-
-
Verfahren und Vorrichtung zur NO -armen Verbrennung von
-
x fluidischen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur NO -armen Verbrennung von
fluidischen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. 7.
-
Bekannte Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe
sehen zur Verringerung des NO -Anteils in den Verbrennungsabgasen vor, die x Verbrennungstemperatur
niedrig zu halten, um die Bildung von thermischem NO zu vermindern. Man erreicht
eine Herabsetzung der Verbrennungstemx peratur u.a. durch Rückführung von Verbrennungsabgasen
in den Verbrennungsvorgang oder durch die Zuführung der Verbrennungsluft in mehreren
Schritten.
-
Verfahren dieser Art haben in der praktischen Anwendung verschiedene
Nachteile. Die Rückführung von Verbrennungsabgasen in die Verbrennungsluft verschlechtert
den Ausbrand. Weiterhin gibt die Flamme wegen der geringeren Verbrennungstemperatur
weniger Wärme ab, weshalb beispielsweise bei Befeuerung von Kesseln ein größerer
Bauaufwand bei den Wärmeübertragungsflächen getrieben werden muß. Bei dem Verfahren
mit verzögerter oder mehrstufiger Zuführung der Verbrennungsluft ergibt sich ebenfalls
eine sich länger hinziehende Flamme, die entsprechend vergrößerte Feuerräume erfordert.
Auch hier wird wegen der herabgesetzten Flammtemperatur pro Flächeneinheit weniger
Wärme übertragen, sodaß zur Erzielung gleicher Wärmeleistung größere Wärmeübertragungsflächen
notwendig werden.
-
Diese Nachteile mögen bei der Neuinstallation von Kesseln unter Umständen
hinnehmbar sein, sie sind jedoch besonders dann hinderlich, wenn beispielsweise
ein bislang mit Heizöl gefeuerter Kessel auf die Befeuerung mit Kohlenstaub umgestellt
werden soll. Die Feuerräume und die Wärme-
übertragungsflächen sind
vorgegeben und lassen deshalb eine Umstellung auf die Befeuerung mit Kohlenstaub
nur unter erheblichen Leistungsminderungen zu, die in vielen Fällen eine Umstellung
auf den anderen Brennstoff ausschließen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verbrennung fluidischer, kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, insbesondere Kohlenstaub,
anzugeben, das eine gesteigerte Flammtemperatur aufweist, ohne die üblicherweise
damit verbundenen nachteiligen Folgen hinsichtlich eines gesteigerten NO -anteils
in den Verbrennungsabgasen x aufzuweisen.
-
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
-
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe demnach im wesentlichen durch
eine spezielle Art der Vorbehandiung des Brennstoffs, die diesen in seinen Eigenschaften
verändert, bevor er mit der Verbrennungsluft in Berührung kommt. Diese Veränderung
des Brennstoffs, nämlich eine Auftrennung desselben in flüchtige Bestandteile und
Kohlenstoff, führt dazu, daß trotz heißer Flamme der Anteil von NO in den Abgasen
gering bleibt.
-
x Die Erfindung ist besonders bei der Verbrennung von Kohlenstaub
wirkungsvoil, doch ist sie ebenso auch bei der Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen
kohlenstoffhaltigen Brennstoffen einsetzbar, wenngleich die dabei durch sie erzielbaren
Vorteile wegen der von Haus aus günstigeren Eigenschaften dieser Brennstoffe nicht
so stark in Erscheinung treten, wie bei der Verbrennung von Kohlenstaub.
-
Die Erfindung sieht vor, den Brennstoff in einer sauerstofffreien
Heißgasströmung einzuführen. Diese kann aus einem Inertgas bestehen, beispielsweise
aus N2, CO2 oder Wasserdampf oder einem Gemisch aus diesen, auch kann das Gasgemisch
reduzierende Bestandteile, wie CO oder H2 enthalten. Die Temperatur des Inertgases
sollte wenigstens 800 °C, bevorzugt wenigstens 1000 0C sein. In der Praxis bietet
sich als Heißgas besonders das Verbrennungsabgas aus dem Verbrennungsvorgang an,
wobei freilich davon ausgegangen wird, daß durch geeignete Steuerung der Luftzu-
fuhrmenge
dafür gesorgt ist, daß in den Abgasen kein freier Sauerstoff mehr vorhanden ist.
-
Mit dem heißen Inertgas wird der staubförmige Brennstoff soweit aufgeheizt,
daß der überwiegende Teil seiner flüchtigen Bestandteile abgeht.
