EP0207433A2 - Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff unter Zuführung von Luft mit einem Brenner - Google Patents

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EP0207433A2
EP0207433A2 EP86108638A EP86108638A EP0207433A2 EP 0207433 A2 EP0207433 A2 EP 0207433A2 EP 86108638 A EP86108638 A EP 86108638A EP 86108638 A EP86108638 A EP 86108638A EP 0207433 A2 EP0207433 A2 EP 0207433A2
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combustion
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Karl Heinz Dipl.-Phys. Krieb
Hans-Harald Dr.-Ing. Halling
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/003—Combustion process using sound or vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • the invention relates to a method of the type mentioned in the preamble of claim 1 above.
  • Such a method is known from DE-OS 3110186, in which coal dust is mixed with a predetermined amount of exhaust gas while supplying combustion air and in a reaction zone which is formed in the first combustion stage, air in a predetermined amount of the air required for combustion is fed.
  • the admixture of exhaust gas ensures that the coal dust burns slowly at low temperature with a small amount of 0 2 and the unburned components NH 3 , HCN and CO and hydrocarbons formed during the combustion activate the intermediates which are suitable for the denitration reaction , are formed in large quantities, remain unburned for a longer period of time and are effectively involved in the breakdown of the NO formed.
  • Coal which is present in large quantities as an unburned component in the first low temperature reaction zone, is burned in the second reaction zone.
  • the first reaction zone is a flame zone.
  • the temperature enables the pyrolysis of the coal dust.
  • the initiation of an ignition by a pulse field can also be used advantageously in the combustion of liquid or gaseous fuels.
  • the temperature that enables pyrolysis can be up to 800 ° C and is preferably 600-700 ° C.
  • flue gas recirculation in particular without internal flue gas recirculation, that is, with the essentially laminar carrier air flow and secondary air flow in the first Reaction zone, during power operation of the jet burner in the first reaction zone there is pure pyrolysis of the coal dust emerging from the burner mouth by the radiation incident from the combustion chamber (IR radiation). It is assumed that the concentration of OH radicals required for ignition in the first reaction zone is too low.
  • the oxygen content in the first reaction zone is preferably in the range of 3-6 % , preferably 5%.
  • the flame is irradiated at the end of the first reaction zone with a pulse field of a predetermined width which is essentially transverse to the flame.
  • OH radicals originating from the combustion in the second reaction zone are at least introduced into the outer area of the reaction zone in the ignition region by the pulse field from the combustion chamber and there lead to ignition of the coal dust, ie, the flue gas is mixed into the reaction zone by the pulse field.
  • the combustion in the second zone is preferably carried out with excess air. Due to the temporal and spatial separation of pre-combustion or pyrolysis and combustion with excess air, fuel nitrogen is primarily converted to molecular H 2 or the formation of "prompt NO largely bypassing CN and NH compounds is avoided.
  • the pulse field can be moved along the flame axis.
  • the preceding claim 1 requires that the pulse field is directed essentially across the flame. Consequently the invention includes both the displacement of a pulse field extending perpendicular to the flame axis along the flame axis and a pivoting of the pulse field with respect to the flame axis, insofar as an essential field component is oriented perpendicular to the flame axis.
  • the width of the pulse field is sufficient in the direction of the flame axis to ensure reliable ignition under different load conditions.
  • An ultrasound field is preferably used as the pulse field.
  • a gas jet of higher speed e.g. an air jet, flue gas jet or another flame that burns essentially perpendicular to the flame.
  • the invention is also directed to a furnace for carrying out the method with at least one jet burner and one furnace.
  • at least one ultrasound transmitter is assigned to the jet burner, the ultrasound field of which is essentially perpendicular to the flame axis of the burner
  • at least one gas jet source is assigned to the jet burner, the gas jet of which is essentially perpendicular to the flame of the burner .
  • a coal dust jet burner 1 is arranged in the wall of a combustion chamber 2 and, as shown at 3, with a flow of coal dust and carrier air acted upon.
  • a flame F is formed with two zones Z1 and Z2 lying one behind the other in the beam direction.
  • Secondary air 4 is supplied to the combustion chamber essentially parallel to the coal dust flow and at essentially the same speed.
