DE4021005C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zyklonbrenner mit zylindrischer Brennkammer, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben.

Bei Brennkammern, denen als Brennstoffe in einem Feststoffvergaser erzeugte Gasgemische zugeführt wer­ den, ist damit zu rechnen, daß mit den Brenngasen auch Feststoffpartikeln eingeführt werden, die sich in der Brennkammer absetzen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Brennkammer unmittelbar am Gas­ ausgang des Feststoffvergasers angeschlossen ist. Nachteilig sind insbesondere vom Brenngas mitgeris­ sene unverbrennbare Inertstoffpartikeln, die aus der Brennkammer abgetrennt werden müssen, bevor das in der Brennkammer erzeugte heiße Abgas in einen nachgeschalteten Wärmetauscher einströmt. Es muß vermieden werden, daß sich der Wärmetauscher durch sich absetzende Feststoffpartikeln zusetzt.

Zum Austritt von Feststoffpartikeln aus einer zylin­ drischen Brennkammer sind Austrittsöffnungen in der Brennkammerwand bekannt, US-PS 33 57 383. Über diese Austrittsöffnungen kann ein Teil der sich unmittel­ bar an der Brennkammerwand befindlichen Feststoff­ partikeln aus der Brennkammer entfernt werden. Einem Feuerungsrost entsprechende Einsätze zum Abführen von Asche aus einem Zyklonbrenner werden in DE-PS 10 24 663 beschrieben, ein Zyklonbrenner mit senk­ recht angeordneter Achse und Abzug der Feststoffpar­ tikeln von trichterförmigem Boden ist aus DE-PS 9 74 562 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zyklonbren­ ner eine rasche und möglichst vollständige Abtrenn­ möglichkeit für die sich im wandnahen Bereich der Brennkammer befindenden Feststoffpartikeln zu schaf­ fen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Zyklonbrenner der Eingangs genannten Art durch die in Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale. Zum Abzug der Fest­ stoffpartikeln dient an der Innenseite des zylindri­ schen Mantels der Brennkammer zumindest ein Austritts­ schlitz, der eine Wandstufe zur Einleitung der Fest­ stoffpartikeln aufweist. Über die Wandstufe werden die sich an der Innenseite des Mantels in der Brenn­ kammer sammelnden Feststoffpartikeln zum Austritts­ schlitz und in einen Abscheideraum geführt, in den der Austrittsschlitz mündet.

In weiterer Ausbildung der Erfindung nach Patentan­ spruch 2 ist die Wandstufe zum Eintritt der Fest­ stoffpartikeln an ihrer Stirnseite geöffnet. Die Öffnungsweite des in dieser Weise ausgebildeten Aus­ trittsschlitzes ergibt sich aus der in radialer Richtung bemessenen Wandstufenhöhe (Höhe der geöff­ neten Stirnwand), die dann auch die aus der Brenn­ kammer abführbare Partikelfraktion bestimmt. Zur Steuerung des gewünschten Austritts der Partikeln ist die Wandstufe verstellbar ausgeführt, Patentan­ spruch 3.

Eine vollständige Abtrennung der sich in der Brenn­ kammer abscheidenden Feststoffpartikeln wird nach Patentanspruch 4 dadurch unterstützt, daß sich der Austrittsschlitz im zylindrischen Mantel über dessen gesamte Länge erstreckt. Damit die Feststoffpartikeln aus der Brennkammer in den Abscheideraum ungehin­ dert eintreten können, weist der Austrittsschlitz einen sich nach außen keilförmig erweiternden Strö­ mungsquerschnitt auf, Patentanspruch 5. Im Ab­ scheideraum wird ein Unterdruck gegenüber dem Druck in der Brennkammer erzeugt. Bevorzugt dient dazu nach Patentanspruch 6 eine vom Abscheideraum zur Abgasleitung geführte Bypaßleitung. Der Unterdruck wird durch eine verstellbare Drosselklappe in der Bypassleitung eingestellt, Patentanspruch 7.

Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen der Erfin­ dung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in der Zeichnung sche­ matisch wiedergegeben sind. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 Querschnitt einer Zyklonbrennkammer mit waagerecht angeordneter Brennkam­ merachse und mit Brenngaseintritt im oberen und Partikelaustritt im unteren Kammerbereich gemäß Schnitt­ linie I/I nach Fig. 2;

Fig. 2 Längsschnitt einer Brennkammer gemäß Fig. 1 nach Schnittlinie II/II;

Fig. 3 Querschnitt einer Zyklonbrennkammer mit verstellbarer Wandstufe;

Fig. 4 Querschnitt einer Zyklonbrennkammer mit senkrechter Brennkammerachse und seitlichem Brenngaseintritt und seit­ lichem Partikelaustritt gemäß Schnitt­ linie IV/IV nach Fig. 5;

