DE69925176T2

DE69925176T2 - Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub

Info

Publication number: DE69925176T2
Application number: DE69925176T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Hitachi-shi Okazaki; Hironobu Hitachi-shi Kobayashi; Toshikazu Kure-shi Tsumura; Kenji Kure-shi Kiyama; Tadashi Kure-shi Jimbo; Kouji Kure-shi Kuramashi; Shigeki Kure-shi Morita; Shinichiro Yodogawa-ku Nomura; Miki Kure-shi Shimogori
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: CN1226654A; JP3343855B2; EP0933592B1; EP0933592A2; JPH11211013A; KR100537700B1; EP0933592A3; KR19990068227A; DE69925176D1; US6189464B1; CN1183354C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen von Kohlenstaub und Luft in einer Verbrennungsflamme unter Verwendung eines Verbrennungsofens mit zwei Verbrennungsstufen, wobei die erste Verbrennungsstufe einen Brenner zum Einstrahlen einer Fluidmischung aus Kohlenstaub und Luft in den Ofen zur Bewirkung einer unvollständigen Verbrennung der Kohle aufweist, während die zweite Verbrennungsstufe eine Luftzuführeinrichtung aufweist, die auf der Stromabseite des Brenners der ersten Stufe zum Zuführen der Restluft angeordnet ist, die erforderlich ist, um die Verbrennung zu vervollständigen, wodurch eine Zone mit vollständiger Verbrennung gebildet wird.
Bei solchen Brennern für die Kohlenstaubverbrennung ist das Auftreten von No_x während der Verbrennung ein großes Problem. Verglichen mit gasförmigem und flüssigem Brennstoff hat vor allem Kohle einen größeren Stickstoffgehalt. Deshalb ist die Verringerung des durch Verbrennung von Kohlenstaub erzeugten NO_x schwieriger als im Falle einer Verbrennung von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff.
Das bei der Verbrennung von Kohlenstaub erzeugte NO_x ist nahezu das gesamte NO_x, das durch Oxidieren des in der Kohle enthaltenen Stickstoffs erzeugt wird, d.h. das so genannte Brennstoff-NO_x. Zur Verringerung des Brennstoff-NO_x hat man verschiedene Brennerkonstruktionen und Verbrennungsverfahren untersucht.
Bei einem der Verbrennungsverfahren wird in der Flamme eine Zone mit niedriger Sauerstoffkonzentration gebildet und eine reduzierende Reaktion von NO_x verwendet, die aktiv wird, wenn die Sauerstoffkonzentration gering ist. Beispielsweise offenbaren die JP A 1-305206, JP A 3-211304, JP A 9-170714, JP A 3-110308, usw. ein Verfahren zur Erzeugung einer Flamme mit einer Atmosphäre mit niedriger Sauerstoffkonzentration (reduzierende Flamme) und zum vollständigen Verbrennen von Kohle sowie eine Konstruktion mit einer Brennstoffdüse zum pneumatischen Überführen von Kohle in ihrer Mitte sowie einer Lufteinstrahldüse, die außerhalb der Brennstoffdüse angeordnet ist. D.h., dass bei diesen Verfahren eine Zone mit niedriger Sauerstoffkonzentration innerhalb der Flamme gebildet wird, in der reduzierenden Flammenzone reduzierende Reaktionen von NO_x weiterlaufen und die in der Flamme auftretende NO_x Menge so weit gedrückt wird, dass sie klein ist.
Weiterhin offenbaren die JP A 3-211304, JP A 9-170714 und JP A 3-110308 die Bildung von Umwälzströmen auf der Stromabseite des Endes einer Kohlenstaubdüse, indem ein Flammenstabilisierungsring oder ein Hindernis am Ende der Kohlenstaubdüse vorgesehen wird. Da innerhalb der Umwälzströme eine hohe Gastemperatur bestehen bleibt, heißt dies, dass die Zündung des Kohlenstaubs fortschreitet und die Stabilität der Flamme gesteigert werden kann.
Da die Zündbarkeit von Kohle nicht besser als bei einem anderen Brennstoff ist, ist es insgesamt schwierig, die Entzündbarkeit der Kohle zu verbessern, auch wenn die oben erwähnten verschiedenen Verfahren eingesetzt werden. Deshalb nimmt bei der Verbrennung von Kohle der Sauerstoffverbrauch nicht zu und es ist schwierig, eine Reduktionszone zu bilden. Zur Bildung einer Reduktionszone ist es erforderlich, die Vermischung von Brennstoff und Luft, die aus der Luftdüse in der Nähe der Kohlenstaubdüse eingestrahlt wird, zu unterdrücken. Bisher wird deshalb im Allgemeinen die Vermischung mit Brennstoff dadurch unterdrückt, dass die einzuspeisende Luft aus der Luftdüse in einem Wirbelstrom zugeführt wird. Wenn jedoch die Luft stark zwangsweise verwirbelt wird, nimmt die Vermischung von Luft und Brennstoff auch an einem stromab gelegenen Abschnitt (mehr als dreimal so groß wie der Brennerhalsdurchmesser), der von dem Brenner getrennt ist, aufgrund der Zentrifugalkraft nicht zu und es ist schwierig, eine vollständige Verbrennung zu bewirken. Bei dieser Art von Kohlenstaubverbrennung besteht deshalb das Problem, dass NO_x leicht auftreten kann und unverbrannte Kohlenstoffe in der Verbrennungsasche des Kohlenstaubs verbleiben können.
Bei einer zweistufigen Verbrennung der gattungsgemäßen Art, wie sie im ersten Absatz der Beschreibung beschrieben und in der US-A-4 545 307 und der WO 95/13502 als Stand der Technik offenbart ist, wird in der Brennzone des Verbrennungsofens eine Zone mit Luftmangel gebildet, und es wird eine Luftmenge, die dieser fehlenden Luftmenge entspricht, stromab von der Brennerzone zugeführt, um eine vollständige Verbrennung zu bewirken, wodurch die Verbrennung über den ganzen Verbrennungsofen verbessert und dadurch die abgeführte NO_x-Menge verringert wird. Bei einer solchen zweistufigen Verbrennung werden jedoch halbverbrannte Kohleteilchen, die auch Schwelkoks genannt werden, in der Luftmangelzone des Brenners gebildet, so dass ein großer freier Raum in dem Ofen für eine vollständige Verbrennung des Schwelkoks mit der zusätzlichen Luft erforderlich ist, die stromab von den Brennern zugeführt wird. Obwohl die zweistufige Verbrennung hinsichtlich der Absenkung von NO_x Emissionen der Verbrennung ziemlich effizient ist, hat sie noch bestimmte Grenzen, wie unverbrannten Kohlenstoff und instabile Flammenzustände. Um die Luftmangelzone sehr nahe an der Spitze zu bilden, wird nach der US-A-4 545 307 und der WO 95/13502 ein verbesserter Brenner für niedriges NO_x vorgesehen, der den Ausschluss der zweistufigen Verbrennung und die Verwendung von einem Brenner für nur eine einstufige Verbrennung ermöglicht.
