EP0706007A2

EP0706007A2 - Verfahren und Brenner zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff

Info

Publication number: EP0706007A2
Application number: EP95115733A
Authority: EP
Inventors: Hans-Ulrich Dr.-Ing. Thierbach; Matthias Dr.-Ing. Jochem; Wolfgang Dipl.-Ing. Schreier
Original assignee: L&C Steinmueller GmbH
Current assignee: BBP Energy GmbH
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 1996-04-10
Anticipated expiration: 2015-10-06
Also published as: EP0706007A3; EP0706007B1; ES2156595T3; DE4435640C2; DE4435640A1; DE59509155D1; ATE200347T1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff, insbesondere Kohle, mittels eines Brenners mit einem ein Gemisch aus Luft und Brennstoff (Primärluft) führenden Primärluftrohr (6) und einem Mantelluft führenden und das Primärluftrohr umgebenden Mantelluftrohr (18), bei dem die Primärluft und verdrallte Mantelluft in eine Brennermuffel (27) unter Bildung einer Primärverbrennungszone mit internem Rezirkulationsgebiet austreten, bei dem beim Austritt der Primärluft die Kohlenstaubkonzentration im Randbereich des Primärluftrohrs unter Erzeugung von Wirbeln aufgerissen wird und bei dem verdrallte Stufenluft der Primärflamme zugeführt wird ist zur weiteren Verbesserung der Verminderung der Bildung von Stickoxiden vorgesehen, daß vor dem Aufreißen der Kohlenstaubkonzentration im Randbereich die Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft verändert wird. Weiterhin ist die Erfindung auf Brenner gerichtet, die eine solche Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine gleichmäßige Beaufschlagung des Primärluftrohrs mit Primärluft ermöglichen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.
Bei der Verbrennung von Brennstoff, insbesondere staubförmiger Kohle, entstehen Stickoxide in erster Linie durch Oxidation des in der Kohle enthaltenden Brennstoffstickstoffs. Es kommt zunächst zur Bildung von Wasserstoffcyanid (HCN) oder Ammoniak (NH₃). Diese werden dann zu Stickoxiden oxidiert. Es wird daher eine mindestens zweistufige Verbrennung angestrebt, bei der zunächst eine Verbrennung unter unterstöchiometrische Bedingungen (Primärverbrennungszone) mit Primär- und Mantelluft durchgeführt wird, so daß verbleibende verbrennliche Komponenten in einer nachfolgenden sekundären Verbrennungszone verbrannt werden. Bei dieser gestuften Verbrennung muß bei kleiner Luftzahl in der Primärverbrennungszone die Zündstabilität gewährleistet bleiben, d. h. es muß für eine besonders gute Einmischung der als erstes zu zündenden Brennstoffanteile gesorgt werden.
Da in der Primärverbrennungszone unterstöchiometrisch verbrannt wird, muß ein relativ hoher Tertiär- bzw. Stufenluftanteil möglichst spät, jedoch besonders gut eingemischt werden. Gleichzeitig sollte die Möglichkeit, Rauchgas aus dem die Flamme umgebenden Feuerraum in die Flamme einzusaugen, gewährleistet sein.
Hieraus ergibt sich, daß für den Betrieb eines solchen Brenners eine möglichst hohe Zahl von Freiheitsgraden für eine Brenneroptimierung zur Verminderung der Bildung von Stickoxiden zur Verfügung stehen sollte. Bei der aus der DE 42 17 879 A1 bekannten Verfahrensführung wird zu diesem Zwecke die Tertiärluft in einem die verdrallte Mantelluft umgebenden Ringstrahl zugeführt, der aus dem Ringraum eines das Mantelluftrohr umgebenden Tertiärluftrohrs austritt. Mantelluftrohr und Tertiärluftrohr sind jeweils mit einem spiralförmigen Einlaufgehäuse und mit separaten Lufteintrittsleitungen verbunden. Darüber hinaus ist innerhalb des Primärluftrohres ein auf dem Kernluftrohr befestigter Dralleinsatz vorgesehen, der eine eine gleichmäßige Durchströmung des Primärluftrohres ergebende Rotationsströmung erzeugt. Gleichzeitig wird der Kohlenstaub innerhalb des Gemischstromes am äußeren Umfang des Primärluftrohres angereichert; bei Austritt aus dem Primärluftrohr wird durch einen dort angeordneten Ring die Kohlenstaubkonzentration im Randbereich aufgerissen, wodurch Rezirkulationswirbel erzeugt werden. Diese Rezirkulationswirbel sorgen für eine beschleunigte Aufheizung des Kohlenstaubes und eine ausreichende Durchmischung des Kohlenstaubes mit einem Teil der Mantelluft. Die Kohlenstaubkonzentration an einer definierten Stelle in der Brennermuffel bewirkt das Auftreten eines partiell sehr starken Luftmangels der örtlich und zeitlich mit der Ausgangsphase des Kohlenstaubs einhergeht. Dem Primärluftrohr ist ein rechtwinkliger Einlaufkrümmer vorgeschaltet.
Nachteilig ist, daß für die Veränderung der Kohlenstaubverteilung im Primärluftrohr ein im Primärluftstrom angeordneter Dralleinsatzes erforderlich ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem die Brenneroptimierung hinsichtlich der Verminderung der Bildung von Stickoxiden weiter verbessert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß vor dem Aufreißen der Kohlenstaubkonzentration im Randbereich die Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft verändert wird.
