DE3015798C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Ver­ brennung von vorzugsweise flüssigen und gasförmigen Brenn­ stoffen in einer Wirbelschicht zum Zwecke der Beheizung, wobei das zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes dienen­ de Medium durch die Verbrennung des Brennstoffes mit dem Sauerstoffträger erzeugt wird.

In Erweiterung ihrer Funktion kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise auch zum Versprühen eines flüs­ sigen Mediums in der Wirbelschicht eingesetzt werden.

Zur direkten Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brenn­ stoffe in einer Wirbelschicht sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, die aus einer Vielzahl, gleichmäßig über den Re­ aktorquerschnitt verteilter ein- oder zweikanaliger Zufüh­ rungseinrichtungen mit vertikalem oder horizontalem Aus­ tritt des Brennstoff-Luftgemisches in die Wirbelschicht bestehen. Die einkanaligen Zuführungseinrichtungen wurden ausschließlich für die Zuführung gasförmiger Brennstoffe entwickelt. Gas und Luft werden in nebeneinander angeordne­ ten Rohren (Kanälen) der Wirbelschicht zugeführt. Nach vorzugsweise horizontalem Austritt von Luft und Gas erfolgt die Vermischung und Verbrennung (DD 62 921; DD 1 13 622). Die Vermischungsintensität dieser Zuführungsmethode ist ausrei­ chend, um Gas und Luft so zu vermischen, daß mit einem aus mehreren Zuführungselementen bestehenden sog. Brennerrost Verbrennungsleistungen von ca. 15 bis 25 · 10⁶ kJm³ Wir­ belschicht erzielt werden können.

Für flüssige Brennstoffe sind einkanalige Zuführungsein­ richtungen wenig oder bestenfalls als Zuführungsmethode für Zusatzbrennstoff geeignet. Infolge mangelhafter Vermischung können keine selbständig brennenden Flammen erzeugt werden. Es gelingt bestenfalls ein Aufsprühen des flüssigen Brenn­ stoffes auf die festen Beschickungsteilchen, von denen er dann abbrennt.

Zweikanalige Zuführungseinrichtungen sind sowohl für gas­ förmige als auch für flüssige Brennstoffe bekannt. Gas und Luft werden in ineinander angeordneten Rohren (Kanälen) in die Wirbelschicht geleitet, wobei Luft und Gas wahlweise im inneren oder im äußeren Rohr der Wirbelschicht zugeführt werden. Die Vermischung der Medien erfolgt unmittelbar vor, unmittelbar nach oder bei Austritt in die Wirbelschicht, der vertikal, horizontal oder in anderer Richtung erfolgt (DD 1 16 300, OS 19 06 895). Der Vorteil der zweikanaligen Zuführungsvorrichtungen besteht gegenüber den einkanaligen in einer erhöhten Vermischungsintensität von Brennstoff und Luft. Sie erreicht bei gasförmigen Brennstoffen Werte, die über den technisch erforderlichen Maximalanforderungen liegen (50 . . . 80 · 10⁶ kJ/m³ Wirbelschicht). Demgegenüber entsprechen die für flüssige Brennstoffe bekannten Lösungs­ vorschläge nicht überdurchschnittlichen Anforderungen.

So sieht z. B. eine in der OS 19 06 895 beschriebene zweikana­ lige Ausführungsform vor, daß der flüssige Brennstoff im Außenkanal durch vertikal in der ihn verschließenden Deck­ platte angeordnete Öffnungen austritt und von der Ver­ brennungsluft zerstäubt wird. Diese tritt horizontal aus entsprechend über den Ölaustrittsöffnungen angeordneten Öffnungen ein. Die Verschlußplatte des Außenrohres bildet mit der Verschlußplatte des Außenrohres einen waagerechten oder nach unten geneigten Ringkanal, durch den das Luft- Brennstoff-Gemisch in die Wirbelschicht strömt. Von jedem Öffnungspaar geht eine flächenförmige Flamme aus. Aufgrund des Abstandes der Bohrungspaare ist es nicht möglich, rund um die gesamte Zuführungseinrichtung eine zusammenhängende kreisflächenförmige Flamme zu erzeugen. Sie ist durch flam­ menfreie Zonen, die die Verbrennungsleistung mindern, un­ terbrochen. Außerdem ist die Brennstoffzuführung im Außen­ kanal nur bei Kühlung möglich. Im Ausführungsbeispiel würde es aufgrund fehlender Kühlung zur Abspaltung von Kohlen­ stoff aus dem flüssigen Brennstoff und damit zur Ver­ stopfung des Kanals und der Austrittsöffnungen kommen.