Ein solcher Brenner für eine einstufige Verbrennung, wie er in der US-A-4 545 307 offenbart ist, hat ein zentrales Rohr, das in einen Brennerhals an der Seitenwand eines Verbrennungsofens eingesetzt ist und einen Einstrahlkanal hat, der an seinem dem Ofenraum zugewandten Ende mit einem Ablenkkörper in Form einer Ringscheibe versehen ist. Der Innenumfang der Scheibe erstreckt sich teilweise in den Einstrahlkanal, während die Scheibe selbst einen Viertelkreisquerschnitt hat und sich in eine Luftdüse für Sekundärluft erstreckt, die das zentrale Rohr umgibt. Das Ende der dem Ofenraum zugewandten Luftdüse ist ein sich nach außen erweiternder Kegelstumpf mit einem Konuswinkel von 30 bis 50°. Diese Luftdüse für Sekundärluft ist von einer Luftdüse für Tertiärluft umgeben, die von der Ofenwand umschlossen ist. Die Mischung aus Kohlenstaub und Luft wird aus dem Rohr durch die Verengung des Ablenkkörpers hindurch in den Ofen mit einem Luftverhältnis von 1 oder weniger eingestrahlt, wodurch eine reduzierende Flamme mit hoher Temperatur gebildet wird, in der die Stickstoffverbindungen der Kohle in flüchtige Stickstoffverbindungen und in Stickstoffverbindungen zersetzt werden, die in dem Schwelkoks enthalten sind. Die aus der Sekundärluftdüse zwischen dem Ablenkkörper und dem Kegelstumpf mit einer Wirbelkraft austretende Sekundärluft bildet eine oxidierende Flamme in Form eines kreisenden Wirbels, der die reduzierende Flamme sandwichartig umgibt und umschließt und flüchtigen Stickstoff aus der reduzierenden Flamme mit hoher Temperatur sowie Stickstoff aus der Luft zu allgemeinem NO oxidiert. Auf die reduzierende Flamme folgt eine reduzierende Denitrierzone, die sich nicht ausdehnt und in der das NO, das in der oxidierenden Flamme gebildet wird, mit reduzierenden Zwischenprodukten der reduzierenden Flamme mit hoher Temperatur zur Bildung von N₂ reagiert. Die mit starker Verwirbelungskraft aus der tertiären Luftdüse zwischen der Außenseite des Kegelstumpfs und der Ofenwand ausgestrahlte Tertiärluft wird stromab von der Denitrierzone zugeführt, wo N-enthaltender Schwelkoks und unverbrannte Stoffe vollständig verbrannt sind. Bei dem Brenner mit dem beschriebenen Aufbau ist die reduzierende Flamme vollständig von oxidierender Luft umgeben, bis die Kohle bei niedrigem NO_x vollständig verbrannt ist.
Die WO 95/13502 beschreibt einen sehr ähnlichen Brenner, der für den gleichen Zweck verwendet wird, d.h. zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung in einer Stufe. Bei diesem Brenner beträgt der Ablenkwinkel der Führungshülsen für die Düsen der Sekundär- und Tertiärluft 15 bis 25° bezogen auf die zentrale Achse des Kohlerohrs. Die Verwirbelungszahl des Sekundärluftstroms beträgt 0,5 bis 1,0, und die Geschwindigkeit des Stroms ist 2- bis 3-mal größer als die Geschwindigkeit, mit der die Fluidmischung aus Kohlenstaub und Luft eingestrahlt wird. Bei dem Brenner dieses Aufbaus wird eine zentrale reduzierende Flammenzone erzeugt, die von einer sekundären Umwälzzone umgeben ist, die ihrerseits von einer heftigen turbulenten Verbrennungszone umgeben ist, um die herum Tertiärluft zu einer Endzone vollständiger Verbrennung nahe dem Hauptwirbel strömt, der von der tangentialen Einstrahlung des Brenners bezogen auf den Ofen erzeugt wird.
Die EP 0 445 938 beschreibt einen zweistufigen Brenner für Kohlenstaub, der eine Kohleleitung für Kohlenstaub und primäre Verbrennungsluft sowie eine solche sekundäre Verbrennungsluftleitung hat, dass sich die Kohle und die primäre Luft und die Sekundärluft außerhalb der Auslassdüsen der Leitung in einer Mischzone mischen, in der die Verbrennung stattfindet. Um den Sekundärluftkanal ist ein ringförmiger Tertiärluftkanal ausgebildet, der in einer Auslassdüse endet. Die Verbrennungsluft weist die zündende Sekundärluft und die Tertiärluft für die vollständige Verbrennung auf. Der Grund dafür besteht darin, dass der Verbrennungsbereich mit Überschussbrennstoff am zentralen Abschnitt der Flamme gebildet wird, um die Reduktion des NO_x durch die Sekundärluft und die Mischung zu begünstigen. Um die Bildung des Bereichs mit Brennstoffüberschuss zu erleichtern, wird das Vermischen zwischen dem Sekundär- und Tertiärluftstrom am Auslass des Brenners mit Hilfe eines Spaltes unterdrückt, der zwischen dem Sekundär- und Tertiärluftkanal angeordnet ist. Um in der Flamme eine starke Umwälzströmung bei einer hohen Temperatur zu erhalten, werden Sekundärluft und Tertiärluft durch Verwirbeln eingestrahlt. Die Verbrennung des unverbrannten Gehalts der Verbrennungszone des Brenners wird durch die Nachluft abgeschlossen.
Flammenformen für zweistufige Verbrennung nach dem Stand der Technik werden unter Bezug auf 2 sowie 5 und 6 der Figurenbeschreibung erörtert.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren der erfindungsgemäßen Art bereitzustellen, das sich auf zwei Verbrennungsstufen bezieht, die eine Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad, sehr geringem NO_x und nahezu keinen unverbrannten Kohlenstoffen in der Verbrennungsasche ermöglichen.
Dieses Ziel wird mit dem Verfahren der gattungsgemäßen Art dadurch erreicht, dass in der ersten Verbrennungsstufe das Fluidgemisch aus Kohlenstaub und Luft in einem geraden Strom aus einer Kohlenstaubdüse des Brenners eingestrahlt wird, so dass eine Verbrennungszone gebildet wird, auf die eine erste Zone mit einem Gasphasenverhältnis von 1 oder weniger an einem relativ zentralen Teil der Flamme in einem Flammenfrontstufenabschnitt folgt, dass ein Luftstrom aus einer Luftdüse, die die Kohlenstaubdüse auf zwei gegenüberlie genden Seiten oder konzentrisch umgibt und eine Führungsplatte oder eine Führungsplatte und einen Flammenstabilisierungsring an ihrem Stromabende hat, eingestrahlt wird, wobei der Luftstrom ohne Verwirbelung oder mit einem schwachen Wirbelstrom mit einer Verwirbelungszahl von 0,8 oder weniger in eine Richtung, die von der Kohlenstaubdüse aus mit einem Winkel von 30° bis 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse durch die entsprechend geneigte Führungsplatte auseinandergeht, mit einer Geschwindigkeit eingestrahlt wird, die zwei- bis dreimal größer als die Geschwindigkeit ist, mit der die Fluidmischung aus Kohlenstaub und Luft aus der Kohlenstaubdüse eingestrahlt wird, wodurch eine zweite Zone mit einem Gasphasenluftverhältnis von mehr als 1 außerhalb der ersten Zone in dem Flammenfrontstufenabschnitt gebildet wird, und dass der in einem zentralen Teil der Flamme von dem Flammenfrontstufenabschnitt zu einem stromab befindlichen Flammenrückstufenabschnitt strömende Kohlenstaub mit der Luft gemischt wird, die von der zweiten Zone zu der Mitte der Flamme an dem Flammenrückstufenabschnitt strömt, wodurch eine dritte Zone mit einem Gasphasenluftverhältnis von 1 oder weniger in dem Flammenrückstufenabschnitt gebildet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Flammenrückstufenabschnitt von dem Brennerdüsenauslass durch einen Abstand getrennt, der dreimal so lang wie der Brennerhalsdurchmesser oder größer ist.