Die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit kann durch Einziehung des Querschnitts erfolgen, wodurch der Kohlenstaub aufkonzentriert, beschleunigt und in Richtung des sich in der Primärverbrennungszone ausbildenden inneren Rezirkulationsgebiet abgelenkt wird. Durch Aufreißen der Kohlenstaubkonzentration im Randbereich wird Feinstaub aus der aufkonzentrierten Staubströmung nach außen transportiert und in den Mantelluftstrom eingemischt.
Andererseits kann der Strömungsquerschnitt erweitert werden, wodurch die Gasströmung verlangsamt wird. Gleichzeitig tritt die Separierung von Feinstaub ein, da dieser der Erweiterung am schnellsten folgt. Durch das Aufreißen der Kohlenstaubkonzentration im Randbereich, bei der es sich in erster Linie um Feinkohlenstaub handelt, erfolgt eine Verwirbelung, Transport des Feinstaubs nach außen und schnelle Einmischung des Feinstaubs in die Mantelluft. Die Verfahrensführung mit erweitertem Strömungsquerschnitt wird bevorzugt.
Die Stufenluft kann in einem Ringstrahl oder in Einzelstrahlen zugeführt werden. Durch die Auftrennung der Stufenluft in Einzelstrahlen ist kann eine größere Eindringtiefe erreicht werden und zwischen die Einzelstrahlen kann Rauchgas aus dem Feuerraum in die Flamme eintreten.
Der Austrittsbereich des Mantelluftrohrs wird vorzugsweise gekühlt, um Anbackungen von Schlacke zu vermeiden.
Die Erfindung richtet sich auch auf einen Brenner der im Anspruch 6 genannten Art, sowie auf von diesem abhängige Unteransprüche 7 bis 13.
Weiterhin richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Brenner gemäß Oberbegriff des Anspruches 14, dessen Hauptziel eine einfache gleichmäßige Beaufschlagung des Primärluftrohrs mit dem Brennstoff-Luftgemisch ist, um auch hierdurch die Bildung von Stickoxiden zu verringern, indem der Kohlenstaub gleichmäßig in die Flamme eingetragen wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 14 gelöst. Diese Merkmale können mit besonderem Vorteil bei einem Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 6-13 eingesetzt werden, da dem Flammenhalter Primärluft mit besonders gleichmäßig verteiltem Kohlenstaub zugeführt werden kann. Die Unteransprüche 15-16 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Brenners nach Anspruch 14.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
Es zeigt:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners, wobei am Kohlenstaubaustritt eine Einziehung vorgesehen ist,
Fig. 2: einen Teilschnitt durch den Brennerkopf gemäß Fig. 1 zur Darstellung der sich ausbildenden Kohlenstaubsträhne und der Gasströmung, wobei die Anströmung von unten erfolgt,
Fig. 3: eine Darstellung vergleichbar Fig. 2, wobei die Anströmung von oben erfolgt,
Fig. 4: eine perspektivische Teildarstellung des Brennerkopfes zur Erläuterung der Anordnung eines am Eintrittsende des Primärluftrohrs angeordneten Strähnenbrechers in "gläserner Darstellung",
Fig. 5: eine vergrößerte Teildarstellung des Flammenhalters gemäß Fig. 1,
Fig. 6: eine Teilaufsicht von rechts auf den Brenner gemäß Fig. 1
Fig. 7: eine weitere Ausführungsform des Flammenhalters,
Fig. 8: eine Abwicklung längs der Linie VIII-VIII in Fig. 1 zur Darstellung der Lage der Stufenluftdüsen und ihres Aufbaus in Form zweier Teilkanäle,
Fig. 9: eine Teildarstellung vergleichbar Fig. 6 und zur Erläuterung der Einstellagen der Einzeldüsen,
Fig.10: einen Längsschnitt durch das Austrittsende einer in einem Führungsrohr drehbar gelagerten Stufenluftdüse,
Fig.11: eine Aufsicht auf das Düsenende gemäß Fig. 10 in Blickrichtung der Pfeile XI-IX in der Fig. 10,
Fig.12: eine Aufsicht auf das Austrittsende der Düse gemäß Fig. 10,
Fig.13: ein Schaltbild zur Darstellung der Primärluftströmung, Mantelluftströmung (Sekundärluftströmung) und Stufenluftströmung (Tertiärluftströmung) und
Fig.14: zwei weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenners, bei denen die Stufenluft als Ringstrahl zugeführt wird und der Austrittsbereich des Stufenluftrohrs gekühlt wird.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners. In der Brennerlängsachse ist eine Ölzündlanze 1 vorgesehen, die innerhalb eines Kernluftrohres 2 angeordnet ist. In der Figur ist schematisch der Flammenkegel 3 der Ölzündflamme angedeutet. Das Kernluftrohr ist an seinem hinteren Ende durch eine Platte 2a verschlossen, die von der Öllanze durchsetzt ist, und weist in der Nähe seines hinteren Endes eine seitliche Öffnung 2b auf. Weiterhin ist das Kernluftrohr axial verschieblich -wie durch den Pfeil P angedeutet- in einem Führungsrohr 4 gelagert. Rechtwinklig zum Führungsrohr 4 ist mit diesem ein Kernluftzuführungsrohr 5 verbunden. Der Austrittsöffnung des Kernluftzuführungsrohres 5 ist die seitliche Öffnung 2b des Kernluftrohres 2 zugeordnet und mit einer entsprechenden axialen Öffnungsweite versehen derart, daß bei Verschiebung des Kernluftrohres die über das Kernluftzuführungsrohr herangeführte Luft ungehindert in das Kernluftrohr eintreten kann.
