DE2935754A1 - Brenner fuer die vergasung von staubfoermigen brennstoffen - Google Patents

Brenner fuer die vergasung von staubfoermigen brennstoffen

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Description

jnaohgereichtI
Ti-bel der Erfindung
Brenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Vergasung von staubf örmigen Brennstoffen unter Druck bis zu 5o bar mittels dem Braunkohlenstaub und ein Vergasungsmittel oder Vergasungsmittelgemiseh einem Reaktor zur Erzeugung von Druckvergasungsgas zugeführt werden kann.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die bisher bekannten Vorrichtungen zur voneinander getrennten Zuführung von staubf örmigen Brennstoffen und Vergasungsmittel in Vergasungeräume, allgemein Brenner genannt, haben zur Grundlage, daß der »taubförmige Brennstoff durch ein zentral im Brenner angeordnetes Rohr geführt wird. Um dieses Zentralrohr sind in der Regel konzentrisch ein oder mehrere Rohre so gelagert, daß sich. ringförmige Kanäle zwischen den Rohren bilden. Biese Kanäle dienen der Zufuhr eines oder mehrerer Vergasungsmittel oder von Vergasungsmittelgemischen in den Reaktionsraum. Das oder die Vergasungsmittel treten reaktionsraumseitig aus diesen Kanälen entweder aus ringförmigen Querschnitten oder aus Bohrungen aus, die meist ringförmig angeordnet die Kanäle abschließen und reagieren dann mit dem zentralen Staubstrahl»
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Die Zuführung von staubförmigen Brennstoffen, beispielsweise Braunkohlenstaub, in einem zentral im Brenner gelegenen Bohr mit kreisförmigem Querschnitt ist eine einfach zu realisierende lösung. Erfahrungsgemäß kann fluidisierter Braunkohlanstaub unter Beachtung staubspezifischer Bedingungen bei relativ hoher Dichte des Staubstrahles in einem technisch glatten und geraden Rohr mit gleichbleibender Querschnittsfläche relativ leicht transportiert werden. In bisher realisierten Versuchsanlagen (z.B. U.S. Bureau of Mines Morgentown) sowie in Patentvorschlägen (z.B. Offenlegungsschrift BRD 25 36 249, US-Pat. 27o2 744, DDR-Pato 12 79 o4) wird das Prinzip der zentralen Führung des Vergasungsstoffes im Brenner angewandt. Bin wesentlicher Mangel des zentralen Austritts des Vergasungsstoffes in den Reaktionsraum mit konzentrisch dazu verlaufender Vergasungsmittelzufuhr, beispielsweise Sauerstoff, liegt darin, daß sich durch den konzentrischen, ringförmigen Vergasungsmittelstrahl infolge Rezirkulation Gas aus dem Reaktionsraum mit dem Vergasungsmittel vermischen kann, wenn nicht der Vergasungsmittelstrom durch beispielsweise einen zusätzlichen Dampfschleier gegen das Rezirkulationsgas abgeschirmt wird. Dadurch wird ein Teil des zugeführten Sauerstoffs zur Oxydation brennbarer Rezirkulationsgase verbraucht. Bei der Staubdruekvergasung ist es jedoch vorteilhaft, den gesamten Vergasungssauerstoff der Reaktion mit dem Staub zuzuführen und unerwünschte Uebenreaktionen des Sauerstoffs aus Wirtschaftlichkeitsgründen der Sauerstoffbereitstellung auszuschalten·
Ein weiterer Mangel der Zuführung des gesamten zu vergasenden Kohlenstaube· in den Reaktionsraum in nur einem Rohr, das brenntechnisch aus Symmetriegründen zur Zentralrohranordnung führt, besteht darin, daß bei zeit-
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weiliger niclitkontinuierlicher Kohlenstaubzuführung die Betriebssicherheit der Anlage gemindert wird» Während im allgemeinen die Zufuhr der gasförmigen Vergasungsmittel in einem kontinuierlichen Strom sichergestellt ist j, können demgegenüber im Transport fluidisierter Stäube relativ leicht Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Dichte des Staubstroaies auftreten. Bei erheblichen Schwankungen im Kohlenstaubangebot am Austritt des Brenners sind Schädigungen des Brenners und des Re akt ions räume s nicht ausgeschlossen,, wenn das dadurch hervorgerufene Überangebot an Sauerstoff nicht sofort in der folge dieser Schwankungen durch Regelung abgebaut wird«,
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei der Druekvergasung von Braunkohlenstaub den spezifischen Sauerstoff·= bedarf zu senken,, die lualttions- und Betriebssicherheit eines Brenners zur Kohlenstaubdruckvergasung zu gewährleisten und zu erhöhen sowie den Raumbedarf für ICohlenstaubdruckvergasungsbrenner, insbesondere großer Leistungen möglichst gering au halten. Die notwendige An- zahl von Brennern soll in Abhängigkeit von der Anlagenleistung gering sein.
