DE3306483C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Brenner für ein Heizkraftwerk wird in der Zeitschrift "Brennstoff-Wärme-Kraft" 20 (1986), Nr. 5, Seite 235 beschrieben und dient zur Verbrennung von Kohlenstaub, d. h., von Kohle in feinpulverisierter Form, und zur gleichzeitigen Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs, durch den die Verbrennung des Kohlenstaubs unterstützt wird. Bei diesem Brenner strömen der gas­ förmige Brennstoff und die Verbrennungsluft ohne Drall und der Kohlenstaub verdrallt in die Verbrennungszone.

In jüngerer Zeit hat der Anstieg des Ölpreises zu einem wieder zunehmenden Interesse an Kohle-Brennstoffen anstelle von Öl als Energieträger geführt. Die Verwendung von Kohlen­ staub ist jedoch bisher auf Brenner mit hoher Kapazität beschränkt, wie sie beispielsweise in Brennern von Kraft­ werken und Öfen für die Zementherstellung verwendet werden.

Dies liegt daran, daß sich Kohlenstaub durch einen höheren Entzündungspunkt und eine geringere Stabilität der Flamme im Vergleich zu gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen auszeichnet.

Aufgrund der sehr geringen Verbrennungsgeschwindigkeit von Kohlenstaub ist es schwierig, eine ausreichende Ver­ brennung innerhalb einer begrenzten Verbrennungszone aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus dehnt sich die Ver­ brennungsflamme oft in weit vom vorderen Ende des Brenners entfernte Bereiche aus. Dies führt bei Brennern geringer Kapazität unvermeidlich zur Erzeugung großer Mengen nur teilweise verbrannter Kohlepartikel und anderer nicht voll­ ständig verbrannter Substanzen, zu deren Verbrennung nicht nur eine hohe Temperatur und eine intensive Verbrennung innerhalb eines begrenzten Gebietes, sondern auch die Bildung einer kurzen Flamme erforderlich ist.

Aus der DE-PS 9 18 614 ist ein Brenner für Kohlenstaub und gasförmigen Brennstoff bekannt, bei dem die beiden Brenn­ stoffe verdrallt innerhalb eines verdrallten Luftstromes über koaxiale Düsen in die Verbrennungszone strömen. Mit diesem wie mit dem erstgenannten Brenner ist es zwar mög­ lich, die Länge der Flamme zu verringern, doch breitet sich der Kohlenstaub, dem eine Wirbelbewegung erteilt wird, in radialer Richtung aus, so daß sich die Flamme in radialer Richtung ausdehnt. Dies kann bei hohen Temperaturen zur Ablagerung angeschmolzener Asche an an die Brenner-Mündung angrenzenden Wandflächen führen, wodurch der Betrieb des Brenners beeinträchtigt wird. Wenn dagegen die Ofentemperatur verhältnismäßig niedrig ist, werden grobe Kohlepartikel aus dem Hochtemperatur-Gebiet um die Achse des Brenners in ein Niedrigtemperatur-Gebiet am Rand der Flamme ausge­ stoßen.

Dies führt zur Erzeugung großer Mengen unverbrannter Substanzen.

