DE4301911C2 - Vergasungsbrenner für pulverisierten Festbrennstoff und Verbrennungsverfahren - Google Patents
Vergasungsbrenner für pulverisierten Festbrennstoff und VerbrennungsverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner für pulverisierte Festbrennstoffe,
wie er für eine Reduktions-Schmelzvorrichtung
oder einen Schmelzofen für Eisen und NE-Metalle
als Quelle für Reduktionsgas und Wärme
dienen kann.
Bei den meisten ISP-Verfahren (Imperial Smelting Process) des
pyrometallurgischen Zinkschmelzens wird Zinksulfidkonzentrat
geröstet, und die durch das Rösten erhaltenen Sinterstücke
werden zusammen mit dem großstückigen Koks in den Schmelzofen
eingebracht. Das Zink wird ausgedampft, so daß ein den Zink
dampf enthaltendes Reduktionsgas erhalten wird. Der in diesem
Gas enthaltene Zinkdampf wird von einem Spritzbleikondensator
absorbiert und zurückgewonnen, um Rohzink zu erhalten.
Im Vergleich zu anderen pyrometallurgischen Schmelzverfahren
hat dieses ISP-Verfahren den Vorteil, daß gleichzeitig Blei
und Zink verarbeitet werden können, es sich also um ein sehr
kostengünstiges Verfahren handelt.
Aufgrund der in jüngster Zeit stattfindenden Kostenverringe
rungen hat sich jedoch die Kostengünstigkeit dieses ISP-Ver
fahren stark relativiert. Der Grund sind die hohen Kosten für
den Stück-Koks.
Andererseits ist in Ländern wie Japan, in denen die Ko
sten für elektrische Energie hoch sind, hydrometallurgisches
Schmelzen ebenfalls unvorteilhaft.
Um also den Kostenfaktor des ISP-Verfahrens zu verbessern,
wurden zahlreiche Verbesserungen des pyrometallurgischen
Schmelzverfahrens vorgeschlagen und untersucht.
Eine der am meisten versprechenden Vorschläge in dieser Richtung
ist in der JP-Patentveröffentlichung (SHOWA 61-28004 "Ein
spritzschmelzen von Zink-Rösterz") enthalten. Bei diesem Ver
fahren werden vorab Schlacke mit einem Fe-SiO₂-Verhältnis in
der Nähe von demjenigen des Zinkkonzentrats und ein Edelme
tall in den Ofen eingebracht, und das geröstete pulverisierte
Zinkkonzentrat, ein Reduktionsmittel und stark mit Sauerstoff
angereichterte Luft werden durch eine Lanze in das Schmelzbad
geblasen. Als Reduktionsmittel wird pulverisierter Koks und/oder
feiner Kohlenstoff verwendet. Im Vergleich zu dem ISP-Ver
fahren lassen sich die Betriebskosten stark reduzieren,
weil pulverisierter Koks und/oder feiner Kohlenstoff anstelle
von Stück-Koks verwendet werden.
Da bei diesem Verfahren jedoch die Verweilzeit des pulveri
sierten Koks innerhalb des Ofens sehr kurz ist, ist ungeach
tet der Frage, wie klein der Korndurchmesser des pulverisierten Koks im
Vergleich zu dem Stück-Koks ist, die wirksame Ausnutzung des
pulverisierten Koks, mit anderen Worten, die Vergasungsrate,
welche angibt, wieviel Kohlenstoff verbrennt und zu Gas wird,
im Vergleich zu dem ISP-Verfahren wesentlich schlechter. Als
Folge wird eine große Menge nicht-verbrannten pulverisierten
Koks auf den Nachverarbeitungskondensator verstreut, was eine
Kondensation des Zinks verhindert. Aus diesem Grund wird die
Gewinnungsrate von Zink herabgesetzt.
Es wurden zwei Erfindungen vorgeschlagen, um diesem Problem
zu begegnen. Sie sind in den japanischen Patent-Erstveröf
fentlichungen Nr. Sho 62-80234 und Hei-1-129933 offenbart.
Diese beiden Erfindungen beziehen sich beide auf das Lanzen-
Einblasverfahren.
Die in der japanischen Patent-Erstveröffentlichung Nr. Sho
62-80234 beschriebene Erfindung macht Gebrauch von einer Dop
pelrohrkonstruktion für die Lanze mit Außen- und Innenrohren.
Durch das Innenrohr wird Feinkoks zugeführt, und sauerstoff
haltiges Gas, z. B. reiner Sauerstoff oder mit Sauer
stoff angereichterte Luft, wird durch das Außenrohr geleitet,
und der Feinkoks und das Verbrennungsgas werden in dem Misch
abschnitt an der Spitze der Lanze gemischt.
Die in der japanischen Patent-Erstveröffentlichung Nr. Hei 1-129933
beschriebene Erfindung verwendet eine mittig angeord
nete Zink-Rösterz-Zuführdüse, und um diese mittige Zink-Röst
erz-Zuführdüse herum sind mehrere Zuführdüsen zum Mischen und
Austragen des Feinkoks und des Verbrennungsgases angeordnet.
Diese beiden Erfindungen sind gekennzeichnet durch den Misch
abschnitt, welcher sich in dem schmalen Abschnitt des Düsen-
Spitzenabschnitts befindet, wo der Feinkoks unter das Ver
brennungsgas gemischt wird, während nach dem Mischen das Ge
misch aus der Auslaßöffnung der Düse, bei annähernd Schall
geschwindigkeit, in den Ofen ausgetragen wird.
Die Verwendung der Lanze, wie sie in den beiden vorerwähnten
Veröffentlichungen beschrieben ist, verbessert die Verga
sungsrate des Feinkokses bis zu einem gewissen Maß. Im Ver
lauf der Zeit jedoch zeigen beide Verfahren eine steile Ab
nahme der Vergasungsrate, und auch die Zinkgewinnungsrate
nimmt stark ab. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Aus
traggeschwindigkeit so hoch ist, daß die Spitze des Brenners
durch den Feinkoks sehr rasch verschleißt und mithin der
Mischzustand des Feinkokses und des sauerstoffhaltigen Gases
aufgrund einer Abnahme der Vergasungsrate und Verbrennbarkeit
schlecht wird.
Außerdem wird der gemäß den erwähnten Erfindungen unter Ver
wendung einer Lanze eingeblasene Feinkoks in einem sauer
stoffarmen Zustand im Inneren des Ofens vergast, und weil die
Ofentemperatur unterhalb von 1500°C gehalten wird, um die
Ziegel des Ofens zu schützen, ergibt sich eine Grenze dafür,
wie weit die Vergasungsrate des Feinkokses verbessert werden
kann, unabhängig davon, wie gut der Feinkoks und das sauer
stoffhaltige Gas gemischt sind. Dies hat folgenden Grund:
Bekanntlich wird in einem sauerstoffarmen Zustand Kohlenstoff als Hauptbestandteil des Feinkokses gemäß folgenden Gleichun gen vergast
Bekanntlich wird in einem sauerstoffarmen Zustand Kohlenstoff als Hauptbestandteil des Feinkokses gemäß folgenden Gleichun gen vergast
C(s) + O₂(g) = CO₂(g) (6)
C(s) + CO₂(g) = 2CO(g) (7).