Das erwähnte Gasphasenluftverhältnis ist das Verhältnis zwischen einer realen Luftmenge und einer Luftmenge, die zur Bewirkung der vollständigen Verbrennung der gasförmigen Komponenten erforderlich ist, die aus dem Kohlenstaub emittiert werden.
Wie erwähnt, weist die erste Stufe der beiden Verbrennungsstufen den Frontstufenabschnitt und einen Flammenrückstufenabschnitt stromab von dem Flammenfrontstufenabschnitt auf.
In dem Frontstufenabschnitt wird die Flamme so erzeugt, dass sie einen reduzierenden Kern mit wenig Sauerstoff, wenig NO_x, jedoch mit unverbrannten Kohleteilchen hat. Dieser Kern wird von einer oxidierenden Flamme mit viel Sauerstoff, geringem NO_x und einer geringen Kohlekonzentration umgeben.
In dem Flammenrückstufenabschnitt werden der Kernflammenteil und der Außenflammenteil durch den Strom des umgebenden Flammenteils zu der Mitte hin und durch radiales Ausbreiten der reduzierenden Flamme des Kerns, in den der größte Teil des Kohlenstaubs gegangen ist, gemischt. Diese Maßnahmen ergeben eine Flamme in dem Rückstufenabschnitt mit wenig, jedoch nicht sehr wenig Sauerstoff und mit wenig NO_x.
In der zweiten Stufe wird Luft stromab von der ersten Stufe zugeführt, um zu einer vollständigen Verbrennung zu gelangen, wobei die Verbrennungsgase überraschenderweise wenig NO_x und einen sehr hohen Verbrennungswirkungsgrad haben, was bedeutet, dass es nahezu keine unverbrannte Kohle in der Kohleasche gibt.
Wie oben erwähnt, hat die Verbrennungsflamme, die von dem oben erwähnten Brenner für die Kohlenstaubverbrennung gebildet wird, in der Nähe der Einstrahlöffnung des Brenners eine Zone mit einem Gasphasenluftverhältnis von 1 oder weniger, das am radial zentralen Abschnitt der Flamme gebildet wird, und eine Zone mit einem Gasphasenluftverhältnis von mehr als 1, die außerhalb der Zone gebildet wird, so dass Sauerstoff durch die Verbrennungsreaktion in dem zentralen Teil der Kohlenstaubflamme verbraucht und eine reduzierende Flamme mit niedriger Sauerstoffkonzentration gebildet wird. Da die Konzentration des Brennstoffs an der radialen Außenseite der reduzierenden Flamme gering ist, nimmt der Sauerstoffverbrauch nicht zu und es wird eine Oxidationsflamme mit hoher Sauerstoffkonzentration gebildet. Da die Verbrennung so bewirkt wird, dass eine gleichförmige Luftverhältniszone mit einem Gasphasenluftverhältnis von 1 oder weniger und ein Änderungsbereich des Gasphasenluftverhältnisses von 0,2 oder weniger innerhalb der Flamme auf einer Stromabseite gebildet wird, werden die Luft, die aus der Luftdüse eingestrahlt wird, und der Kohlenstaub, der in einem zentralen Abschnitt der Flamme strömt, miteinander an einem Flammenrückstufenabschnitt vermischt. Da der Sauerstoffverbrauch in dem Flammenfrontstufenabschnitt der reduzierenden Flamme und der oxidierenden Flamme zugenommen hat, spreizt sich deshalb die reduzierende Flamme mit niedriger Sauerstoffkonzentration radial in dem Flammenrückstufenabschnitt auf, wobei der größte Teil des Kohlenstaubs in die reduzierende Zone gelangt, so dass NO_x, das durch die oxidierende Flamme in dem Flammenfrontstufenabschnitt auftritt, ebenfalls reduziert wird und weiterhin die Luftverteilung gleichförmig wird, eine Zone mit einem extrem niedrigen Gasphasenluftverhältnis nicht gebildet wird, deshalb die Verbrennungsreaktion fortschreitet und es möglich ist, den Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern und unverbrannte Kohlenstoffe in der Verbrennungsasche zu reduzieren.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung und des Standes der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines Brenners für Kohlenstaubverbrennung der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Brenners für Kohlenstaubverbrennung ist,
3 ein Diagramm ist, das Untersuchungsergebnisse des Brenners für Kohlenstaubverbrennung nach der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Brenners für Kohlenstaubverbrennung zeigt,
4 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Brenners für Kohlenstaubverbrennung nach der vorliegenden Erfindung ist,
5 eine geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Brenners für Kohlenstaubverbrennung ist,
6 eine geschnittene Seitenansicht einer herkömmlichen Brenners für Kohlenstaubverbrennung ist,
7 eine vergrößerte Seitenansicht eines Hauptteils einer weiteren Ausführungsform eines Brenners für Kohlenstaubverbrennung nach der vorliegenden Erfindung ist,
8 eine vergrößerte Seitenansicht eines Hauptteils einer weiteren Ausgestaltung eines Brenners für Kohlenstaubverbrennung nach der vorliegenden Erfindung ist,
9 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Brenners für Kohlenstaubverbrennung nach der vorliegenden Erfindung ist,
10 eine Stirnansicht des Brenners für die Kohlenstaubverbrennung von 9 ist,
11 eine Stirnansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Brenners für Kohlenstaubverbrennung nach der vorliegenden Erfindung ist,
12A und 12B jeweils ein Diagramm der Gasphasenluftverhältnisverteilung sind, und
13A und 13B geschnittene Seitenansichten eines herkömmlichen Brenners für Kohlenstaubverbrennung sind.