Aus der DE-AS 29 33 040 ist ein Brenner bekannt, bei dem ausschließlich Kohlenstaub ohne zusätzlichen gas­ förmigen Brennstoff verbrannt wird. Dieser Brenner weist drei koaxial zueinander angeordnete Düsen auf. Der Kohlenstaub wird über die mittlere ringförmige Düse zugeführt, und die inneren und äußeren Düsen sind mit Drallschaufeln versehen und dienen zur Zufuhr von Kernluft bzw. Mantelluft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für Kohlenstaub und gasförmigen Brennstoff der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem das Flammen­ profil derart steuerbar ist, daß auch bei Brennern mit kleiner Kapazität eine hinreichend kontinuierliche und rückstandsfreie Verbrennung gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird die Flamme durch Verwirbelung des über die innere Düse zugeführten gasförmigen Brennstoffs in Radialrichtung aufgeweitet und in Axialrichtung ver­ kürzt. Es ergibt sich dabei eine intensive Durchmischung von Gas und Kohlenstaub, und die Verbrennung des Kohlen­ staubs wird durch die Gasflamme auch bei kleinem Brenn­ stoffdurchsatz aufrechterhalten. Die schwereren Kohlen­ stoffteilchen erhalten nur eine verhältnismäßig geringe Radialkomponente und verbleiben verhältnismäßig lange in der radial aufgeweiteten, sehr heißen Verbrennungs­ zone, so daß ihre Vergasung beschleunigt wird. Die über die äußere Düse zugeführte Verbrennungsluft wird eben­ falls verwirbelt. Die bei der Vergasung der Kohlenstaub­ partikel in der Flamme entstehenden Gase werden durch die umgebende wirbelförmige Luftströmung mitgenommen und verbrannt. Auf diese Weise wird die Verbrennungs­ zone auch für die gröberen Kohlepartikel in Radial­ richtung begrenzt, und es gelangen keine Verbrennungs­ rückstände an die Wände der Brennerkammer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen Brenner;

Fig. 2 ist eine Ansicht in Richtung der Pfeile A in Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch den Brenner mit einer schematischen Ansicht einer Verbrennungszone.

Gemäß Fig. 1 ist in einer Ofenwand 1 eines Verbrennungsofens eine Flamm-Öffnung 3 ausgebildet. Die Öffnung 3 ist von einem Brenner-Tiegel 2 aus feuerfestem Material umgeben. Der Tiegel 2 umfaßt ein zylindrisches Bauteil 21 mit einer kegelstumpfförmigen, durchgehenden Öffnung und einen kon­ zentrisch radial außerhalb des zylindrischen Bauteils 21 angeordneten Ring 22. Die Länge der Bauteile 21 und 22 ist gleich der Dicke der Ofenwand 1. Der Durchmesser der kegelstumpfförmigen Öffnung des zylindrischen Bauteils 21 nimmt von der äußeren Oberfläche der Ofenwand zur inneren Oberfläche (von rechts nach links in Fig. 1) allmählich zu. Die kegelstumpfförmige Öffnung bildet die Flamm-Öffnung 3. Der Außendurchmesser des Ringes 22 ist gleich dem Innen­ durchmesser einer Bohrung 11 in der Ofenwand 1, und der Innendurchmesser des Ringes ist etwas größer als der Außen­ durchmesser des zylindrischen Bauteils 21. Der Ring 22 ist in die Bohrung 11 der Ofenwand eingepaßt, während das zylindrische Bauteil 21 im wesentlichen konzentrisch inner­ halb des Ringes 22 angeordnet ist.