-
Je umfangreicher die flüchtigen Bestandteile vom Brennstoff abgehen,
umso geringer ist der Anteil von NO in den Verbrennungsabgasen. Bei x üblichen Kohlenstaubsorten
ist eine hinreichende Abtrennung der flüchtigen Bestandteile bei einer Aufheizung
von etwa 600 °C gegeben.
-
Da die Aufheizung in der Strömung erfolgt und somit der Verweilzeit
nach oben Grenzen gesetzt sind, andererseits Brennstaubkörner unterschiedlicher
Größe vorhanden sind, die je nach Größe unterschiedliche Aufheizzeiten benötigen,
sollte die Aufheiztemperatur ausreichend hoch gewählt werden, daß auch die grobkörnigen
Bestandteile des Brennstoffs noch auf eine Temperatur von 600 °C kommen.
-
Nach Aufheizung des Kohlenstaubes in der inerten Atmosphäre und nach
Abspaltung des überwiegenden Anteils der flüchtigen Bestandteile wird der Brennstoff
mit der Verbrennungsluft vermischt, wobei er wegen seiner bereits erreichten Temperatur
sofort zündet und eine kurze, konzentrierte und heiße Flamme ergibt.
-
Diese Flamme ist fast so heiß konzentriert wie eine Ölbrennerflamme
und kann auch in einem für Ölfeuerung ausgelegten Brennraum hinreichend weit ausbrennen.
Wegen ihrer hohen Temperatur ergibt sich dabei fast die gleiche Wärmeübertragung
wie bei einer Ölflamme. Trotzdem ist der NO -Anteil in den Abgasen dabei nur ein
Bruchteil dessen bei einer Ölflamme; er ist auch deutlich geringer als bei den Verfahren
der eingangs genannten Art.
-
Es wurde beispielsweise an einem Kessel, der mit Heizölfeuerung betrieben
wurde, ein Nu Anteil zwischen 700 und 1400 mg/m3, entsprechend den geltenden Vorschriften
auf 6% O2 in den Abgasen bezogen, gemessen.
-
NOx-Anteile dieser Größenordnung werden im allgemeinen auch von üblichen
großen Kohlenstaubfeuerungsanlagen abgegeben. Nach Umstellung dieses Kessels auf
das erfindungsgemäße Verfahren wurde bei Verbrennung von Kohlenstaub unter Beachtung
derselben vorerwähnten Vorschriften ein
NO -nteil in den Abgasen
von nur 280 bis 320 mg/m3 gemessen.
-
Der Kohlenstaub muß zur Zuführung in den Brenner fluidisiert werden,
was in der Praxis nur mit Luft wirtschaftlich ist. Dementsprechend wird zusammen
mit Kohlenstaub auch etwas Luft in den Brenner dort eingeführt, wo sie eigentlich
unerwünscht ist. Diese Luftmenge ist jedoch im Vergleich zu de r der Verbrennungs-Gesamtluftmenge
derart gering, daß vom Standpunkt der gesamten Wärmebilanz die mit ihr verbrannte
Brennstaubmenge vernachlässigbar klein ist, sodaß die Auswirkungen auf den Gesamt-NO
-Anteil der Verbrennungsabgase vernachlässigbar ist. Man sieht hieraus jedenfalls,
daß anzustreben ist, für die Förderung des Kohlenstaubs möglichst geringe Trägerluftmengen
einzusetzen. Es ist zwar möglich, für die Förderung des Kohlenstaubs die Verbrennungsabgase
heranzuziehen, doch steht der dazu erforderliche Aufwand in keinem vernünftigen
Verhältnis zu dem erzielbaren Erfolg.
-
Für die Ausführung des Verfahrens ist es günstig, wenn der Brennstoff
der Heißgasströmung möglichst lang ausgesetzt ist, die Aufheizgeschwindigkeit mithin
nicht allzu groß ist. Es ist daher günstig, wenn die Heißgasströmung die Rückströmung
einer möglichst langen,hohlen Flamme zylinder-oder kegelmantelförmiger Gestalt ist.
Der Durchmesser der Flamme sollte klein im Verhältnis zur Länge der Rückströmung
sein, andererseits muß die Flammfront weit von der Rückströmung entfernt bleiben,
damit der Brennstaub völlig innerhalb der inerten Atmosphäre der Rückströmung verbleibt
und vor Abschluß seiner Aufbereitung nicht mit der die Rückströmung umgebenden Flammfront
in Berührung kommt.
-
Die Erfindung ist mit Hilfe einer Vorrichtung ausführbar, deren wesentliche
Merkmale aus der DE-OS 25 27 618 bekannt sind und die für den hier vorliegenden
Zweck in besonderer Weise angepaßt ist. Eine solche Vorrichtung soll nachfolgend
und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt: Fig.