Der vordere Abschnitt des Kernluftrohres ist unter Bildung eines zylindrischen Ringkanals von einem Primärluftrohr 6 umgeben, dessen Austrittsöffnung gegenüber der Austrittsöffnung des Kernluftrohres zurückversetzt ist.
Das Kernluftrohr wird auf folgende Weise mit einem Kohlenstaub-Gas-Gemisch beaufschlagt. Das von einer nicht gezeigten Kohlenmahlanlage oder Kohlenstaubquelle herangeführte Kohlenstaub-Gas-Gemisch wird einem dem Brenner vorgeschalteten Umlenkkrümmer 7 zugeführt, in dem eine Aufkonzentrierung des Kohlenstaubs K an der dem Feuerraum zugewandten Seite des Krümmers erzwungen wird. Der Umlenkkrümmer 7 ist vorzugsweise ein stetig gekrümmerter Krümmer. Wie die Figuren 2 und 3 zeigen, erfolgt diese zwangsweise Aufkonzentration unabhängig davon, ob die Anströmung von unten (Fig. 2) oder von oben (Fig. 3) erfolgt. Auf den Krümmer 7 folgt eine als Verzögerungskanal dienende Kanalerweiterung 8, die bei der gezeigten Ausführungsform ein Kanal mit rechteckigem Querschnitt ist, d. h. es erfolgt hier ein erweiternder Übergang von einer Leitung mit rundem Querschnitt auf eine Leitung mit rechteckigem Querschnitt. In dem Verzögerungskanal wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases von z. B. 23 m/s auf 12 m/s reduziert, wodurch sich die Kohlenstaubgeschwindikeit ebenfalls verringert. Neben der Verlangsamung der Strömung wird in dem Verzögerungskanal 8 eine zumindest teilweise Entmischung des Kohlenstaub-Gas-Gemisches erreicht, wie dies in den Fig. 2 und 3 durch den Kohlenstaub K und die Gasströmung G schematisch dargestellt ist. Bei senkrechter Anströmung von unten oder oben kann die Ausbildung der Staubsträhne K durch eine entsprechende geometrische Gestaltung des Eintritts der Kohlenstaubleitung in den Verzögerungskanal festgelegt werden.
Die bereits verlangsamte Kohlenstaubsträhne K trifft am Ende des Verzögerungskanals 8 auf einen Strähnenbrecher 9. Der Strähnenbrecher 9 besteht aus einer Vielzahl von stabförmigen Brechelementen 10, die längs eines vorgegebenen Kreissektors der Eintrittsöffnung 11a einer venturiartigen Eintrittsbaugruppe 11 vorgeschaltet sind und sich im wesentlichen parallel zur Brennerachse erstrecken. Bei der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform bestehen die Brecherelemente aus auf Abstand angeordneten Quadern. Bei Verschleiß können die Brechelemente leicht ausgetauscht werden.
Die Eintrittsbaugruppe 11 umgibt das dem Feuerraum zugewandte Ende des Führungsrohres 4 unter Ausbildung eines Ringkanals. Die an der Rückwand des Verzögerungskanals anliegende Gasströmung wird durch eine sich vorzugsweise unter einem Winkel von 45° erstreckende und von dem Führungsrohr 4 durchsetzte Schließplatte 12 in die kreisringsartige Eintrittsöffnung der Eintrittsbaugruppe 11 umgelenkt und trifft im Winkel von nahezu 90° auf die verzögerte und durch den Strähnenbrecher aufgelöste Staubströmung. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des Kohlenstaubs über den Ringquerschnitt erreicht. Durch die venturiartige Ausgestaltung der Eintrittsbaugruppe 11 wird eine Beschleunigung der Gasströmung parallel zur Brennerachse erreicht. Durch die am Austritt der Venturibaugruppe entstehende Wirbelbildung werden am Umfang eventuell vorhandene lokale Kohlenstaubsträhnen aufgelöst, wodurch Kohlenstaub und Gas gemischt werden. Die Einschnürung des freien Querschnitts in der Eintrittsbaugruppe kann zwischen 10 - 70 % liegen. Gleichzeitig wird die Gasströmung gestaut, wodurch eine weitere Vergleichmäßigung erzielt wird.
Wie insbesondere aus den Figuren 1 - 4 ersichtlich ist, stellen die Schließplatte 12 zusammen mit den zugeordneten Seitenwänden 13 und 14, sowie der die Brechelemente 10 tragende Stirnwand 15 zusammen mit der Eintrittsbaugruppe 11 eine Baueinheit dar, die mit der vom Feuerraum abgewandten Seitenwand 16a eines Luftkastens 16 durch eine Schraubverbindung 17 verbunden ist. Die Bauteile 12, 13, 14 und 15 bilden einen Eintrittskrümmer. Nach Aufbau der Verbindung ragt die Eintrittsbaugruppe 11 in das Primärluftrohr 6 hinein, das mit der Seitenwand 16a verschweißt ist.