Ausführungsform 1
Bei dem Bezugszeichen 10 ist eine Kohlenstaubdüse für die pneumatische Zuführung von Kohlenstaub bezeichnet, deren Stromauseite nicht gezeigt ist, die jedoch mit einer Zuführleitung verbunden ist. Das Bezugszeichen 11 sieht für eine Luftdüse, die außerhalb der Kohlenstaubdüse 10 vorgesehen ist, das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Ofenraum zum Verbrennen von Kohlenstaub und Luft, die aus dem Brenner für die Kohlenstaubverbrennung eingestrahlt werden. Ein Pfeil 13 zeigt einen Strom von Kohlenstaub, der aus der Kohlenstaubdüse 10 eingestrahlt wird, während ein Pfeil 14 einen Luftstrom zeigt, der aus der Luftdüse 11 eingestrahlt wird. Das Bezugszeichen 99 bezeichnet eine Ölspritze, die zur Unterstützung der Verbrennung vorgesehen ist.
Bei dieser ersten Ausführungsform wird ein Verfahren (zweistufiges Verbrennungsverfahren) verwendet, bei welchem die Menge der Luft, die aus dem Brenner zugeführt wird, viel kleiner als die Menge der Luft gemacht wird, die zur Bewirkung einer vollständigen Verbrennung des Kohlenstaubs erforderlich ist, wobei der Rest der erforderlichen Luft von einer Stromabseite zugeführt wird. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Luftzuführeinrichtung dafür, d.h. eine Luftdüse für die zweite Verbrennungsstufe, während das Bezugszeichen 20 einen daraus zugeführten Luftstrom bezeichnet. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Verbrennungszone der Verbrennungsluft der zweiten Stufe und des aus dem Brenner zugeführten Kohlenstaubs.
Bei dieser Ausführungsform wird die aus der Luftdüse ausgestrahlte Luft aus dem Brenner ausgestrahlt und strömt dann getrennt von der Flammenmitte an einem Frontstufenabschnitt der Flamme und dann zu der Mitte der Flamme an einem Rückstufenabschnitt der Flamme (an einer Position, die von dem Brennerdüsenauslass durch einen Abstand getrennt ist, der mehr als dreimal so lang wie der Brennerhalsdurchmesser ist). Deshalb wird ein Vermischen der aus der Luftdüse eingestrahlten Luft und des Kohlenstaubs, der in der Mitte der Flamme strömt, in dem Flammenfrontstufenabschnitt unterdrückt, und an einer Stromabseite einer Zündzone 15 wird an dem zentralen Abschnitt der Kohlenstaubflamme durch eine Verbrennungsreaktion Sauerstoff verbraucht und eine reduzierende Flamme 17 mit niedriger Sauerstoffkonzentration gebildet.
Der Sauerstoffverbrauch schreitet wegen der niedrigen Brennstoffkonzentration an einer radial äußeren Seite der reduzierenden Flamme 17 nicht fort, so dass eine oxidierende Flamme 16 mit hoher Sauerstoffkonzentration gebildet wird. Weiterhin weitet die Vermischung der aus der Luftdüse eingestrahlten Luft und des im zentralen Abschnitt der Flamme in dem Rückstufenabschnitt der Flamme strömenden Kohlenstaubs die reduzierende Flamme mit niedriger Sauerstoffkonzentration in dem Flammenrückstufenabschnitt radial aus, da der Sauerstoffverbrauch in dem Flammenfüntstufenabschnitt, der sich aus der reduzierenden Flamme und der oxidierenden Flamme zusammensetzt, fortgeschritten ist.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet eine Radialrichtung der Flamme eine Richtung, die den Pfeil 13 senkrecht kreuzt, der die Richtung des Kohlenstaubstroms zeigt. Es gibt eine Flammenexpansionsrichtung in Radialrichtung des Brenners.
Auf diese Weise wird, um einen Strom der aus der Luftdüse ausgestrahlten Luft zu veranlassen, sich von der zentralen Achse in dem Flammenfrontstufenabschnitt zu trennen und dann mit dem Kohlenstaubstrom zu mischen, der in der Mitte in dem Flammenrückstufenabschnitt strömt, die Luft in eine Richtung ausgestrahlt, die von der Kohlenstaubdüse mit einem Winkel von 30° oder mehr und 50° oder weniger zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse auseinandergeht, so dass sie einen geraden Strom oder einen schwachen Wirbelstrom mit einer Wirbelzahl von 0,8 oder weniger bildet. Die Wirbelzahl erhält man aus der folgenden Gleichung:
Wirbelzahl = (Impuls in Wirbelrichtung) ÷ (Axialimpuls × Halsaußendurchmesser).
Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, wird bei einem herkömmlichen Kohlenstaubbrenner, wie er in 2 gezeigt ist, Luft aus einer Luftdüse 11 in einem Wirbelstrom ausgestrahlt, der mit einer starken Wirbelkraft mit einer Wirbelzahl von 0,8 oder mehr verwirbelt ist, so dass die Luft nach dem Ausstrahlen getrennt von der Mitte strömt und auch nicht mit einem zentralen Teil in dem Flammenrückstufenabschnitt gemischt wird. Deshalb findet hier eine Trennung in eine reduzierende Flamme 17 an dem zentralen Flammenteil und in eine oxidierende Flamme 16 an der Außenseite davon auch in dem Flammenrückstufenbereich statt.
In 3 ist ein Versuchsergebnis einer Beziehung zwischen einem Verhältnis (Abszisse) einer Luftmenge und einer Kohlenstaubmenge und der No_x-Konzentration (Ordinate) am Ofenauslass gezeigt. Eine Kurve P zeigt die Leistung des herkömmlichen Kohlenstaubbrenners, während eine Kurve Q die Leistung des Brenners für Kohlenstaubverbrennung der vorliegenden Ausführungsform von 1 zeigt. Wie aus dem Diagramm zu sehen ist, hat der Brenner für die Kohlenstaubverbrennung nach der vorliegenden Erfindung ein relativ niedriges Verhältnis von No_x verglichen mit dem herkömmlichen Brenner, unabhängig von der Größe des Luftverhältnisses.
Bei dem herkömmlichen Brenner, bei dem die oxidierende Flamme 16 und die reduzierende Flamme 17 getrennt voneinander strömen, schreitet die Reduktionsreaktion von No_x in der reduzierenden Flamme an dem zentralen Flammenabschnitt fort und die No_x-Emission ist gering. Da jedoch No_x in der oxidierenden Flamme auftritt, die sich radial nach außen von der reduzierenden Flamme ausbreitet, wird die Menge der No_x-Emission aus der gesamten Flamme groß. Wenn bei der reduzierenden Flamme das Gasphasenluftverhältnis (ein Verhältnis zwischen der tatsächlichen Luftmenge und der Luftmenge, die zur Bewirkung einer vollständigen Verbrennung der gasförmigen Komponenten erforderlich ist, die aus dem Kohlenstaub emittiert werden) zu gering ist, beispielsweise 0,6 beträgt, verzögert sich die Verbrennungsreaktion, so dass unverbrannte Stoffe zunehmen und zu befürchten ist, dass dadurch der Verbrennwirkungsgrad geringer wird und ein Hindernis für eine effektive Nutzung der Verbrennungsasche aufgrund einer Zunahme unverbrannter Kohlenstoffe in der Verbrennungsasche wird.
