DE69735965T2

DE69735965T2 - Brenner

Info

Publication number: DE69735965T2
Application number: DE69735965T
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Kure-shi Tsumura; Kenji Kure-shi Kiyama; Tadashi Kure-shi Jimbo; Shigeki Hiroshima-shi MORITA; Koji Kure-shi Kuramashi; Kunio Kure-shi OKIURA; Shinichiro Kure-shi Nomura; Miki Kure-shi MORI; Noriyuki Kure-shi OHYATSU; Noboru Kure-shi TAKARAYAMA; Toshihiko Kure-shi MINE; Hironobu Hitachi-shi Kobayashi; Hirofumi Hitachi-shi Okazaki
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2017-05-01
Also published as: EP0852315A1; DE69732341T2; EP1335164B1; KR100268241B1; AU709979B2; CZ291734B6; CZ77698A3; WO1998003819A1; CN1154800C; JP2007057228A; PL325530A1; JP3892046B2; ID17830A; ATE288051T1; CN1198207A; EP1335164A1; EP0852315A4; JP4235218B2; RU2153129C2; ATE327476T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verwendung in einer Verbrennungsvorrichtung, wie einem Heißwasserspeicher, einem Heizofen oder einem Heißwinderzeugungsofen.
Ein Brenner des beschriebenen Typs umfaßt eine Gemischdüse, die einen Fluidgemischkanal definiert, durch die ein Fluidgemisch, das einen festen Brennstoff und zu Transportzwecken ein primäres Gas enthält, zu einem Ofen strömt, und eine Gaszufuhrdüse, die einen Gaskanal definiert, durch den ein sekundäres Gas oder ein sekundäres und ein tertiäres Gas strömen. Das sekundäre und das tertiäre Gas strömen so, daß sie das Gasgemisch umgeben. Ein Ölbrenner ist zu Entzündungszwecken in der Gemischdüse vorgesehen.
Bei einem herkömmlichen Brenner ist ein Flammenstabilisatorring in der Nähe des Auslaßendes der Gemischdüse vorgesehen, und das sekundäre und das tertiäre Gas werden durch wirbelerzeugende Vorrichtungen verwirbelt und über die Gaszufuhrdüsen eingespritzt.
Während des Betriebs des Brenners wird in der Nähe des Auslasses der Gemischdüse ein Reduktionsbereich mit einem Zündbereich und einem entzündungsfreien Bereich im Inneren des Zündbereichs gebildet, und ferner wird ein den Reduktionsbereich umgebender luftreicher Bereich gebildet, der eine größere Sauerstoffmenge enthält. Durch Verbessern der Verbrennungsrate im Reduktionsbereich kann eine Verbrennung realisiert werden, bei der wenig NOx entsteht.
In jüngster Zeit mußten Brenner eine Verbrennung realisieren, bei der wenig NOx entsteht, und sie mußten auch eine hohe Kapazität aufweisen. Dadurch wurde der Durchmesser der Gemischdüse der Brenner größer.
Bei einer Vergrößerung des Durchmessers der Gemischdüse wird der Zündbereich des Reduktionsbereichs entsprechend relativ verkleinert. Dadurch wird eine Verbrennung, bei der wenig NOx entsteht, im Reduktionsbereich unterdrückt.
In der EP 0 672 863 A ist ein Brenner zum Verbrennen pulverisierter Kohle offenbart, der eine zentrale Gemischdüse zur Zufuhr eines Gemischs aus pulverisierter Kohle und Luft in einen Ofen aufweist. Die Gemischdüse ist von einer sekundären Luftdüse umgeben. Am entfernten Ende der Gemischdüse ist ein Flammenstabilisatorring montiert. Ein radial innerer Wandabschnitt des Flammenstabilisatorrings ragt senkrecht in die Gemischdüse, und ein radial äußerer Wandabschnitt ragt in der Stromabrichtung schräg in die zweite Luftdüse.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Brenner zu schaffen, durch den selbst dann eine Verbrennung realisiert werden kann, bei der wenig NOx entsteht, wenn der Brenner eine hohe Kapazität aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Brenner umfaßt eine Gemischdüse, die einen Fluidgemischkanal definiert, durch den ein Fluidgemisch, das pulverförmigen festen Brennstoff und ein Beförderungsgas zum Transportieren des festen Brennstoffs enthält, zu einem Ofen strömt, einen Gaskanal, der die Gemischdüse umgibt und durch den sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas strömt, und eine Einrichtung zum Leiten des in der Nähe des äußeren Umfangs des entfernten Endes der Gemischdüse vorhandenen Gases mit hoher Temperatur in das Fluidgemisch.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners zeigt;
2 ist ein Frontalaufriß entlang der Linie XXII-XXII in 21;
3 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine weitere Ausführungsform eines ohne erfindungsgemäßen Brenners zeigt;
4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine in 1 gezeigte Trennplatte für die sekundäre Luft zeigt;
5 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners zeigt;
6 ist ein Frontalaufriß entlang der Linie XXVI-XXVI in 5;
die 7 und 8 sind perspektivische Ansichten, die jeweils modifizierte Trennplatten für die sekundäre Luft zeigen;
die 9 bis 14 sind perspektivische Ansichten, die jeweils modifizierte Einspritzdüsen zeigen;
die 15 und 16 sind jeweils Ansichten, die jeweils Zustände der Flamme zeigen;
die 17 bis 19 sind Ansichten der Einspritzöffnungen von unten;
20 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners zeigt;
Bei dem in 1 gezeigten Brenner wird einem Ofen 4 über einen durch eine Gemischdüse 2 definierten Fluidgemischkanal ein feinen, pulverisierten Kohlebrennstoff und Beförderungsluft enthaltendes Fluidgemisch 1 zugeführt. Am entfernten Ende der Gemischdüse 2 ist ein Flammenstabilisatorring 3 vorgesehen, dessen äußerer Umfangsabschnitt einen L-förmigen Querschnitt aufweist.