Im zweiten Ausführungsbeispiel der OS 19 06 895 wird der Brennstoff im Innen- und die Luft, die gleichzeitig zur Kühlung des Brennstoffes dient, im Außenkanal zugeführt. Der Innenkanal endet bereits vor der Verschlußhaube des Außenkanals, die mit drei Haltestegen am Außenrohr befe­ stigt ist. Die Verschlußhaube ist so ausgebildet, daß unter ihr, d. h. noch im Luftkanal die Vermischung des Brennstof­ fes mit der Luft erfolgt und durch den von der Haube und den Außenrohr gebildeten waagerechten Austrittskanal waage­ recht in die Wirbelschicht eintritt und eine fächerförmige, durch drei Haltestege der Verschlußhaube dreigeteilte Flamme bildet, deren Fläche nur etwa 60 bis 70% der gesam­ ten Kreisfläche beträgt, die bei nicht vorhandenen Stegen entstehen könnte. Zwischen den flächenförmigen Flammen entstehen tote, flammenfreie Zonen, die die Verbrennungs­ leistung herabsetzen. Schwierigkeiten bereitet außerdem eine nach allen Seiten gleichmäßige Verteilung des Brenn­ stoffes, die nur bei exakter Zentrierung des Brennstoffroh­ res gewährleistet ist. Die konstruktive Gestaltung dieser Variante kompliziert sich mit Erhöhung der Zahl der Zu­ führungselemente, d. h. Größe der Rostfläche eines Wirbel­ schichtofens. Ein weiterer Nachteil einer nicht ausreichen­ den Brennstoff-Luft-Vermischung ist eine geringe An­ passungsfähigkeit des Brennersystems an einen möglichst weiten Bereich des Luftüberschusses und an die Stabilität der Flamme bei Inbetriebnahme des Ofens. Die Intensität der Durchmischung muß so gestaltet sein, daß bei Inbetriebnahme des Ofens der Bettinhalt kalt auf den Brennerrost aufgege­ ben werden kann, ohne daß es zum Verlöschen der Flamme kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in der Wirbelschicht ohne flamm­ freie Zone ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Mischraum mit einem feuerfesten Schutzmantel versehen ist, in seiner äußeren Begrenzung aus einem Mischkopf und in seiner inneren Begrenzung aus einem mit einem Brennstoff­ leitrohr verbundenen Düsenstock gebildet wird,
daß ein oder mehrere Turbulatoren mit gleich- oder gegenge­ richteter Flügelstellung vor und/oder nach den Brennstoff­ austrittsdüsen oder einem Brennstoffaustrittsspalt im Kanal für das Trägergas und/oder im Mischraum angeordnet sind, und
daß der allseitig freie Gasaustrittsspalt in seiner oberen Begrenzung von einem, mit dem Düsenstock verbundenen Lanzenkopf und in seiner unteren Begrenzung von der Ober­ kante des Mischkopfes gebildet wird.

Der Austritt des Brennstoffes in den äußeren Luftkanal erfolgt durch seitliche Brennstoffaustrittsdüsen im Düsen­ stock, die waagerecht oder geneigt angeordnet sind. An­ stelle der Düsenbohrungen kann erfindungsgemäß ein ringför­ miger Brennstoffaustrittsspalt vorgesehen werden.