Für die Primärflamme wird eine heiße, stark unterstöchiometrische kompakte Primärverbrennungszone mit möglichst vollständiger Pyrolyse des Brennstoffes und interner Brennstoffstufung angestrebt. In der Primärflamme soll eine Luftzahl von 0,4 - 0,6 realisiert werden. Hierzu wird am Staubaustrittsende des Primärluftrohres 6 eine solche Gestaltung angestrebt, daß zum einen eine Stufung des Brennstoffeintrags in die Primärflamme erreicht wird und zum anderen eine stabile und schnelle Zündung des Kohlenstaubs unterstützt wird. Hierzu wird angestrebt, den Feinstaub am äußeren Umfang des Staubaustritts zu konzentrieren und zu verlangsamen, um eine schnelle Vermischung mit der Mantelluft zu gewährleisten, die über ein Mantelluftrohr zugeführt wird, das konzentrisch unter Bildung eines zylindrischen Ringkanals das Primärluftrohr 6 umgibt. Für die gröbere Fraktion ist es erforderlich, diese mit höheren Geschwindigkeiten in die innere Rezirkulationszone der sich bildenden Primärflamme zu transportieren. Es ist also anzustreben, daß beim Eintritt der Staubströmung in die innere Rezirkulationszone der Flamme eine Querstromsichtung des Kohlenstaubs erfolgt, so daß die feineren Partikel relativ schnell in die Verbrennungszone abgelenkt und die gröbsten Partikel am weitesten in das Rezirkulationsgebiet eindringen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß mit steigender Partikelgröße eine längere Zeitspanne für die Aufheizung und Pyrolyse vorhanden ist und ein verzögerter kontinuierlicher Brennstoffeintrag in die Primärflamme erfolgt.
Um diese Ziele zu erreichen, ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dem Austrittsende des Primärluftrohrs 6 ein Flammenhalter 19 zugeordnet, dessen dem Feuerraum zugewandtes Ende in der Fig. 5 in vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Dieser Flammenhalter besteht aus einem rohrartigen Kanal 20 mit einem geradzylindrischen Abschnitt 20a, einem sich konisch verjüngenden Abschnitt 20b und einem sich konisch erweiternden Abschnitt 20c. Der Kanal übergreift mit seinem geradzylindrischen Ende 20a die freie Kante des Primärluftrohres und ist mittels sich radial erstreckender Stege 21 auf dem Ende des Kernluftrohres 2 abgestützt, so daß sich bei Verschiebung des Kernluftrohres 2 der Flammenhalter 19 in entsprechender Weise verschiebt (vergl. Fig. 1 und 6). Im Bereich der durch die Abschnitte 20b und 20c gegebenen Einziehung des Kanals 20 sind Versperrungszähne 22 vorgesehen, die in die Primärströmung vorragen und in gleichmäßiger Umfangsverteilung angeordnet sind. Anstelle einzelner Versperrungszähne kann auch ein gezahnter Versperrungsring vorgesehen sein. Durch die Einziehung des Querschnitts des Kanals 20 wird der Kohlenstaub in dem Kohlenstaub-Gas-Gemisch aufkonzentriert, beschleunigt und in Richtung des inneren Rezirkulationsgebietes der sich an der Brennermündung bildenden Flamme abgelenkt. Die Versperrungszähne im Bereich des engsten Querschnittes bewirken eine Verwirbelung der Strömung im äußeren Bereich, wodurch vor allem Feinstaub aus der aufkonzentrierten Strömung ausgetragen und nach außen abtransportiert wird. Die Verwirbelung der Strömung begünstigt außerdem eine Einmischung des Feinstaubs in den Mantelluftstrom. Der beschleunigte und nach innen abgelenkte gröbere Staub gelangt in die innere Rezirkulationszone, wo eine Querstromsichtung des Kohlenstaubes durch die Rezirkulationsströmung erfolgt. Der Brennstoffeintrag in die Primärflamme wird somit mehrfach gestuft.
Durch eine Änderung der Position des Flammenhalters 19 durch Verschiebung des Kernluftrohres 2 relativ zum Kohlenstaubrohr 6 kann eine Optimierung zwischen Umlenkung nach innen und Beschleunigung des Kohlenstaubs erfolgen.