Von einem Gebläsekasten 5 wird einem Bereich um den äußeren Umfang der Gemischdüse 2 Verbrennungsluft (sekundäre Luft 6 und tertiäre Luft 9) zugeführt.
Die tertiäre Luft 9 wird ferner von einer Führungsplatte 11 so nach außen verteilt oder verbreitet, daß der mittlere Abschnitt der Flamme in einen luftarmen, d.h. brennstoffreichen Zustand versetzt wird. Bevor die Luft am äußeren Rand mit dem Fluidgemisch 1 gemischt wird, wird die Verbrennungsrate des Brennstoffs in einem Reduktionsbereich verbessert, wodurch eine Verbrennung realisiert werden kann, bei der wenig NOx entsteht.
Hierbei wird die Luft 21 als internes Flammenstabilisierungsgas verwendet und kann über eine Zufuhrleitung 22 für das interne Flammenstabilisierungsgas einem in dem Gebläsekasten 5 angeordneten Kopf 23 zugeführt werden. Die interne Flammenstabilisierungsluft 21 wird ferner über vier Düsen 24 dem entfernten Ende der Gemischdüse 2 zugeführt. Die Luft 21 wird aus vier neben dem Flammenstabilisatorring 3 angeordneten Einspritzöffnungen in den mittleren Abschnitt der Gemischdüse 2 eingespritzt, wodurch vier Luftstrahlen 26 gebildet werden.
Jeder der Luftstrahlen 26 dient als starrer Flammenstabilisator und bildet auf seiner Stromabseite Umwälzströme, wodurch die Entzündung und Flammenstabilisierung ermöglicht werden.
Unmittelbar stromabseitig des Flammenstabilisatorrings 3 ist umgewälztes Gas mit hoher Temperatur vorhanden, das die Entzündung und Stabilisierung der Flamme in der Nähe des Flammenstabilisatorrings 3 fördert. Die jeweils aus den Einspritzöffnungen 25 der Düsen 24 für die Luft zur internen Flammenstabilisierung in den mittleren Abschnitt der Gemischdüse 2 eingespritzten Luftstrahlen 26 übernehmen eine tragende Wirkung, und daher strömt ein Teil des umgewälzten heißen Gases die Luftstrahlen 26 entlang in das Fluidgemisch 1, so daß die Leistung bei der Entzündung und Stabili sierung der Flamme gesteigert wird. Da die Verwirbelung des Fluidgemischs durch die Luftstrahlen 26 gesteigert wird, wird die Effizienz der Verbrennung nach der Entzündung verbessert.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Luftstrahlen 26 gering ist, werden die Luftstrahlen 26 durch den Fluidgemischstrom 1 abgelenkt, und dadurch wird die Ankunft der Luftstrahlen 26 im mittleren Abschnitt der Gemischdüse 2 verzögert. Zur Vergrößerung des Zündbereichs beträgt die Strömungsgeschwindigkeit der Luftstrahlen 26 vorzugsweise nicht weniger als das Dreifache der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs 1.
Wenn das Verhältnis zwischen der Summe der Breiten der Luftstrahlen 26 in der Umfangsrichtung und der Länge des Umfangs des Ausgangs der Gemischdüse 2 groß ist, wird der Großteil der zu entzündenden, pulverisierten Kohle in den mittleren Abschnitt der Gemischdüse 2 gedrückt, wodurch die Leistung bei der Entzündung und Stabilisierung der Flamme verringert wird. Wenn der Innendurchmesser der Gemischdüse 2 durch d, die Breite jedes der Luftstrahlen 26 zur Stabilisierung der Flamme durch b, die Umfangslänge des Auslasses der Gemischdüse 2 durch πd und die Summe der Breiten der Luftstrahlen in der Umfangsrichtung durch 4b repräsentiert wird, wird vorteilhafter Weise die folgende Formel aufgestellt: πd/40 ≤ b ≤ πd/8
Durch die Luftstrahlen 26 kann ein Unterdruckabschnitt im Fluidgemischstrom 1 erzeugt werden, im Unterdruckabschnitt des Fluidgemischs wird eine Verwirbelung erzeugt, und aufgrund der Trägerwirkung der Luftstrahlen 26 in bezug auf das heiße Gas werden die Entzündung und Stabilisierung der Flamme in einem entzündungsfreien Bereich des Gasgemischs am entfernten Ende der Gemischdüse 2 gefördert.
Der Unterdruckabschnitt wird im Fluidgemischstrom erzeugt, indem die Luft von den vier neben dem äußeren Umfang des entfern ten Endabschnitts der Gemischdüse 2 vorgesehenen Luftdüsen 24 radial nach innen zur Mitte der Gemischdüse 2 eingespritzt wird.
Der Zündbereich im entzündungsfreien Bereich wird vergrößert, ohne daß die Ankunft der Luftstrahlen im mittleren Abschnitt des Fluidgemischs verzögert wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Luftstrahlen aus den Luftdüsen 24 nicht weniger als das Dreifache der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs beträgt. Wenn die Summe der Breiten der Einspritzöffnungen der Luftdüsen 24 im Bereich zwischen 10 und 50% der Umfangslänge des entfernten Endes der Gemischdüse beträgt, wird das zu entzündende Fluidgemisch nicht in ungeeigneter Weise in den mittleren Abschnitt der primären Düse gedrückt, und daher kann aufgrund der Gasstrahlen im entzündungsfreien Bereich hinsichtlich der Entzündung und der Stabilisierung der Flamme eine zufriedenstellende Leistung realisiert werden.