1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, und Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung
nach Fig. 1 von rechts.
-
Die Vorrichtung nach Fig. 1, nachfolgend kurz Kohlenstaubbrenner genannt,
besteht aus einem Lufteintritt 1 für die Verbrennungsluft L1, einer spiralförmigen
Zuführungseinrichtung in Form einer Eintrittsspirale 2, die der Verbrennungsluft
einen genau bemessenen Drall erteilt, und einer sich kaoxial daran anschließenden
Brennermuffel 3, die im vorliegenden Fall divergent ist, aber auch zylindrisch sein
kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel schließt sich an die Brennermuffel 3
koaxial eine Beschleunigungsdüse 4 an, die in manchen Fällen auch entfallen kann.
-
Der Eintrittsspirale 2 ist koaxial an der der Brennermuffel 3 gegenüberliegenden
Seite ein Kopfraum 5 angesetzt. Durch den Kopfraum 5 verläuft konzentrisch eine
Zuführeinrichtung für Kohlenstaub in Form eines Rohres 6. Auf das freie Ende des
Zuführrohres 6 ist eine Umlenkhaube 14 aufgesetzt, die mit dem Rohr 6 einen ringförmigen
Austritt 15 ausbildet und die die von dem Rohr zugeführte Strömung aus Kohlenstaub
K und Trägerluft L2 um 180° umlenkt. Die Länge des Zuführrohres 6 ist so bemessen,
daß der Austritt 15 maximal um eine Distanz außerhalb des von der Brennermuffel
3 umschlossenen Raumes liegt, die einen halben Innendurchmesser der Brennermuffel
3 an der Stelle ihres größten Durchmessers entspricht.
-
In den Kopfraum 5 mündet ein Gas rohr 7, durch welches ein Zündgas
G zuführbar ist. Zu dessen Zündung ist eine Zündelektrode 8 im Kopfraum 5 angeordnet.
-
Vor dem Lufteintritt 1 zweigt eine Kopfluftleitung 9 mit Kopfluftventil
10 ab, die in den Kopfraum 5 mündet. Im Betrieb wird ein kleiner Teil der Verbrennungsluft
L1 dem Kopfraum 5 über diese Kopfluftleitung 9 und das Ventil 10 zugeleitet. Der
Kopfraum 5 ist mit der Eintrittsspirale 2 durch ein zentrales Einblasloch 11 verbunden,
dessen Rand vorzugsweise düsenartig zur Eintrittsspirale 2 hin ausgebördelt ist.
Die Brennermuffel 3 ist von einer Ausmauerung 12 umgeben. Die Beobachtung des Zündovrganges
wird durch ein Schauglas 13 ermöglicht.
-
Das Zuführrohr 6 und die Umlenkhaube 14 sind, ebenso wie die Teile
der Brennermuffel 3 und der Beschleunigungsdüse 4 vorzugsweise aus üblichem, hitzebeständigem
Chromnickelstahl gefertigt.
-
Es sei betont, daß an Stelle einer Eintrittsspirale 2 als Zuführeinrichtung
auch ein aerodynamisch gleichwertiges radiales Schaufelgitter eingesetzt werden
kann.
-
Die Betriebsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt: Zur
inbetriebsetzung der Vorrichtung wird zunächst Verbrennungsluft L1 in die Vorrichtung
eingeleitet. Sie erhält in der Eintrittsspirale 2 in bekannter Weise einen Drall,
wobei sich im Zentrum der Eintrittsspirale ein starker Unterdruck einstellt. Infolge
des Dralles bewegt sich die Verbrennungsluft in einer schraubenartigen Bewegung
mit etwa 450 Strömungswinkel zur Mantellinie der Brennermuffel 3 zu dem der Eintrittsspirale
2 gegenüberliegenden Ende der Brennermuffel. Verursacht durch den erwähnten Unterdruck
im Zentrum der Eintrittsspirale 2 kehrt hier etwa die Hälfte der Verbrennungsluft
radial zur Achse hin um und strömt entlang dem Zuführrohr 6 bis zur Eintrittsspirale
2 zurück. Hier spreizt sich die Rückströmung radial auseinander und vereinigt sich
mit dem neu eintretenden Verbrennungsluftstrom L1, um mit diesem zusammen wieder
dem der Eintrittsspirale 2 gegenüberliegenden Ende der Brennermuffel 3 zuzuströmen.
