DE3628865C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kohlenstaubbrenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 für die Dampf-Sauerstoff-Vergasung von Kohlenstaub, der im Dichtstrom eingetragen wird.

Ein in der DD 2 28 338 A1 beschriebener Kohlenstaubbrenner enthält ein Gehäuse mit Dampfzufuhrstutzen, ein Zentralrohr mit Kanälen zur Zufuhr eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases und mit einer am Ende angeordneten Brennkammer, einen zwischen dem Gehäuse und dem Zentralrohr angeordneten Rohrschuß, Kohlenstaubkanäle, die wendelartig um das Zentralrohr herum angeordnet sind, und Kanäle zur Zufuhr eines Oxidationsmittels, die an ein Eintrags- und das Austragssammelrohr angeschlossen sind, wobei das letzte davon mit Ausströmdüsen versehen ist. Dieser Kohlenstaubbrenner ist jedoch nicht ausreichend betriebstüchtig und erzeugt ein Gas von geringer Qualität.

Die geringe Betriebstüchtigkeit ist dadurch bedingt, daß die Austrittsdüsen für das Oxidationsmittel am Austragssammelrohr befestigt und zwischen dem Gehäuse und dem Mantelschuß gelegen sind, während die Austrittsöffnungen dieser Düsen in der Austrittsebene des Gehäuses liegen. Da der Raum zwischen dem Gehäuse und dem Mantelschuß ständig von Wasserdampf durchspült wird und in den Kanälen für die Oxidationsmittelzufuhr eine Dampfspülung vor dem Anfahren erfolgt, haben die Austrittsdüsen vor der Sauerstoffzufuhr infolge der hohen Dampftemperatur von herkömmlicherweise 300- 400°C eine hohe Temperatur. Bei der Zufuhr von Sauerstoff und der Zünduing des Kohlenstaubes werden die Austrittsdüsen aufgrund der Abstrahlung der Flamme zusätzlich erwärmt. Dabei oxidiert das Metall der Ausströmdüsen im Oxidationsmittelstrom und verzundert, wenn als Oxidationsmittel technischer Sauerstoff eingesetzt wird.

Die geringe Gasqualität ist auf die Ungleichförmigkeit des Kohlenstaubzustroms zum Reaktionsraum aus der Wirbelkammer zurückzuführen. Die Kohlenstaubzufuhr im Dichtstrom zum Kohlenstaubbrenner durch mehrere Kanäle erfolgt aus einem Aufgabebunker. In der Wirbelkammer überlagern sich geringe Pulsationen des Kohlenstaubstromes in jedem Kanal und verstärken sich am Brenneraustritt zu einem stark pulsierenden Kohlenstaubstrom. Somit trifft auf eine konstant zuströmende Oxidationsmittelmenge in den einzelnen Zeitabschnitten eine unterschiedliche Kohlenstaubmenge. Das wirkt sich negativ auf die Qualität des anfallenden Gases aus. Bei Reduzierung des Kohlenstaubdurchsatzes nimmt im Generatorgas der Gehalt an Kohlenoxid und Wasserstoff ab, bei Erhöhung des Kohlenstaubdurchsatzes verschlechtert sich der Vergasungsprozeß, dabei erfolgt eine zu geringe Erzeugung von Kohlenoxid und Wasserstoff, und im Gas fällt eine erhebliche Menge an unvergastem Kohlenstoff an.

In bezug auf das technische Wesen und den erzielbaren Effekt kommt dem erfindungsgemäßen Brenner ein Kohlenstaubbrenner am nächsten, der in der DD 2 37 363 A1 beschrieben ist. In einem Gehäuse mit einem Zuführstutzen für ein Gemisch aus Dampf und Oxidationsmittel sind unter Bildung von Ringräumen koaxial ein Rohrschuß und ein Zentralrohr angesetzt. Das Zentralrohr enthält Kanäle für die Zufuhr eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases, die an der Austrittsseite in eine Brennkammer zur Erzeugung einer Pilotflamme münden. Wendelartig um das Zentralrohr herum sind Rohrschlangen für die Zuführung von Kohlenstaub angeordnet, die in eine Wirbelkammer enden, welche durch eine quer zwischen dem Zentralrohr und dem Rohrschuß liegende Trennwand sowie durch die unteren Teile des Rohrschußes und des Zentralrohres begrenzt wird. Der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Rohrschuß wird durch einen Boden abgeschlossen, der wie das Gehäuse und der Rohrschuß mit einem durchgehenden wassergekühlten Mantel versehen ist. Im Boden sind Austrittsdüsen für das Gemisch aus Dampf und Oxidationsmittel angeordnet, die durch den Hohlraum des wassergekühlten Mantels nach außen geführt sind.