Darlegung des Wesens der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch zweckmäßige geometrische Gestaltung und Anordnung der kohlenstaub- und vergasungsmittelfülirenden Konstruktionsteile eines Brenners zur Kohlenstaubdruckvergasung eiae funktionsgerechte und sichere Betriebsweise des Brenners zu erreichen«, Dabei soll die Zuverlässigkeit der Staubsufuhr erhöht werden«, Der kompakte, träge Staubstrom muß bei Eintritt in den Realctionsraum aufgelöst "werden und sich gut mit dem Vergasungsmittel mischen, was insbesondere in allen lastbereichen des Brenners garantiert sein muß» Die Brennerkonstruktion muß die
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Möglichkeit einer Flammenkontrolle bieten und bei Ausfall eines Staubstromes eine solche symmetrische Flammenform gewährleisten, daß der Verbrennungs- bzw. Reaktionsraum nicht durch ungleichmäßige Temperaturverteilung zerstört bzw. der Betrieb nicht spürbar gestört wird.
- Es wurde gefunden, daß der Transport von in einem Trägergas fluidisiertem Kohlenstaub auch bei höchsten Staubbeladungen (bis 9oo kg Staub/nr Trägergas) ungehindert bei Profiländerungen des Strömungsquerschnittes verläuft, wenn folgende Bedingungen eingehalten werden:
• In jedem Abschnitt Δ L der gesamten Brenner länge L, in der sich das Profil des Staubströmungsquerschnitts ändert, ist die Querschnittsfläche gleich groß der Fläche der in den Brenner eintretenden Fläche der Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung (Figuren 2, 3, 4, 5).
• Die sich durch die Profiländerung ergebende Neigung einer den Staubströmungsquerschnitt begrenzenden Fläche oder Flächenteiles zur Strömungsachse darf 8° nicht überschreiten.
Es wurde weiterhin gefunden, daß eine Vergleiehmäßigung des Staufcforderstromes bei hohen Staubbeladungen durch eine Erweiterung des Querschnittes des senkrechten, fallenden Förderrohres vor dem Brenner bis zu 20 $> des bis dorthin verlaufenden Förderrohres erreicht wird» Die Länge des zu erweiternden Hohr ab schnitt es und die Größe der Querschnittserweiterung hängt von den Förderbedingungen in der gesamten Rohrleitung ab«
Der erfindungsgemäße Brenner besteht darin, daß der Kohlenstaub-Trägergasstrom aus zwei oder mehreren Kreisringen oder Kreisringabsohnitten, die konzentrisch zur Brennerachse und zum Zentralrohr für Vergasungsmittel angeordnet sind, senkrecht nach unten in den Reaktor
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eintritt. Das Vergasungsmittel (ζ»Β. Sauerstoff, Wasserdampf oder Sauerstoff/Dampfgemisch) tritt aus einem Zentralrohr und aus einem Außenring für Vergasungsmittel in den Reaktor ein. Das Vergasungsmittel aus einem dieser beiden Zuführungsräume strömt unter einem Winkel von mindestens 45 ° zur Achse des Staubstromes in Biohtung Staubstromj der zweite Vergasungsmittelstrom tritt axial, parallel zum Staubstrom aus» Der axiale, zum Staubstrom parallele Vergasungsmittelaustritt aus dem.Zentralrohr wird dann vorgenommen, wenn über das Zentralrohr für Vergasungsmittel eine optische oder thermoelektrische Flammenkontrolle vorgenommen werden soll (IPig. 1, 2, 4, 5). Das Kohlenstaub-Trägergasgemisch wird dem Brenner mittels zweier oder mehrerer Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen zugeführt und auf die gleiche Anzahl von Kreisringen oder Kreisringabschnitten aufgeteilt. Der Einlauf des Kohlenstaubes in die Kreisringe (£ig. 5) erfolgt etwa 45° gegen die Waagerechte schräg abwärts über Tangentialeinläufe, die flächengleich mit der Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung sind und einen stetigen Einlauf in den Ringspalt gewährleisten. Der Einlauf in die Kreisringabschnitte (Fig. 2, 3, 4) erfolgt über senkrechte Fallrohre, die im Brenner in flächengleiche Kreisringabschnitte übergehen. Einlaufrohre und Kreisringe bzw. Kreisringabschnitte besitzen erfindungsgemäß an allen Stellen gleichen Strömungsquerschnitt· Bei einem Brenner werden mindestens zwei Kreisringe konzentrisch (Mg. 5) bzw. mindestens drei 24o°-Kreisringabschnitte (Fig. 3, 4), die durch versetzte Anordnung ei* neu geschlossenen Doppelring ergeben, vorgesehen, um eine annähernd symmetrische Flamme bei Ausfall eines Staubstromes zu gewährleisten.
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-f.g.
Die Kohlenstaub- und Yergasungsmittelzuführungen schließen zweckmaßigerweise in der Ebene der Brennermündung ab. Durch diese mehrfachen und getrennten Staubströme wird die Gefahr eines Sauerstoffdurchbruches in die dem Reaktor folgenden Anlagenteile bei Störungen in der Staubzufuhr beseitigt bzw. zumindest erheblich vermindert.
Erfindungsgemäß bietet auch die unterschiedliche Anzahl der Staubströme die Möglichkeit einer variablen Betriebsweise und Vergrößerung der Regelbreite.
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Ausführungsbeispiele
1. Beispiels Figur 1 und 2
Über drei Kohlenstaub-Träger gas-Zuführungen 2 gleicher 3Pöraerhharakteristik gelangt das Kohlenstaub-Trägergas-Gemiseh mit einer Geschwindigkeit von 2 - 1o m/s in eine geringfügig erweiterte Rohrstrecke 6 und von dort zum Brennergehäuse 3· Im Brennergeliäuse 3 verändert sieb, der lörderrohrquerschnitt von Kreisform in einen Ireisringabschnitt !bei ständig gleichbleibendem !Flächeninhalt, wobei die !lachen senkrecht zur Strömungsachse betrachtet werden,, Die Kreisringabschnitt© besitzen je einen Ausschnittwinkel von oa, 12o°, so äaß durch, die drei Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen 2 ein geschlossener Kreisring mit Staub beaufschlagt wird und eine symmetrische ]?lammenform gewährleistet ist» Durch den Vergasungsmittelreglei1 5 und die MengeDiaeßeinrichtung 9 wird die erforderliche IFergasungsmittelmenge für das Zentralrohr 1 und für den Außenring 4 über die Hegelarmaturen 7 proportional eingestellt» Das Vergasungsmittel, das Geschwindigkeiten von ca. 15 bis 15o m/s erreicht, löst den Staubstrahl auf und sichert durch schräge Anströmung des Staubstromes eine intensive Vermischungβ Durch das Zentralrohr für Vergasungsmittel 1 kann mittels PlammeHkontrolleinriclitung 8 die I1Iamme überwacht und kontrolliert werden«
2. Beispiels Figur 1 und 5
über awei Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen 2 gleicher lördercharalcteristik gelangt das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 2 - 1o m/s in den schrägen Tangentiaistutsen Io des Brennergehäuses 3© Der Tangentialstutzen 1o stellt einen fläohengleicken Übergang vom kreisförmigen Sohr in einen rechteckigen Schlitz. dar, der in den Ringraum 2 des Brenners mündet· Der Ringraum besitzt die gleiche Querschnittsfläche wie die
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Kohlenstaub-Träger gas-Zuführung 2 und der Tangentialstutzen 1o. Der Tangentialstutzen 1o ist 4-5° zur Brennerachse geneigt»