Wenn die Einspritzrichtung der Luft aus jeder der Luftdüsen 24 senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluidgemischs 1 ist, erzeugt die Luft aus der Einspritzöffnung 25 aufgrund des Fluidgemischstroms 1 tatsächlich den Luftstrahl 26, und im Bereich bei der (geringfügig stromabseitig des Auslasses der Gemischdüse 2 angeordneten) Grenze zwischen dem Gasstrahl 26 und dem Fluidgemischstrom 1 wird ein Entzündungs- und Flammenstabilisierungsbereich gebildet.
Wenn die Richtung, in der die Luft aus jeder Luftdüse 24 eingespritzt wird, die Richtung zur Stromaufseite der Gemischdüse 2 ist, wird der aus der Luftdüse 24 eingespritzte Luftstrahl 26 durch den Fluidgemischstrom 1 zurück zum Auslaß der Gemischdüse 2 gedrückt, so daß am Auslaß der Gemischdüse 2 ein Entzündungs- und Flammenstabilisierungsbereich gebildet wird.
Wenn die Einspritzöffnung 25 jeder Luftdüse 24 um die Achse der Luftdüse 24 und/oder eine zur Achse der Luftdüse 24 senkrechte Achse schwenkbar oder axial beweglich ist, kann die Luft abhängig von der Konfiguration des Brenners, der Art des Brennstoffs, der Boilerlast, etc. aus der optimalen Position in der optimalen Richtung eingespritzt werden. Die Anzahl und die Anordnung der Luftdüsen 24 sind nicht auf die vorstehend beschriebenen begrenzt, sondern können modifiziert werden.
Ist die Brennerlast gering, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs 1 verringert, und dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit der Luft zur internen Flammenstabilisierung niedrig sein. Durch Einstellen der Menge der Luft zur internen Flammenstabilisierung in Abhängigkeit von der Brennerlast bzw. der Boilerlast (äquivalent zur Brennerlast) kann ein Betrieb mit hoher Effizienz realisiert werden, bei dem die zur Zufuhr der Luft zur internen Flammenstabilisierung erforderliche Energiemenge minimal gehalten wird.
Die Luft zur internen Flammenstabilisierung kann von einem ausschließlich zu diesem Zweck vorgesehenen Gebläse zugeführt werden. Da in diesem Fall der optimale Zufuhrdruck für die Luft zur internen Flammenstabilisierung eingestellt werden kann, kann ein hinsichtlich der Leistung effizienter Betrieb realisiert werden. Auch in diesem Fall kann entweder die Luft mit niedriger Temperatur stromaufseitig einer Luftvorheizeinrichtung oder die heiße Luft (mit hoher Temperatur) stromabseitig der Luftvorheizeinrichtung zugeführt werden. In diesem Fall können die pulverisierte Kohle und das Fluidgemisch 1 während des Betriebs der Brenner nach dem Einspritzen des Gases zur internen Flammenstabilisierung durch die Zufuhr der heißen Luft stromabseitig der Luftvorheizeinrichtung erwärmt werden, wodurch die Effizienz der Verbrennung verbessert wird, und durch die Zufuhr der Luft mit niedriger Temperatur stromaufseitig der Luftvorheizeinrichtung bei der Beendigung des Betriebs der Brenner können die Auslaßabschnitte der Brenner gekühlt werden, wodurch der Einfluß der Strahlungswärme aus dem Ofen unterdrückt wird.
Als Luft zur internen Flammenstabilisierung kann sauerstoffreiche Luft mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 21% verwendet werden. In diesem Fall werden die Entzündungs- und Flammenstabilisierungsleistung weiter verbessert, wodurch eine hoch effiziente Verbrennung, bei der wenig NOx entsteht, weiter gefördert wird.
Der in 1 gezeigte Brenner umfaßt eine auf der inneren Umfangsseite der Gemischdüse 2 ausgebildete Venturidüse 112 zur Begrenzung des Stroms 1 pulverisierter Kohle zum Verhindern einer Rückzündung, eine am entfernten Ende eines Ölbrenners 110, der sich in der Gemischdüse 2 zu einem Ofen 4 erstreckt, vorgesehene Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle zum Einstellen der Verteilung der Konzentration der pulverisierten Kohlepartikel im Strom 1 der pulverisierten Kohle, einen am entfernten Ende der Gemischdüse 2 vorgesehenen Flammenstabilisatorring 3 zum Entzünden der pulverisierten Kohle im Strom 1 der pulverisierten Kohle und zum Stabilisieren der Flamme, eine ringförmige Platte 116 zum Trennen der sekundären Luft, die die Zündung und die Stabilisierung der Flamme verbessert und die Wirkung hat, die Flamme des Brenners von der sekundären Luft 6 zu trennen, Gaseinspritzdüsen 24 zum Einspritzen von Gas 21 aus einem Gaszufuhrrohr 22 in den Ofen 4 zum Bewegen des heißen Gases in der Nähe des Flammenstabilisatorrings 3 zum mittleren Abschnitt des Brenners, eine sekundäre Manschette 118, die einen Kanal um den äußeren Umfang der Gemischdüse 2 bildet, durch den die sekundäre Luft 6 strömt, eine am entfernten Ende der sekundären Manschette 118 erweitert ausgebildete Führung 11, eine tertiäre Manschette 120, die so mit der sekundären Manschette 118 zusammenwirkt, daß ein Kanal für die tertiäre Verbrennungsluft 9 zwischen ihnen gebildet wird, einen Dämpfer 122 für die sekundäre Luft zur Steuerung der zugeführten Menge an sekundärer Luft und einen Widerstandskörper 10 für die tertiäre Luft zur Steuerung der zuzuführenden tertiären Luft 9 und zur Steuerung der Wirbelkraft der dem äußeren Rand der Brennerflamme zugeführten tertiären Luft 9. Die sekundäre Luft und die tertiäre Luft werden von einem Gebläsekasten 5 zugeführt, und die Brennerbauteile sind so vorgesehen, daß sie zu einem Brennerhals 124 freiliegen.