  • tertiary air 5 is introduced into the combustion chamber, which is aligned with the second zone Z2.
  • a temperature of 600-700 ° C. prevails in the first zone Z1 such that pyrolysis takes place in the flame zone Z1 under the influence of the schematically represented radiation IR from the combustion chamber.
  • an ultrasonic transmitter 6 is arranged in the combustion chamber wall in such a way that its ultrasonic field is oriented essentially perpendicular to the axis of the flame.
  • the ultrasound field causes the coal dust to ignite at the end of the first zone Z1 and the coal dust burns in the zone Z2 when there is an excess of air, which is set by the quantity of secondary air 4 supplied and, if appropriate, the quantity of tertiary air 5.
  • the ultrasonic transmitter 6 is either moved in the direction of the arrow shown at 7 or pivoted at 8 shown.
  • a plurality of ultrasound transmitters can be assigned to a burner 1. Due to the spatial and temporal separation of pyrolysis and combustion, the combustion being triggered by the ultrasound field, minimal NO formation is achieved.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in Form von Kohlenstaub, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff unter Zuführung von Luft mit einem Kohlenstaubbrenner, bei dem dieser mit einer unterstöchiometrischen Menge von Luft durch einen Strahlbrenner in einen Feuerraum eingeblasen wird, dort in einer ersten Reaktionszone größtenteils als unverbrannte Komponente vorliegt und in einer in Austrittsrichtung des Brennstoffs gesehen nachfolgenden zweiten Reaktionszone verbrannt word, wobei zusätzliche Luft um den aus dem Brenner austretenden Brennstoff-Luft-Strom in den Feuerraum eingeführt wird, ist zur Verringerung der NOx-Emission vorgesehen. daß die erste Reaktionszone frei von Rauchgasrückführung gehalten wird und die Zone des Kohlenstaubes gegen Ende der ersten Reaktionszone durch Beaufschlagung des von dem Brenner erzeugten Strahls mit mindestens einem im wesentlichen quer zum Strahl gerichteten Impulsfeld vorgegebener Feldbreite erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des vorstehenden Anspruchs 1 genannten Art.
  • Aus der DE-OS 3110186 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem Kohlenstaub unter Zuführung von Verbrennungsluft mit einer vorgegebenen Menge an Abgas vermischt wird und in einer Reaktionszone, die in der ersten Verbrennungsstufe gebildet wird, Luft in einer vorgegebenen Menge der zur Verbrennung notwendigen Luft zugeführt wird.
  • Durch die Zumischung von Abgas wird erreicht, daß der Kohlenstaub langsam bei niedriger Temperatur mit geringem Anteil an 02 verbrennt und die bei der Verbrennung entstehenden unverbrannten Komponenten NH3, HCN und CO und Kohlenwasserstoffe, die Zwischenprodukte aktivieren, die zur Denitrations-Reaktion geeignet sind, in großen Mengen gebildet werden, über einen längeren Zeitraum unverbrannt vorhanden sind und an dem Abbau des gebildeten NO wirksam beteiligt sind. Dabei wird Kohle, die in großer Menge als unverbrannte Komponente in der ersten Reaktionszone niedriger Temperatur vorliegt, in der zweiten Reaktionszone verbrannt.
  • Bei dem bekannten Verfahren kommt es noch zur einer erheblichen Bildung von Stickoxiden in der ersten Reaktionszone, da der Kohlenstaub bereits in der ersten Zone gezündet sein muß, d.h., die erste Reaktionszone ist eine Flammenzone.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einem Strahlbrenner anzugeben, bei dem zumindest während des Leistungsbetriebs des Brenners Vorverbrennung und Endverbrennung des Brennstoffs im wesentlichen zeitlich und räumlich voneinander getrennt erfolgen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.
  • Vorzugsweise herrscht in an sich bekannter Weise (DE-OS 31 10 186) bei der Verbrennung von Kohlenstaub in der ersten Reaktionszone eine die Pyrolyse des Kohlenstaubs ermöglichende Temperatur.
  • Die Einleitung einer Zündung durch ein Impulsfeld kann mit Vorteil auch bei der Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe eingesetzt werden.