Fig. 5 Längsschnitt einer Brennkammer gemäß Fig. 4 nach Schnittlinie V/V.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen Zyklonbrenner mit zylindri­ schen Brennkammern 1, deren Brennkammerachsen 2 waage­ recht angeordnet sind. Beim Zyklonbrenner nach Fig. 1 und 2 mündet im oberen Bereich der waagerecht lie­ genden Brennkammer 1 eine Gaszufuhr 3 für ein Brenn­ gas/Luft-Gemisch. Im Ausführungsbeispiel weist die Gaszufuhr 3 zwei voneinander durch eine Trennwand 4 getrennte Strömungsräume 5, 6 auf, durch die im Strömungsraum 5 Brenngas und im Strömungsraum 6 Luft in die Brennkammer 1 eingeleitet werden. Das sich hierbei im oberen Bereich der Brennkammer bildende Brenngas/ Luft-Gemisch wird beim Start des Zyklon­ brenners über einen Zündbrenner 7 gezündet. Der Zündbrenner 7 ist in die Brennkammer 1 durch deren Mantel 8 hindurch eingeführt. Mit dem Zündbrenner 7 läßt sich die Brennkammer 1 auch vor Eintritt von Brenngas und Luft auf eine geeignete Zündtemperatur vorwärmen, bei der das Brenngas/Luft-Gemisch schon vom Zündzeitpunkt an unter Ausbildung nur geringer Schadgasanteile verbrennbar ist.

Das in der Brennkammer 1 gebildete Abgas strömt über eine Abgasleitung 9 mit Leitungsteilen 9a, 9b ab. Die Abgasleitung 9 ist an der Brennkammer 1 stirnseitig, im Ausführungsbeispiel an einer Stirn­ seite 10 zentral und parallel zur Brennkammerachse 2 verlaufend angeschlossen. Der Teil 9a der Abgas­ leitung 9, der den Anschluß der Abgasleitung an einer Stirnseite 10 der Brennkammer 1 bildet, weist einen engeren Strömungsquerschnitt 11 auf, als der Teil 9b der Abgasleitung 9 mit Strömungsquerschnitt 12. Der Teil 9a kann düsenformig ausgebildet sein, wobei sich der Strömungsquerschnitt 11 vom Anschluß der Abgasleitung von der Stirnseite 10 ausgehend bis zur Mündung des Teils 9a in den Teil 9b laval­ düsenartig erweitert. Dies beschleunigt und stabi­ lisiert den Abgasstrom aus der Brennkammer 1, wobei zugleich ein Durchmischungseffekt für den Ausbrand des Abgases erreicht wird. Durch den Teil 9b strömt das Abgas zu einem in der Zeichnung nicht wiederge­ gebenen Wärmetauscher ab.

lm unteren Bereich der Brennkammer 1 ist ein Aus­ trittsschlitz 13 zur Ableitung von Feststoffparti­ keln vorgesehen, die in die Brennkammer 1 mit dem Brenngas eingeführt werden. Über den Austrittsschlitz fallen die Feststoffpartikeln in einen Abscheide­ raum 14, in den der Austrittsschlitz mündet. Der Abscheideraum weist eine verschließbare Öffnung 14a zur Entaschung des Abscheideraums auf. Der Austritts­ schlitz 13 dehnt sich im Ausführungsbeispiel über die gesamte Breite B der Brennkammer 1 aus, siehe Fig. 2, und wird von einer Wandstufe 15 gebildet, deren Stirnseite zum Eintritt von Feststoffpartikeln geöffnet ist. Der Austrittsschlitz 13 weist im Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 einen sich im Mantel 8 nach außen erweiternden Strömungsquer­ schnitt 16 auf, der Austrittsschlitz erweitert sich nach außen keilförmig. Die Wandstufe 15 wird hierzu von einer Begrenzungsfläche 17 gebildet, die zu einer ihr gegenüberliegenden radial verlaufenden Begren­ zungsfläche 18 des Austrittsschlitzes 13 im Winkel geneigt angeordnet ist. Von der Ausbildung der Wand­ stufe 15, insbesondere von deren Wandstufenhöhe 19, mit der die Wandstufe in die Brennkammer 1 hineinragt, und von der keilförmigen Erweiterung des Austritts­ schlitzes wird die Feststoffpartikelfraktion bestimmt, die über den Austrittsschlitz 13 in den Abscheide­ raum 14 abgeführt wird. Je höher die Wandstufe 15 bemessen ist, um so mehr Feststoffpartikeln lassen sich aus der Brennkammer 1 hinaus in den Abscheide­ raum 14 leiten.