Auch dieser Brenner ist jedoch nicht ausreichend betriebstüchtig und erzeugt ein Gas von unzureichender Qualität. Die geringe Betriebstüchtigkeit ergibt sich durch die Anordnung und eine ungenügende Kühlung der Ausströmdüsen für die Oxidationsmittelzufuhr, die im Boden befestigt sind und nach außen durch den Hohlraum des wassergekühlten Mantels geführt werden. Bei Querumströmung der Austrittsdüsen durch das Kühlwasser bildet sich auf der dem auflaufenden Strom gegenüberliegenden Düsenseite eine Wasserstauzone, wodurch die Kühlwirkung an dieser Stelle wesentlich herabgesetzt wird und sogar ein lokales Sieden der Flüssigkeit hervorgerufen werden kann, was zum Durchbrennen des Kühlmantels in der Umgebung einer Austrittsdüse führt. Die geringe Betriebstüchtigkeit dieses Kohlenstaubbrenners ist auch noch dadurch bedingt, daß der Mantel für die Wasserkühlung keinerlei Schutz vor der Flammeneinwirkung besitzt und das Metall unmittelbar den schädlichen Einwirkungen sehr hoher Wärmeströme ausgesetzt ist (300-800 · 10³ kcal/ m² · h).

Die geringe Gasqualität ergibt sich aus der ungleichförmigen Kohlenstaubzufuhr in den Reaktionsraum. Bei der Dichtstromförderung des Kohlenstaubes zur Wirbelkammer in einem Strom ist es nicht möglich, den Kohlenstaubstrom im Kammerausgangsteil gleichmäßig zu verteilen, da der Kohlenstaub in der Wirbelkammer keine volle Umdrehung vollführt. Dabei wird in der Nähe der Brennermündung im Reaktionsraum ein Bereich mit einer erhöhten Kohlenstaubkonzentration und ein Bereich mit reduzierter Kohlenstaubkonzentration erzeugt. Da das Oxidationsmittel in den Reaktionsraum gleichmäßig zugeführt wird, verschlechtert eine derartige Kohlenstaubverteilung die Qualität des anfallenden Gases erheblich.

Bei der Dichtstromförderung des Kohlenstaubes in die Wirbelkammer durch mehrere Kanäle erfolgt in der Kammer eine Überlagerung der Pulsationen der Staubströme von jedem Kanal, wodurch der Kohlenstaubgesamtstrom stark pulsiert. Somit gelangt der Kohlenstaub in den Reaktionsraum ungleichförmig, was sich negativ auf die Gasqualität auswirkt.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Erzielung eines zuverlässigen störungsfreien Vergasungsbetriebes und in der Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Gases.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch konstruktive Gestaltung des Brenners eine hohe Betriebszuverlässigkeit auch bei besonderen Vergasungsbedingungen, wie hoher Druck und hohe Temperatur, im Druckreaktor zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind in dem Kohlenstaubbrenner, bestehend aus einem Gehäuse mit einem Stutzen zur Zufuhr eines Dampf-Oxidationsmittel-Gemisches, einem Zentralrohr mit Kanälen für die Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidationsmittels und einer an seinem Ende angeordneten Brennkammer, in welche diese Kanäle münden, einem zwischen Gehäuse und Zentralrohr unter Bildung von Ringräumen angeordneten Rohrschuß, einer Kohlenstaubzuführungseinrichtung in dem Ringraum zwischen dem Zentralrohr und dem genannten Rohrschuß, einer Querwand zwischen dem Zentralrohr und dem Rohrschuß, die eine nach unten offene Wirbelkammer bildet, in die die Kohlenstaubzuführungseinrichtung mündet, einem Boden, der den Ringraum zwischen dem Rohrschuß und dem Gehäuse abschließt, einem gemeinsamen wassergekühlten Mantel, mit dem das Gehäuse, der Boden und der Rohrschuß versehen ist, und einer Vielzahl von Austrittsdüsen für das Dampf-Oxidationsmittel- Gemisch, die in dem genannten Boden angeordnet und durch den wassergekühlten Mantel nach außen geführt sind, zwischen dem Boden und dem wassergekühlten Mantel eine ringscheibenartige Zwischenwand mit Öffnungen, die mit den Austrittsdüsen korrespondieren, angeordnet, diese Zwischenwand an einem Rand mit dem Boden, an ihrem anderen Rand mit dem wassergekühlten Mantel befestigt, und in den Öffnungen koaxial zu der jeweils zugehörigen Austrittsdüse je eine Hülse so angebracht, daß ein ringförmiger Spalt zwischen Austrittsdüse und Hülse verbleibt, wobei die einzelnen Hülsen in zu ihnen koaxiale, topfartige Ausbuchtungen in der Außenfläche des wassergekühlten Mantels unter Freilassung eines weiteren Spaltes hineinragen und die Außenseite des wassergekühlten Mantels mindestens im Bereich des Bodens mit einer feuerfesten Auskleidung versehen ist. Weiter ist nach der Erfindung die Wirbelkammer zusätzlich mit einer schneckenförmigen Dralleinrichtung versehen, deren Eingang mit der Kohlenstaubzuführungseinrichtung verbunden ist, welche in Form eines Rohres, das nach der Wirbelkammer zu in einen Kanal mit rechteckigem Querschnitt übergeht, auf das Zentralrohr aufgewickelt ist. Dabei ist die Drallschnecke durch einen aneinandergrenzenden zylindrischen und konischen Teil, für die eine Archimedische Spirale als Führung dient, gebildet.