Bei diesem Brenner wird das aus der fein pulverisierten Kohle und der primären Luft zusammengesetzte Gasgemisch 1 (der Strom der pulverisierten Kohle) der Gemischdüse 2 zugeführt. Der Strom aus pulverisierter Kohle wird durch die Venturidüse 112 begrenzt, wodurch die Konzentration der pulverisierten Kohlepartikel im Strom 1 der pulverisierten Kohle aufgrund der Bereitstellung der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle in der Nähe des Flammenstabilisatorrings 3 erhöht wird. Die Entzündung der pulverisierten Kohle und die Stabilisierung der Flamme erfolgen in der Nähe des Rings 3. Zu diesem Zeitpunkt wird unmittelbar stromabseitig des Flammenstabilisatorrings 3 ein Unterdruckabschnitt im Strom 1 der pulverisierten Kohle erzeugt. Ein Teil der sekundären Luft 6 und des Stroms 1 der pulverisierten Kohle in der Gemischdüse 2 werden in diesen Unterdruckbereich gezogen, wodurch ein Zündbereich für den Strom 1 der pulverisierten Kohle gebildet wird. Im Zündbereich wird heißes Gas erzeugt, und dieses heiße Gas wird durch jeweils aus den Gaseinspritzdüsen 24 zum mittleren Abschnitt der Gemischdüse 2 eingespritzte Gasstrahlen (in diesem Fall Luftstrahlen) 26 in den Strom 1 der pulverisierten Kohle geleitet, wodurch der entzündungsfreie Bereich des Verbrennungsgases verkleinert und so ein Zündbereich geschaffen werden, wodurch die Flammenstabilisierungsfähigkeit des Brenners verbessert wird.
Als Mittel zur Verbesserung der Brennstoffentzündungs- und Flammenstabilisierungsleistung in der Nähe des Flammenstabilisatorrings 3 ist die Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle im mittleren Abschnitt der Gemischdüse 2 vorgesehen. Die Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle ist an der äußeren Umfangsfläche des entfernten Endabschnitts des Ölbrenners 110 montiert, der zur Aktivierung des Brenners verwendet wird. Der Ölbrenner 110 wird nicht nur zur Aktivierung des Brenners, sondern auch bei einem Betrieb mit geringer Last verwendet. Bei einem Brenner des Typs, bei dem kein Ölbrenner vorgesehen ist, kann eine (nicht dargestellte) Halterung an der Stelle vorgesehen sein, an der der Ölbrenner vorgesehen ist, und die Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle kann an dieser Halterung montiert sein.
Wie in 3 gesondert gezeigt, weist die an der äußeren Umfangsfläche des Ölbrenners 110 montierte Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle eine Form auf, die durch Drehen der trapezförmigen Platte um eine Achse des Ölbrenners realisiert wird. Ein stromaufseitiger, schräger bzw. sich verjüngender Abschnitt der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle weist einen Neigungswinkel a von 20° auf, ihr stromabseitiger schräger bzw. sich verjüngender Abschnitt weist einen Neigungswinkel b von 15° auf, und das Verhältnis r1 zwischen den Abmessungen des Außendurchmessers c ihres (zur inneren Umfangsfläche der Gemischdüse 2 und der Achse des Brenners) parallelen Abschnitts und ihrer Länge d in der Strömungsrichtung des Gases ist 1 (r1 = d/c = 1).
Wenn die Länge c des parallelen Abschnitts der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle zu lang ist, muß der Gebläsekasten 5 vergrößert werden, was im Hinblick auf die Kosten nachteilig ist. Die Abmessungen des Außendurchmessers d des parallelen Abschnitts werden durch den Durchmesser der Gemischdüse 2 begrenzt. Der Außendurchmesser c beträgt normalerweise 0,7 des Durchmessers der Gemischdüse 2. Zur Begradigung des von der stromaufseitigen, schrägen Oberfläche der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle konzentrierten Stroms 1 der pulverisierten Kohle ist das Ver hältnis r1 (= c/d) zwischen dem Außendurchmesser d des parallelen Abschnitts der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle und ihrer Länge c vorzugsweise 1 ≤ r1 ≤ 2.
Ebenso sollte der Neigungswinkel i des stromabseitigen, schrägen bzw. sich verjüngenden Abschnitts der an der inneren Umfangsfläche der Gemischdüse 2 ausgebildeten Venturidüse 112 in Bezug auf die Achse des Brenners kleiner als der Neigungswinkel a des stromaufseitigen, schrägen Abschnitts der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle sein (i < a).
Bei dieser Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel a ca. 20° und der Neigungswinkel i ca. 10°.
