EP0289851A2 - Verfahren und Brenner zur Verfeuerung von Brennstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen Brenner, wobei ein Teil des Brennstoffes durch einen äußeren Ringkanal (1) zugeführt und am Austrittsende auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird, während ein weiterer Teil des Brennstoffes durch einen zweiten, inneren Ringkanal (2) zugeführt und am Austrittsende auf eine niedrige Geschwindigkeit verzögert wird. Auf diese Weise erfolgt eine Stabilisierung und Regelung der Hauptflamme durch eine permanente Pilotflamme.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren (entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1) sowie einen Bren­ner (gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 6) zur Verfeuerung von festem, flüssigem oder gasför­migem Brennstoff, insbesondere für Drehrohröfen.
• Verfahren und Brenner dieser Art sind beispielswei­se durch die DE-A- 29 05 746 und 30 27 587 bekannt.
• Da in Drehrohröfen der Hauptanteil der Wärmeenergie durch Strahlung auf das zu behandelnde Gut übertra­gen werden muß, werden an das durch den Brenner in Richtung der Ofenlängsachse erzeugte Temperaturpro­fil strenge Anforderungen gestellt. Erschwerend ist hierbei der Umstand, daß aus wärmewirtschaftlichen Gründen ein möglichst hoher Anteil der Verbrennungs­luft dem Ofensystem in Form von vorgewärmter Sekun­därluft aus der Kühlung des erbrannten Gutes zuge­führt werden soll. Diese Sekundärluft kann im all­gemeinen nicht über den Brenner geführt werden.
• Die bisher bekannten Brenner für Drehrohröfen sind daher so konstruiert, daß unter Zuhilfenahme eines möglichst geringen Primärluftanteiles, der übli­cherweise aus der Umgebungsluft entnommen wird, der Brennstoff mit der Sekundärluft vermischt wird. Zur Flammenstabilisierung wird üblicherweise mit Hilfe von Drall- oder Versperrungskörpern eine in­ nere Rückströmung erzeugt.
• Bei diesen bekannten Ausführungen werden den aus Brennstoff und Luft bestehenden Freistrahlen ro­tierende oder divergierende Bewegungen bestimmter Stärke aufgezwungen, die die Vermischung mit der Sekundärluft bestimmen. Auf diese Weise erzeugte Flammen sind durchweg mit dem Nachteil behaftet, daß je nach der Intensität der Rotation bzw. Di­vergenz ein mehr oder weniger großer Anteil des Brennstoffes aus der eigentlichen Flamme heraus­geschleudert wird und im Sekundärluftstrom ver­brennt, was eine Absenkung der Flammenenergie­dichte bzw. einer Erhöhung des spezifischen Flam­menvolumens zur Folge hat.
• Der Erzeugung kurzer Flammen sind bei den bisher bekannten Ausführungen enge Grenzen gezogen, da die hierzu erforderliche Intensivierung von Rota­tion bzw. Divergenz zwangsweise eine Erhöhung der inneren Rückströmung nach sich zieht. Diese inne­re Rückströmung nimmt einen bestimmten Raum ein, ohne jedoch die Anzahl der ablaufenden Verbren­nungsreaktionen pro Volumeneinheit zu vergrößern. In Verbindung mit der Erhöhung des aus der Flamme herausgeschleuderten Brennstoffanteils führt dies sehr rasch zu einer unerwünschten Zunahme des Flam­mendurchmessers, was die Gefahr mit sich bringt, daß die Flamme die feuerfeste Auskleidung des Brenn­raumes und das Brenngut berührt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenner zur Verfeuerung von festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, insbesondere für Drehrohröfen, so auszubilden, daß ein Herausschleudern von Brennstoffteilchen in die Sekundärluft vermieden, eine rasche und gleichmäßi­ge Vermischung des Brennstoff-Primärluft-Freistrah­les mit der Sekundärluft erzielt und damit ein frü­her Beginn und schneller Ablauf der Verbrennung und auf diese Weise eine kurze Flamme erzielt wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­zeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge­genstand der Unteransprüche.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Teil des Brennstoffes zusammen mit Primärluft durch den zweiten Ringkanal unter Verzögerung auf eine Ge­schwindigkeit von 5 bis 20 m/s,vorzugsweise 7 bis 10 m/s, so zugeführt, daß die Zündung dieses Brenn­stoff-Teilstromes noch vor seinem Austritt aus dem Brenner erfolgt. Auf diese Weise wird die Wurzel der Hauptflamme durch eine permanente Pilotflamme gebildet, die durch diesen Brennstoff-Teilstrom erzeugt wird. Die der permanenten Pilotflamme zu­geführten Brennstoff- und Luftmengen sind dabei unabhängig von den für die Erzeugung der Haupt­flamme zugeführten Brennstoff- und Luftmengen re­gelbar.
• Der Brennstoff für die Hauptflamme wird nun erfin­ dungsgemäß über den ersten, äußeren Ringkanal zu­geführt und umgibt damit die permanente Pilotflam­me. Die Einführung dieses Teiles des Brennstoffes und der zugehörigen Primärluft in den Brennraum erfolgt mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von 70 bis 120 m/s, vorzugsweise 80 bis 100 m/s, was möglich ist, da ein Abheben der Flamme durch die bei der Verbrennung des Brennstoff-Teilstromes in der Flammenwurzel, d. h. in der permanenten Pilot­flamme, freiwerdende Energie verhindert wird. Dem Bernoulli'schen Strömungsgesetz folgend sinkt der statische Druck im Brennstoff-Ringstrahl proportio­nal dem Quadrat der Geschwindigkeitszunahme. Wird die Geschwindigkeit des durch den ersten, äußeren Ringkanal in den Brennraum eingeführten Brennstoff-­Luft-Strahles genügend hoch gewählt, so wird die­ser statische Druck negativ, und der Strahl be­ginnt, Sekundärluft aus der Umgebung anzusaugen.