In Fig. 3 ist die Wandstufenhöhe 19 der Wandstufe verstellbar eingerichtet. Eine Wandstufe 15a ist als Klappe ausgebildet und um eine Achse 20 beweg­ lich. Sie kann entsprechend der gewünschten Parti­ kelabscheidung an der Brennkammerwand gedreht wer­ den. Da sich die Feststoffpartikeln infolge der auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte an der Innenseite des Mantels konzentrieren, kann die Wandstufe 15a je stärker in den freien Brennkammerraum hineinge­ führt werden, je dicker die Partikeln führende Gas­ schicht ist. Die Stellung der Wandstufe 15a beein­ flußt jedoch auch den optimalen Verbrennungsablaufs in der Brennkammer, sie ist entsprechend zu regu­ lieren. Der Austrittsschlitz 13 verläuft im Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 3 im Mantel 8 in einem Win­ kel 21 zur Radialebene 22 der Brennkammer 1. Der Winkel 21 ist derart bemessen, daß die Partikeln aus der Brennkammer mit möglichst geringem Wider­ stand austreten. Der Austrittsschlitz 13 weist einen gleichförmigen Strömungsquerschnitt 16a auf.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 tritt in die Brennkammer 1 über die Gaszufuhr 3 bereits ein brenn­ bares Gasgemisch ein. Die Trennwand 4 und die ge­ trennten Strömungsräume 5, 6, wie sie im Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1 und 2 vorhanden sind, sind entfallen. Zur Regelung der Zufuhr des Gasgemisches, insbesondere zur Regelung der Einströmgeschwindig­ keit des Gasgemisches in die Brennkammer, ist im Mündungsbereich 23 der Gaszufuhr 3 eine Regelklap­ pe 24 angeordnet. Je nach Gasmenge, die entsprechend der gewünschten Wärmeerzeugungsleistung in die Brenn­ kammer einzuführen ist, wird zur Veränderung des Gaseintrittsquerschnitts die Stellung der Regel­ klappe 24 mit dem Ziel verändert, eine konstante Eintrittsgeschwindigkeit für das brennbare Gasge­ misch zu erreichen. Die Eintrittsgeschwindigkeit beeinflußt neben der Partikelabscheidung auch den Ausbrand des Gasgemisches in der Brennkammer.

Im übrigen ist die Brennkammer 1 nach Fig. 3 in gleicher Weise wie die Brennkammer nach dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 aufgebaut. Für die gegenüber diesem Beispiel unverändert gebliebe­ nen Teile der Brennkammer wurden deshalb in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 benutzt.

Vom Abscheideraum 14 führt ein Bypass 25 zur Abgas­ leitung 9. Er mündet im Teil 9b der Abgasleitung. lm Bypass ist eine Drosselklappe 26 eingesetzt, über deren Stellung sich der im Abscheideraum 14 gewünsch­ te Unterdruck gegenüber dem Druck in der Brennkam­ mer 1 einstellen läßt. Die sich daraus ergebende Druckdifferenz zwischen Brennkammer 1 und Abscheide­ raum 14 beeinflußt die gewünschte Abscheidung der Feststoffpartikeln.

Um ein Mitreißen der Feststoffpartikeln aus dem Ab­ scheideraum 14 über den Bypass 25 in die Abgaslei­ tung 9 zu vermeiden und im Abscheideraum die Parti­ kelbewegung zu beruhigen, sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 im Abscheideraum 14 des Zyklonbrenners Prallbleche 27 eingesetzt, die die Feststoffparti­ keln im Abscheideraum zurückhalten.

In Fig. 4 und 5 ist ein Zyklonbrenner wiederge­ geben, dessen Brennkammerachse 28 senkrecht angeord­ net ist. Bei diesem Zyklonbrenner wird Brenngas und Luft von der Seite her tangential in eine Brennkam­ mer 29 über einen Brenngaseintritt 30 und eine Luft­ leitung 31 eingeführt. Am Zugang 32 des Brenngas/Luft- Gemisches treten zusammen mit dem Gasgemisch in die Brennkammer 29 Feststoffpartikeln ein, die aus der Brennkammer 29 bevorzugt über einen etwa um 225° gegenüber dem Zugang 32 im Mantel 33 der Brennkammer versetzt angeordneten Austrittsschlitz 34 abgeführt werden. Am Austrittsschlitz 34 ist hierzu eine ver­ stellbare Wandstufe 15b angebracht.

Über die Wandstufe 15b treten die Feststoffpartikeln in einen in gleicher Weise wie die Brennkammer 29 zylindrisch geformten Abscheideraum 35 mit ebenfalls senkrecht angeordneter Achse aus. Die Achse des Ab­ scheideraums 35 fällt im Ausführungsbeispiel mit der Brennkammerachse 28 zusammen, die Brennkammer 29 ist somit zentral im Abscheideraum 35 angeordnet.