In anderen Worten:
Zunächst reagiert Sauerstoff mit Kohlenstoff gemäß Gleichung (6) unter Bildung von CO₂, abhängig von der Sauerstoffmenge. Als nächstes reagiert dieses CO₂ mit dem verbliebenen Kohlen stoff gemäß Gleichung (7), wodurch CO gebildet wird. Bekannt lich handelt es sich bei der Reaktion nach Gleichung (6) um eine exotherme Reaktion, die sehr rasch abläuft, während es sich bei der Reaktion nach Gleichung (7) um eine endotherme Reaktion handelt, wobei deren Reaktionsgeschwindigkeit eine positive Korrelation bezüglich der Temperatur besitzt. Bei Temperaturen um 1500°C ist die Reaktionsgeschwindigkeit nach Gleichung (7) relativ gering, und um sämtlichen verbliebenen Kohlenstoff in CO umzuwandeln, muß der Kohlenstoff lange Zeit innerhalb des Ofens bleiben. Wenn allerdings von den oben er wähnten zwei Erfindungen Gebrauch gemacht wird, läßt sich die Zeitspanne, innerhalb der der Kohlenstoff in dem Ofen ver bleibt, nicht strecken.
Zunächst reagiert Sauerstoff mit Kohlenstoff gemäß Gleichung (6) unter Bildung von CO₂, abhängig von der Sauerstoffmenge. Als nächstes reagiert dieses CO₂ mit dem verbliebenen Kohlen stoff gemäß Gleichung (7), wodurch CO gebildet wird. Bekannt lich handelt es sich bei der Reaktion nach Gleichung (6) um eine exotherme Reaktion, die sehr rasch abläuft, während es sich bei der Reaktion nach Gleichung (7) um eine endotherme Reaktion handelt, wobei deren Reaktionsgeschwindigkeit eine positive Korrelation bezüglich der Temperatur besitzt. Bei Temperaturen um 1500°C ist die Reaktionsgeschwindigkeit nach Gleichung (7) relativ gering, und um sämtlichen verbliebenen Kohlenstoff in CO umzuwandeln, muß der Kohlenstoff lange Zeit innerhalb des Ofens bleiben. Wenn allerdings von den oben er wähnten zwei Erfindungen Gebrauch gemacht wird, läßt sich die Zeitspanne, innerhalb der der Kohlenstoff in dem Ofen ver bleibt, nicht strecken.
Die Druckschrift DE-A 28 16 768 offenbart ein Verfahren zur Verbrennung feingemahlener
Kohle, in dem die Kohle unterhalb ihres Schlackenschmelzpunktes verbrannt und um den
Flammenraum herum eine hohe, den Brennstoff zündende Wärmemenge gespeichert wird.
Das Verfahren wird in einer Vorrichtung mit einem Brenner durchgeführt, für den das
Verhältnis Brennerleistung/Volumen des Flammenraums 0,3 bis 0,7 MW/m³ beträgt. Dabei
ist der Flammenraum zylindrisch, und das Verhältnis Durchmesser/Länge des Flammen
raums beträgt 0,4 bis 0,75.
Die Druckschrift GB-A 2,099, 132 offenbart ein Verfahren zur Verbrennung pulverförmiger
oder teilchenförmiger fester Brennstoffe in einem hierfür geeigneten Vergasungsbrenner.
Über die geometrischen Maße des Brenners oder des Verbrennungsraums wie auch über die
Geometrie des Brennstoff- oder Gasstroms sind der Druckschrift keine Angaben zu
entnehmen.
Ziel der Erfindung ist es, einen Festbrennstoff-Vergasungs
brenner anzugeben, der über eine lange Zeitspanne hinweg eine
hohe Vergasungsrate gewährleistet.
Ziel der Erfindung ist auch, ein Verfahren zum Verbrennen pulverisierter Festbrennstoffe
unter Verwendung eines Festbrennstoff-Vergasungsbrenners mit hoher Brennstoffnutzung
bei anlagenschonender und energiesparender Betriebsweise des Brenners anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Verga
sungsbrenner eine Brennkammer und ein Vormischrohr mit spezi
ellen Abmessungen aufweist, derart, daß ein Raum für eine Re
aktion in der Nähe der Austragöffnung des Vormischrohrs um
den kegelförmigen Gasstrom aus dem Vormischrohr in die Brenn
kammer hinein genutzt wird.
Die Erfindung betrifft also einen Vergasungsbrenner für pulverisierten Festbrennstoff nach
Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brenners sind in den
Patentansprüchen 2 bis 4 beansprucht.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verbrennen pulverisierter Festbrennstoffe
unter Verwendung von Vergasungsbrennern des nachfolgend genauer beschriebenen Aufbaus
nach Patentanspruch 5. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens
weise ist in Patentanspruch 6 beansprucht.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Teil-Querschnittsansicht einer ersten Ausfüh
rungsform des erfindungsgemäßen Vergasungsbrenners;
Fig. 2 eine Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem
durch das Blasen von Gas aus dem Blasrohr erzeugten
kegelförmigen Gasstrom und der zylindrischen Haube
veranschaulicht;
Fig. 3 eine Teil-Schnittansicht eines Beispiels einer zweiten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vergasungsbren
ners;
Fig. 4 eine Teil-Querschnittansicht eines weiteren Beispiels
des Vergasungsbrenners nach dem zweiten Ausführungs
beispiel der Erfindung;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem
gemessenen m-Wert und der Vergasungsrate des pulveri
sierten Koks, wenn der Vergasungsbrenner nach der er
sten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht des Schmelzofens mit einem
Vergasungsbrenner, benutzt zur Auffindung der in Fig. 5
dargestellten Beziehung;
Fig. 7 ein graphische Darstellung der Konzentrationsvertei
lung von CO₂ und CO in radialer Richtung zwischen der
Mitte und der Wand des Reaktionsturms, ermittelt mit
Hilfe der Beispiele nach der ersten Ausführungsform
der Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung enthält ein Ver
gasungsbrenner eine Verbrennungskammer mit einer Decke, in
deren Mitte ein Loch ausgebildet ist, und ein Vormischrohr
mit einer seitlich am oberen Endabschnitt des Rohrs befindli
chen Düse. Am unteren Endabschnitt ist das Rohr mit dem in
der Decke der Verbrennungskammer befindlichen Loch ausgerich
tet. Das Vormischrohr und die Brennkammer sind konzentrisch,
und die Horizontalebene, welche durch die untere Stirnseite
des Vormischrohrs, sowie die Unterseite der Kammerdecke defi
niert wird, bildet etwa einen rechten Winkel mit der Mittel
achse des Vormischrohrs. Der Innendurchmesser des Vormisch
rohrs beträgt d mm, der Abstand von dem Punkt, an dem sich
die Mittelachsen der Düse und des Vormischrohrs schneiden, zu
dem unteren Ende des Vormischrohrs beträgt l mm, und der
Innendurchmesser der Brennkammer beträgt D mm bei einer Länge
von L mm, wobei l 5d ist und der Winkel α gemäß nach
stehender Gleichung (8) 5° bis 20° beträgt. Noch günstiger ist
es, wenn der Wert A gemäß nachstehender Gleichung (9) zwischen
0 mm und 100 mm liegt. Ferner ist es wünschenswert, zumindest
entweder die Brennkammer oder das Vormischrohr mit einem was
sergekühlten Mantel zu versehen.