• Die Geometrie des Ringspaltes am Austrittsende des ersten, äußeren Ringkanales wird so gewählt, daß der austretende Ring-Freistrahl eine Wanddicke von etwa 5 bis 20 mm erhält, was von den Brennerabmes­sungen und den erreichbaren Fertigungstoleranzen abhängt. Die große Außenoberfläche und die gerin­ge Dicke des Ringstrahles erleichtern und begün­stigen das Eindringen und Einmischen der Sekun­därluft, wodurch die Verbrennungsreaktionen sehr früh beginnen und sehr schnell ablaufen.
• Die Sekundärluft-Einmischrate und der Ablauf der Verbrennungsreaktionen sind über den durch die permanente Pilotflamme erzeugten Gegendruck im Innern der Hauptflamme und durch die von der Pi­lotflamme eingebrachte Wärmemenge steuerbar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch zur ge­meinsamen Verfeuerung verschiedenartiger Brenn­stoffe, beispielsweise Kohlenstaub- und Pyroly­segas, sehr geeignet. Die Hauptflamme und die permanente Pilotflamme können dabei jeweils von einer der Brennstoffkomponenten erzeugt werden.
• Durch Aufteilung der verschiedenen Brennstoff- und Luftströme ist das Verfahren ferner besonders gut für die Zuführung von rezirkulierten Abgasen zur Verminderung der NO_x-Bildung geeignet.
• Durch den zur Erzeugung der Hauptflamme dienen­den ersten, äußeren Ringkanal kann 50 bis 95 %, vorzugsweise 70 bis 85 % des gesamten Brennstof­fes zugeführt werden, während durch den zur Er­zeugung der permanenten Pilotflamme dienenden zweiten Ringkanal 5 bis 50 %, vorzugsweise 15 bis 30 % des gesamten Brennstoffes zugeführt werden.
• Die über den Brenner zugeführte Primärluft be­trägt zweckmäßig 5 bis 30 %, vorzugsweise 5 bis 12 % der gesamten Verbrennungsluft. Im übrigen wird die Verbrennungsluft (Sekundärluft) nicht über den Brenner geführt.
• Die an die einzelnen Kanäle des Brenners ange­schlossenen Leitungen zur Zuführung von Brenn­stoff und/oder Primärluft sind zweckmäßig mit Stellorganen versehen, die zur Beeinflussung der zugeführten Brennstoff- und/oder Luftmengen die­nen.
• Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners ist in der Zeichnung in einem Teilschnitt schematisch veranschaulicht.
• Der dargestellte Brenner enthält einen ersten, äußeren Ringkanal 1, der an seinem Austrittsen­de mit einer Querschnittsverengung in Form einer Ringdüse 1a versehen ist.
• Innerhalb des ersten Ringkanales 1 ist ein zwei­ter Ringkanal 2 angeordnet, der am Austrittsende mit einem sich unter einem Winkel von ca. 7° er­weiternden Diffusor 2a versehen ist, an den sich ein präzis gefertigtes zylindrisches Endstück 2b anschließt.
• Innerhalb des zweiten Ringkanales 2 ist ein drit­ter Ringkanal 3 angeordnet, der am Austrittsende mit einem Drallkörper 3a versehen ist.
• Der dritte Ringkanal 3 umschließt einen Zentralka­nal 4. Die Kanäle 1, 2, 3 und 4 sind koaxial zur Brennerachse 5 angeordnet.
• Durch den ersten Ringkanal 1 wird der zur Erzeu­ gung der Hauptflamme dienende Teil des Brennstof­fes zusammen mit Primärluft zugeführt und mittels der Ringdüse 1a auf eine hohe Geschwindigkeit von 70 bis 120 m/s beschleunigt.
• Durch den zweiten Ringkanal 2 wird der zur Erzeu­gung der permanenten Pilotflamme dienende Teil des Brennstoffes zusammen mit Primärluft zuge­führt und mittels des Diffusors 2a auf eine niedrige Geschwindigkeit von 5 bis 20 m/s ver­zögert. Die Verbrennung setzt daher noch im Diffu­sor 2a bzw. im Endstück 2b ein. Die Wurzel der Hauptflamme wird auf diese Weise durch die per­manente Pilotflamme gebildet.
• Durch den dritten Ringkanal 3 wird Primärluft zu­geführt, die beim Austritt aus diesem Ringkanal durch den Drallkörper 3a verdrallt wird.
• Über den Zentralkanal 4 wird beim Anfahren Anfahr­brennstoff zugeführt und mittels der über den dritten Ringkanal zugeführten Primärluft verbrannt.
• Die an die Kanäle 1 bis 4 angeschlossenen Leitun­gen zur Zuführung von Brennstoff und/oder Luft sowie die in diesen Leitungen angeordneten Stell­organe zur Beeinflussung der Brennstoff- bzw. Luftmenge sind in der Zeichnung nicht veranschau­licht. Es versteht sich, daß beispielsweise auch Einrichtungen zur Teilung eines Brennstoffstromes (z. B. Aufteilung auf die Kanäle 1 und 2) vorgese­ hen werden können.
• Erfindungsgemäß wird der Brennstoff über die Ring­kanäle 1 und 2 so in den Brennraum eingeführt, daß ein ganz oder nahezu drallfreier Freistrahl aus Brennstoff und Primärluft erzeugt wird. Die Sta­bilisierung der durch den äußeren Ringkanal 1 er­zeugten Flamme erfolgt durch Zufuhr von Wärme­energie in die Flammenwurzel, nämlich durch Er­zeugung einer unmittelbar am Brennerende anset­zenden permanenten Pilotflamme.
• Der Ablauf der Verbrennungsreaktionen und damit das Temperaturprofil wird durch Veränderung der inneren Wärmezufuhr und des statischen Druckes im Freistrahl gesteuert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verfeuerung von festem, flüssi­gem oder gasförmigem Brennstoff, insbesondere für Drehrohröfen, unter Verwendung eines Bren­ners, der mehrere koaxial zueinander angeord­nete Kanäle zur Zuführung von Brennstoff und Primärluft enthält,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Teil des Brennstoffes wird zusammen mit Primärluft durch einen ersten, äuße­ren Ringkanal (1) zugeführt und am Austritts­ende dieses Kanales auf eine Geschwindigkeit von 70 bis 120 m/s, vorzugsweise 80 bis 100m/s beschleunigt;