In der Fig. 7 ist eine andere Möglichkeit für die Ausgestaltung des Kanals eines Flammenhalters dargestellt. Der dortige Kanal 23 weist einen geradzylindrischen Abschnitt 23a und einen sich daran anschließenden sich konisch erweiterenden Abschnitt 23b auf. Nahe dem Austrittsende des sich erweiterenden Abschnittes 23b sind Versperrungszähne 24, vergleichbar den Versperrungszähnen 22, ausgebildet. Es soll darauf hingewiesen werden, daß unter Umständen nicht getrennte Versperrungszähne erforderlich sind, sondern daß unter Umständen auch ein durchgehender Versperrungsring ausreicht.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 erfolgt durch die Erweiterung des Staubquerschnitts im Kanalabschnitt 23b eine Verlangsamung der Gasströmung und es entsteht ein Geschwindigkeitsprofil mit einer außenliegenden langsameren und einer innenliegenden schnelleren Strömung. Gleichzeitig tritt eine Separierung von Feinstaub ein, da dieser der Erweiterung am schnellsten folgt, d. h. die Kohlenkonzentration wird in dem dem Kernluftrohr benachbarten Bereich höher sein als in der äußeren langsameren Strömung, da die gröberen Kohleteilchen ihre Strömungsrichtung beibehalten werden. Die Versperrungszähne 24 bewirken eine weitere Verlangsamung des Staubs im äußeren Bereich des Kohlenstaubquerschnitts und eine Verwirbelung der Strömung, die den Transport des Feinstaubs nach außen und somit seine schnelle Einmischung in die Mantelluft begünstigt. Der gröbere Staub wird durch die verzögerte Strömung nur vergleichsweise wenig abgebremst. Er gelangt mit relativ hoher Geschwindigkeit in das innere Rezirkulationsgebiet, wo eine Querstromsichtung des gröberen Staubes erfolgt. Insgesamt wird also auch bei dieser Ausführungsform eine mehrfache Stufung des Brennstoffes in der Primärflamme erreicht. Die Erweiterung des Kohlenstaubquerschnittes bewirkt außerdem eine strömungsdynamische Trennung der Mantelluft von der Hauptströmung des Kohlenstaubes, wodurch ein gestufter Brennstoffeintrag in die Primärflamme ebenfalls begünstigt wird.
In einem zum Einströmende hin sich erweiternden Abschnitt des Mantelluftrohrs 18 ist eine Einrichtung zur Beeinflussung des Dralls in Form von drehbar gelagerten axialen Drallklappen 25 angeordnet, die über ein Gestänge 26 und einen Stellantrieb von außen verstellbar sind. Durch diese axialen Drallklappen wird der Mantelluft ein Drall von einstellbarer Größe aufgezwungen.
An das dem Feuerraum zugewandte Ende des Mantelluftrohres 18 schließt sich eine aus einer Keramikmasse aufgebaute Muffel 27 an, die sich mit einer S-förmigen Gestaltung ihrer Innenfläche zum Feuerraum hin erweitert. Diese Muffelform kombiniert mit der entsprechenden Gestaltung des Kohlenstaubaustritts und einer starken Verdrallung der Mantelluft mit Hilfe der Drallklappen 25 garantiert eine schnelle intensive Zündung. Durch eine hohe Umfangsgeschwindigkeit der Mantelluft und einer entsprechende Gestaltung des Staubaustrittsquerschnittes wird eine schnelle Einmischung von Feinstaub in die Mantelluft realisiert. Die insbesondere aus der Fig. 1 ersichtliche S-Form der Muffel verhindert auch bei hoher Drallintensität der Mantelluft ein Aufreißen der Primärflamme. Die S-Form läuft zum Feuerraum so aus, daß eine Abströmung der Mantelluft mit einer nahezu zur Brennerachse parallelen Strömungskomponente erfolgen kann. Damit werden eine kompakte Primärflamme, eine kleinere, aber intensivere (höhere Rückströmgeschwindigkeit) interne Rezirkulationszone und eine stärkere äußere Rezirkulation des Rauchgases durch die Gassen zwischen den nachstehend zu erläuternden Stufenluftdüsen 28 erreicht. Wie bereits erwähnt, sind zur Steuerung des Ablaufs der Verbrennung in der Primärflamme das Kernluftrohr 6 und der Flammenhalter 19 und damit der Staubaustrittsquerschnitt axial verschiebbar. Über die Verschiebung des inneren Austrittsquerschnitts können bei entsprechender Gestaltung des Kohlenstaubaustrittsquerschnitts die Austrittsgeschwindigkeit der Mantelluft sowie Ort und Geschwindigkeit der Einmischung des Kohlenstaubs in die Mantelluft beeinflußt werden. Damit sind Ort und Intenstität der Zündung, sowie der Stufung des Brennstoffes innerhalb der Primärflamme einstellbar. Neben der Möglichkeit, einen bestimmten Verbrennungsverlauf in der Primärflamme zu steuern, kann mit der Verschiebung des Kohlenstaubaustrittsquerschnitts sehr gut auf verschiedenste Kohlequalitäten bezüglich Zündung und Abbrandverhalten reagiert werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 6 und 8 - 12 soll nun die Sekundärverbrennung beschrieben werden.
Im Sekundärverbrennungsgebiet soll bei einer Feuerung mit Ausbrandluft eine Luftzahl 0,9 - 1,05 und bei einer Feuerung ohne Ausbrandluft eine Luftzahl von 1,1 - 1,3 erreicht werden.