Ein an die Flamm-Öffnung 3 angrenzendes Brennergehäuse 4 umfaßt eine zentrale Einspritzleitung 41 zur Einleitung eines gasförmigen Brennstoffs, eine die Leitung 41 konzentrisch umgebende äußere Ein­ spritzleitung 42 zur Einspritzung pulverisierter Kohle zusammen mit einem Trägergas wie etwa Luft eine Zufuhrleitung 43 für primäre Verbrennungsluft und eine Zufuhrleitung 44 für sekundäre Verbrennungsluft. Die Zufuhrleitungen 43, 44 sind konzentrisch zueinander und zu den Leitungen 41, 42 angeordnet. Zwischen den einzelnen Leitungen ist jeweils ein Zwischenraum gebildet, so daß die Leitungen insgesamt einen Zylinder mit vierfacher Wand bilden. Die Länge der Einspritz­ leitung 41 in axialer Richtung ist größer als die der Einspritzleitung 42, die ihrerseits länger als die Zufuhr­ leitung 43 ist. Die am weitesten außen angeordnete Zufuhr­ leitung 44 weist die geringste Länge auf. Die Leitungen 41, 42 und 43 sind als Düsen ausgebildet, deren Öffnungen der Flamm-Öffnung 3 zugewandt sind und in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zu der Achse der Öffnung 3 liegen. Die erste Düse 41, die zweite Düse 42 und die dritte Düse 43 sind konzentrisch zueinander verjüngt. Jede der Düsen steht somit mit der Öffnung 3 in Verbindung. Das vordere Ende der Zufuhrleitung 44 ist derart angeordnet, daß diese Zufuhrleitung mit einer zwischen dem zylindrischen Bauteil 21 und dem Ring 22 gebildeten vierten Düse für sekundäre Verbrennungsluft in Verbindung steht. Die rückwärtigen Enden der Leitungen 41, 42, 43 und 44 sind geschlossen und stehen mit Verbindungs­ leitungen 41 a, 42 a, 43 a bzw. 44 a in Verbindung, die ihrerseits an eine Versorgungsleitung 41 b für gasförmigen Brennstoff, eine Versorgungsleitung 42 b für Kohlenstaub bzw. an Ver­ sorgungsleitungen 43 b bzw. 44 b für primäre und sekundäre Verbrennungsluft angeschlossen sind. Die Versorgungsleitungen sind in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet. Die Versorgungsleitung 42 b für Kohlenstaub ist mit einem nicht gezeigten Vorratstrichter für Kohlenstaub und einem nicht gezeigten Trägergas-Tank oder -Gebläse verbunden. Die Versorgungsleitungen 43 b, 44 b sind an ein nicht ge­ zeigtes Gebläse angeschlossen. Der Durchsatz des gas­ förmigen Brennstoffs wird durch ein nicht gezeigtes Steuer­ ventil gesteuert. Der Durchsatz der Verbrennungsluft in den Versorgungsleitungen 43 b und 44 b wird durch Drosseln 43 c und 44 c reguliert.

In Längsrichtung der Einspritzleitung 41 für gasförmigen Brennstoff und der Zufuhrleitung 43 für primäre Verbrennungs­ luft sind jeweils in der Nähe des Auslasses Drallschaufeln 45, 46 zur Erzeugung einer Wirbelbewegung des betreffenden Fluids in der Flamm-Öffnung 3 vorgesehen. Die Schaufeln 45 sind am freien Ende eines von dem entgegengesetzten, ge­ schlossenen Ende der Leitung 41 ausgehenden Armes 45 a be­ festigt. Die Schaufeln 46 sind dagegen im Querschnitt der Zufuhrleitung 43 angeordnet. Es können Schaufeln beliebiger Form verwendet werden.

Wie deutlich in Fig. 2 zu erkennen ist, sind zwischen dem Ring 22 und dem zylindrischen Bauteil 21 mehrere Abstands­ halter 23 derart angeordnet, daß sie in Umfangsrichtung einen Abstand zueinander aufweisen und den ringförmigen Luftkanal 24 in schlitzförmige Luftkanäle unterteilen. Jeder einzelne Abstandshalter 23 weist eine der Länge des zylindrischen Bauteils und des Ringes entsprechende Länge und eine vorgegebene Breite in Umfangsrichtung auf. Die Luftkanäle stehen mit der Zufuhrleitung 44 für sekundäre Verbrennungsluft in Verbindung, wie später noch näher erläutert wird. Die Luftkanäle sind somit in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung um die Flamm-Öffnung 3 angeord­ net (Fig. 2). Anstelle der oben beschriebenen Anordnung können Füllstücke auch in der Weise zwischen dem Ring 22 und dem Bauteil 21 angeordnet sein, daß die Breite des Zwischenraums zwischen den Teilen 21 und 22 in Radial­ richtung verringert wird. In diesem Fall wird ein zusammen­ hängender ringförmiger Luftkanal 24 gebildet, dessen Durch­ gangsquerschnitt in bestimmten Umfangsabschnitten verringert ist. Die Füllstücke sind somit derart in dem ringförmigen Luftkanal 24 zwischen den Teilen 21 und 22 angeordnet, daß ein in Umfangsrichtung variierender Druck in der Luftströmung erzeugt wird.