Wie bei der ersten Ausführungsform nimmt im Falle eines Verfahrens (zweistufiges Verbrennungsverfahren), bei dem eine von dem Brenner eingespeiste Luftmenge kleiner als die für die vollständige Verbrennung des Kohlenstaubs erforderliche ist und der Rest der erforderlichen Luft stromab zugeführt wird, da die Verbrennung des Kohlenstaubs nicht fortschreitet, das No_x, das an dem Teil auftritt, der sich mit Luft aus der zweiten Verbrennungsstufe mischt, zu.
Im Gegensatz dazu breitet sich bei der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die reduzierende Flamme in Radialrichtung in dem Flammenrückstufenabschnitt aus, und der größte Teil des Kohlenstaubs geht in der reduzierenden Zone hindurch, so dass in der oxidierende Flamme des Flammenfrontstufenabschnitts erzeugtes No_x ebenfalls verringert wird. Verglichen mit dem herkömmlichen Brenner wird, da die Luftverteilung gleichförmig wird, eine Zone mit einem extrem niedrigen Gasphasenluftverhältnis nicht gebildet. Deshalb schreitet die Verbrennungsreaktion stärker fort als bei dem herkömmlichen Brennbeispiel von 2, und der Verbrennungswirkungsgrad wird verbessert und die unverbrannten Kohlenstoffe in der Verbrennungsasche werden weniger. Da die Verbrennungsreaktion des Kohlenstaubs vor dem Mischen mit Luft für die Verbrennung der zweiten Stufe fortgeschritten ist, wird das No_x, das durch Mischen mit Luft für die Verbrennung der zweiten Stufe auftritt, gering.
Ausführungsform 2
In 4 ist die Luftdüse in zwei Luftdüsen getrennt, nämlich eine Sekundärluftdüse 32 und eine Tertiärluftdüse 33. Die Sekundärluftdüse 32 dient hier dazu, einen Abstand zwischen der Kohlenstaubdüse 10 und der Tertiärluftdüse 33 vorzusehen. Wenn die Kohlenstaubdüse und die Tertiärluftdüse im Abstand voneinander angeordnet sind, wird der Brenner durch Verbrennen beschädigt und kann nicht verwendet werden, wenn keine Sekundärluft aus der Sekundärluftdüse 32 strömt. Deshalb bildet die Sekundärluft, die aus der Sekundärluftdüse 32 ausströmt, ein Kühlgas. Es genügt, wenn die Menge der Sekundärluft 1/3 der Tertiärluftmenge ist. Um die Sekundärluft längs einer nachstehend beschriebenen Führungsplatte 21 strömen zu lassen und sie von der Kohlenstaubdüse 10 zu distanzieren, werden einige Maßnahmen bezüglich der Form des Flammenstabilisierungsrings 31 vorgenommen. D.h., dass sich der Endabschnitt des Flammenstabilisierungsrings 31 nach außen in der Radialrichtung erstreckt. Ferner werden ein Venturi-Abschnitt 24 und ein spindelförmiges Hindernis 25 im zentralen Abschnitt der Kohlenstaubdüse 10 vorgesehen. Da der Kohlenstaub längs des Hindernisses 25 zu dem Außenumfang strömt, wird die Konzentration des Kohlenstaubs in der Nähe des Flammenstabilisierungsrings 31 erhöht, wodurch der Kohlenstaub in der Nähe des Flammenstabilisierungsrings 31 früher zündet und sich eine Zone mit reduzierender Flamme 17 ausdehnt. Die vorliegende Ausführungsform von 4 unterscheidet sich von dem herkömmlichen Brenner auch dadurch, dass sie mit der Führungsplatte 21 an der kohlenstaubseitigen Wand des Auslasses der Tertiärluftdüse 33 versehen ist.
Durch diese Führungsplatte 21 wird die Richtung der Tertiärluft, die parallel zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse an dem Halsabschnitt 22 strömt, in eine radial nach außen gehende Richtung abgebogen. Der Neigungswinkel 34 der Führungsplatte 21 zur zentralen Achse der Düse beträgt 30° bis 50°. Deshalb wird die Tertiärluft aus dem Brenner mit einem Winkel von 30° bis 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse eingestrahlt.
Nachdem die Tertiärluft aus der Tertiärluftdüse eingestrahlt ist, strömt die Luft getrennt von der Mitte der Flamme in dem Flammenfrontabschnitt und strömt dann zu der Flammenmitte in dem Flammenrückstufenabschnitt (in dem Abschnitt, der von dem Brennerdüsenauslass durch eine Entfernung getrennt ist, die dreimal so lang wie der Brennerhalsdurchmesser ist), wie es durch den Pfeil 14 gezeigt ist. Auf diese Weise wird in dem Flammenfrontstufenabschnitt ohne Fortschreiten einer Vermischung der von der Tertiärluftdüse ausgestrahlten Tertiärluft und dem in der Mitte der Flammen strömenden Kohlenstaub durch die Verbrennungsreaktion an dem zentralen Abschnitt der Kohlenstaubflamme Sauerstoff verbraucht, und es wird eine reduzierende Flamme 17 mit niedriger Sauerstoffkonzentration auf der Stromabseite der Entzündungszone 15 gebildet.
Da der Sauerstoffverbrauch aufgrund der niedrigen Brennstoffkonzentration auf einer radial äußeren Seite der reduzierenden Flamme 17 nicht fortschreitet, wird eine oxidierende Flamme 16 mit hoher Sauerstoffkonzentration gebildet. Ferner werden die aus der Tertiärluftdüse 33 ausgestrahlte Tertiärluft und der im zentralen Abschnitt der Flamme strömende Kohlenstaub in dem Flammenrückstufenabschnitt gemischt. Da der Sauerstoffverbrauch in dem Flammenfrontstufenabschnitt, der sich aus der reduzierenden Flamme 17 und der oxidierenden Flamme 16 zusammensetzt, fortgeschritten ist, breitet sich zu diesem Zeitpunkt die reduzierende Flamme mit niedriger Sauerstoffkonzentration in Radialrichtung in dem Flammenrückstufenabschnitt aus.
Wenn sich die reduzierende Flamme in der Flamme in dem Flammenrückstufenabschnitt radial aufweitet, geht der Hauptteil des Kohlenstaubs in der reduzierenden Zone durch, wodurch No_x, das durch die oxidierende Flamme in der Flammenfrontstufe auftritt, ebenfalls reduziert wird.
Verglichen mit dem herkömmlichen Brenner wird die Luftverteilung gleichförmig, so dass eine Zone mit extrem niedrigem Gasphasenluftverhältnis nicht gebildet wird. Deshalb schreitet die Verbrennungsreaktion fort, und es stellen sich eine Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads und eine Verringerung von unverbrannter Kohle in der Verbrennungsasche in einem größeren Ausmaß als bei dem herkömmlichen Brenner von 5 ein. Da die Verbrennungsreaktion des Kohlenstaubs vor dem Mischen mit der Verbrennungsluft der zweiten Stufe fortgeschritten ist, wird No_x, das durch Vermischen mit der Verbrennungsluft der zweiten Stufe auftritt, gering.