Der Durchsatzströmung wird daher eine intensive Rezirkulationsströmung überlagert,
sodaß auf diese Weise eine besonders intensive Durchmischung der beiden Strömungen
erfolgt, die den Verbrennungsvorgang fördert.
-
Der nicht rezirkulierte Anteil der Strömung verläßt die Brennermuffel
3 im dargestellten Beispiel durch die Beschleunigungsdüse 4, die an das Ende der
Brennermuffel 3 angesetzt ist. Zwischen dem durch die Düse 4 abströmenden Strömungsanteil
und der Rückströmung bildet sich im Bereich des Endes des Zuführrohres 6 ein Stau,
der im Betrieb von außen her deutlich erkennbar ist. Die Zuführung des Brennstoffs
erfolgt an einem Punkt, der in Bezug auf die Rückströmung stromabwärts des Staupunktes
gelegen ist.
-
Über das Gasrohr 7 wird jetzt ein zündbares Gas G zugeführt und durch
einen Funken der Zündelektrode 8 gezündet. In bekannter Weise wird die Geschwindigkeit
des Zündgases G so eingestellt, daß sich ähnlich wie bei einem Bunsenbrenner eine
Flamme bildet, die am Austrittsquerschnitt
des Gasrohres 7 ansetzt
und durch das Einblasloch 11 in die Brennermuffel 3 hineinreicht. Danach wird mittels
Trägerluft L2 der Kohlenstaub K durch das Zuführrohr eingeblasen. Der Kohlenstaub
zündet an der vorerwähnten Zündgasflamme. Durch seinen Impuls wird er ins Innere
der Brennermuffel 3 hineingetragen und dort durch den vorbeschriebenen Strömungsmechanismus
mit der Verbrennungsluft L1 durchmischt. Der Zündgasstrom G kann nun abgestellt
werden. In der Brennermufel 3 bildet sich eine rohrförmige Flamme F, die die Brennermuffel
3 und die Beschleunigungsdüse 4 bis auf eine wandnahe Kaltluftzone Z ausfüllt. Die
Kontur dieser Flamme F ist in Fig. 1 näherungsweise gestrichelt eingezeichnet. Infolge
der Dichteschichtung zwischen der kalten Verbrennungsluft und der heißen Flammzone
hat die Flamme F eine sehr glatte Oberfläche und bleibt sauber von den Wänden der
Brennermuffel 3 und Beschleunigungsdüse 4 getrennt. Infolgedesen bleiben die Wände
von Brennermuffel 3 und Beschleunigungsdüse 4 relativ kühl. ihre Temperatur stellt
sich als Gleichgewicht zwischen Flammstrahlung und Wärmeabfuhr der schnell strömenden
Verbrennungsluft in der Kaltluftzone Z ein.
-
Wo es auf eine Strahlwirkung der Flamme nicht ankommt, kann die Beschleunigungsdüse
4 entfallen.
-
Der in die Rückströmung entlang der Achse der Brennermuffel 3 in Richtung
auf die Eintrittsspirale 2 eingeblasene Kohlenstaub wird durch die ihn tragende
Gasströmung aufgeheizt und unterliegt während des Weges entlang der Achse der Brennermuffel
3 außerdem der Einstrahlung der ihn umgebenden Flamme F und wird dadurch soweit
erhitzt, daß er flüchtige Bestandteile abspaltet, sodaß schließlich weitgehend nur
diese flüchtigen Bestandteile und Kohlenstoff mit der Verbrennungsluft in Berührung
kommen können. Die so entstandenen Brennstoffbestandteile sind schließlich soweit
erhitzt, daß sie selbst bei kleinen Brennerabmessungen mit Sicherheit zünden, sobald
sie mit der Verbrennungsluft L1 in der Nähe der Eintrittsspirale 2 in Berührung
gelangen.
-
Wenn das Zuführrohr 6 durch eine übliche Öl lanze 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
geeignet. Spritzwinkel und Durchschlagsweite des Ölstrahls sind dabei so zu wählen,
daß das Öl in die An-
fangszone der Rückströmung gelangt. Für die
Zerstäubung von Heizöl haben sich Öldrucke zwischen 1500 und 2500 kPa als besonders
geeignet erwiesen. Ferner ist Zerstäubung des Heizöls mit Druckluft oder Dampf möglich,
sofern etwa gleiche Spritzwinkel eingehalten werden.