Die Dicke der Auskleidung des wassergekühlten Mantels ist gleich der Höhe der topfartigen Ausbuchtung.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Brennerausführung im Längsriß,

Fig. 2 den Brenner im Querschnitt A-A in Fig. 1,

Fig. 3 den Teil B des Brenners nach Fig. 1.

Der dargestellte Brenner enthält ein Gehäuse 1 mit einem Stutzen 2 für die Zufuhr eines Dampf-Oxidationsmittel- Gemisches, ein Zentralrohr 3 mit koaxialen Kanälen 4 und 5 für die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsmittels, die am Ausgang mit der Brennkammer 6 verbunden sind, und einen zwischen dem Gehäuse 1 und dem Zentralrohr 3 installierten Rohrschuß 7. An einem im Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Rohrschuß 7 als Austritt aus dem Brenner angeordneten Boden 8 sind Austrittsdüsen 9 für das Dampf-Oxidationsmittel- Gemisch befestigt. Die schräg nach innen gerichteten Austrittsdüsen 9 durchragen Spalträume eines doppelwandigen Kühlmantels 10, in den Stutzen 11, 12 für die Wasserzufuhr und für die Wasserabführung münden. Der Kühlmantel 10 kühlt das Gehäuse 1, den Rohrschuß 7 und den Boden 8. Im unteren Teil des Gehäuses 1 ist zwischen dem Zentralrohr 3 und dem Rohrschuß 7 eine Querwand 13 mit einer darunter gebildeten Wirbelkammer 14 installiert.

Der Kohlenstaub wird über ein Rohr (Kohlenstaubzuführungsrohr 15) zugeführt, das durch einen Übergang 16 mit einem das Zentralrohr 3 umschlingenden Kanal 17 mit rechteckigem Querschnitt verbunden ist. Zwischen dem Boden 8 und dem Kühlmantel 10 befindet sich eine an den Rändern an den Boden 8 und an den Mantel 10 angeschlossene ringscheibenartige Zwischenwand 18 mit Öffnungen. Inden Öffnungen dieser Zwischenwand 18, welche je eine Austrittsdüse 9 umgeben, sind Hülsen 19 koaxial angeordnet, deren untere Enden in topfartigen Ausbuchtungen 20 mit Spielraum gegenüber deren Böden hineinragen. Diese Ausbuchtungen 20 sind in der feuerfesten Auskleidung 21 angebracht, die am Boden des Kühlmantels 10 vorgesehen ist. Die Dicke der Auskleidung 21 entspricht der Höhe der topfartigen Ausbuchtungen 20.