tan α = {(D - d)/2}/L (8)
tan 12° = {(D - d)/2 - A}/L (9)
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung befindet sich mindestens
ein Nebenmischrohr an der Decke der Brennkammer des Vergasungs
brenners für pulverisierten Festbrennstoff nach der ersten
Ausführungsform der Erfindung. Es ist wünschenswert, mehrere
Nebenmischrohre in gleichen Abständen um das Vormischrohr
herum anzuordnen, und zwar zwischen dem Außenumfang der
Brennkammer und dem Vormischrohr, so daß sie einen konzentri
schen Kreis bezüglich des Vormischrohrs bilden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum
Verbrennen pulverisierter Festbrennstoffe unter
Verwendung des Vergasungsbrenners für pulverisierten Fest
brennstoff gemäß der zweiten Erfindung sowie eines sauerstoff
haltigen Gases, wie zum Beispiel Sauerstoff an sich, Luft oder
mit Sauerstoff angereicherte Luft, wobei das Verfahren da
durch gekennzeichnet ist, daß der Wert des Sauerstoffverhält
nisses m in dem Vormischrohr, ermittelt gemäß Gleichung (10),
größer ist, als das nach Gleichung (10) ermittelte Sauer
stoffverhältnis in den Nebenmischrohren. Vorzugsweise liegt
das Sauerstoffverhältnis m in dem Vormischrohr zwischen 0,9
und 1,0. Außerdem ist es zu bevorzugen, das meiste des sau
erstoffhaltigen Gases in das Vormischrohr zu leiten und pul
verisierten Festbrennstoff dem Vormischrohr derart zuzufüh
ren, daß das Sauerstoffverhältnis in dem Vormischrohr zwi
schen 0,9 und 1,0 liegt, während das übrige sauerstoffhaltige
Gas und der übrige pulverisierte Festbrennstoff den Neben
mischrohren zugeleitet werden.
m = (Menge des tatsächlich zugeführten Sauerstoffs)/(Menge desjenigen
Sauerstoffs, der für die vollständige Verbrennung des dem jeweiligen Mischrohr
zugeführten Brennstoffs erforderlich ist) (10).
Wenn ein Blasrohr verwendet wird, um Gas in den Ofen auszu
tragen, bildet das ausgeblasene Gas im allgemeinen einen ke
gelförmigen Gasstrom. Der Raum in der Nähe des Blasrohrs
oberhalb der Kegeloberfläche des Gasstroms wird nicht für die
Reaktion genutzt und trägt in keiner Weise zur Reaktion bei.
Indem man aber eine zylindrische Haube über diesen kegelför
migen Strom bringt, ist es möglich, das Gas dazu zu bringen,
in den von der Haube und der von dem Gasstrom gebildeten Ke
geloberfläche gebildeten Raum zu rezirkulieren. Aus diesem
Grund ist es möglich, die Zeitspanne zu verlängern, innerhalb
der das Gas tatsächlich in dem Ofen verbleibt. Die Erfinder
haben sich diesen speziellen erfindungsgemäßen Mechanismus zu
Nutze gemacht.
Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der Er
findung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Vergasungsbrenner nach einer ersten Ausfüh
rungsform der Erfindung. Der Brenner enthält eine Brennkammer
13 mit einer Kammerdecke 12, in deren Mitte ein Loch 11 aus
gebildet ist. In das Loch 11 paßt ein Vormischrohr 16 mit
einer Düse 15 in deren oberem Abschnitt 14. Das Vormischrohr
16 und die Brennkammer 13 sind konzentrisch angeordnet, und
die Horizontalebene 19, welche das untere Ende 17 des Vor
mischrohrs 16 und die Unterseite 18 der Kammerdecke 12 um
faßt, bildet rechte Winkel bezüglich der Mittelachse 20 der
Vormischrohrs 16. Brennkammer 13 und Vormischrohr 16 sind
bevorzugt zylindrisch.
In der Brennkammer 13 und dem Bodenabschnitt der Kammerdecke
12 bzw. des Vormischrohrs 16 befinden sich wassergekühlte
Mäntel 21a, 21b bzw. 21c. Der Innendurchmesser d des Vor
mischrohrs 16 beträgt 100 mm, der Abschnitt l von dem
Punkt, an dem sich die Mittelachse 22 der Düse im oberen Ab
schnitt 14 der Vormischrohrs und die Mittelachse 20 des Vor
mischrohrs 16 schneiden, bis zum unteren Ende 17 des Vor
mischrohrs 16 beträgt 1000 mm, der Innendurchmesser D der
Brennkammer 13 beträgt 500 mm, ihre Länge L beträgt 600 mm.
Weiterhin beträgt der gemäß obiger Gleichung 8 berechnete
Winkel α 18,4° und der gemäß Gleichung 9 erhaltene Wert A
beträgt 70 mm. Der Wert A gemäß Gleichung 9 ist ein Para
meter, welcher den Abstand zwischen der Kegeloberfläche des Gas
stroms und der Seitenwand der Brennkammer 13 an ihrem unteren
Ende angibt. Wenn der oben erläuterte Vergasungsbrenner zum
Einsatz gelangt, strömt Kühlwasser durch die wassergekühlte
Mäntel 21a, 21b und 21c, und Luft als Träger dient zum Ein
blasen des pulverisierten Festbrennstoffs in das Vormischrohr
16 von dem oberen Ende 24 des Rohrs 16 aus. Industriesauer
stoff wird als sauerstoffhaltiges Gas aus der Düse 15 gebla
sen. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, werden rezirkulierende Strö
me 35 von Verbrennungsgas im Inneren der Brennkammer 13 ge
bildet.