Damit Tertiärluft aus der Tertiärluftdüse strömt, um sie von der zentralen Achse in dem Flammenfrontstufenabschnitt zu trennen und mit dem in der Mitte des Flammenrückstufenabschnitts strömenden Kohlenstaub zu vermischen, soll die erwähnte Tertiärluft mit einem Winkel von 30° bis 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse eingestrahlt werden und die Tertiärluft in einem geraden Strom oder in einem schwach verwirbelten Strom zugeführt werden. Da die Zentrifugalkraft der Tertiärluft gering ist, wird dadurch die Vermischung mit dem Kohlenstaub in dem Flammenrückstufenabschnitt begünstigt.
Ferner soll die Tertiärluft mit einer höheren Geschwindigkeit als der aus der Kohlenstaubdüse ausgestrahlte Kohlenstaubstrom eingestrahlt werden. Zu dieser Zeit wird der Impuls des Tertiärluftstroms größer als der des Kohlenstaubstroms, so dass es schwierig wird, dass die Einstrahlrichtung der Tertiärluft von dem Kohlenstaubstrom beeinflusst wird. Deshalb wird eine Vermischung der Tertiärluft des Kohlenstaubs in der Nähe des Brenners unterdrückt.
Wie bei der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform soll sich weiterhin die Führungsplatte 21 weiter nach außen als eine Verlängerungslinie der äußeren Umfangswand des Halsabschnitts 22 erstrecken, der einen zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse parallelen Strömungsweg hat. Die Tertiärluft strömt parallel zu dem Kohlenstaubstrom, und ihre Einstrahlrichtung wird durch die Führungsplatte 21 in dem Halsabschnitt geändert. Wenn jedoch die Führungsplatte, wie in 6 gezeigt, kurz ist, wird ein Strom gebildet, dessen Richtung durch die Führungsplatte nicht geändert wird, was durch einen Pfeil 34 gezeigt ist, wodurch sich der Strom leicht mit dem Kohlenstaubstrom an einer Stelle nahe dem Brenner vermischen lässt. Da bei diesem Aufbau die Tertiärluft und der Kohlenstaub zu einem Zündzeitpunkt gemischt werden, wird die Flammentemperatur abgesenkt und die Zündung verzögert, wodurch die Bildung einer reduzierenden Zone schwierig wird, so dass die Konzentration von No_x am Ofenauslass zunimmt.
Wenn die Luftdüse in eine Vielzahl von Luftdüsen, wie bei der vorliegenden Ausführungsform, radial aufgetrennt wird, da das Einstrahlverhältnis von Luft durch die jeweiligen Luftdüsen geändert werden kann, ist es möglich, dass die Emissionsmenge von No_x und unverbranntem Kohlenstoff in der Verbrennungsasche durch Einstellen einer Mischposition und des Mischverhältnisses von Luft und Kohlenstaub geeignet gestaltet werden kann.
Ausführungsform 3
In dem Düsenabschnitt des Kohlenstaubbrenners von 7 ist die Führungsplatte 21 an der Wand eines Auslasses einer Tertiärluftdüse 33 auf der Kohlenstaubseite vorgesehen. Der Strömungsweg an der Tertiärluftdüsenseite der Führungsplatte wird so ausgebildet, dass er eine gekrümmte Oberfläche für den Tertiärluftstrom hat, so dass sich der Strömungsweg glatt ändert.
Wenn gemäß 8 der Strömungsweg der Tertiärluft, die in der Tertiärluftdüse strömt, durch die Führungsplatte 21 gebogen wird, wird an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Halsabschnitt und der Führungsplatte eine Verweilzone 35 gebildet, in welcher die Strömung verzögert wird. Durch Strahlung von der Flammeninnenseite des Ofens erhöht sich die Temperatur der Führungsplatte 21. Die Führungsplatte 21 wird durch einen konvektiven Wärmeübergang der dort strömenden Luft und durch Wärmeleitung in dem Baumaterial der Füh rungsplatte gekühlt. Wenn die Verweilzone 35 gebildet wird, nimmt der konvektive Wärmeübergang in der Verweilzone ab, so dass die Temperatur der Führungsplatte ansteigt und die Möglichkeit eines Verbrennungsschadens zunimmt.
Die Verweilzone wird dann nicht gebildet, wenn der Strömungsweg glatt ist, wie in 7 gezeigt. In diesem Fall kann die Führungsplatte 21 durch konvektiven Wärmeübergang der Luftströmung gekühlt werden. Da das Bauelement des Verbindungsabschnitts zwischen der Führungsplatte und dem Halbabschnitt dick wird, nimmt die Wärmeleitung in dem Bauelement zu, wodurch ein Anstieg der Temperatur der Führungsplatte unterdrückt wird und ihre Lebensdauer gesteigert werden kann.
Ausführungsform 4
In 9 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Kohlenstaubbrenner für den pneumatischen Transport von Kohlenstaub bezeichnet, dessen Stromaufseite nicht gezeigt, jedoch mit einer Zuführleitung verbunden ist. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Luftdüse, die so vorgesehen ist, dass sie den Kohlenstaubbrenner umgibt. Die Kohlenstaubdüse 10 ist in eine Vielzahl von Düsen unterteilt, und die Luftdüse kann ebenfalls in eine Vielzahl von Düsen aufgeteilt werden.
Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein Ofenraum für die Verbrennung des Kohlenstaubs und der Luft bezeichnet, die aus dem Brenner eingestrahlt werden. Ein Pfeil 13 bezeichnet einen Kohlenstaubstrom, der aus der Kohlenstaubdüse eingestrahlt wird, während ein Pfeil 14 einen Luftstrom bezeichnet, der aus der Luftdüse eingestrahlt wird. Weiterhin wird bei dieser Ausführungsform ein Verfahren (zweistufiges Verbrennungsverfahren) verwendet, bei dem eine Luftmenge, die aus dem Brenner eingestrahlt wird, etwas kleiner als die Luftmenge gestaltet wird, die für eine vollständige Verbrennung des Kohlenstaubs erforderlich ist, wobei der Rest der erforderlichen Luft stromab zugeführt wird. Mit dem Bezugszeichen 19 ist eine Luftdüse für eine zweite Verbrennungsluft bezeichnet, wobei ein Pfeil 20 den Strom der Verbrennungsluft der zweiten Stufe anzeigt. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine Verbrennungszone der zweiten Verbrennungsluft und von von dem Brenner zugeführtem Kohlenstaub bezeichnet.
Bei der vierten Ausführungsform strömt die aus der Luftdüse eingestrahlte Luft getrennt von der Mitte in dem Flammenfrontstufenabschnitt und dann zu der Mitte der Flamme in dem Flammenrückstufenabschnitt (an einer Stelle, die vom Brennerauslass durch eine Entfernung getrennt ist, die dreimal so lang wie der Brennerhalsdurchmesser ist), nachdem sie aus dem Brenner ausgestrahlt ist. Dadurch wird eine Vermischung der aus der Luftdüse ausgestrahlten Luft und des im Zentrum der Flamme strömenden Kohlenstaubs in dem Flammenfrontstufenabschnitt unterdrückt, während auf der Stromabseite der Zündzone 15 durch die Verbrennungsreaktion an dem zentralen Abschnitt der Kohlenstaubflamme Sauerstoff verbraucht und die reduzierende Flamme 17 mit niedriger Sauerstoffkonzentration gebildet wird.