Bei der oben beschriebenen Anordnung mehrerer Luftkanäle um die Flamm-Öffnung 3 oder durch Bildung eines ringför­ migen Luftkanals mit in Umfangsrichtung veränderlicher Breite werden in der sekundären Verbrennungsluft vor­ gegebene Druckunterschiede in Umfangsrichtung erzeugt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, führt dies zu einer Rück­ strömung heißer Gase aus dem Verbrennungsofen in Gebieten, in denen der Abstand zwischen dem zylindrischen Bauteil 21 und dem Ring 22 ganz oder teilweise durch die Abstands­ halter bzw. Füllstücke ausgefüllt ist, so daß es zu einer selbsterzeugten Rückführung der Verbrennungsgase kommt, durch die die thermische Umsetzung des eingespritzten Kohlenstaubs erleichtert wird (Zone II in Fig. 3). In Fig. 3 sind die Strömungen des gasförmigen Brennstoffes und des Kohlenstaubs durch durchgezogene Linien und die Strömungen der Verbrennungsgase durch gestrichelte Linien dargestellt.

Wie in Fig. 3 deutlich gezeigt ist, wird ein wirbelförmiger Strom gasförmigen Brennstoffs durch die Düse 41 einge­ spritzt, während der Kohlenstaub zusammen mit einem Trägergas durch die äußere Düse 42 eingespritzt wird. Ein ver­ wirbelter Strom primärer Verbrennungsluft wird durch die die Düse 42 umgebende Düse 43 abgegeben. Der durch die Düse 41 abgegebene wirbelförmige Strom gasförmigen Brennstoffs dehnt sich in Radialrichtung aus und durchquert eine Zone, in die der Kohlenstaub durch die Düse 42 eingespritzt wird. Dies führt zu einer Verteilung des Kohlenstaubs in Radialrichtung und löst zugleich die Verbrennung des Kohlenstaubs aus.

Es wird somit der durch die ringförmige Düse 42 eingespritzte Kohlenstaub mit Hilfe einer wirbelförmigen expandierenden Strömung gasförmigen Brenn­ stoffs verbrannt, wodurch die Verbrennungsflamme in radialer Richtung ausgedehnt wird. Auf diese Weise nimmt der Durchmesser der Flamme zu, während die axiale Länge der Flamme entsprechend abnimmt (vgl. Zone (I) in Fig. 3). Dies führt darüber hinaus zu einer Rückströmung des Verbren­ nungsgases in den Kern der Flamme (vgl. Zone (III) in Fig. 3).

Je feiner die Kohlenstaub-Partikel sind, desto größer ist die Verbrennungsgeschwindigkeit. Zuerst werden die feinen Kohleteilchen verbrannt, während sich die gröberen Kohle­ teilchen aufgrund ihrer Tätigkeit nach vorn und leicht radial nach außen durch die Verbrennungszone der kleinen Kohleteilchen ausbreiten. Während die groben Kohleteilchen die heiße Verbrennungszone durchqueren, wird ihre Ver­ gasung beschleunigt. Das entstehende Gas wird innerhalb eines begrenzten Gebietes verbrannt, das durch die Wirbel­ strömung der durch die dritte Düse 43 eingeblasenen pri­ mären Verbrennungsluft bestimmt wird. Auf diese Weise ist selbst die Verbrennungszone für die groben Teilchen auf ein verhältnismäßig kleines Gebiet begrenzt.