Mit anderen Worten: Wenn ein Blasrohr zum Ausbringen von Gas
in den Ofen verwendet wird, bildet der Gasstrom des einge
blasenen Gases eine Kegelform, wie durch das Bezugszeichen 32
in Fig. 2 angedeutet ist. Der Raum in der Nähe des Blasrohrs
oberhalb der Kegelfläche 33 des Gasstroms 32 ist eine Totzone
und trägt in keiner Weise zu der Reaktion bei, wie aus Fig. 2
ersichtlich ist. Wenn man jedoch um diesen kegelförmigen Gas
strom 32 herum eine zylindrische Haube 31 anordnet, ist es
möglich, rezirkulierende Strömungen 35 in dem Raum 34 zu er
zeugen, welcher von der Haube 31 und der Kegeloberfläche 33
des Gasstroms 32 umfaßt ist, so daß die Möglichkeit besteht,
die Verweilzeit des Gases im Inneren der Brennkammer zu
strecken.
Bei dem Vergasungsbrenner nach dieser ersten Ausführungsform
der Erfindung läßt sich im Inneren der Brennkammer 13 eine
Rezirkulation des Verbrennungsgases gemäß Fig. 2 nicht bil
den, wenn die Geschwindigkeit des Gases im Inneren des Vor
mischrohrs 16 gering ist. Dies ist tatsächlich aber kein Pro
blem. Um ein hervorragendes Gemisch aus pulverisierten Fest
brennstoff, z. B. pulverisiertem Koks oder Feinkohlenstoff und
sauerstoffhaltigem Gas aufrechtzuerhalten, ist es notwendig,
daß die Gasgeschwindigkeit im Inneren des Vormischrohrs min
desten 5 m/s oder mehr beträgt, und solange diese Bedingung
erfüllt ist, werden die oben erwähnten rezirkulierenden
Ströme mit Sicherheit erzeugt.
Wenn der pulverisierte Festbrennstoff und das sauerstoffhal
tige Gas aus dem Vormischrohr ausgetragen oder ausgesprüht
werden, sind die Sprühwinkel des pulverisierten Brennstoffs
und sauerstoffhaltigen Gases in der Nähe des Endes des Vor
mischrohrs annähernd gleich, und dieser Winkel variiert nor
malerweise abhängig von der Austraggeschwindigkeit zwischen
10 und 40°. Wird als pulverisierter Festbrennstoff Koks ein
gesetzt, muß, damit der Abrieb an der Innenfläche des Vor
mischrohrs auf Grund des Koksmaterials keine Probleme ver
ursacht, die maximale Gasgeschwindigkeit auf angenähert 10 m/s
gehalten werden, und in diesem Fall beträgt der Sprüh
winkel 24°.
Die Stärke des oben erwähnten rezirkulierenden Stroms und die
Lebensdauer der Brennkammer bestimmen sich durch die Bezie
hung zwischen der Fläche des kegelförmigen Gasstroms, der
einen Streuwinkel von 2 α aufweist und die Lage des unteren
Endes der Brennkammer. Mit anderen Worten: Der rezirkulieren
den Strom wird stärker, wenn sich das untere Ende der
Brennkammer mehr in den kegelförmigen Strom hinein ver
schiebt, und die Lebensdauer der Brennkammer verkürzt sich.
Außerdem wird der rezirkulierende Strom rasch abgeschwächt,
wenn das untere Ende der Brennkammer von dem kegelförmigen
Gasstrom getrennt wird, wobei sich die Lebensdauer der Brenn
kammer verlängert.
Bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung wird der In
nendurchmesser des Vormischrohrs zu d mm, der Innendurch
messer der Brennkammer zu D mm und die Länge der Brennkammer
zu L mm gewählt, wobei der Sprühwinkel 2α beträgt. Die Werte
d, D und L werden zu Erfüllung der obigen Gleichung (8) bei
einem Winkel α zwischen 5 und 20° ausgewählt, weil der Ver
gasungsbrenner mit diesen Werten eine gute Vergasungsrate des
pulverisierten Festbrennstoffs bei guter Beständigkeit der
Brennkammer aufweist.
Die maximale Gasgeschwindigkeit, die möglich ist, damit der
Abrieb im Inneren des Vormischrohrs kein Problem darstellt,
hängt ab von der Art des pulverisierten Festbrennstoffs sowie
der Qualität des Vormischrohrs. Wird z. B. pulverisierter Koks
als Festbrennstoff verwendet, beträgt die Gasgeschwindig
keit angenähert 10 m/s, wobei in diesem Fall der Streuwinkel
24° beträgt. Wenn in diesem Fall d, D und L unter Verwendung
der obigen Gleichung 9 so gewählt werden, daß der Wert A zwi
schen 0 und 100 mm liegt, ist dies noch wirksamer bei der
Erhöhung der Lebensdauer der Brennkammer.
Die Abmessungen d, D und L werden in der nachstehend geschil
derten Weise festgelegt.
Zunächst wird das Gesamtvolumen der den pulverisierten Fest
brennstoff tragenden Luft und des sauerstoffhaltigen Gases
mit W angenommen, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Ga
ses V so ausgewählt wird, daß im Inneren des Vormischrohres
kein Abrieb erfolgt, wobei aus der Gleichung W/V = d²/4π(mm)
der Wert d ermittelt wird. Als nächstes wird unter Verwendung
der Gleichungen (6) und (7) die Menge des erzeugten sauerstoff
haltigen Gases W′ sowie die Temperatur T (absolute Tempera
tur) des sauerstoffhaltigen Gases abgeschätzt, und unter Ver
wendung von t als der gewünschten Zeit, innerhalb der das Gas
in der Brennkammer verbleibt, erhält man die nachstehende
Gleichung (11)
D² L/4 π = W′ Tt/273 (11).
Dann werden mit den Gleichungen (8) und (11) die Werte D und L
sowie der Wert d bestimmt, so daß der Winkel α nach Gleichung
(8) zwischen 5 und 20° liegt. Als nächstes werden unter Verwen
dung der ermittelten Werte von D und L und unter Verwendung
der Gleichung (9) D und L derart gewählt, daß der Wert vom A
zwischen 0 und 100 mm liegt.
Normalerweise liegt die Temperatur T zwischen 2470 K und 2770 K.
Deshalb ist es notwendig, wassergekühlte Mäntel zumindest
in der Brennkammer und in der Decke der Kammer anzuordnen.
Wenn außerdem stark mit Sauerstoff angereicherte Luft als
sauerstoffhaltiges Gas verwendet wird, ist es möglich, daß
die Verbrennungsreaktion in dem unteren Abschnitt des Vor
mischrohrs stattfindet. In diesem Fall ist es am besten, wenn
auch in dem unteren Abschnitt des Vormischrohrs ein wasserge
kühlter Mantel vorhanden ist.