Die Vermischung mit der Verbrennungsluft erfolgt im Misch­ raum, dessen Strömungsführung durch die Ausbildung des Mischkopfes in Form eines Diffusors, strömungsgünstig ge­ staltet ist. Danach erfolgt der Austritt des brennfreudigen Gemisches in die Wirbelschicht, wobei die kinetische Ener­ gie des Brennstoffes und des Sauerstoffträgers in der Mischungsebene gleich sein sollen.

Der Vermischungseffekt kann noch dadurch intensiviert wer­ den und dadurch ein absolut homogenes Luft-Brennstoff- Gemisch erzielt werden, daß im äußeren Luftkanal entspre­ chend der gewünschten Vermischungsintensität ein oder meh­ rere Turbulatoren vor und/oder nach dem Brennstoffeintritt angeordnet werden. Besonders intensiviert werden kann die Vermischung durch gegenläufige Flügelstellung der Turbula­ toren.

Das Flammenbild dieser Vorrichtung entspricht einer ge­ schlossenen Kreisfläche, die unmittelbar am Brennstoffge­ mischaustrittsspalt beginnt. Aufgrund der intensiven Durch­ mischung arbeitet der Brenner in einem breiten Luftver­ hältnisbereich mit stabiler Flamme. Die Stabilität der Flamme ist so ausgeprägt, daß bei Inbetriebnahme des Wir­ belschichtofens nach erfolgter Zündung des Brennerrostes und kurzer Aufheizzeit der kalte Feststoff rasch in den Reaktor beschickt werden kann, ohne daß es zum Flammenabriß kommt. Die entstehende Wirbelschicht kann innerhalb weniger Minuten auf Solltemperatur erhitzt werden. Bei Wirbel­ schichttemperaturen oberhalb 800 bis 850°C können beliebige Luftüberschußzahlen gefahren werden. Zur Anpassung des Brenners an unterschiedliche Fluidisierungsbedingungen (z. B. Mediumsgeschwindigkeit) ist der am Düsenstock befe­ stigte Lanzenkopf höhenverstellbar. Dadurch verändert sich die Fläche des Brennstoffgemischaustrittsspaltes und damit die freie Rostfläche.

Eine weitere Beeinflussung der Durchmischungsbedingungen ist durch die Anordnung der Düsenbohrungen an einer belie­ bigen Stelle des Querschnittes des als Diffusor ausgebilde­ ten Mischkopfes gegeben. Ist eine weniger intensive Ver­ mischung erforderlich, so erfolgt der Brennstoffeintritt über dem kleinsten freien Querschnitt des Mischkopfes. Wenn optimale Mischungsbedingungen gefordert werden, muß der Brennstoffeintritt im Bereich des kleinsten Querschnitts erfolgen.

Der Mischkopf ist zur Intensivierung der Vormischung wei­ terhin so gestaltet, daß eine spontane Querschnittsvermin­ derung am Übergang des Luftkanals zum Mischkopf erfolgt, die dabei entstehenden Wirbel intensivieren die Vermischung gleichfalls.

Mit dieser erfindungsgemäß vorgesehenen Anordnung ist die Verbrennungsvorrichtung in einem breiten Leistungsbereich (ca. 15 . . . 80 · 10⁶ kJ/m³ Wirbelschicht) einsetzbar. Durch die vorgesehene Möglichkeit, den diffusorartig ausgebilde­ ten Mischkopf auszuwechseln und ihn durch einen Mischkopf mit größerem oder kleinerem freien Querschnitt zu ersetzen, kann die Vorrichtung jeder Brennstoffqualität angepaßt werden. Desgleichen kann damit die Durchsatzmenge und Strö­ mungsgeschwindigkeit des Sauerstoffträgers in einem weiten Bereich variiert werden.

Durch die zwangsläufige Verbindung der Brennstoffzuführung mit Düsenstock und Lanzenkopf vereinfacht sich die kon­ struktive Ausführung eines aus vielen Einzelbrennern be­ stehenden Wirbelschichtbrennerrostes, da hierbei die Probleme einer exakten Zentrierung der Vorrichtung entfal­ len.