  • Bei Kohlenstaub als Brennstoff kann die eine Pyrolyse ermöglichende Temperatur bis zu 800° C betragen und liegt vorzugsweise bei 600- 700° C. Ohne Rauchgasrückführung, insbesondere ohne innere Rauchgasrückführung, d.h., beim im wesentlichen laminarer Trägerluft-Strömung und Sekundärluft-Strömung in der ersten Reaktionszone, erfolgt bei Leistungsbetrieb des Strahlbrenners in der ersten Reaktionszone eine reine Pyrolyse des aus dem Brennermund austretenden Kohlenstaubs durch die aus dem Feuerraum einfallende Strahlung (IR-Strahlung). Es wird dabei davon ausgegangen, daß die für eine Zündung erforderliche Konzentration an OH-Radikalen in der ersten Reaktionszone zu gering ist. Der Sauerstoffgehalt in der ersten Reaktionszone liegt vorzugsweise im Bereich von 3 - 6%, vorzugsweise 5%.
  • Um am Ende der ersten Reaktionszone, d.h. im Falle von Kohlenstaub nach Beendigung der Pyrolyse, die Endverbrennung des Brennstoffs zu erzielen, wird die Flamme am Ende der ersten Reaktionszone mit einem im wesentlichen quer zur Flamme gerichteten Impulsfeld vorgegebener Breite bestrahlt.
  • Es wird dabei davon ausgegangen, daß durch das Impulsfeld aus dem Feuerraum von der Verbrennung in der zweiten Reaktionszone (eigentliche Flammenzone) herrührende OH-Radikale im Zündbereich zumindest in den äußeren Mantel der Reaktionszone eingetragen werden und dort zu einer Zündung des Kohlenstaubs führen, d.h., das Rauchgas wird durch das Impulsfeld in die Reaktionszone eingemischt. Die Verbrennung in der zweiten Zone erfolgt vorzugsweise unter Luftüberschuß. Durch die zeitliche und räumliche Trennung von Vorverbrennung bzw. Pyrolyse und Verbrennung mit Luftüberschuß wird erreicht, daß Brennstoff-Stickstoff in erster Linie zu molekularem H2 umgewandelt wird bzw. die Bildung von "promptem NO auf dem Umweg über CN- und NH-Verbindungen weitgehend vermieden wird.
  • Da sich unter Umständen bei Laständerung die Flammenlänge verändert, ist es von Vorteil, wenn das Impulsfeld längs der Flammenachse verschiebbar ist. Der vorstehende Anspruch 1 fordert, daß das Impulsfeld im wesentlichen quer zur Flamme gerichtet sei. Somit fällt unter die Erfindung sowohl die Verschiebung eines senkrecht zur Flammenachse sich erstreckenden Impulsfeldes längs der Flammenachse als auch eine Verschwenkung des Impulsfeldes bezüglich der Flammenachse, soweit eine wesentliche Feldkomponente senkrecht zur Flammenachse ausgerichtet ist. Es kann jedoch auch möglich sein, daß in Richtung der Flammenachse gesehen die Breite des Impulsfeldes ausreicht, eine sichere Zündung bei verschiedenen Lastverhältnissen zu gewährleisten.
  • Als Impulsfeld wird vorzugsweise ein Ultraschallfeld verwendet. Es ist aber auch möglich, das Impulsfeld von einem Gasstrahl höherer Geschwindigkeit aufzubauen, z.B. einem Luftstrahl, Rauchgasstrahl oder einer weiteren im wesentlichen senkrecht zur Flamme brennenden anderen Flamme gebildet werden.
  • Die Erfindung ist auch auf eine Feuerung zur Durchführung des Verfahrens mit mindestens einem Strahlbrenner und einem Feuerraum gerichtet. Erfindungsgemäß ist dabei zum einen vorgesehen, daß dem Strahlbrenner mindestens ein Ultraschallgeber zugeordnet ist, dessen Ultraschallfeld im wesentlichen senkrecht zur Flammenachse des Brenners steht, und zum anderen, daß dem Strahlbrenner mindestens eine Gasstrahlquelle zugeordnet ist, dessen Gasstrahl im wesentlichen senkrecht zur Flamme des Brenners steht.
  • Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Skizze im Zusammenhang mit der Verbrennung von Kohlenstaub und einem Ultraschallfeld näher erläutert werden.
  • Ein Kohlenstaubstrahlbrenner 1 ist in der Wandung eines Feueraums 2 angeordnet und wird wie bei 3 gezeigt, mit einem Strom aus Kohlenstaub und Trägerluft beaufschlagt. In dem von der Wandung 2 begrenzten Feuerraum 3 bildet sich eine Flamme F mit zwei in Strahlrichtung hintereinander liegenden Zonen Zl und Z2 aus. Dem Feuerraum wird Sekundärluft 4 im wesentlichen parallel zum Kohlestaubstrom und mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit zugeführt. Weiterhin wird in den Feuerraum Tertiärluft 5 eingeleitet, die auf die zweite Zone Z2 ausgerichtet ist. In der ersten Zone Zl herrscht eine Temperatur von 600 - 700° C derart, daß in der Flammenzone Z1 unter dem Einfluß der schematisch dargestellten Strahlung IR des Feuerraums eine Pyrolyse erfolgt.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform ist in der Feuerraumwandung ein Ultraschallgeber 6 derart angeordnet, daß sein Ultraschallfeld im wesentlichen senkrecht zur Achse der Flamme ausgerichtet ist. Das Ultraschallfeld bewirkt eine Zündung des Kohlenstaubs am Ende der ersten Zone Zl und der Kohlenstaub verbrennt in der Zone Z2 bei Luftüberschuß, der durch die zugeführte Sekundärluftmenge 4 und ggf. Tertiärluftmenge 5 eingestellt wird.
  • Falls die Feuerung auch unter unterschiedlichen Lastverhältnissen betrieben wird, ist vorgesehen, daß der Ultraschallgeber 6 entweder in Richtung des bei 7 dargestellten Pfeiles verschoben oder bei 8 dargestellten Pfeiles verschwenkt wird. Einem Brenner 1 kann eine Vielzahl von Ultraschallgebern zugeordnet sein. Durch die räumliche und zeitliche Trennung von Pyrolyse und Verbrennung, wobei die Verbrennung durch das Ultraschallfeld ausgelöst wird, wird eine minimale NO-Bildung erzielt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in Form von Kohlenstaub, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, bei dem dieser mit einer unterstöchiometrischen Menge von Luft durch einen Strahlbrenner in einen Feuerraum eingeblasen wird, dort in einer ersten Reaktionszone größtenteils als unverbrannte Komponente vorliegt und in einer in Austrittsrichtung des Brennstoffs gesehen nachfolgenden zweiten Reaktionszone verbrannt wird, wobei zusätzliche Luft um den aus dem Brenner austretenden Brennstoff-Luft-Strom in den Feuerraum eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Reaktionszone frei von Rauchgasrückführung gehalten wird und die Zone des Kohlenstaubes gegen Ende der ersten Reaktionszone durch Beaufschlagung des von dem Brenner erzeugten Strahls mit mindestens einem im wesentlichen quer zum Strahl gerichteten Impulsfeld vorgegebener Feldbreite erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Verbrennung von Kohlenstaub in an sich bekannter Weise in der ersten Reaktionszone eine die Pyrolyse des Kohlenstaubs ermöglichende Temperatur herrscht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Impulsfeld ein Ultraschallfeld ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Impulsfeld von einem Gasstrahl höherer Geschwindigkeit aufgebaut wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoffgehalt in der ersten Reaktionszone im Bereich von 3 - 6%, vorzugsweise von 5% liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennung in der zweiten Reaktionszone mit Luftüberschuß erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Impulsfeld längs der Flammenachse verschiebbar ist.
8. Feuerung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 3, 5 - 7 mit mindestens einem Strahlbrenner und einen Feuerraum, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Strahlbrenner (1) mindestens ein Ultraschallgeber (6) zugeordnet ist, dessen Ultraschallfeld im wesentlichen senkrecht zur Flammenachse des Brenners steht.
9. Feuerung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 - 7 mit mindestens einem Strahlbrenner mit einem Feuerraum, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Strahlbrenner mindestens eine Gasstrahlquelle zugeordnet ist, dessen Gasstrahl im wesentlichen senkrecht zur Flamme des Brenners steht.
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