Das Mischen des pulverisierten Festbrennstoffs und des Ver
brennungsgases ihm Inneren des Vormischrohrs ist ein beträcht
licher Faktor bei der Erhöhung der Vergasungsrate. Es gibt
zwei Verfahren, die zum Erreichen dieses Ziels möglich sind.
Nach dem ersten Verfahren wird die Gasgeschwindigkeit erhöht.
Nach dem anderen Verfahren wird die Verweilzeit des Brenn
stoffs und des Gases in dem Vormischrohr verlängert.
Da das Erhöhen der Gasgeschwindigkeit die Lebensdauer des
Vormischrohrs spürbar verringert, sind Grenzen vorhanden, bis
zu denen dieses Verfahren eingesetzt werden kann. Erfindungs
gemäß wird deshalb ein gutes Gemisch aus pulverisiertem Fest
brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas durch folgenden Prozeß
im Inneren des Vormischrohrs aufrechterhalten. Die Zeit, in
der sich in dem Vormischrohr sauerstoffhaltiges Gas und pul
verisierter Festbrennstoff befinden, wird ausreichend lang
gehalten, indem l 5 d gehalten wird, wobei l mm der
Abstand von dem Punkt, wo sich die Mittelachsen des Vor
mischrohrs und der Düse schneiden, zu dem unteren Ende des
Vormischrohrs ist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es, solange die
Bedingung L 5 d erfüllt ist, mit anderen Worten, 5 d l
ist, möglich, eine gleichförmige Gasgeschwindigkeit, Gas
stromdichte und eine gleichmäßige Verteilung des pulverisier
ten Festbrennstoffs in dem gesamten seitlichen Querschnitt
des Vormischrohrs zu erhalten. Aus diesem Grund fällt die
Mitte des in die Brennkammer eingeblasenen Gasstroms zusammen
mit der Mitte der Brennkammer, und es gibt keine Versetzung,
so daß kein lokaler Verschleiß der Wände der Brennkammer
durch den Angriff des erzeugten, aus der Mitte heraus ver
setzten oder gedrifteten Reaktionsgases stattfindet.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung
beschrieben.
Fig. 3 und 4 zeigen beide eine zweite Ausführungsform der
Erfindung. Sowohl Fig. 3 als auch Fig. 4 ist eine Quer
schnittansicht eines Vergasungsbrenners, der außerdem zwei
Nebenmischrohre 25a und 25b enthält, die in der Decke 12 der
Verbrennungskammer des Vergasungsbrenners um das Vormischrohr 16
herum angeordnet sind, so daß ein konzentrischer Kreis mit
dem Vormischrohr 16 definiert wird.
Gemäß Fig. 3 weisen die Blasrichtungen der Nebenmischrohre
25a und 25b im wesentlichen in die gleiche Richtung, mithin
parallel zur Blasrichtung des Vormischrohrs 16. In Fig. 4
sind die Blasrichtungen der Nebenmischrohre 25a und 25b in
Richtung auf die Mittelachse 20 der Blasrichtung des Vor
mischrohres 16 gerichtet.
Die Anordnung dieser Nebenmischrohre bei der zweiten Ausfüh
rungsform der Erfindung hat den Zweck, die Ausnutzung des un
genutzten Raums oder der Totzone durch den rezirkulierenden
Strom, der bei der ersten Ausführungsform vorhanden ist, wei
ter zu verbessern. Mit anderen Worten: Bei der ersten Ausfüh
rungsform der Erfindung hängt die Stärke des Rezirkulations
stroms hauptsächlich von den Abmessungen des Vormischrohrs
und der Verbrennungskammer ab, außerdem von der Austragge
schwindigkeit aus dem Vormischrohr. Daher ist es wegen Ände
rungen in den Betriebszuständen schwierig, einen optimalen
Zustand kostant aufrecht zu erhalten.
Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung haben die
Nebenmischrohre den Zweck, dieses Problem zu beseitigen, und
indem pulverisierter Festbrennstoff allein, oder pulverisier
ter Festbrennstoff und sauerstoffhaltiges Gas in den Rezirku
lationsstrom eingeblasen werden, ist es möglich, den unge
nutzten Raum oder die Totzone wirksamer auszunutzen, was zu
den Effekten des rezirkulierenden Stroms hinzukommt.
Der Grund dafür, daß die Nebenmischrohre in der Decke der
Brennkammer angeordnet sind, besteht darin, daß, wenn sie in
einer Seitenwand der Brennkammer angeordnet wären, der ke
gelförmige Gasstrom, der durch das Vormischrohr gebildet
wird, stark aufgebrochen würde, was die Stärke des rezirku
lierenden Stroms stark herabsetzen würde.
Art und Anzahl der in der Kammerdecke installierten Neben
mischrohre ist nicht speziell festgelegt; die Wahl sollte
aber so sein, daß die Größe des ungenutzten Raums oder der
Totzone so weit wie möglich reduziert wird, ohne einen Ver
schleiß oder einen Abrieb der Seitenwand der Brennkammer her
vorzurufen. Der kegelförmige Gasstrom, welcher durch das Vor
mischrohr gebildet wird, darf durch die Nebenmischrohre nicht
aufgebrochen werden. Deshalb ist es am besten, wenn mehrere
Nebenmischrohre in gleichen Abständen um das Vormischrohr
herum angeordnet werden, so daß sie bezüglich des Vormisch
rohrs einen konzentrischen Kreis bilden.
Als nächstes soll das Verfahren unter Verwendung des Ver
gasungsbrenners gemäß der Erfindung erläutert werden.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
den Werten von m, die für den Vergasungsbrenner nach der er
sten Ausführungsform gemessen wurden, und der Vergasungsrate
pulverisierten Kokses, wobei auf der Abszisse der m-Wert und
auf der Ordinate die Vergasungsrate des pulverisierten Kokses
aufgetragen sind.
Dieser Graph wurde durch folgende Schritte ermittelt: Ein dem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechender Ver
gasungsbrenner wird oben auf einem Reaktionsschacht 61 des in
Fig. 6 gezeigten Ofens angeordnet; dem Vormischrohr 62 des
Brenners wird über das offene Ende 63 mittels 55 Nm³/h Luft
120 kg/h pulverisierter Koks (mit einer Güte von 82% C) zuge
führt, es wird eine vorbestimmte Menge Industriesauerstoff
(mit einer Konzentration von 90%) durch das Ende 65 der dem
oberen Seitenabschnitt des Vormischrohres 62 gelegenen Düse
64 zugeführt, die Konzentrationen von CO₂, CO und O₂ im Abgas
werden mit Hilfe von (in der Figur nicht dargestellten)
Meßlöchern im Aufnahmeabschnitt 66 gemessen, und dann wird
die Vergasungsrate des pulverisierten Koks aus den Meßergeb
nissen abgeschätzt.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, steigt mit zunehmendem m-Wert
auch die Vergasungsrate an, und bei einem m-Wert von 0,95 be
trägt die Vergasungsrate 100%. Der zur Erzielung einer Ver
gasungsrate von 100% erforderliche m-Wert ändert sich ein we
nig abhängig von der Menge des zugeführten Kokses und dem
Durchsatz von mit Sauerstoff angereicherter Luft für die Ver
brennung in dem sauerstoffhaltigen Gas, für sämtliche Werte
jedoch erwies er sich als kleiner als 1,0.
Unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 6 wurden als näch
stes 240 kg/h pulverisierter Koks (mit einer Güte von 82% C)
durch das offene Ende 62 mittels 55 Nm³/h Luft in das Vor
mischrohr 62 eingeleitet, und über die an der Seite des obe
ren Abschnitts des Vormischrohres gelegene Düse 64 wurden 280 Nm³/h
Industriesauerstoff (mit einer Konzentration von 90%)
zugeleitet. Dann wurden der Brennstoff und sauerstoffhaltiges
Gas vergast. Ein (in der Figur nicht dargestellter) wasserge
kühlter Probenehmer wurde durch das in dem Reaktionsschacht
61 befindliche Meßloch A eingeführt, und die Konzentrationen
von CO₂ und CO wurden an einer vorbestimmten Stelle innerhalb
des Reaktionsschachts 61 analysiert, und die Menge von unver
branntem pulverisiertem Koks, die sich auf dem Probenehmer
ansammelte, wurde gemessen. Die Konzentrationsverteilung von
CO₂ und CO in radialer Richtung vom Zentrum des Reaktions
schachts 61 aus zur Seitenwand (Ofenwand) des Reaktions
schachts 61 hin ist in Fig. 7 dargestellt. Nach der Vertei
lung des unverbrannten pulverisierten Koks erwies sich die
Menge des unverbrannten pulverisierten Koks als im Bereich
von der Mitte des Reaktionsschachts zu einen Punkt, der von
der Mitte in Richtung der Seitenwand 360 mm entfernt war, zu
groß, im nächsten 400 mm betragenden Bereich jedoch nahm der
Wert plötzlich ab, um anschließend bis zur Seitenwand hin
überhaupt nicht nachweisbar zu sein.
Aus den oben erläuterten Ergebnissen wurde folgendes ge
schlossen. Fig. 5 zeigt, daß der Kohlenstoff in dem pulveri
sierten Koks auch dann vollständig vergast wurde, wenn der m-Wert
kleiner als 1,0 war, und zwar aufgrund folgender
Schritte: Zunächst wird der Kohlenstoff gemäß Gleichung (6)
zu CO₂ oxidiert und wird anschließend gemäß Gleichung (7) zu
CO, womit die Vergasung abgeschlossen ist. Allerdings ist die
Reaktionsgeschwindigkeit gemäß der Gleichung (7) viel gerin
ger als die Reaktionsgeschwindigkeit gemäß Gleichung (6), was
zeigt, daß der die Geschwindigkeit bestimmende Schritt die
Reaktion gemäß Gleichung (7) ist, was durch die herkömmliche
Theorie unterstützt wird. Ferner zeigt Fig. 7, daß die Kon
zentration von CO₂ mit der Entfernung von Mitte in Richtung
auf die Seitenwand des Reaktionsturms die Konzentration von
CO₂ abnimmt, während die Konzentration von CO zunimmt. Aus
diesem Ergebnis und aus dem Ergebnis, daß in Nähe der Seiten
wand des Reaktionsschachts kein unverbrannter pulverisierter
Koks festgestellt wurde, folgt, daß der gesamte unverbrannte
pulverisierte Koks, der durch den rezirkulierenden Strom
hochgewirbelt wird, gemäß Gleichung (7) reagiert, während
sämtlicher unverbrannter pulverisierter Koks, der nicht hoch
gewirbelt wird, sich in den Ofen bewegt, wobei der größte
Teil davon in den Kondensator abgeleitet wird, obschon ein
Teil davon gemäß Gleichung (7) zu CO wird.
Um die Vergasungsrate weiter herauf zu setzen, ist es deshalb
notwendig, den Vergasungsbrenner gemäß der zweiten Ausfüh
rungsform der Erfindung einzusetzen und die Beziehung zwi
schen dem pulverisierten Festbrennstoff und dem sauerstoff
haltigen Gas, die dem Vormischrohr zugeführt werden, so auf
recht zu erhalten, daß der m-Wert so hoch wie möglich herauf
gesetzt wird, um das Gesamtgleichgewicht zu regulieren, indem
die Nebenmischrohre verwendet werden. Wie außerdem aus Fig. 5
ersichtlich ist, wird gewünscht, daß die Beziehung zwischen
dem pulverisierten Festbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen
Gas, die dem Vormischrohr zugeführt werden, so gehalten wird,
daß der m-Wert zwischen 0,9 und 1 liegt.
Ein spezielles Beispiel für dieses Verfahren ist nachstehend
im einzelnen angegeben. Unter Verwendung von Luft wird in das
Vormischrohr pulverisierter Koks mit 82% C eingeleitet, wobei
Industriesauerstoff mit 90% Reinheit zur Bildung eines sauer
stoffhaltigen Gases mit einer Sauerstoffkonzentration von 75%
verwendet werden, um ein Gas mit einem CO₂: CO-Verhältnis von
0,5 (CO₂/CO = 0,5) zu erhalten.
Um bei einer Vergasungsrate von 100% ein Gas mit einem CO₂:
CO-Verhältnis von 0,5 (CO₂/CO = 0,5) zu erhalten, werden für
100 kg pulverisierten Koks 102 Nm³ Sauerstoff benötigt. Um
außerdem eine vollständige Verbrennung und die Umsetzung der
gesamten Menge des Kohlenstoffs zu CO₂ zu erreichen, werden 153 Nm³
Sauerstoff benötigt. Deshalb wird in diesem Fall der m-Wert
102 Nm³/153 Nm³ = 0,67.
Die Sauerstoffbilanz ist durch nachstehende Gleichung (12) an
gegeben:
0,21 VLuft + 0,9 VO2 = 102 (12).
VLuft bedeutet hier das Volumen der Luft für den Träger und
VO2 bedeutet das Volumen des zur Anreicherung dienenden Indu
striesauerstoffs.
Die nachstehende Gleichung (13) gibt die Sauerstoffkonzentra
tion an:
102/(VLuft + VO2) = 0,75 (13).
Durch Auflösung der Gleichungen (12) und (13) erhält man die
Werte VLuft = 30 Nm³ und VO2 = 106 Nm. Da die von der Luft mitge
führte Menge Pulver auf höchstens 10 kg pro kg Gas begrenzt
ist, gibt es bei diesem Beispiel kein Problem, 2,6 kg Pulver
pro kg Gas zu verwenden (100 kg/30 Nm³ × 22,4 Nm³ pro Mol/28,8
kg pro Mol = 2,6 kg Pulver/kg Gas).