Um eine vorzeitige Entzündung des Brennstoffgemischs zu verhindern, ist der Lanzenkopf so gestaltet, daß eine merk­ liche Aufheizung durch die Flamme nicht erfolgen kann. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß über dem Lanzen­ kopf lose auf einem Metallstift ein kegel- oder kugelförmi­ ger Körper angebracht ist, der als Hitzeschild für den Lanzenkopf dient und gleichzeitig die Funktion eines Abwei­ sers für die in der Wirbelschicht zirkulierenden Fest­ stoffpartikel übernimmt. Die gelenkige Aufhängung des Kör­ pers verhindert außerdem die Übertragung von Wärmespan­ nungen auf Lanzenkopf und Düsenstock. Darüber hinaus befin­ det sich im Lanzenkopf eine ringförmige Ausdehnung, die als isolierender Raum den Wärmedurchgang vermindert.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen zweikanaligen Zuführung im vertikalen Schnitt schematisch dargestellt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus Luftleitrohr 3, das den Luftkanal 2 umschließt und gleichzeitig als Halteelemente dient.

Zentrisch angeordnet tritt das Brennstoffleitrohr 14 ein, auf dem höhenverstellbar der Düsenstock 10 mit dem auf ihm angebrachten Lanzenkopf 15 angeordnet ist.

Auf dem Lanzenkopf 15 ist der kugel- oder kegelförmig aus­ gebildete Hitzeschild 16 gelenkig befestigt.

Das Luftleitrohr 3 dient als Halterung für den aufsitzenden auswechselbar gestalteten Mischkopf 9. Durch Justierung der Schraubverbindung 13 läßt sich die lichte Weite des Brenn­ stoffgemischaustrittsspaltes 12 auf jeden gewünschten Wert im vorzugsweisen Bereich von 0,3 - 10 mm einstellen. Damit ist gewährleistet, daß ein allseitig freier Brennstoffge­ mischaustrittsspalt 12 vorhanden ist. Durch Formgebung der Begrenzungsflächen sowohl des Lanzenkopfes 15 als auch des Mischkopfes 9 kann die Austrittsrichtung des Brennstoffge­ misches geneigt, steigend oder horizontal vorbestimmt werden. Die Brennstoffaustrittsdüsen 7 sind im Düsenstock 10 ange­ bracht und münden in ihrer Austrittsrichtung in einem Win­ kel von vorzugsweise 15 bis 45° nach unten oder oben bezo­ gen auf die Horizontale in den Mischraum 5.

Die Brennstoffaustrittsdüsen 7 können im Düsenstock 10 vor, zwischen oder nach den am Düsenstock 10 angebrachten Turbu­ latoren 8 angeordnet werden.

Das Luftleitrohr 3 ist mit der Luftkammer 1 fest oder lösbar verbunden.

Desgleichen ist die zentral angebrachte Brennstoffzuführung 4 mit der Brennstoffkammer 6 fest oder lösbar angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in bekannter Weise mit einem Schutzmantel 11 aus keramischem Werkstoff ver­ sehen.

Der Sauerstoffträger wird der Luftkammer 1 zugeführt und zwar mit einem von den jeweiligen Erfordernissen abhängigen Druck. Er gelangt von hier in den Luftkanal 2, der nach außen durch das Luftleitrohr 3 begrenzt wird, von hier aus strömt er entsprechend den gewählten Bedingungen hinsicht­ lich Volumen und Druck in den im Mischkopf 9 befindlichen Mischraum 5.