Um eine Sekundärverbrennung zu erreichen, ist um die Brennermuffel 27 herum ein Kranz aus einer Vielzahl von Stufenluftdüsen 28 vorgesehen, wobei die Stufenluftdüsen in die die Muffel 27 bildende Keramikmasse KM eingebettet sind. Vorzugsweise sind acht auf Abstand angeordnete Stufenluftdüsen 28 vorgesehen. Die Anordnung der Stufenluftdüsen 28 soll einerseits eine ausreichende äußere Rezirkulation zur Primärflamme ermöglichen und den Sauerstoff ausreichend lange von der Primärflamme fernhalten, andererseits soll die Primärflamme sicher in eine sauerstoffreiche Casströmung eingeschlossen werden. Durch die Nutzung von Einzeldüsen im Vergleich zu einer die Muffel umgebenden Ringdüse soll eine hohe Eindringtiefe der sauerstoffreichen Gasströmung erreicht werden. Wie aus den Figuren, insbesondere Fig. 9, ableitbar ist, sind die Düsen 28 zunächst mit einem von der Brennerachse nach außen gerichteten Anstellwinkel angeordnet, um eine direkte schnelle Einmischung der Stufenluft in die sich bildende Primärflamme zu vermeiden. In den Figuren sind die Luftdüsen 28 alle mit demselben nach außen gerichteten Anstellwinkel dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, den Düsen differenzierte axiale Anstellwinkel zuzuordnen und somit eine Mehrfachluftstufung innerhalb der Flamme zu erzielen.
Wie insbesondere aus der Fig. 9 in Zusammenschau mit den Fig. 1 und 8 ersichtlich ist, weisen die Stufenluftdüsen 28 nicht nur einen radial nach außen gerichteten Anstellwinkel auf, sondern auch gleichzeitig eine tangentiale Anstellung, d. h. sie erstrecken sich so, daß die Düsenachse die Brennerachse nicht schneidet. Damit wird der Stufenluftströmung ein Drall aufgeprägt, so daß es zu einer Ausbildung einer zur Muffel 27 konzentrischen "pneumatischen Muffel" kommt. Vorzugsweise wird der Stufenluftströmung ein Drall aufgeprägt, der gleichsinnig mit dem der Mantelluftströmung durch die Drallklappen 25 aufgeprägten Drall ist. Auf diese Weise wird die Strömung stabilisiert und eine zu schnelle Vermischung der Stufenluftströmung mit der Strömung der Primärflamme verhindert.
Die aus den Stufenluftdüsen 28 austretenden Strahlen saugen bei ihrer Abströmung Rauchgas RG aus der Flammenumgebung an, wodurch der Sauerstoffpartialdruck in der Sekundärverbrennungszone sinkt und die NO_x-Bildung in diesem Bereich vermindert wird.
Obwohl die Düsen mit unveränderlichem Abströmwinkel als Stufenluftdüsen eingesetzt werden können, ist es von Vorteil, wenn Düsen mit veränderlichem Abströmwinkel benutzt werden. Um dies zu erreichen, werden Zweikanaldüsen eingesetzt, deren Bauart insbesondere aus den Fig. 10 - 12 ablesbar ist.
Die Zweikanaldüse 28 weist einen geradzylindrischen Abschnitt 28a auf, in dem eine Trennwand 29 angeordnet ist. Entsprechend der gewünschten Strömungsverteilung muß die Trennwand nicht mittig angeordnet sein, sondern kann aus einer Radialebene heraus versetzt angeordnet sein. Die Trennwand 29 endet mit Abstand von einer gegenüber der Düsenachse A geneigten Austrittsöffnung 30. Durch geeignete Ausschnitte aus einem Rohr wird die Austrittsöffnung 30 durch verbleibende Rohrabschnitte 28b und 28c sowie durch eine unter einem ersten Winkel gegenüber der Achse A geneigte Deckplatte 31 und durch eine gegenüber einem anderen vorgegebenen Winkel bezüglich der Achse A geneigte Deckplatte 32 begrenzt.
Die Winkel der Deckplatten 31 bzw. 32 bestimmen die möglichen Austrittswinkel, mit denen ein Gasstrom aus der Austrittsöffnung 30 austreten kann.
Durch volumetrische unterschiedliche Beaufschlagung der durch die Trennwand 29 bestimmten Kanäle 33 bzw. 34 mit Stufenluft kann ein unterschiedlicher Austrittswinkel bezüglich der Achse A erreicht werden. Es kann z. B. möglich sein, daß bei Beaufschlagung der Kanäle 33 und 34 mit jeweils 50% der Stufenluft der Stufenluftstrahl parallel zur Deckplatte 31 austritt bzw. daß bei Beaufschlagung des Kanals 33 mit 10% der Stufenluft und des Kanals 34 mit 90% der Stufenluft der Düse 28 der Strahl parallel zur Deckplatte 32 austritt.
Zur unterschiedlichen Beaufschlagung der beiden Kanäle 33 und 34 ist wie aus der Fig. 1 ersichtlich vorgesehen, daß in dem Luftkasten 16 zusätzlich zur Seitenwand 16a und der rechts dargestellten Seitenwand 35 im Luftkasten 16 noch zwei Innenwände 36 und 37 vorgesehen sind. Die Innenwandung 36 trennt die Stufenluft gegenüber der Mantelluft und die Innenwandung 37 trennt die Stufenluft in zwei Teilströme auf. Der Raum zwischen den Trennwänden 36 und 37 ist über den Raum zwischen den Trennwänden 37 und 35 durchsetzende Kanalabschnitte 38 mit den Teilkanälen 34 der Stufenluftdüsen 28 verbunden, während die Teilkanäle 33 direkt mit dem Raum zwischen der Seitenwand 35 und der Trennwand 37 verbunden sind. Die Beaufschlagung der Kanäle 33 und 34 mit unterschiedlichen Luftströmungen wird durch Einstellung der in die Räume zwischen der Trennwand 36 und 37 bzw. 37 und 35 eintretenden Luft mittels Regelklappen 39 bzw. 40 ermöglicht. Bezüglich der Fig. 8 ist anzumerken, daß diese eine Abwicklung längs der Linie VIII-VIII in der Fig. 1 darstellt, während die Fig. 1 einen Schnitt längs der Linie I-I in der Fig. 8 darstellt.