Die Wirbelkammer 14 weist zusätzlich eine schneckenförmige Dralleinrichtung auf, die aus einem oberen zylindrischen Teil 22 und einem unteren konischen Teil 23 besteht. Als Führung der Flächen des zylindrischen und des konischen Teils dient eine Archimedische Spirale. Die Dralleinrichtung hat einen rechteckigen Eingang 24, an den der Kanal 17 für die Kohlenstaubzufuhr angeschlossen ist. Der Brenner wird folgendermaßen betrieben.

Durch den Stutzen 11 wird Kühlwasser zugeführt, das das Gehäuse 1 umspült, indem es den Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Kühlmantel 10 durchströmt. Vor der Zwischenwand 18 wird das Kühlwasser in zwei Ströme unterteilt. Ein Strom läuft durch die freien Öffnungen und bespült den Boden des Mantels. Der zweite Strom des Kühlwassers gelangt in den Ringspalt zwischen den Austrittsdüsen 9 und den Hülsen 19, trifft auf die Böden der topfartigen Ausbuchtungen 20 auf, wodurch er eine hohe Wärmeübertragung sichert, verläuft danach durch die Ringspalte zwischen den topfartigen Ausbuchtungen 20 und den Hülsen 19 und gelangt in den Spalt zwischen der Zwischenwand 18 und dem Boden des Kühlmantels 10, wo sich beide Ströme vereinigen. Des weiteren gelangt der Kühlwasserstrom in den Spalt zwischen dem Rohrschuß 7 und dem Mantel und tritt durch den Stutzen 12 aus. Über den Kanal 4 wird Brenngas, über den Kanal 5 Oxidationsmittel zugeführt. Diese beiden Medien werden in der Brennkammer 6 verbrannt. Die glühenden Verbrennungsprodukte gelangen aus der Brennkammer 6 in den Reaktionsraum des Gaserzeugers. Über den Stutzen 2 erfolgt die Zufuhr von Wasserdampf, danach wird der Kohlenstaub im Dichtstrom zugeleitet, der durch das Kohlenstaubzuführungsrohr 15, den Übergang 16 vom runden Querschnitt zum rechteckigen Querschnitt und anschließend durch den Kanal 17 mit rechteckigem Querschnitt fließt. Von dort aus gelangt der Kohlenstaubstrom durch die Querwand 13 in den Eingang 24 der schneckenförmigen Dralleinrichtung, mit Hilfe derer eine gleichmäßige Verteilgung des Kohlestroms im Austrittsquerschnitt der Wirbelkammer 14 erzielt wird. Anschließend gelangt der gleichmäßig verteilte Kohlestrom in den Reaktionsraum des Gaserzeugers. Danach wird durch den Stutzen 2 das Oxidationsmittel im Gemisch mit Wasserdampf zugeleitet. Das Gemisch durchströmt mit großer Geschwindigkeit die Austrittsdüsen 9, reißt den Kohlenstaub mit und vermischt sich mit ihm und mit den heißen Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer 6. Dabei erfolgt die Zündung und Verbrennung des Kohlenstaubes in Gegenwart von Oxidationsmittel und Wasserdampf.

Der erfindungsgemäße Brenner weist folgende Vorzüge auf:
Durch die zwischen dem Boden und dem wassergekühlten Mantel installierte Zwischenwand mit den um die Ausströmdüsen herum angeordneten Öffnungen und mit den Hülsen, deren untere Enden mit Spiel in die topfartigen Ausbuchtungen hineinragen, wird eine gleichmäßige intensive Kühlung der Ausströmdüsen erzielt. Lokale Überhitzungen des Wassers werden so vermieden, wodurch eine große Betriebstüchtigkeit erreicht wird. Da der Mantelboden eine Auskleidung besitzt, deren Dicke gleich der Höhe der topfartigen Ausbuchtungen ist, nimmt der Wärmestrom, der den Boden des wassergekühlten Mantels durchströmt, erheblich ab, was zu einer Steigerung der Betriebstüchtigkeit des Brenners beiträgt. Da die Wirbelkammer die schneckenförmige Dralleinrichtung mit der rechteckigen Eintrittsöffnung, einem oberen zylindrischen Teil und einem unteren konischen Teil besitzt und die Kohlenstaubzufuhr über das Rohr, den Übergang und den auf das Zentralrohr gewickelten Kanal mit rechteckigem Querschnitt erfolgt, wird eine gleichmäßige Verteilung des Kohlenstaubes am Brenneraustritt ohne Pulsationen des Kohlenstromes erzielt. Infolgedessen wird die Qualität des anfallenden Vergasungsgases bedeutend verbessert.