Am Brennermund wird der Kohlenstaub-Trägergas-Strahl durch das Vergasungsmittel aus dem Außenring 4 und dem Zentralrohr 1 infolge der unterschiedlichen Anströmungsrichtungen und hohen Geschwindigkeiten zwischen 15 und 15o m/s aufgelöst. Dabei vermischen sich intensiv Kohlenstaub und Vergasungsmittel. Die ringförmige Staubzuführung gewährleistet eine völlig symmetrische Verbrennung. Sie bleibt auch bei Ausfall eines Brenners erhalten und ermöglicht ein Anfahren des Brenners mit unterschiedlicher Anzahl von Staubströmen. Die Vergasungsmittelregelung und Flammenkontrolle erfolgen wie im Beispiel 1β
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Claims (1)

  1. Erfindungsjansprüche
    Brenner für die Vergasung von staubfÖrmigen Brennstoffen, bestehend aus einem Zentralrohr sowie einem Außenring zux· Zuführung von Vergasungsmitteln und aus Staubzuführungs- sowie -Verteilungselementen zur Zuführung von Staub-Trägergas-Gemischen hoher Beladungen bis etwa 9oo kg Staub/nr Trägergas in. einen unter einem Druck bis 5o bar stehenden Reaktor9 gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen (2) mit kreisförmigem Stromungsquersehnitt im Brennergehäuse (3) in um das Zentralrohr für Vergasungsmittel 1 konzentrisch angeordnete Kreisringabscnnitte gleichen Durchmessers übergehen, die auf dem gesamten Wege der Profiländerung des Strömungsquerschnittes flächengleich mit der augehörigen Kohlenstaub-Trägergas»Zuführung (2) sind und die am Brennermund gemeinsam einen annähernd geschlossenen Kreisxing bilden, wodurch eine Vereinigung mehrerer Staubströme erfolgt und eine symmetrische, gleichmäßige Staubverteilung im Realrfcionsraum gewährleistet ist«,
    Brenner nach Punkt 1» gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Kohlenstaub-Trägergas-Zuführungen (2) in ein Brennergehäuse (3) einbinden, wobei jede Kohlenstaub -Trägergas -Zuführung (2) mit kreisförmigem Querschnitt in einen fläch.engleielien, rechteckigen Schlitz vor dem Brennergehäuse (3) übergeht, der stetig in einen, für jede Kolilenstaub-Trägergas-Zufükrung (2) separaten, sum Brenner axialen Hingraum tangential
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    ORIGINAL INSPECTED
    mündet, wobei die ITörderrohrquer schnitte, die Querschnitte dee Tangentialstutzens (1o) entlang des Strömungsweges und die axialen Ringräume flächengleich, sind und wobei jede Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung allein betrieben werden kann, so daß der Brenner eine große Regelbreite und Betriebssicherheit besitzt (Mg. 5).
    3« Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jedoch mindestens drei Kohlenstaub-Trägergas -Zuführungen (2) im Brennergehäuse (3) vom kreisförmigen Querschnitt in Kreisringabschnitte übergehen, die auf Kreisringen unterschiedlicher Durchmesser liegen, 2/n-fache Länge des zugehörigen ganzen Kreisringes besitzen und so versetzt zueinander angeordnet sind, daß zwei geschlossene Ringe für die Staubzuführung bestehen (3?ig. 3, 4) (n ... Anzahl der Eörderrohre)·
    4. Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der Anordnung der Vergasungsmittelzuführung als Zentralrohr (1) optische oder thermoelektrische Sonden zur Flammenkontrolle und Flammentemperaturmessung an oder in diesem Zentralrohr für Vergasungsmittel (1) angebracht sind (Pig. 1, 2, 4, 5).
    5· Vorrichtung nach Punkt 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Brenner die Kohlenstaub-Trägergas-Zuführung (2) eine senkrecht fallende Erweiterungs· strecke zur Vergleichmäßigung der Strömung vorgesehen wird, wobei die Erweiterung maximal 2o $> zum vorangehenden Rohrabschnitt betragen darf und diese Erweiterung innerhalb der Brennerelemente zu berücksichtigen ist.
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