle kann aber auch ein Widerstandsheizkörper sein oder mehrere solcher Heizkörper oder eine kohlenwasserstoffgefeuerte Pilotflamme, mit minimalem Energieverbrauch. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach Feststellung, daß tatsächlich eine Flamme gebildet worden ist, der Zünder aus dem Flammenbereich zurückgezogen. Wenn ein starker Lichtbogen die Zündenergie liefert, wird die Strömung der Sekundärluft verzögert, bis das Vorliegen einer Flamme verifiziert worden ist.

Fig. 1 zeigt einen Brenner zur Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Eine Kohlenstaubleitung 16 führt pneumatisch die Kohle in die Zündzone des Brenners. In der Darstellung nach Fig. 1 ist demgemäß das linke Ende des Kohlenstaubrohres 16 in Kommunikation mit dem Kohleförderer nach Fig. 2 und 3, während das rechte Ende der Kohlenstaubzuleitung 16 in einen hohlkonischen Diffusor ausläuft, der von der Kohlenstaubleitung 16 mittels Stützen 21 getragen wird. Ein Zünder wird unmittelbar stromabwärts der Mündung der Kohlenstaubleitung 16 positioniert. In der dargestellten Ausführungsform des Zünders 23 tritt dieser durch die Seite des Brenners ein. Er umfaßt einen Hochenergiefunkenzünder, ähnlich der Bauart, die gegenwärtig für die Zündung von Ölbrenner verwendet wird. Es ist festzuhalten,

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daß jede SSunaenergieguelle,mittels der hinreichend viel Energie zum Erhitzen der Reaktionateilnehmer bis zu deren Zündung übertragen werden kann, hier zum Einsatz gelangen kann» Demgemäß könnten ein Widerstandsheizer oder kleiner Pilotbrennerj. der mit Erdgas gefeuert wird, anstelle des Starkfunkenzünders verwendet vier den* Der Starkfunkenzünder ist jedoch bevorzugt wegen seiner Zuverlässigkeit und Steuerbarkeit. Der Zünder 23 ist, wie in Fig„ 1 angedeutet, typischerweise zurückziehbar montiert, so daß er aus der Verbrennungszone in einen Schutzbereich verbracht werden kann, nachdem die Kohle gezündet worden ist.

Der Brenner umfaßt ferner eine Sekundärluftzuleitung 2o, die σο-axial zur Kohlenstaubzuleitung 16 angeordnet ist» Die Sekundärluftzuleitung 2o kommuniziert mit einer Luftkammer 14, die typischerweise zylindrisch ist und etwas größeren Durchmesser aufweist als die Zuleitung 2o selbst. Die Luftkammer 14 enthält eine Mehrzahl von Flügeln oder Schaufeln 12„ Die Flügel 12 sind so angeordnet, daß auf die in Leitung 2o aus Kammer 14 eintretende Luft ein Drall übertragen xiird» Eine Lufteinlaßleitung Io führt zur Luftkammer 14. von einer (nicht dargestellten) Druckluftquelle„ Die Sekundärluftzuleitung 2o mündet in einen mit feuerfestem Material ausgekleideten Wirbler 24, der eine divergierende Düse begrenzt. In einer in der Praxis erprobten Ausfuhrungsform hatte die Kohlenstaubsuleitung 16 einen Innendurchmesser von 2,5 cm, die Sekundärluftsuleitung 2o hatte einen Innendurchmesser von 15 cm und der Wirbler 24 hatte am offenen Ende einen Durchmesser von 27,5 cm bei einem Divergenzwinkel von 35°.

Die gemeinsam erläuterten Figuren 2 und 3 zeigen ein Kohlenstaubfördersystem für die Speisung eines Kohlenstaubluftgemisches zur Kohlenstaubzufuhrleitung 16. DasEufuhrsystem umfaßt einen Kohlenstaubtrichter 14, der in an sich bekannter Weiser gespeist werden kann. Vorzugsweise sollte der Trichter 4o eine hinreichende GröSe haben, um den Brenner während der gesamten Änfahrperiode des Ofens„in welchem der Brenner

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wendet wird, zu speisen. Der Trichter 4o kommuniziert mit einem gravimetrischen Förderer 43. Der Förderer 43 besteht aus einem Zuführer 42 mit variabler Geschwindigkeit, einem gewichtsempfindlichen Förderband 44 und zugeordneten Steuerschaltkreisen, die nicht dargestellt sind. Die Drehzahl des Zuführers 42 bestimmt die Menge Kohle, die auf das gewichtempfindliche Förderband 44 fallen darf und das Gewicht, erfaßt durch das gewichtsempfindliche Förderband 44, regelt die Drehzahl. Der gravimetrische Zuführer 43 führt Kohle in einen umlaufenden Luftfallenzuführer 46 mit einer konstanten Durchsatzmenge.