Die vorstehend beschriebene Beaufschlagung der Teilkanäle 34 erfolgt über starr mit ihnen verbundene Kanäle 38.
Eine andere Verbindungskonfiguration ist erforderlich, wenn die Stufenluftdüsen 28 jeweils einzeln zumindest über einen Teilbereich drehbar angeordnet sind. Zu diesem Zwecke wird die einzelne Düse in einem Führungsrohr 39 drehbar gelagert. Bei einer solchen Anordnung wäre sowohl der tangentiale als auch der radiale Anströmwinkel einstellbar und somit eine besonders gute Optimierung der Luftstufung am Brenner erreichbar. Die Beaufschlagung der Teilkanäle 33 und 34 wäre jedoch komplizierter.
Es ist auch vorgesehen, daß einzelne Stufenluftdüsen absperrbar sind, um die erforderlichen Austrittsgeschwindigkeiten der Stufenluft auch im Teillastbetrieb realisieren zu können.
Es ist selbstverständlich, daß die Menge an Primärluft, Kernluft und Mantelluft ebenfalls geregelt werden kann. In der Fig.13 sind Regelklappen 41, 42 und 43 dargestellt, die ein Schema der dem Brenner von einem Gebläse 44 zugeführten Luftströme und des von einer Kohlenmühle 45 zugeführten Brennstoffs zeigt. Die Regelklappe 41 regelt die Mantelluft und die Stufenluft stromauf der Regelklappen 39 und 40 gleichzeitig. Die Regelklappe 42 regelt die über ein Druckerhöhungsgebläse 42a herangeführte Primärluft und die Regelklappe 43 die Kernluft, soweit das Kernluftrohr beaufschlagt werden muß.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist die Muffel 27 in einen in den Wasserdampfkreislauf eines Dampferzeugers eingebundenen Rohrleitungskorb 46 ausgebildet, der mit der Wandberohrung 47 des Feuerraums in Verbindung steht, in den Brenner hineinbrennt. Im Bereich der Muffel ist weiterhin eine Isolierung 48 vorgesehen.
In der Fig. 14 sind zwei weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenners dargestellt. Soweit als möglich sind die Bezugszeichen aus der Fig. 1 übernommen worden.
Im Unterschied zu Fig. 1 ist das Kernluftrohr 2 nicht axial verschieblich angeordnet. Vielmehr ist die Ölzündlanze 1 mit einem an ihrem vorderen Ende angeordneten Führungszylinder 1a und Drallkranz 1b axial verschieblich, wie dies durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Weiterhin ist die Eintrittsbaugruppe 11 nicht venturiartig ausgebildet, sondern wird von einem Geradrohr 11' mit Befestigungsflansch gebildet. Der Durchmesser des Geradrohrs 11' entspricht im wesentlichen dem Durchmesser des Primärluftrohrs 6 und stellt somit eine Verlängerung des Primärluftrohrs dar.
Bei dem Brenner gemäß Fig. 14 kommt ein Flammenhalter 19 zum Einsatz, dessen Kanal 23 gemäß Fig. 7 ausgebildet ist. Der geradzylindrische Abschnitt 23a übergreift das Austrittsende des Primärluftrohrs 6, ist jedoch nicht wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 über Stege mit dem Kernluftrohr 2 verbunden, sondern ist über mindestens eine schematisch dargestellte Betätigungsstange 23c axial in Richtung des Doppelpfeils verschieblich.
Hinsichtlich der Ausbildung des Mantelluftrohrs 18 sind in der unteren und Oberen Hälfte der Fig. 14 unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt. In der oberen Hälfte der Fig. 14 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Mantelluftrohr 18 als doppelwandiges Luftrohr mit Wänden 18a und 18b ausgebildet ist. Der von den Wänden begrenzte Ringraum wird über einen in dem Luftkasten 16 angeordneten Kanal 49 geregelt durch eine Stellklappe 50 mit Luft beaufschlagt, die aus dem Ringspalt am vorderen Ende des doppelwandigen Mantelluftrohrs in den Feuerraum austreten kann. Im Austrittsbereich ist der Doppelmantel in Längsrichtung mit im wesentlichen S-förmigem Querschnitt ausgebildet.
Bei der in der unteren Hälfte der Fig. 14 dargestellten Ausführungsform ist das Mantelluftrohr in seinem Austrittsbereich mit einer Kühlwicklung 51 versehen, die von einem Kühlmedium 52 durchströmt wird. Auch hier ist der Querschnitt des Austrittsbereichs in Längsrichtung im wesentlichen S-förmig ausgebildet. Durch Kühlung mittels in den Feuerraum einströmender Luft bzw. des Kühlmediums wird ein Verschmutzen im Austrittsströmbereich des Mantelluftrohrs weitgehend vermieden.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 tritt die Stufenluft nicht in Einzelstrahlen, sondern in einem die Mantelluft umgebenden Ringstrahl in den Feuerraum aus. Hierfür ist das Mantelluftrohr 18 von einem Stufenluftrohr 53 umgeben, an das sich die aus Keramikmasse aufgebaute Brennermuffel 27 anschließt. Im Eintrittsbereich des Stufenluftrohrs 53 ist eine verstellbare Dralleinrichtung 54 vorgesehen, die die von einem in dem Luftkasten 16 angeordneten Kanal 55 mit Regelklappe 56 zugeführte Luft verdrallt.