Da der Sauerstoffverbrauch in einer radial äußeren Seite der reduzierenden Flamme 17 aufgrund der niedrigen Sauerstoffkonzentration nicht fortschreitet, wird die oxidierende Flamme 16 mit hoher Sauerstoffkonzentration gebildet. In dem Flammenrückstufenabschnitt weitet sich, wenn aus der Luftdüse ausgestrahlte Luft und in dem zentralen Abschnitt der Flamme strömender Kohlenstaub gemischt werden, weil der Sauerstoffverbrauch in dem Flammenfrontstufenabschnitt fortgeschritten ist, der sich aus der reduzierenden Flamme und der oxidierenden Flamme zusammensetzt, die reduzierende Flamme mit niedriger Sauerstoffkonzentration in der Radialrichtung in dem Flammenrückstufenabschnitt auf.
Damit die aus der Luftdüse ausgestrahlte Luft getrennt von der zentralen Achse in dem Flammenfrontstufenabschnitt strömt und sich mit dem Kohlenstaub mischt, der in der Mitte in dem Flammenrückstufenabschnitt strömt, wird die vorstehend erwähnte Luft mit einem Winkel von mehr als 30° und weniger als 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse eingestrahlt.
Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform weitet sich die reduzierende Flamme, die sich radial in dem Flammenrückstufenabschnitt aufweitet, innerhalb der Flammen aus. Da der Hauptteil des Kohlenstaubs in die reduzierenden Zone gelangt, wird somit auch No_x verringert, das infolge der oxidierenden Flamme der Flammenfrontstufe auftritt. Außerdem wird die Verteilung der Luft verglichen mit dem herkömmlichen Brenner gleichförmig, so dass eine Zone mit einem extrem niedrigen Gasphasenluftverhältnis nicht gebildet wird. Die Verbrennungsreaktion schreitet deshalb fort, und der Verbrennungswirkungsgrad und die Verringerung unverbrannten Kohlenstoffs in der Verbrennungsasche werden verbessert. Da die Verbrennungsreaktion des Kohlenstaubs fortgeschritten ist, bevor eine Vermischung mit der Verbrennungsluft der zweiten Stufe erfolgt, wird das No_x gering, das durch Mischen mit Verbrennungsluft der zweiten Stufe auftritt.
Ausführungsform 5
Wie in 11 gezeigt ist, ist die Luftdüse der fünften Ausführungsform aus einer Vielzahl von Luftdüsen 11 zusammengesetzt und um die Kohlenstaubdüse 10 herum so angeordnet, dass sie die Düse 10 umgeben. Der Auslass jeder Luftdüse 11 zum Ofen hin ist in einem Winkel von mehr als 30° und weniger als 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse geneigt, und die Luft wird aus den Luftdüsen 11 mit einem Winkel von mehr als 30° und weniger als 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse eingestrahlt.
Bei der fünften Ausführungsform strömt die aus den Luftdüsen 11 eingestrahlte Luft getrennt von der Mitte in dem Flammenfrontstufenabschnitt und dann zu der Mitte der Flamme in dem Flammenrückstufenabschnitt hin (an einer Stelle, die von dem Brennerauslass durch einen Abstand getrennt ist, der dreimal so lang wie der Brennerhalsdurchmesser ist), was durch einen Pfeil 14 gezeigt ist, nachdem die Luft aus dem Brenner ausgestrahlt wurde. Deshalb wird ein Vermischen der aus den Luftdüsen 11 ausgestrahlten Luft und des in der Mitte der Flamme strömenden Kohlenstaubs in dem Flammenfrontstufenabschnitt unterdrückt, während auf der Stromabseite der Zündzone 15 durch die Verbrennungsreaktion an dem zentralen Abschnitt der Kohlenstaubflamme Sauerstoff verbraucht und die reduzierende Flamme 17 mit niedriger Sauerstoffkonzentration gebildet wird.
Da der Sauerstoffverbrauch in der radial äußeren Seite der reduzierenden Flamme 17 wegen der niedrigen Sauerstoffkonzentration nicht fortschreitet, wird die oxidierende Flamme 16 mit hoher Sauerstoffkonzentration gebildet. In dem Flammenrückstufenabschnitt weitet sich ferner, wenn die aus den Luftdüsen ausgestrahlte Luft und der in dem zentralen Abschnitt der Flamme strömende Kohlenstaub gemischt werden, weil der Sauerstoffverbrauch in dem Flammenfrontstufenabschnitt, der sich aus der reduzierenden Flamme und der oxidierenden Flamme zusammensetzt, fortgeschritten ist, die reduzierende Flamme mit niedriger Sauerstoffkonzentration in der Radialrichtung in dem Flammenrückstufenabschnitt auf.
Damit die aus den Luftdüsen eingestrahlte Luft getrennt von der zentralen Achse in dem Flammenfrontstufenabschnitt strömt und sich mit dem in der Mitte in dem Flammenrückstufenabschnitt strömenden Kohlenstaub mischt, wird die vorstehend erwähnte Luft in einem Winkel von mehr als 30° und weniger als 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse eingestrahlt.
Da der Hauptteil des Kohlenstaubs in die reduzierende Zone gelangt, wird auch das No_x verringert, das durch die oxidierende Flamme der Flammenfrontstufe entsteht. Außerdem wird die Verteilung der Luft verglichen mit dem Fall, in welchem Luft aus der Luftdüse 11 in einem Winkel von weniger als 30° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse ausgestrahlt wird, gleichförmig, so dass eine Zone mit extrem niedrigem Gasphasenluftverhältnis nicht gebildet wird. Die Verbrennungsreaktion schreitet deshalb fort, und der Verbrennungswir kungsgrad und die Verringerung von unverbranntem Kohlenstoff in der Verbrennungsasche werden verbessert. Da die Verbrennungsreaktion des Kohlenstaubs fortgeschritten ist, bevor die Vermischung mit der Verbrennungsluft der zweiten Stufe erfolgt, wird das No_x gering, das durch das Mischen mit der Verbrennungsluft der zweiten Stufe entsteht.
Ausführungsform 6
12A und 12B zeigen einen Vergleich der Gasverteilung innerhalb des Kohlenstaubofens für einen herkömmlichen Brenner und die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Gasphasenluftverhältnisse sind als Gaskonzentrationsverteilung gezeigt. Wie vorstehend erwähnt, ist das Gasphasenluftverhältnis ein Verhältnis der tatsächlichen Luftmenge und einer Luftmenge, die für eine vollständige Verbrennung der Komponenten erforderlich ist, die als Gas aus dem Kohlenstaub abgegeben werden. Eine Zone mit einem Gasphasenluftverhältnis von 1 oder weniger stellt eine reduzierende Flamme mit niedriger Sauerstoffkonzentration dar, während eine Zone von 1 oder mehr eine oxidierende Flamme darstellt. Das Gasphasenluftverhältnis wird dadurch berechnet, indem man jede Elementmenge aus der Konzentration der Gaskomponenten und aus den Sauerstoffatomzahlen erhält, die für die vollständige Verbrennung eines jeden Elements erforderlich ist, und aus den Sauerstoffatomzahlen, die tatsächlich in den Gaskomponenten enthalten sind.