Der umlaufende Luftfallenförderer 46 ist eine zylindrische Kammer mit Flügen 47, die annähernd luftdicht innerhalb der Kammer umlaufen. Am Boden der Käänmer befinden sich eine Einlaßöffnung 48 und ein Auslaß 49. Die Einpassung der Flüge 47 ist so gewählt, daß beinaher-kein freier Luftdurchlaß zwischen den öffnungen 48 oder 49 und dem Zuführer 43 vorliegt. Demgemäß kann ein in der öffnung 48 eintretender Luftstrom nach außen durch Öffnung 49 strömen,ohne in den gravimetrischen Förderer 43 abgelenkt zu werden. Der Umlauf der Flüge 47 trägt pulverisierte oder staubförmige Kohle, die auf die Flüge 47 vom gravimetrischen Förderer 43 aufgegeben worden sind, in die Luftströmungsstrecke zwischen den Öffnungen 48 und 49. Druckluft wird dem Förderer 46 mittels einer entsprechenden Druckluftquelle 5o mit geregeltem Durchsatz zugeführt, so daß ein Kohlenstaubluftgemisch mit vorgegebenem Luft zu Kohle Gewichtsverhältnis durch die Leitung 16 dem Brenner zugeführt wird. Gemäß der Erfindung hat das Kohlenstaubluftgemisch gemessen in Leitung 16 ein Luft/Kohle-Gewichtsverhältnis von l,o oder niedriger, vorzugsweise o,5 oder niedriger.

In einer in der Praxis erprobten Ausführungsform, bei der unterbituminöse Kohle vom Typ C zu einer Korngröße vermählen worden war, bei der 7o % des Materials kleiner als o,o75 mm waren, betrug der obere Grenzwert des Kohle zu Luft Gewichtsverhältnisses l,o. Das optimale Luft/Kohle-Gewichtverhältnis

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ändert sich in Abhängigkeit vom Typ der Kohle«

Um den Brenner nach Fig« 1 zu betreiben, wird der Zünder in die eingeführte Position bewegt und in Betrieb gesetzt» Bei Verwendung eines Funkenzünders, der Funken mit einem Energiekontakt von etwa 25 Joule erzeugt,, welche jeweils etwa Io Mikrosekunden dauern, und unter Verwendung einer Folgefrequenz von Io Hertz, ergab sich ein brauchbares Zündverhalten „ Der Kompressor 5o wird in Betrieb genommen, wenn die Zündeinrichtung zu arbeiten begonnen hat und auch der gravimetrische Förderer 43 wird gestar.üät. Die durch den umlaufenden Luftfallenförderer 46 strömende Druckluft nimmt zugemessene Mengen an Kohlenstaub mit und trägt sie durch die Kohlenstaubzuleitung 16 und den hohlkegeligen Diffusor 22. Zwar ist es möglich,, den Brenner nach Fig» 1 ohne den hohlkegeligen Diffusor 22 zu betreiben _Q doch wird es als wünschenswert angesehen, diesen Diffusor 22 vorzusehen, um einen geringen Anteil an Rezirkulation während der Zündstufe des Betriebes einzuführen«, Das Kohleluftgemisch, das in die Nachbarschaft des Zünders 23 gebracht worden ist, wird gezündet durch die Energie, die vom Zünder übertragen wird, und die resultierende Flamme breitet sich durch die Kohle aus» Im Ergebnis findet die Zündung statte und eine relativ unstetige Flamme existiert am Auslaß des Brenners„ An diesem Punkt stellt ein Beobachter 26 oder ein automatisches Flammenerfassungssystem fest, daß die Zündung stattgefunden hat,, und nimmt die Sekundärluftströmung (Umgebungsluft oder vorgewärmte Luft) durch die Sekundärluft-Einlaßleitung Io in Betrieb« Die Flügel 12 führen eine Drehung in diese Luftströmung ein, was zu einem spiraligen oder mit Drall beKafteten Strom von Luft führt, der längs Leitung 2o und durch den Wirbler 24 strömt« Der Wirbler 24 ist eine divergierende Düse, welche den Rezirkulationseffekt unterstützt, der von Natur aus eintritt in Folge der divergierenden Luftströmung« Der Drallstrom der Luft umhüllt die Verbrennungszone ,und im Ergebnis werden die heißen Verbrennungsprodukte zurück in den Bereich getragen, wo frische Kohle injiziert wird« Der beobachtbare Effekt dieser Rezirkulation besteht darin, daß die Flamme stabilisiert wird, und die Stabilität