Die Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle hat die Funktion, mittels des stromaufseitigen, schrägen Abschnitts die Konzentration der pulverisierten Kohle in dem Fluidgemisch zu verbessern, das in der Nähe der inneren Umfangsfläche der Gemischdüse 2 strömt. Der Neigungswinkel a der stromaufseitigen, schrägen Oberfläche der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle beträgt vorzugsweise 15° bis 25°. Ist der Neigungswinkel a kleiner als 15°, wird die Wirkung, daß die pulverisierten Kohlepartikel zur inneren Umfangsfläche der Gemischdüse 2 gezogen werden, verringert, und wenn der Neigungswinkel a größer als 25° ist, trifft eine größere Menge der pulverisierten Kohlepartikel auf die innere Umfangsfläche der Gemischdüse 2 auf, so daß die innere Umfangsfläche leichter abgenutzt wird.
Um am Auslaß des Brenners eine Flamme mit hoher Temperatur zu erzeugen, ist es wesentlich, die Konzentration der pulverisierten Kohle in der Nähe des Flammenstabilisatorrings 3 zu erhöhen und die Strömungsgeschwindigkeit des Stroms 1 der pulverisierten Kohle allmählich zu verringern, damit der Strom 1 der pulverisierten Kohle nicht von der äußeren Oberfläche des entfernten Endabschnitts (des stromabseitigen Abschnitts) der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle getrennt wird. Um diese Funktionen zu realisieren, ist der Neigungswinkel b der stromabseitigen, schrägen Oberfläche der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle vorzugsweise auf 6° bis 18° eingestellt, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Stroms 1 der pulverisierten Kohle allmählich verringert wird. Selbst wenn der Neigungswinkel b weniger als 6° beträgt, kann ein äquivalenter Konzentrationseffekt erzielt werden, doch die Tiefe der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle sowie die Tiefe des Gebläsekastens 5 werden übermäßig erhöht, wodurch die Größe des Ofens zunimmt. Beträgt der Neigungswinkel b mehr als 18°, ist das Auftreten einer Abtrennung wahrscheinlich.
Der Neigungswinkel a und der Neigungswinkel b können unabhängig voneinander eingestellt werden.
In Bezug auf die Funktion des parallelen Abschnitts der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle wird, nachdem der Strom 1 der pulverisierten Kohle von ihrer stromaufseitigen, schrägen Oberfläche abgelenkt wurde, veranlaßt, daß der Strom 1 der pulverisierten Kohle, dessen Konzentration an pulverisierten Kohlepartikeln in der Nähe der inneren Umfangsfläche der Gemischdüse 2 höher ist, eine Weile stabil in der zur inneren Umfangsfläche der Gemischdüse 2 parallelen Richtung strömt. Durch das Vorsehen dieses parallelen Abschnitts kann der Strom 1 der pulverisierten Kohle von der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle selbst dann stabil begradigt werden, wenn die Konzentration der pulverisierten Kohle des Brennstoffs und die Art der Kohle verändert werden und die Verbrennungslast abrupt verändert wird.
Wie aus der in 3 gezeigten Kohlendichte klar hervorgeht, ist die Konzentration der pulverisierten Kohle in der Nähe des Flammen stabilisatorrings 3 relativ hoch und im mittleren Abschnitt des Brenners relativ gering.
Durch eine geeignete Bestimmung der Neigungswinkel der schrägen Oberflächen der Vorrichtung 114 zum Einstellen der Konzentration der pulverisierten Kohle und der Abmessungen ihres parallelen Abschnitts sowie durch eine geeignete Bestimmung des Neigungswinkels i des stromabseitigen, schrägen Abschnitts der Venturidüse 112 kann die Konzentration der pulverisierten Kohle in dem Fluidgemisch in der Nähe des Flammenstabilisatorrings 3 erhöht werden, und ebenso kann das Fluidgemisch dem Auslaß des Brenners mit einer niedrigen Geschwindigkeit zugeführt werden, wodurch die Entzündung des Brennstoffs und die Stabilisierung der Flamme am Auslaß des Brenners sicher und stabil erfolgen können.
Bei dieser Ausführungsform ist die kreisförmige Platte 16 zur Trennung der sekundären Luft zum Ausrichten des sekundären Luftstroms 6 auf den äußeren Rand des entfernten Endes der Gemischdüse 2 vorgesehen (siehe 2 und 4). Die Platte 116 hat die Funktion, die sekundäre Luft 6 von der Brennerflamme zu trennen, und sie hat auch die Funktion, die sekundäre Luft 6 unmittelbar stromabseitig des Flammenstabilisatorrings 3 mit dem heißen Gas zu mischen, wodurch die Entzündungs- und Flammenstabilisierungsfähigkeit des Flammenstabilisatorrings 3 verbessert werden. Wie in den 1 und 2 gezeigt, wird der radial innere Teil des sekundären Luftstroms 6 von der Platte 116 unterbrochen, und Einspritzöffnungen 25 der Gaseinspritzdüsen 24 öffnen sich stromabseitig der Platte 116. Durch diese Anordnung werden die Strahlen 26 aus den Gaseinspritzdüsen 24 nicht direkt von der sekundären Luft 6 beeinflußt, wodurch die Wirkung der Beförderung der pulverisierten Kohle durch die Strahlen 26 gefördert wird.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der anstelle der Trennplatte 116 mehrere Trennplatten 116 verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform sind die Platten 116 zur Trennung der sekundären Luft zum Teilen des sekundären Luftstroms 6 in vier Abschnitte in Umfangsrichtung am äußeren Umfang des entfernten Endes des Auslasses der Gemischdüse vorgesehen (siehe 6 und 7). Durch Unterteilen des sekundären Luftstroms 6 durch die Platten 116 zur Trennung der sekundären Luft wird der sekundäre Luftstrom 6 in einem Bereich stromabseitig der Platten 116 zur Trennung der sekundären Luft mit dem unmittelbar hinter dem Flammenstabilisatorring 3 erzeugten heißen Gas gemischt, wodurch die Brennstoffentzündungs- und Flammenstabilisierungsfähigkeit des Flammenstabilisatorrings 3 verbessert werden. Wie in 6 gezeigt, ist das Moment der sekundären Luft 6 in den Bereichen, in denen die sekundäre Luft 6 frei zwischen den Platten 116 zur Trennung der sekundären Luft strömt, verhältnismäßig groß, und daher haben diese Bereiche die Wirkung, die Trennung des sekundären Luftstroms 6 von der Flamme des Brenners zu fördern. Wenn der sekundäre Luftstrom 6 mit dem Fluidgemisch 1 in dem unmittelbar hinter dem Auslaß des Brenners angeordneten Bereich des Ofens 4 zu früh gemischt wird, kann keine Verbrennung (Reduktionsverbrennung) realisiert werden, bei der wenig NOx entsteht, und daher ist es effektiv, die Flamme des Brenners vom sekundären Luftstrom 6 zu trennen.