-
Der erforderliche Vordruck der Verbrennungsluft ergibt sich aus dem
Druckverlust der Verbrennungsluft beim Durchströmen des Kohlenstaubbrenners gemäß
Fig. 1 zuzüglich des Druckverlustes beispielsweise beim Durchströmen eines nachgeschalteten
Kessels, der Leitungen, der Rauchgasentstaubung usw. Für kleine Brenner (Wärmeleistungen
von 150 bis 200 kW) erweisen sich Druckverluste beim Durchströmen des Kohlenstaubbrenners
nach Fig. 1 von 250 bis 300 Pa als ausreichend. Mit steigender Brennergröße wird
der erforderliche Druckverlust in bekannter Weise größer. Bei einer Feuerungsleistung
von 1200 kW ist der erforderliche Mindestdruckverlust ca. 600 bis 800 Pa.
-
Für die Gestaltung des Kohlenstaubbrenners nach Fig. 1 ist es wesentlich,
eine straffe und kontrollierte Strömungsführung zu erhalten, die eine lange und
kräftige Rückströmung entlang der Achse der Brennermuffel 3 liefert. Als günstige
Werte für eine Vorrichtung, die 230 bis 300 kW Brennstoff bei einem Druckverlust
von 1 kPa der Verbrennungsluft beim Durchströmen der Vorrichtung liefert, ergaben
sich folgende Abmessungen: - Spiralwinkel der Eintrittsspirale 2 gegen die Umfangsrichtung:
asc = 7 - 110; - axiale Breite der Eintrittsspirale 2: b = 85mm; - Eintrittsdurchmesser
der Eintrittsspirale 2 in die Brennermuffel 3: d = 145 mm; - axiale Länge der Brennermuffel
3: L = 560 mm; - größter Durchmesser der Brennermuffel 3: D = 290 mm; - - freier
Querschnitt des Einblasloches 11: f = 1000 bis 1200 mm2;
- maximaler
Innendurchmesser des Zuführrohrs 6: d = 60 mm; - maximale axiale Distanz des Brennstoffaustritts
15 in Bezug auf den Muffel eintritt: I = 700 mm.
-
Eine solche Vorrichtung liefert 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
Wand 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 günstige Voraussetzungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
-
Die Abmessungen lassen sich geringfügig verändern, wodurch man den
Druckverlust und die Dicke der Kaltluftzone Z entsprechend verändern kann. Eine
Verkleinerung des Eintrittsdurchmessers d oder 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
Z geringer. Versuche zeigten, daß der Verkleinerungsfaktor des Eintrittsdurchmessers
d oder der Spiralbreite b (oder das Produkt der Verkleinerungsfaktoren beider Größen)
bis zu etwa 1,6 gehen kann. Eine Vergrößerung des Eintrittsdurchmessers d und der
Spiralbreite b um insgesamt einen Faktor von 1,3 ist möglich. Allerdings wird die
Dicke der Kaltluftzone Z und damit diejenige Luftmenge, die der Verbrennung nicht
mehr frühzeitig genug beigemischt wird, dann größer. Außerdem wird die Rückströmung
entlang der Achse der Brennermuffel 3 dann so schwach, daß die Flammstabilisierung
merklich nachläßt.
-
Eine Variation des SpiralwinkelsoChat in dem angegebenen Bereich keinen
meßbaren Effekt, was landläufigen Vorstellungen widerspricht. Lediglich die Druckverluste
werden mit größer werdendem Spiralwinkel etwas schwächer. Bei Überschreiten eines
Spiralwinkels von etwa 200, was beispielsweise durch schwenkbare radiale Schaufeln
erreicht werden kann, schlägt das ganze Strömungsbild hörbar um. Aus dem hochfrequenten',
etwas
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, ringähnlichen
Wirbelformationen. Flammstabilität und Ausbrand sind schlecht, und der Druckverlust
des Systems geht auf einen Bruchteil der Originalwerte zurück. Bei Verkieinern des
Spiralwinkels « unter den genannten Grenzwert tritt deutlich sicht- und hörbar der
umgekehrte Umschlag wieder ein.
-
Da das Strömungsbild in Vorrichtungen nach Fig.1 nicht von der Reynolds-Zahl
abhängt, ist es sehr einfach, durch storchschnabelartiges Vergrößern oder Verkleinern
der Vorrichtung diese für jeweils andere Leistungen auszulegen. Die Umrechnungsgleichung
ist einfach, da die Durchsätze genau den Querschnitten, d.h. dem Quadrat der Abmessungen
proportional sind.
-
Entsprechend sind bei anderen Druckverlusten bei ansonsten gleicher
Wärmeleistung die Abmessungen mit Ausnahme des Drallwinkels umgekehrt proportional
der vierten Wurzel aus dem Änderungsverhältnis verändert zu wählen.
-
Leerseite