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der Flamme ist derart, daß der Zünder 23 ausgeschaltet und zurückgezogen werden kann. In dieser Position ist der Zünder 23 geschützt und bleibt so gegen Beschädigungen infolge der intensiven Hitze der Verbrennung abgeschirmt. Es wird angenommen, daß die direkte Zündung von Kohlenstaub, gemäß der Erfindung erfolgreich ist, weil sie angemessene Bedingungen für die Ausbreitung der Flamme innerhalb des strömenden Kohlenstaubstromes liefert, nachdem der Zünder die Zündung einiger Kohlepartikel bewirkt hat; über einem Gewichtsverhältnis Luft/ Kohle von etwa l,o ist die Ausbreitung der Flamme ohne vorgewärmte Luft schwierig, und eine direkte Zündung von Kohlenstaub durch einen Funkenzünder arbeitet unbefriedigend. Beim Vorwärmen eines Ofens steht vorgewärmte Luft nicht zur Verfügung und kann nur erzeugt werden auf Kosten einer erheblichen Menge an Energie und/oder flüssigem oder gasförmigen Brennstoff. Kombiniert mit dem Vorsehen von richtigen Bedingungen für die Ausbreitung der Flamme, ist das Vorsehen einer Rezirkulationszone, die zum Stabilisieren der sich bildenden Kohleverbrennungsflamme beiträgt. Die Rezirkulation führt dazu, daß heiße Verbrennungsprodukte zurück in die Verbrennungszone gesogen werden, mit der Folge, daß die Flamme sich mit ihrer eigenen Zündenergie versorgt. Aber selbst wenn die Gründe für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Verfahrens noch weiter aufzuklären wären, wird doch eine Lehre geliefert für die direkte Zündung eines strömenden Kohlenstaub-Luftgemisches, da alle notwendigen und hinreichenden Angaben vorliegen.

Der Brenner nach Fig. 1 kann verwendet werden als ein Vorwärmbrenner für Kesselfeuerungen. Bei Kesselfeuerungen ist es notwendig, daß der Kessel auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden kann bis konventionelle Kohlebrenner richtig arbeiten können. Die Brenner gemäß der Erfindung können verwendet werden, um den Ofen bis zu einer hinreichend hohen Temperatur für stabile Verbrennung in konventionellen Brennern zu bringen. Das Verfahren kann aber auch verwendet werden, um neben der Zündung auch eine Stabilisierung bei niedriger Last des Kessels herbeizuführen.

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Claims

DIPIi.-ING. H. MARSCH 4ooo Düsseldorf ι.

DIPL.-ING. K. SPARING mwdbmannstrassb si

POSTFACH ItOSOS PATENTANWÄLTE TELEFON (02 H) 67 22 46

Combustion Engineering, Inc.

looo Prospect Hill Road,

Windsor, Connecticut o6o95

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Patentansprüche

I)) Verfahren zum Zünden und Aufrechterhalten der Verbrennung von Kohlenstaub in einem nicht vorgewärten Verbrennungsraum, bei welchem Verfahren in dem Verbrennungsraum ein Brennstoffstrom eingeführt wird, der im wesentlichen aus einem Gemisch von Kohlenstaub und Luft besteht und bei dem Energie auf das Gemisch im Verbrennungsraum übertragen wird, um die Kohle in dem Gemisch zu entzünden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch vor der Einführung in den Verbrennungsraum ein Luft/Kohle-Gewichtsverhältnis unter etwa l,o aufweist und daß man heiße Verbrennungsprodukte zurück in Richtung auf den Einführungspunkt des Brennstoffstromes in den Verbrennungsraum rezirkulieren läßt, wobei die Verbrennungsprodukte zu der Zündenergie im Verbrennungsraum beitragen.
2) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulation durch Einführen einer Sekundärluftströmung im wesentlichen co-axial zur Brennstoffströmung bewirkt wird und daß ein Rotationsmoment auf den Sekundärluftstrom übertragen wird zur Erzeugung einer Dralleströmung, die den Brennstroffstrom im Bereich der Zündenergieübertragung umhüllt.
3) Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Entstehung einer Flamme im Verbrennungsraum verifiziert wird und erst danach die Sekundärluftströmung eingeleitet wird.

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4) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergieübertragung durch eine intermekirende Folge elektrischer Entladungen erfolgt.
5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Kohle-Gewichtsverhältnis des Brennstoff stromes auf unter o,5 eingestellt wird.
6) Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5 gekennzeichnet durch eine Zufuhrleitung

(16) für das Kohlenstaub-Luftgemisch, die nahe ihrer Mündung einen hohlkegeligen Diffusor (22) aufweist, daß co-axial zu der Zuleitung (16) eine Sekundärluftleitung (2o) mit einem divergierenden Mündungsabschnitt (24) vorgesehen ist, der den Verbrennungsraum nach außen begrenzt, und daß in einer Sekundärluftzuleitung (lo) eine Wirbelkammer mit Fügen (12) zum Einführen des Dralls in die Sekundärluftströmung vorgesehen ist.

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