Wie in 8 gezeigt, kann eine Anordnung verwendet werden, bei der die Platten 116 zur Trennung der sekundären Luft in bezug auf die Achse der Gemischdüse 2 in einem vorgegebenen Winkel geneigt sind und einander in der Umfangsrichtung überlappen. Durch diese Anordnung wird ein schlitzförmiger Spalt zwischen je zwei nebeneinander liegenden Platten 116 gebildet. Die sekundäre Luft 6 wird aus diesen Spalten ins Innere des Ofens eingespritzt. Obwohl in diesem Fall das Moment der aus den Spalten eingespritzten sekundären Luft 6 im Vergleich zu dem der durch die Spalten zwischen den Platten 116 gemäß 7 in den Ofen zugeführten sekundären Luft 6 klein ist, können eine Kühlung der Platten 116 zur Trennung der se kundären Luft bewirkt und die Ablagerung von Asche auf ihnen verhindert werden, da die sekundäre Luft schichtartig in den Ofen zugeführt wird.
Wie in 9 gezeigt, weist bei dieser Ausführungsform jede der Gaseinspritzdüsen 24 zwei runde (kreisförmige) Öffnungen oder Bohrungen 25 auf, die in Längsrichtung nebeneinander in der Umfangswand des entfernten Endabschnitts der Düse mit dem geschlossenen entfernten Ende ausgebildet sind. Die Menge des durch die Öffnungen 25 eingespritzten Gases beträgt 2% der Menge der primären Luft.
Die 10 bis 12 zeigen modifizierte Öffnungen 25. Die Öffnung 25 kann am entfernten Ende einer gebogenen Düse ausgebildet sein (10). Eine Öffnung 25 mit einer ovalen Form, deren längere Achse parallel oder senkrecht zur Achse der Düse verläuft, kann in der Umfangswand des entfernten Endabschnitts einer Düse mit geschlossenem entfernten Ende ausgebildet sein (11 bis 12). Durch Erzeugen einer Führung 28 an der Umfangskante der Öffnung 25, wie in 13 gezeigt, kann die Kraft gesteigert werden, mit der das Gas aus der Öffnung 25 eingespritzt wird.
Die Gaseinspritzdüsen 24 können so in die Richtung A (14) der Achse des Brenners bewegt werden, daß der Abstand zwischen der Strahlöffnung 25 jeder Gaseinspritzdüse 24 und dem Auslaß des Brenners in der Richtung der Achse des Brenners (d.h. der Abstand zwischen der Strahlöffnung 25 und dem Flammenstabilisatorring 3) abhängig von der Art des Brennstoffs, der Brennerlast, den Verbrennungsbedingungen, der Anzahl der im Brennofen angeordneten Brennerstufen, etc. verändert werden kann. Jede der Gaseinspritzdüsen 24 kann in der Umfangsrichtung B (14) so um ihre Achse gedreht werden, daß die Einspritzrichtung des Gases verändert wird. Wenn beispielsweise Kohle mit hohem Brennstoffverhältnis oder grob pulverisierte Kohle verwendet wird, deren Entzündungs- und Flam menstabilisierungseigenschaften weniger ausgezeichnet sind, ist es effektiv, die Stahlen aus den Gaseinspritzdüsen 24 zur Stromaufseite der Gemischdüse 2 zu lenken.
Die Wirkung der Stabilisierung der Flamme mittels der Gasstrahlen wird unter Bezugnahme auf die 15 und 16 beschrieben.
In einem Bereich stromabseitig des am Auslaßabschnitt der Gemischdüse 2 vorgesehenen Flammenstabilisatorrings 3 werden Umwälzströme A aus heißem Gas erzeugt, die die Entzündung des Brennstoffs und die Stabilisierung der Flamme in der Nähe des Flammenstabilisatorrings 3 fördern. Bei der herkömmlichen Konstruktion gemäß 15, bei der keine Gaseinspritzdüse 24 vorgesehen ist, bildet sich ein großer, entzündungsfreier Bereich C im Inneren des Zündbereichs B. Andererseits erfüllen die jeweils aus den Gaseinspritzdüsen 24 zum mittleren Abschnitt der Gemischdüse 2 eingespritzten Luftstrahlen 26 bei der in 16 gezeigten Ausführungsform der Erfindung die Funktion der Beförderung des heißen Gases, und daher strömt ein Teil der Umlaufströme A längs der Luftstrahlen 26 in das Fluidgemisch 1 (den Strom der pulverisierten Kohle), wodurch die Entzündungs- und Flammenstabilisierungsleistung verbessert wird.