b) ein weiterer Teil des Brennstoffes wird zu­sammen mit Primärluft durch einen innerhalb des ersten Ringkanales (1) liegenden zwei­ten Ringkanal (2) zugeführt und am Austritts­ende dieses Kanales unter Erzeugung einer permanenten Pilotflamme auf eine Geschwin­digkeit von 5 bis 20 m/s, vorzugsweise 7 bis 10 m/s, verzögert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß

a) durch den ersten Ringkanal (1) 50 bis 95 %, vorzugsweise 70 bis 85 %,

b) und durch den zweiten Ringkanal (2) 5 bis 50 %, vorzugsweise 15 bis 30 % des gesam­ten Brennstoffes zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß weitere Primärluft durch einen inner­halb des zweiten Ringkanales (2) liegenden dritten Ringkanal (3) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß zum Anfahren Brennstoff durch einen Zentralkanal (4) zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeich­net, daß die über den Brenner zugeführte Pri­märluft 5 bis 30 %, vorzugsweise 5 bis 12 %, der gesamten Verbrennungsluft beträgt.

6. Brenner zur Verfeuerung von festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, insbesondere für Drehrohröfen, enthaltend mehrere koaxial zu­einander angeordnete Kanäle zur Zuführung von Brennstoff und Primärluft,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein erster, äußerer Ringkanal (1) ist am Austrittsende mit einer Querschnittsver­engung in Form einer Ringdüse (1a) verse­hen;

b) ein innerhalb des ersten Ringkanales (1) liegender zweiter Ringkanal (2) ist am Austrittsende mit einem sich erweitern­den Diffusor (2a) versehen.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­net, daß

c) innerhalb des zweiten Ringkanales (2) ein dritter Ringkanal (3) angeordnet ist, der am Austrittsende mit einem Drallkörper (3a) versehen ist,

d) und innerhalb des dritten Ringkanales (3) ein Zentralkanal (4)angeordnet ist.

8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß an die einzelnen Kanäle (1, 2, 3, 4) Leitungen zur Zuführung von Brennstoff und/­oder Primärluft angeschlossen sind, in denen Stellorgane zur Beeinflussung der zugeführ­ten Brennstoff und/oder Luftmenge vorgesehen sind.

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