In der Tabelle sind die Betriebsergebnisse eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kohlenstaubbrenners und eines Prototyp-Brenners aufgeführt.

Beide Brenner wurden folgendermaßen betrieben:
Kohlenstaubverbrauch 22 500 kg/h, Verbrauch an technischem Sauerstoff 8300 m³ i.N./h, Wasserdampfverbrauch 550 m³ i.N./h. Für die Einsatzversuche wurde Kohle mit folgender Zusammensetzung verwendet:
C - 51,0%; H - 4,0%; O - 24,0%; N - 0,4%; W - 10,0%; A - 10%; S - 0,6%.

Tabelle  

Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, ist das mit dem erfindungsgemäßen Brenner erzeugte Vergasungsgas wesentlich besser als das mit dem bekannten Brenner erzeugte. Die Gesamtausbeute an Kohlenoxid und Wasserstoff beträgt bei dem neuen Brenner 68, 1 Vol.-%, die Restkohlenstoffkonzentration liegt bei 7 g/m³ i.N., während die Gesamtausbeute an Kohlenoxid und Wasserstoff beim bekannten Brenner 63,5 Vol.-% beträgt und die Restkohlenstoffkonzentration bei 57 g/m³ i.N. liegt.

Claims (5)

1. Kohlenstaubbrenner, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit einem Stutzen (2) zur Zufuhr eines Dampf-Oxidationsmittel- Gemisches, einem Zentralrohr (3) mit Kanälen für die Zufuhr eines Brenngases (Kanal 4) und eines Oxidationsmittels (Kanal 5) und mit einer an seinem Ende angeordneten Brennkammer (6), in welche die genannten Kanäle münden, einem zwischen Gehäuse (1) und Zentralrohr (3) unter Bildung von Ringräumen angeordneten Rohrschuß (7), einer Kohlenstaubzuführungseinrichtung in dem Ringraum zwischen dem Zentralrohr (3) und dem Rohrschuß (7), einer Querwand (13) zwischen dem Zentralrohr (3) und dem Rohrschuß (7), die eine nach unten offene Wirbelkammer (14) bildet, in die die Kohlenstaubzuführungseinrichtung mündet, einem Boden (8), der den Ringraum zwischen dem Rohrschuß (7) und dem Gehäuse (1) abschließt, einem gemeinsamen wassergekühlten Kühlmantel (10), mit dem das Gehäuse (1), der Boden (8) und der Rohrschuß (7) gekühlt wird, und einer Vielzahl von Austrittsdüsen (9) für das Dampf-Oxidationsmittel-Gemisch, die im Boden (8) angeordnet und durch den wassergekühlten Mantel (10) nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Boden (8) und der unteren Stirnwand des Kühlmantels (10) eine Zwischenwand (18) angeordnet ist, die zwei von Kühlwasser durchströmte schmale Kammern begrenzt, und in der die Austrittsdüsen umgebende Öffnungen vorgesehen sind, und
daß der Wirbelkammer (14) zusätzlich eine schneckenförmige Dralleinrichtung zugeordnet ist, wobei das Kohlenstaubzuführrohr (15) in Richtung der Wirbelkammer (14) in einen Kanal (17) mit rechteckigem Querschnitt übergeht, welcher auf das Zentralrohr (3) aufgewickelt ist und in die Wirbelkammer tangential ausmündet.

2. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Öffnungen der Zwischenwand (18) koaxial zu der zugehörigen Austrittsdüse (9) je eine Hülse (19) angebracht ist, die einen Ringspalt zur Austrittsdüse (9) begrenzt und in je eine topfartige Ausbuchtung (20) in der Außenfläche des Kühlmantels (10) unter Freilassung eines weiteren Spaltes hineinragt.

3. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite des Kühlmantels (10) mindestens im Bereich der Stirnwand mit einer feuerfesten Auskleidung (21) versehen ist.

4. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralleinrichtung durch einen zylindrischen Teil (22) und einen konischen Teil (23) gebildet wird, welche aneinandergrenzen und eine Archimedische Führungsspirale bilden.

5. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Auskleidung (21) eine Stärke aufweist, die gleich der Höhe der topfartigen Ausbuchtung (20) des Kühlmantels (10) ist.