Daher wird der entzündungsfreie Bereich C bei dieser Ausführungsform im Vergleich zu der herkömmlichen Konstruktion verkleinert, und die Temperatur der Flamme im Reduktionsbereich steigt relativ an, wodurch die NOx-Reduktionsrate verbessert wird. Daneben wird die Verwirbelung des Fluidgemischs 1 durch die Luftstrahlen 26 gesteigert, und dies ist zur Verbesserung der Verbrennungsrate nach der Entzündung effektiv.
Zur Verbesserung der Reduktion von NOx ist eine hinreichende Reduktion von NOx zu N₂ in der Reduktionsflamme mit hoher Temperatur und eine anschließende Zufuhr einer dem Mangel entspre chenden Menge an Verbrennungsluft effektiv, wodurch die Verbrennung abgeschlossen wird. Daher muß die tertiäre Luft 9 von der Flamme getrennt werden.
In diesem Zusammenhang werden der Neigungswinkel e der Führung 11 und das Abmessungsverhältnis r2 = f/g (siehe 3) wesentlich, wobei f die zur Achse des Brenners senkrechte Schrägungsbreite der Führung 11 und g den Abstand zwischen der Öffnung des (am Ausgangsende ihrer abfallenden Oberfläche angeordneten und zur Achse des Brenners parallelen) Brennerhalses 124 und einem zur Achse des Brenners parallelen Abschnitt der sekundären Manschette 118 repräsentieren. Der Neigungswinkel e der Führung 11 ist der Neigungswinkel ihres erweiterten entfernten Endabschnitts in bezug auf die Achse des Brenners.
Wenn der Neigungswinkel e der Führung 11 zu groß ist, kann der Strom 1 der pulverisierten Kohle in der Gemischdüse 2 nicht zufriedenstellend mit dem sekundären Luftstrom 6 gemischt werden, und daher beträgt der Neigungswinkel e vorzugsweise 35° bis 55°. Der Neigungswinkel h des schrägen Abschnitts des am Auslaßabschnitt des Brenners angeordneten Brennerhalses 124 in bezug auf die Achse des Brenners beträgt vorzugsweise ca. 35° bis ca. 55°.
Wenn die beiden Neigungswinkel e und h zu groß sind, wird die tertiäre Luft zu weit von der durch die Verbrennung der pulverisierten Kohle erhaltenen Brennerflamme beabstandet und es kann keine zufriedenstellende Mischung erfolgen, wodurch keine stabile Verbrennungsflamme erhalten werden kann. Sind die beiden Neigungswinkel e und h zu klein, kann die Wirkung der Trennung der Brennerflamme vom tertiären Luftstrom 9 nicht zufriedenstellend erzielt werden, und der Brennerflamme wird eine übermäßige Menge des tertiären Luftstroms 9 zugeführt, wodurch keine Verbrennung des pulverisierten Kohlenbrennstoffs realisiert werden kann, bei der wenig NOx entsteht.
Vorzugsweise beträgt das Abmessungsverhältnis r2 (= f/g) 0,5 ≤ r2 ≤ 1. Ist f/g kleiner als 0,5, kann die Wirkung der Trennung der Brennerflamme vom tertiären Luftstrom 9 nicht zufriedenstellend erzielt werden, und wenn f/g größer als 1 ist, trifft der tertiäre Luftstrom 9 auf die Führung 11 und kann nicht effektiv in den Ofen 4 strömen.
Daher ist der Neigungswinkel e der Führung 11 bei dieser Ausführungsform auf 45° eingestellt, der Neigungswinkel h des schrägen Abschnitts des am Auslaßabschnitt des Brenners angeordneten Brennerhalses 124 in bezug auf die Achse des Brenners ist auf 45° eingestellt, und das Abmessungsverhältnis r2 (= f/g) ist auf 0,8 eingestellt.
Die Gaseinspritzöffnungen 25 können jede geeignete Form aufweisen, sofern das Verhältnis r3 (= a/b) (17) zwischen der Länge a der Öffnung 25 in der Richtung der Achse der Einsritzdüse 24 und der Länge b der Öffnung 25 in der Richtung des Durchmessers der Einspritzdüse 24 nicht kleiner als 1 ist. Die Öffnung 25 kann beispielsweise rechteckig sein, wie in 18 gezeigt. Durch Erzeugen von Einspritzöffnungen 25, bei denen r3 ≥ 1 gilt, wird der Vorteil erzielt, daß die Strahlen 26 den mittleren Abschnitt des Brenners erreichen, ohne vom Strom des Fluidgemischs 1 stark beeinflußt zu werden.
Sind zwei oder mehr Einspritzöffnungen 25 in der Einspritzdüse 24 ausgebildet (siehe 19), beträgt der Abstand X zwischen den Achsen der Einspritzöffnungen 25 vorzugsweise nicht mehr als das 2,5-fache des Durchmessers R der Öffnung 25. Wenn die beiden Gaseinspritzdüsen zu weit voneinander entfernt sind, werden zwei getrennte Strahlen erzeugt. Gilt andererseits X/R ≤ 2,5, werden die beiden nahe beieinander liegenden Strahlen unmittelbar hinter den beiden jeweils aus den Öffnungen 25 eingespritzten Strahlen zu einem Strahl kombiniert, und daher besteht nicht die Notwendigkeit, die Strömungsmenge des eingespritzten Gases zu erhöhen, und daneben wird der Strahl aus einer scheinbar großen Einspritzöffnung eingespritzt, und es kann ein Strahl erzeugt werden, der eine große Durchdringungskraft aufweist.