Die Zuführung des Brennstoffes erfolgt über die Brennstoff­ kammer 6 oder über ein zugeordnetes Rohrsystem in die Brennstoffzuführung 4, von dort zum Düsenstock 1 und tritt durch horizontale oder zur Horizontalachse winklig ange­ ordnete Brennstoffaustrittsdüsen 7 in den Mischraum 5 ein. Der Vermischungseffekt kann durch Einbau von Turbulatoren 8 sowie ihre Zahl und die Geometrie der Anordnung weitest­ gehend beeinflußt und gesteuert werden. Eine weitere Korrektur kann durch richtungsbedingte und höhenmäßig variable Anordnung der Brennstoffaustrittsdüsen entspre­ chend den für die jeweilige Wirbelschicht geforderten Be­ dingungen vorgenommen werden.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es wei­ terhin, daß sie sich auch für die bekannten Wirbelschicht- Sprühgranulierungsverfahren, bei denen durch Flüssigein­ spritzung eine kontinuierliche Kornvergrößerung angestrebt wird, ohne Änderung einsetzen läßt, indem die Brennstoffzu­ führung 4 lediglich mit dem zum Granulataufbau notwendi­ gen flüssigen Medium beschickt wird.

Gegenüber der bisher bekannten Flüssigkeitseinspeisung von oben, ist bei Anwendung von unten eine Gutbehandlung im Gleichstrom möglich.

Dadurch wird vermieden, daß wie bei einem Flüssigeintrag von oben ein Teil des Flüssigkeitsnebels von dem aufstei­ genden Wirbelgas wieder mitgerissen und ausgetragen wird. Die Durchmischung in senkrechter Richtung wird außerdem beim Einsprühen der Flüssigkeit von oben erheblich herabge­ setzt, da eine Verteilung der Flüssigkeit lediglich auf der Bettoberfläche erfolgt.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für diesen Zweck bringt also erhebliche Vorteile mit sich.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Gegenüber der im ersten Beispiel beschriebenen Ausführung besitzt diese einen kreisförmigen Brennstoffaustrittsspalt 18, der vor, nach oder zwischen den Turbulatoren 8 in den Luftkanal 2 mündet. Der aus der Brennstoffkammer 6 in den Brennstoff­ austrittsspalt 18 eintretende Brennstoff wird kreisflächen­ förmig in den Luftkanal 2 eingesprüht, wo er sich mit der Verbrennungsluft vermischt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur zweikanaligen Zuführung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs und eines sauerstoffhalti­ gen Trägergases in eine Wirbelschicht zur direkten Brennstoffverbrennung mit einem Mischraum für den Brennstoff und das Trägergas und einem allseitig freien Brennstoffgemischaustrittsspalt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mischraum (5) mit einem feuerfesten Schutzmantel (11) versehen ist, in seiner äußeren Begrenzung aus einem Mischkopf (9) und in seiner inneren Begrenzung aus einem mit einem Brennstoffleitrohr (14) verbundenen Düsenstock (10) gebildet wird,
daß ein oder mehrere Turbulatoren (8) mit gleich- oder gegengerichteter Flügelstellung vor und/oder nach den Brennstoffaustrittsdüsen (7) oder einem Brennstoffaus­ trittsspalt (18) im Kanal für das Trägergas (2) und/oder im Mischraum (5) angeordnet sind, und
daß der allseitig freie Gasaustrittsspalt (12) in seiner oberen Begrenzung von einem, mit dem Düsenstock (10) verbundenen Lanzenkopf (15) und in seiner unteren Begrenzung von der Oberkante des Mischkopfes (9) gebil­ det wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffaustrittsdüsen (7) bzw. der Brenn­ stoffaustrittsspalt (18) eine Neigung von vorzugsweise 15 bis 45° nach unten oder oben bezogen auf die Horizon­ tale aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lanzenkopf (15) mit einem ringförmigen den Wärmedurchgang vermindernden isolierenden Raum (17) ausgestaltet ist und ein Hitzeschild (16), der auf einem Metallstift gelenkig aufgehängt ist, mit dem Lanzenkopf (15) ver­ bunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffgemischaustrittsspalt (12) durch un­ terschiedliche Stellung von Mischkopf (9) und Lanzenkopf (15) zueinander mittels Schraubverbindung (13) in seiner Form und Abmessung variiert werden kann.