Ein Beispiel der Verteilung auf das Vormischrohr und die Ne
benmischrohre unter Verwendung der obigen Ergebnisse ist
nachstehend angegeben.
Gemäß Tabelle 1 wird ein Verteiler verwendet, um den pulveri
sierten Koks enthaltenden Luftstrom bei einem Verhältnis von
8 : 2 auf das Vormischrohr und die Nebenmischrohre zu vertei
len, während 90% des Industriesauerstoffs in das Vormischrohr
eingeblasen und der Rest Industriesauerstoff in die Neben
mischrohre eingeblasen wird.
Gemäß Tabelle 2 wird ein Verteiler verwendet, um einen den
Feinkoks enthaltenden Luftstrom mit einem dem m-Wert gleichen
Verhältnis auf das Vormischrohr zu verteilen, wobei sämtli
cher Industriesauerstoff in das Vormischrohr eingeblasen
wird. Obschon eine beträchtliche Menge sauerstoffangerei
cherte Luft eingesetzt werden muß, weil der m-Wert in dem
Vormischrohr größer als 0,95 ist, wird erwartet, daß eine
hohe Vergasungsrate erzielt wird.
Die Zufuhr zu den Nebenmischrohren hängt nicht von dem Luft
strom mit den Feinkoks ab und läßt sich dadurch ausführen,
daß man den Feinkoks unter Verwendung eines Drehventils ein
fallen läßt, und so ist es in diesem Fall möglich, die ge
samte Menge Trägerluft in das Vormischrohr einzugeben.
Es wird 82%-Kohlenstoff-Feinkoks verwendet, um ein Redukti
onsgas mit einem CO₂: CO-Verhältnis von 0,5 (CO₂/CO = 0,5) zu
erhalten, wozu der Vergasungsbrenner gemäß der Erfindung un
ter den in Tabelle 3 niedergelegten Bedingungen eingesetzt
wird.
Feinkoks: 200 kg/h
Sauerstoffhaltiges Gas: sauerstoffreiche Luft; 270 Nm³/h (Sauerstoffkonzentration 76%)
Aufteilung: Zufuhrluft 55 Nm³/h; 90% reiner Industriesauer stoff 215 Nm³/h
Gasgeschwindigkeit in dem Vormischrohr: 10 m/s
geschätzte Temperatur in der Brennkammer: 2473 K
Verweilzeit in der Brennkammer: 150 m/s
A: 70 mm.
Sauerstoffhaltiges Gas: sauerstoffreiche Luft; 270 Nm³/h (Sauerstoffkonzentration 76%)
Aufteilung: Zufuhrluft 55 Nm³/h; 90% reiner Industriesauer stoff 215 Nm³/h
Gasgeschwindigkeit in dem Vormischrohr: 10 m/s
geschätzte Temperatur in der Brennkammer: 2473 K
Verweilzeit in der Brennkammer: 150 m/s
A: 70 mm.
Gemäß den obigen Bedingungen beträgt d = 100 mm. Unter Ver
wendung dieses Wertes und mit A = 70 mm erhält man aus Glei
chung (9) und (11) D zu 500 mm und L zu 600 mm. Unter Verwen
dung dieser Werte für d, D und L erhält man einen Winkel α
von 18,4° mittels Gleichung (8). Als nächstes wurde unter Ver
wendung dieser Werte mit l = 100 mm der Vergasungsbrenner ge
mäß Fig. 3 gefertigt und oben auf den Reaktionsschacht des in
Fig. 6 gezeigten Ofens montiert. Der Betrieb wurde 3 Tage
lang unter den oben angegebenen Bedingungen geprüft. Während
dieser Zeit wurde Abgas durch das (in der Fig. nicht darge
stellt) Meßloch der Aufnahme 66 hindurch gesammelt, und die
Konzentrationen von CO₂, CO und O₂ wurden mit Hilfe des Or
sat-Verfahrens analysiert. Nach der Untersuchung der erhalte
nen Werte fand man heraus, daß sich während der 3 Tage währen
den Zeitspanne nur sehr geringe Änderungen zeigten, wobei die
mittleren Werte für CO₂ = 39,5%, für CO = 41,5% und für O₂ = 0%
betrugen. Auch die Ergebnisse der Massebilanzprüfung
zeigten, daß 90% Kohlenstoff des Feinkoks vergast wurden.
Allerdings wurde das CO₂: CO-Verhältnis nicht 0,5.
Als die Innenfläche der Brennkammer nach Beendigung der Prü
fung untersucht wurde, werden die Aschebestandteile des Fein
kokses geschmolzen. Sie hatten die gesamte Innenfläche
gleichmäßig mit einer Schlackeschicht mit einer Dicke von an
nähernd 20 mm überzogen, es gab jedoch keinen sichtbaren Ver
schleiß oder Abrieb, der durch das Auftreffen von Feinkoks
verursacht war.
Bei diesem Beispiel betrug die Menge des verwendeten Indu
striesauerstoffs 192 Nm³/h, und es wurde der gleiche Ver
gasungsbrenner wie im Beispiel 1 verwendet. Der Betrieb wurde
3 Tage lang geprüft. Der über 3 Tage gemittelte Wert der Kon
zentration von CO₂, CO und O₂ im Abgas betrug für CO₂ = 27,5%,
für CO = 54,0% und für O₂ = 0%. Auch die Massebilanzer
gebnisse ergaben eine Vergasungsrate von 90%. In diesem Bei
spiel war es also möglich, ein CO₂: CO-Verhältnis von 0,5 bei
einer Vergasungsrate von 90% zu erzielen.
Bei diesem Beispiel wurden zwei Nebenmischrohre mit Innen
durchmessern von 25 mm in der Decke der Verbrennungskammer
des Vergasungsbrenners nach Beispiel 1 angebracht, so daß sie
parallel zu den Vormischrohr verliefen, wie aus Fig. 3 er
sichtlich ist. Der Betrieb wurde 3 Tage lang unter Zugrunde
legung der gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 geprüft.
Bei diesem Beispiel wurden 2/3 der gesamten Menge des Gemi
sches aus Feinkoks und Zuführluft im Vormischrohr zugeführt,
während das verbleibende 1/3 gleichmäßig auf die beiden Ne
benmischrohre aufgeteilt wurden. Die n-Werte des Vormischroh
res und der beiden Nebenmischrohre wurde zu 0,67 gemacht. Die
über 3 Tage gemittelten Konzentrationswerte für CO₂, CO und
O₂ im Abgas ergaben sich zu CO₂ = 35,0%, CO = 47,0% und O₂ = 0%.