Die Brennkammer 29 weist im Ausführungsbeispiel einen von ihrem Zentrum zum Mantel 33 hin kegelförmig ab­ fallenden Kammerboden 36 auf. Zur Entnahme von mit­ geführten Feststoffpartikeln, die sich am Kammerbo­ den der Brennkammer sammeln, sind auch im Boden Durchtrittsöffnungen für die Feststoffpartikeln vor­ gesehen. Die Durchtrittsöffnungen sind in Fig. 5 nicht dargestellt.

Das Abgas strömt aus der Brennkammer 29 zentral ab. In Fig. 5 sind schematisch für den Abgasstrom Strö­ mungspfeile 37 eingezeichnet. Das heiße Abgas wird innerhalb einer Abgasleitung 38 abgeführt, im Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Abgasleitung mit einem in Fig. 5 nicht wiedergegebenen Wärmetauscher verbun­ den, über den das heiße Abgas seine Wärme an ein Heizmedium abgibt.

Die Abgasleitung 38 ist zum Abscheideraum 35 hin geöff­ net. Das in den Abscheideraum 35 beim Abzug der Fest­ stoffpartikeln aus der Brennkammer 29 eindringende Gas kann somit gemeinsam mit dem Abgas ebenfalls unmittelbar über die Abgasleitung 38 abziehen. Am Ab­ scheideraum 35 ist zusätzlich eine Rauchgasrückfüh­ rung 39 angeschlossen, deren Zugang mittels einer Stellklappe 40 geöffnet werden kann. Die jeweils über die Rauchgasrückführung zurückgeführte Gasmenge wird durch entsprechendes Einstellen der Öffnungs­ weite der Stellklappe 40 geregelt.

lm unteren Bereich des Abscheideraums 35 befindet sich zum Abzug der abgeschiedenen Feststoffpartikeln ein trichterförmiger Partikelaustrag 41. Im Ausfüh­ rungsbeispiel ist zur Entleerung des Abscheideraums eine Feststoffschleuse 42 vorgesehen, die zum Aus­ trag je nach Feststoffanfall geöffnet wird.

Die zentrale Lage der Brennkammer 29 innerhalb des Abscheideraums 35 und die freie Strömungsumlenkung des Abgases im Deckenbereich des Abscheideraums (siehe Strömungspfeile 37) dienen einer weitgehenden Reinigung des aus der Brennkammer abziehenden heißen Abgases vor Eintritt in den Wärmetauscher. Vom Brenn­ gas/Luft-Gemisch in die Brennkammer eingeführte Fest­ stoffpartikeln werden im Abscheideraum den gewünsch­ ten Anforderungen entsprechend abgeschieden. Ein Zusetzen des Wärmetauschers mit Staub ist somit beim Zyklonbrenner gemäß der Erfindung in ausreichendem Maße verhindert.

Claims (9)

1. Zyklonbrenner mit zylindrischer Brennkammer und mit tangential in die Brennkammer mündender Gaszufuhr für ein in der Brennkammer abbrennbares Brenngas/Luft-Gemisch, mit einer Abgasleitung, die an einer der Stirnseiten der Brennkammer angeschlossen ist und mit einem am zylindrischen Mantel der Brennkammer mündenden, in einen Abscheideraum führenden Austritt für vom Brenngas mitgeführte Feststoffpartikeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt zumindest einen Austrittsschlitz (13, 34) mit einer in die Brennkammer (1, 29) hineinragenden Wandstufe (15, 15a, 15b) zur Einleitung der Feststoffpartikeln in den Austrittsschlitz (13, 34) bildet.

2. Zyklonbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstufe (15, 15a, 15b) zum Eintritt von Feststoffpartikeln an ihrer Stirnseite geöffnet ist.

3. Zyklonbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstufe (15a, 15b) verstellbar ist.

4. Zyklonbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Austrittsschlitz (13) im zylindrischen Mantel (8) über dessen gesamter Breite (B) ausdehnt.

5. Zyklonbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsschlitz (13) einen sich vom Innenraum der Brennkammer (1) her nach außen erweiternden Strömungsquerschnitt (16) aufweist.

6. Zyklonbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung von Abgas aus dem Abscheideraum (14) vom Abscheideraum ausgehend ein Bypaß (25) zur Abgasleitung (9) geführt ist.

7. Zyklonbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypaß (25) eine verstellbare Drosselklappe (26) angeordnet ist.

8. Zyklonbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr (3) im Mündungsbereich (23) zur Brennkammer (1) einen verstellbaren Gaseintrittsquerschnitt aufweist.

9. Zyklonbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung des Gaseintrittsquerschnitts eine Regelklappe (24) angebracht ist, die in Abhängigkeit von der einströmenden Brenngasmenge und/oder der Einströmgeschwindigkeit des Brenngases einstellbar ist.