Es soll festgehalten werden, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auf die venturiartige Ausgestaltung der Eintrittsbaugruppe 11 verzichtet werden kann. Auch kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auf die Verschiebbarkeit des Kernluftrohrs 2 verzichtet werden, wenn der Flammenhalter 19 wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 14 alleine verschiebbar angeordnet wird.

Claims

Verfahren zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff, insbesondere Kohle, mittels eines Brenners mit einem ein Gemisch aus Luft und Brennstoff (Primärluft) führenden Primärluftrohr und einem Mantelluft führenden und das Primärluftrohr umgebenden Mantelluftrohr, bei dem die Primärluft und verdrallte Mantelluft in eine Brennermuffel unter Bildung einer Primärverbrennungszone mit internem Rezirkulationsgebiet austreten, bei dem beim Austritt der Primärluft die Kohlenstaubkonzentration im Randbereich des Primärluftrohrs unter Erzeugung von Wirbeln aufgerissen wird und bei dem verdrallte Stufenluft der Primärflamme zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Aufreißen der Kohlenstaubkonzentration im Randbereich die Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit durch Einziehen des Strömungsquerschnitts oder durch Erweiterung des Strömungsquerschnitts erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stufenluft in einem die Primärverbrennungszone umgebenden Kranz von Einzelstrahlen zugeführt wird derart, daß der Gesamtstufenluft ein Drall aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stufenluft in einem die Primärverbrennungszone umgebenden Ringstrahl zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Austrittsbereich des Mantelluftrohrs gekühlt wird.
Brenner zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff, insbesondere Kohle mit einem ein Gemisch aus Luft und Brennstoff (Primärluft) führenden Primärluftrohr, einem Mantelluft führenden und das Primärluftrohr umgebenden Mantelluftrohr, und einer Einrichtung zum Zuführen von verdrallter Stufenluft, wobei dem Austrittsende des Primärluftrohres ein Flammenhalter mit einer in die Primärluft hineinragenden Versperrung zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Versperrung (22; 24) des Flammenhalters (19) eine Änderung (20b, 20c, 23b) des Querschnitts für die Primärluftströmung vorgeschaltet ist.
Brenner nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Zufuhr der Stufenluft ein die Brennermuffel umgebender Kranz von Stufenluftdüsen (28) vorgesehen ist, die zumindest bezüglich der Brennerachse tangential angestellt sind derart, daß der Stufenluft ein Drall aufgeprägt ist.
Brenner nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Zufuhr von Stufenluft ein Ringspalt vorgesehen ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 6-8,
dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb des Primärluftrohres (6) ein eine Ölzündlanze (1) aufnehmendes Kernluftrohr (2) angeordnet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 6-9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Flammenhalter (19) relativ zum Primärluftrohr (6) verschiebbar angeordnet ist.
Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 6-10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittsveränderung eine Querschnittserweiterung ist (Fig. 7) oder eine Querschnittsverengung (Fig. 5) ist.
Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 6-11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mantelluftaustritt (27; 18a, 18b; 51) in Richtung der Brennerachse einen im wesentlichen S-förmigen Querschnitt aufweist derart, daß Mantelluft im wesentlichen parallel zur Brennerachse in den Austritt einströmt bzw. aus dem Austritt in den Feuerraum ausströmt.
Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 6-12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mantelluftaustritt (18a, 18b; 51) gekühlt ist.
Brenner zum Verbrennen von staubförmigem Brennstoff mindestens mit einem ein Gemisch aus Luft und Brennstoff (Primärluft) führenden Primärluftrohr und mit einem dem Primärluftrohr vorgeschalteten Eintrittskrümmer, insbesondere Brenner nach einem der Ansprüche 6-13,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein Umlenkkrümmer (7) vorgesehen ist und daß zwischen dem Umlenkkrümmer (7) und dem Eintrittskrümmer (12, 13, 14, 15) ein in seinem Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Umlenkkrümmers erweiterter Verzögerungskanal (8) angeordnet ist und am Ende des Verzögerungskanals (8) im Bereich der sich im Umlenkkrümmer bildenden und durch den Verzögerungskanal geführten Brennstoffstaubsträhne (K) ein Strähnenbrecher (9; 10) angeordnet ist und die den Verzögerungskanal durchsetzende Gasströmung (G) im Eintrittskrümmer so umgelenkt wird, daß die Gasströmung (G) unter einem vorgegebenen Winkel auf die zumindest in Teilsträhnen gebrochene Brennstoffstaubsträhne (K) auftrifft und Luft und Kohlenstaub in gleichmäßiger Verteilung in das Primärluftrohr (6) eintreten.
Brenner nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Eintritt in das Primärluftrohr (6) eine venturiartig ausgebildetete Versperrung (11) vorgeschaltet ist.
Brenner nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strähnenbrecher (9) aus einer Vielzahl von auf Abstand und vorzugsweise auf einem Kreissektor angeordneten stabförmigen Brechelementen (10) besteht.