Die Vergasungsrate ergab sich aus der Massebilanz zu
94%.
Bei diesem Beispiel wurde der Betrieb 3 Tage lang in der
gleichen Weise wie beim Beispiel 3 geprüft, mit der Ausnahme,
daß die Einblasrichtung der Nebenmischrohre auf die Mittel
achse des Vormischrohrs gemäß Fig. 4 gerichtet war. Die über
3 Tage gemittelte Konzentration von CO₂, CO und O₂ im Abgas
ergab CO₂ = 37,0%, CO = 44,0% und O₂ = 0%. Aus der Masse
bilanz ergab sich eine Vergasungsrate von 92%.
Bei diesem Beispiel wurde in der gleichen Weise 3 Tage lang
geprüft, wie im Beispiel 3, mit der Ausnahme, daß die Gesamt
menge an Industriesauerstoff dem Vormischrohr zugeführt
wurde. Der m-Wert des Vormischrohrs wurde auf 0,99 einge
stellt, während die n-Werte für die beiden Nebenmischrohre
auf 0,03 eingestellt wurden. Die über 3 Tage gemittelten Kon
zentrationswerte für CO₂, CO und O₂ im Abgas ergaben sich zu
CO₂ = 32,5%, CO = 49,5% und O₂ = 0%. Aus der Massebilanz
ergab sich die Vergasungsrate zu 96%.
Mit der Ausnahme, daß 100 Nm³/h Industriesauerstoff dem Vor
mischrohr zugeführt wurden, während der übrige Industriesau
erstoff den Nebenmischrohren zugeleitet wurde, wurde der Be
trieb 3 Tage lang in der gleichen Weise wie beim Beispiel 3
geprüft. Der m-Wert des Vormischrohres betrug 0,479, die m-Werte
für die Nebenmischrohre betrugen 1,05. Die über 3 Tage
gemittelten durchschnittlichen Konzentrationswerte für CO₂, CO
und O₂ im Abgas ergaben sich zu CO₂ = 46,0%, CO = 34,0% und
O₂ = 0%. Aus der Massebilanz ergab sich die Vergasungsrate
zu 85%.
Durch Verwendung des Vergasungsbrenners gemäß der Erfindung
ist es möglich, eine Berührung zwischen dem pulverisierten
Festbrennstoff und den Seitenwänden der Brennkammer zu ver
meiden, und es ist möglich, die Verweilzeit des pulverisier
ten Festbrennstoffs in der Brennkammer dadurch zu strecken,
daß man einen rezirkulierenden Strom innerhalb der Brennkam
mer erzeugt, und diesen rezirkulierenden Strom effizient
nutzt. Es ist ferner möglich, eine stabil hohe Vergasungsrate
über eine längere Zeitspanne hinweg zu erzielen. Unter Ver
wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man den erfin
dungsgemäßen Vergasungsbrenner noch vorteilhafter nutzen.
Obschon bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel das Vor
mischrohr mit seinem unteren Ende ausgerichtet ist mit der
Unterseite der Decke, kann das Vormischrohr auch über die Un
terseite der Decke vorstehen, solange die rezirkulierenden
Ströme um den kegelförmigen Injektionsstrom herum erzeugt
werden.
Claims (6)
1. Vergasungsbrenner für pulverisierten Festbrennstoff, umfassend
- - eine Brennkammer (13) mit einer Decke (12), die eine Unterseite (18) und ein diese durchsetzendes Loch (11) aufweist, und mit einem wassergekühlten Mantel (21a; 21b); und
- - ein Vormischrohr (16) mit einer Seitenwand und einer in einem oberen Abschnitt (14) der Seitenwand befindlichen Düse (15), und mit einem unteren Ende (17), das mit dem Loch (11) in der Decke (12) der Brennkammer (13) derart verbunden ist, daß das Vormischrohr (16) und die Brennkammer (13) konzentrisch sind und das untere Ende (17) des Vormischrohrs (16) und die Unterseite (18) der Brenn kammerdecke (12) in einer horizontalen Ebene unter etwa rechten Winkeln zu der Mittelachse (20) des Vormischrohrs (16) liegt, wobei der Innendurchmesser des Vormischrohrs (16) d mm beträgt, die Entfernung von dem Punkt (23), wo sich die Mittelachse (22) der Düse (15) und die Mittelachse (20) des Vormischrohrs (16) schneiden, bis zu dem unteren Ende (17) des Vormischrohrs (16) l mm beträgt, der Innendurchmesser der Brennkammer (13) D mm und ihre Länge L mm beträgt, wobei die Beziehung gilt: 5 d l,und der Winkel α zwischen der Mittelachse (20) des Vormischrohrs (16) und der Kegelfläche (33) des aus dem Vormischrohr (16) ausströmenden konischen Gasstroms (32) zwischen 5 Grad und 20 Grad liegt und für α Gleichung (1) gilt:tan α = {(D - d)/2}/L (1).
2. Vergasungsbrenner nach Anspruch 1, bei dem der gemäß Gleichung (2) ermittelte Wert
A des Abstandes zwischen der Kegeloberfläche (33) des Gasstroms (32) und der Seitenwand
der Brennkammer (13) an ihrem unteren Ende zwischen 0 und 100 mm liegt:
tan 12° = {(D - d)/2 - A}/L (2).
3. Vergasungsbrenner nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein Nebenmischrohr
(25a) in der Decke (12) der Brennkammer (13) angeordnet ist.
4. Vergasungsbrenner nach Anspruch 3, bei dem eine Mehrzahl von Nebenmischrohren
(25a, 25b) in gleichmäßigen Abständen um das Vormischrohr (16) in der Decke (12) der
Brennkammer (13) zwischen dem Vormischrohr (16) und der Seitenwand der Brennkammer
(13) angeordnet ist, so daß sie einen konzentrischen Kreis um das Vormischrohr (16) bilden.
5. Verfahren zum Verbrennen pulverisierter Festbrennstoffe unter Verwendung von
Vergasungsbrennern nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
gesamte Brennstoff und der zur vollständigen Verbrennung dieses Brennstoffs erforderliche
Sauerstoff auf das Vormischrohr und die Nebenmischrohre aufgeteilt werden und das
Sauerstoffverhältnis m für das Vormischrohr (16) größer gemacht wird als das Sauerstoff
verhältnis m für die Nebenmischrohre (25a; 25b), wobei der Wert des Sauerstoffverhältnis
ses m aus Gleichung (3) erhalten wird:
m = (Menge des tatsächlich zugeführten Sauerstoffs)/(Menge desjenigen
Sauerstoffs, der für die vollständige Verbrennung des dem jeweiligen Mischrohr
zugeführten Brennstoffs erforderlich ist) (3).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffverhältnis des
Vormischrohrs (16) auf einen Wert von 0,9 bis 1,0 eingestellt wird.
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