Die untere Seite von 12A und 12B, die obere Seite und ihr rechtes Ende stellen die zentrale Achse, die Ofenwand bzw. den Ofenauslass dar. Der Kohlenstaubbrenner ist am linken Ende des Ofens in 12A, 12B angebracht, und ein Lufteinstrahleinlass für die zweite Verbrennungsluft ist an der Ofenseitenwand stromab um etwa 6 m von dem Kohlenstaubbrenner vorgesehen.
12A zeigt die Verteilung der Gasphasenluftverhältnisse für den Fall, bei welchem der herkömmliche Kohlenstaubbrenner in 13A verwendet wird, während 12B die Verteilung der Gasphasenluftverhältnisse für den Fall zeigt, bei welchem der Kohlenstaubbrenner der vorliegenden Erfindung verwendet wird, der in 13B gezeigt ist.
Bei dem in 12A und 13A gezeigten herkömmlichen Kohlenstaubbrenner wird der aus der Luftdüse des Brenners ausgestrahlten Luft eine starke Verwirbelung aufgeprägt, und die Luft strömt nahe der Seitenwand getrennt von der zentralen Achse, was durch einen Pfeil in 12A gezeigt ist. Deshalb sind die Gasphasenluftverhältnisse in der Zone vom Brenner aus zu einer Position, die vom Brenner 6 m getrennt ist, in eine oxidierende Flamme von mehr als 1 in der Nähe der Seitenwand und in eine reduzierende Flamme von weniger als 1 in der Nähe der zentralen Achse unterteilt.
Im Gegensatz dazu ist in dem Kohlenstaubbrenner der vorliegenden Ausführungsform, die in 12B und 13B gezeigt ist, der aus der Luftdüse des Brenners ausgestrahlten Luft eine schwache Verwirbelung verglichen mit dem herkömmlichen Brenner aufgeprägt und wird in eine Richtung ausgestrahlt, die von der Kohlenstaubdüse in einem Winkel von mehr als 30° und weniger als 50° zur zentralen Achse der Kohlenstaubdüse auseinandergeht. Deshalb strömt, wie durch einen Pfeil in 12B gezeigt ist, die aus der Luftdüse ausgestrahlte Luft getrennt von der zentralen Achse in der Nähe des Brenners (in der Zone von dem Brenner bis zu einer Position im Abstand von 3 m von dem Brenner) und zu der zentralen Achse auf einer Stromabseite der Zone. Deshalb weitet sich eine reduzierende Flammenzone mit einem Gasphasenverhältnis von 1 oder weniger radial innerhalb des Ofens an einer Flammenstromabseite auf, d.h. in der Zone vor dem Einstrahleinlass für die Verbrennungsluft der zweiten Stufe.
Da der Hauptteil des Kohlenstaubs in die reduzierende Zone gelangt, wird auch das No_x verringert, das durch die oxidierende Flamme der Flammenfrontstufe entsteht. Weiterhin wird die Luftverteilung verglichen mit dem herkömmlichen Brenner von 12A gleichförmig, so dass eine Zone mit extrem niedrigen Gasphasenluftverhältnissen gebildet wird. Deshalb schreitet die Verbrennungsreaktion fort, wird der Verbrennungswirkungsgrad verbessert und werden die unverbrannten Kohlenstoffe in der Verbrennungsasche verringert. Da die Verbrennungsreaktion des Kohlenstaubs fortgeschritten ist, bevor ein Vermischen mit der Verbrennungsluft der zweiten Stufe erfolgt, wird das No_x gering, das durch Mischen mit der Verbrennungsluft der zweiten Stufe entsteht.

Claims

Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub und Luft in einer Verbrennungsflamme unter Verwendung eines Verbrennungsofens (12) mit zwei Verbrennungsstufen, bei welchem – in der ersten Verbrennungsstufe ein Fluidgemisch aus Kohlenstaub und Luft eingestrahlt wird, um eine unvollständige Verbrennung der Kohle zu bewirken, und – in der zweiten Verbrennungsstufe der Rest der Luft (20), der erforderlich ist, um die Verbrennung zu vervollständigen, stromab von der ersten Stufe zugeführt wird, wodurch eine Zone (18) mit vollständiger Verbrennung gebildet wird, – in der ersten Verbrennungsstufe das Fluidgemisch aus Kohlenstaub und Luft in einem geraden Strom (13) eingestrahlt wird, um eine Zündzone (15) zu bilden, auf die eine erste Zone mit einem Gasphasenluftverhältnis von 1 oder weniger an einem radial zentralen Abschnitt der Flamme in einem Flammenfrontstufenabschnitt folgt, und – ein Luftstrom (14) auf zwei gegenüberliegenden Seiten oder konzentrisch bezüglich des Stroms des Fluidgemischs aus Kohlenstaub und Luft – mit einer Geschwindigkeit eingestrahlt wird, die zwei- bis dreimal größer ist als die Geschwindigkeit, mit der das Fluidgemisch aus Kohlenstaub und Luft aus der Kohlenstaubdüse (10) eingestrahlt wird, – wodurch eine zweite Zone (16) mit einem Gasphasenluftverhältnis von größer als 1 außerhalb der ersten Zone in dem Flammenfrontstufenabschnitt gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der Luftstrom (14) – ohne Verwirbelung oder in einem schwachen Wirbelstrom mit einer Verwirbelungszahl von 0,8 oder weniger und – in eine Richtung mit einem Winkel von 30° bis 50° zur zentralen Achse des Stroms des Fluidgemisches aus Kohlenstaub und Luft eingestrahlt wird, und – dass der Kohlenstaub, der in einem zentralen Abschnitt der Flamme von dem Flammenfrontstufenabschnitt zu einem stromabseitigen Flammenrückstufenabschnitt strömt, mit der Luft gemischt wird, die aus der zweiten Zone (16) zu der Mitte der Flamme an dem Flammenrückstufenabschnitt strömt, wodurch eine dritte Zone (17) mit einem Gasphasenluftverhältnis von 1 oder weniger in dem Flammenrückstufenabschnitt gebildet wird, – wobei die dritte Zone (17) in der Radialrichtung in dem Flammenrückstufenabschnitt verbreitert und die Luft in der dritten Zone (17) gleichförmig verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Trennen des Flammenrückstufenabschnitts von dem Brennerauslass eine Entfernung von mehr als der dreifachen Länge des Brennerhalsdurchmessers verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Gasphasenluftverhältnisses in der dritten Zone (17) so variiert wird, dass es 0,2 oder weniger beträgt.