Wenn nicht weniger als zwei Einspritzöffnungen verwendet werden und der scheinbare Bohrungsdurchmesser der Einspritzöffnung ohne Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit des aus jeder der Einspritzöffnungen eingespritzten Gases vergrößert wird, kann die Durchdringungskraft des Gasstrahls erhöht werden. Wird die Anzahl der Einspritzöffnungen erhöht, wobei die Summe der Abmessungen der Einspritzöffnungen konstant gehalten wird, ist die Anzahl der Einspritzöffnungen zur Steigerung des scheinbaren Durchmessers unbegrenzt. In diesem Fall sind die mehreren Einspritzöffnungen vorzugsweise so entlang der Länge der Gaseinspritzdüse (d.h. in der Richtung der Achse der Düse) angeordnet, daß den Gasstrahlen vom Fluidgemischstrom nicht viel Widerstand entgegengesetzt wird.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Gaseinspritzöffnung eingespritzten Gases nicht weniger als dreimal höher als die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs ist, gelangen die jeweils über die Gaseinspritzöffnungen eingespritzten Gasstrahlen mit ausreichender Durchdringungskraft in den mittleren Abschnitt des Fluidgemischstroms, wodurch der entzündungsfreie Bereich der Flamme effektiv verkleinert wird.
Bei einer in 20 gezeigten, weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners ist der Querschnittsaufbau der Eckabschnitte einer sekundären Manschette 118 und einer tertiären Manschette abgerundet oder gekrümmt. Durch diese Konstruktion können die sekundäre Luft 6 und die tertiäre Luft 9 dem Ofen zugeführt werden, ohne einem Druckverlust durch die Manschette 118 und die Manschette 120 zu unterliegen, und die erforderliche Strömungsge schwindigkeit der Verbrennungsluftströme kann bei minimalem Druckverlust erzielt werden.
Bei diesem Brenner besteht nicht die Notwendigkeit, den Dämpfer 122 (25) an der sekundären Manschette 118 vorzusehen, und das Zufuhrverhältnis zwischen der sekundären Luft 6 und der tertiären Luft 9 wird durch einen tertiären Luftwiderstand 10 eingestellt.
Bei dem Brenner gemäß 20 wird die Verbrennungsluft einem Bereich um den Strom der pulverisierten Kohle mit einer hohen Geschwindigkeit zugeführt, und die pulverisierten Kohlepartikel sammeln sich in der Nähe der inneren Umfangsfläche einer Einlaßdüse 2, wodurch die Entzündung des Brenners und die Funktion der Stabilisierung der Flamme effizienter realisiert werden können.

Claims

Brenner mit – einer Gemischdüse (2), die einen Fluidgemischkanal bildet, durch den ein Fluidgemisch (1), das pulverförmigen festen Brennstoff und als Transportgas dienende, primäre Luft zum Transportieren der Festbrennstoffströme zu einem Ofen (4) enthält, – einem Gaskanal (6), der die Gemischdüse (2) umgibt und durch den sekundäre Luft strömt, und – einem am entfernten Ende der Gemischdüse (2) vorgesehenen Flammenstabilisierungsring (3) mit einem radial inneren Wandabschnitt, der senkrecht in die Gemischdüse (2) ragt, und einem radial äußeren Wandabschnitt, der in den Gaskanal (6) ragt, dadurch gekennzeichnet daß – der äußere Umfangswandabschnitt des Flammenstabilisierungsrings (3) einen L-förmigen Querschnitt aufweist und den radial inneren Wandabschnitt und einen röhrenförmigen Abschnitt umfaßt, der sich stromabwärts erstreckt, und – am entfernten Ende des röhrenförmigen Abschnitts eine äußere Trennscheibe (116) befestigt ist, die die sekundäre Luft von der Brennerflamme trennt und die sekundäre Luft unmittelbar stromabseitig des Flammenstabilisierungsrings mit dem heißen Gas mischt.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe (116) mehrere Trennplatten umfaßt, die den sekundären Luftstrom am äußeren Umfang des Auslasses der Gemischdüse (2) in Sektionen unterteilen.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe (116) mehrere Trennplatten umfaßt, die in bezug auf die Achse der Gemischdüse (2) in einem vorgegebenen Winkel geneigt sind und einander in der Umfangsrichtung überlappen, wobei zwischen je zwei nebeneinander liegenden Platten schlitzartige Spalten ausgebildet sind.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromabseitig der Trennscheibe (116) mehrere Lufteinspritzdüsen (24) vorgesehen sind, wobei die Luftstrahlen (26) der Einspritzdüsen (24) zur Mitte der Gemischdüsen (2) gerichtet sind.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischdüse (2) eine Einstellvorrichtung (114) zum Konzentrieren des Kohlenpartikelstroms in der Nähe des Flammenstabilisierungsrings (3) aufweist.
Brenner nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinstellvorrichtung (114) in der Gemischdüse (2) mit sich verjüngenden Endabschnitten auf der Stromauf- und der Stromabseite und einem parallel zur inneren Umfangsfläche der Gemischdüse (2) ausgerichteten, zylindrischen, mittleren Abschnitt montiert ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der inneren Umfangsfläche der Gemischdüse (2) eine Venturidüse (112) zum Einstellen der Konzentrationsverteilung der pulverisierten Kohlenpartikel in dem Gemischstrom und zum Erhöhen der Konzentration in der Nähe des Flammenstabilisierungsrings (3) ausgebildet ist.