Die sekundäre Verbrennungsluft wird in ein die oben er­ wähnte Verbrennungszone umgebendes Gebiet eingeblasen und verhindert eine übermäßige Ausdehnung der Verbrennungs­ flamme. Auf diese Weise wird das an den Brenner-Tiegel 2 angrenzende Gebiet gekühlt und verhindert, daß Aschepartikel verschmelzen und sich auf dem Tiegel 2 niederschlagen. Darüber hinaus wird durch die Ausbildung des ringförmigen Luftkanals mit in Umfangsrichtung veränderlichem Quer­ schnitt in der Luftströmung ein Druckgradient in Umfangs­ richtung erzeugt, wie bereits erwähnt wurde. Infolge eines niedrigen Druckes in der Strömung der sekundären Ver­ brennungsluft, wie etwa in Zone (II) in Fig. 3, strömen daher die heißen Gase vom vorderen Ende der Verbrennungs­ flamme zum Randgebiet der Flamm-Öffnung 3 zurück, so daß die Verbrennung der Kohle beschleunigt und die Bildung größerer Mengen unverbrannter Substanzen verhindert wird. Auf diese Weise wird auch die Bildung von Stickoxyden (NOx) bei der Verbrennung wirksam unterdrückt.

Mit dem erfindungsgemäßen Brenner wurde in Versuchen eine gute Verbrennung erreicht, bei der praktisch keine unverbrannten Substanzen gebildet wurden, obgleich das Luft-Verhältnis nur 1,05 betrug.

Der NOx-Gehalt lag in der Größenordnung von 250 ppm.

Die Länge der Flamme betrug nur 1 m und der Durchmesser der Flamme war nur wenig größer als der Durchmesser des Brenner- Tiegels 2. Die Flamme hatte die gleiche Helligkeit und das gleiche Flammenprofil wie die Flamme eines Ölbrenners. Besonders ist hervorzuheben, daß das Innere des Ofens von außen deutlich sichtbar war und keine nennenswerte Ablagerung von angeschmolzener Asche auf dem Brenner- Tiegel und dem Rand der Flamm-Öffnung erfolgte.

Claims (8)

1. Brenner für Kohlenstaub und gasförmigen Brennstoff, mit einer am vorderen Ende eines in eine Verbrennungszone gerichteten Brennergehäuses (4) angeordneten ersten Düse (41) für das gasförmigen Brennstoff, einer die erste Düse (41) umgebenden zweiten Düse (42) für den Kohlen­ staub und einer die zweite Düse (42) umgebenden dritten Düse (43) für primäre Verbrennungsluft, gekenn­ zeichnet durch Einrichtungen (45, 46) in der ersten und dritten Düse (41, 43) zur Erzeugung wirbelförmiger Strömungen des gasförmigen Brennstoffes und der primären Verbrennungsluft in der Verbrennungszone.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die drei Düsen (41, 42, 43) konzentrisch zuein­ ander angeordnet und konzentrisch zu ihrem Auslaß hin verjüngt sind.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auslässe der drei Düsen (41, 42, 43) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und einer stromab kegelstumpfförmig erweiterten Flamm-Öffnung (3) in einer Ofenwand (1) zugewandt sind.

4. Brenner nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine die erste bis dritte Düse (41, 42, 43) umgebende vierte Düse für sekundäre Verbrennungsluft.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die vierte Düse die Flamm-Öffnung (3) umgibt.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Auslaß der vierten Düse stromab­ wärts der Auslässe der ersten bis dritten Düse (41, 42, 43) angeordnet ist.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die vierte Düse in einem die Flamm-Öffnung (3) umgebenden ringförmigen Luftkanal (24) endet und dieser einen in Umfangsrichtung veränderlichen Durchgangsquer­ schnitt aufweist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Bildung des unterschiedlichen Durchgangs­ querschnitts mehrere in Umfangsrichtung in Abstand zuein­ ander in dem ringförmigen Luftkanal (24) angeordnete Abstandshalter (23) vorgesehen sind.