EP2834563B1 - Verfahren zum betrieb eines multigasbrenners sowie multigasbrenner - Google Patents

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EP2834563B1
EP2834563B1 EP12732523.1A EP12732523A EP2834563B1 EP 2834563 B1 EP2834563 B1 EP 2834563B1 EP 12732523 A EP12732523 A EP 12732523A EP 2834563 B1 EP2834563 B1 EP 2834563B1
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EP
European Patent Office
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gas
nozzle
calorific
combustion
burner
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EP12732523.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2834563A1 (de
Inventor
Holger Wulfert
André BÄTZ
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Loesche GmbH
Original Assignee
Loesche GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • 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 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a multi gas burner and a multi gas burner for operation with a low and a high calorie fuel gas.
  • Generic multi-gas burners usually have a combustion chamber and at least one burner lance.
  • This burner lance is configured with a first, a second and a third nozzle.
  • a first, a second and a third supply chamber are provided, which are fluidically connected for supplying gases into the combustion chamber, each with a nozzle.
  • the nozzles of the at least one burner lance terminate on one side in the combustion chamber and on the other side in a respective feed chamber.
  • a burner muffle is provided in the combustion chamber in the region of the end of the nozzles.
  • a burner with several burner lances is referred to as a multi-lance burner.
  • Generic burners are for example from the US Pat. No. 6,241,510 B1 , of the DE 196 27 203 C2 and the DE 42 08 951 C2 known.
  • Such gas burners are used in hot gas generators, which serve to heat process gases, for example in the context of the smelting of iron ores.
  • hot gas generators which serve to heat process gases, for example in the context of the smelting of iron ores.
  • fuel gases for hot gas generators are usually low calorific gases, which are also referred to as lean gases, with an oxidizer for combustion, especially air, passed through the nozzles in the burner chamber, where they are then mixed with the oxygen carrier, ignited and burned.
  • the high-calorie fuel gases Due to the higher calorific value of the high-calorie fuel gases, they burn with a higher flame temperature compared to the low calorific gases. It should be noted that from combustion temperatures above about 1300 ° C by a thermal conversion of the N 2, the oxygen carrier for the combustion, especially in normal air, NO x is formed. The combustion temperatures with the use of high-calorie combustion gases are usually above this critical temperature range. However, a formation of NO x must be largely avoided due to environmental protection regulations.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method for operating a multi-gas burner and such a multi-gas burner, with the combustion of high-calorie fuel gases in compliance with environmental regulations, especially in combination with coal grinding systems, is possible.
  • Claim 1 relates to a method for operating a multi gas burner in a low calorie operation with a low calorie fuel gas and in a high calorie operation a high calorie fuel gas, the multi gas burner at least one burner lance having a first, a second and a third nozzle, a first, a second and a third supply chamber, each of which is fluidically connected to a nozzle and a combustion chamber, in which the at least one burner lance protrudes, wherein in a high-calorie operation at the same time via the first nozzle air, via the second nozzle 02-depleted gas and the third nozzle a high-calorie fuel gas are passed into the combustion chamber and there are made to burn, wherein the air and the O 2 -depleted gas are used as oxygen carrier for the combustion, characterized in that in a low calorie operation at the same time via the first nozzle air as S Auerstoffisme for the combustion and the second nozzle a low-calorie fuel gas are passed into the combustion chamber and are there made to burn.
  • the invention is based on the recognition that it is necessary to avoid the x formation of NO to lower the flame temperature in such a way that it is below a range that can arise in the NO x in the largest dimensions. This temperature range is below about 1300 ° C.
  • ⁇ values can be achieved according to the invention by carrying out the combustion at elevated ⁇ values in comparison to a low calorie operation, that is to say a combustion of a low calorie combustible gas.
  • the ⁇ value is also referred to as the combustion ratio or air ratio and describes the ratio of supplied oxygen suppliers for the combustion, in particular air, to the stoichiometrically required for the combustion of the fuel gas minimum amount of air.
  • the combustion is carried out with more combustion air, that is to say with a larger amount of oxygen suppliers for the combustion, then the ⁇ value increases.
  • the additional introduction of more combustion air the resulting gases are cooled in a complete combustion of the fuel gas. In this way, it can be achieved that the entire combustion process takes place at a temperature which is below the critical temperature range for NO x formation.
  • oxygen is used by the oxygen supplier for the combustion of normal outside air with an oxygen content of about 21%. Due to the higher amount of oxygen suppliers for combustion, the oxygen content in the hot process gas increases. This is particularly problematic when the gas burner is used in a hot gas generator, which is used to produce process gases for coal grinding plants. Such coal grinding plants are used, for example, for the spreading of carbon carriers, such as coal, for blowing in blast furnaces with the Pulverized Coal Injection (PCI) method or in the context of coal gasification plants. In such systems, the process gas must have an oxygen content of less than 10% due to the explosion protection. Therefore, it is not possible by increasing the ⁇ value to allow the use of high-calorie fuel gases. The same problem exists with many process gases used in explosive environments. Thus, in addition to the prevention of NO x , it is imperative for the use of high-calorie fuel gases to ensure that the resulting hot process gas has an oxygen content which is below a percentage determined depending on the process.
  • a further basic idea of the invention can be seen not to use exclusively normal air as the oxygen supplier for the combustion, but to mix the oxygen supplier for the combustion of normal air and O 2 -depleted gas.
  • the oxygen supplier used for combustion has a lower oxygen content than normal air.
  • the burner can be operated with higher ⁇ values, so that the necessary lowering of the flame temperature described above is made possible.
  • the resulting process gas has a reduced oxygen content, in particular less than 10%, so that the process gas can be used, for example, in coal grinding plants.
  • This embodiment is based on the finding that the nozzle which is used in the low calorie operation for the low calorie fuel gas is not used in high calorie operation. Therefore, this nozzle can be used to mix O 2 depleted gas to the air from the first nozzle to provide the oxygen supplier for combustion.
  • the advantage of this solution over providing a further nozzle for the O 2 depleted Gas is that thereby the burner lances used, for example, need only three and not four nozzles. This reduces in particular the depth and size of a multi-gas burner consisting of one or more such burner lances.
  • an outer nozzle is selected as the first nozzle, a middle nozzle as the second nozzle and an inner nozzle of the burner lance as the third nozzle.
  • air is always blown into the combustion chamber through the outer nozzle.
  • the fuel gas is blown in the low calorie operation through a central nozzle, so that the fuel gas is blown out of the nozzle surrounded by the injected air and is mixed well with this and can react.
  • the inner nozzle is used to inject the high calorific fuel gas.
  • the ⁇ values are in the range of about 1.5 to about 2.0.
  • the ⁇ value is preferably in a range of 1.6, with between 15% and 30% of the oxygen source for combustion being O 2 depleted gas.
  • the ⁇ value in low calorie operation and the ⁇ value and admixture of O 2 -depleted gas in the high-calorie operation is set such that the generated hot process gases, the be referred to as hot gases, an O 2 content of less than 10%. If it is necessary due to explosion protection guidelines, a lower target value of O 2 content in the hot process gas can also be achieved by a corresponding adaptation of the admixture of O 2 -depleted gas.
  • the amount of the fuel gas, the ⁇ -values and the composition of the oxygen supplier for the combustion of air and O 2 -enriched gas are adjusted such that the measured flame temperature does not exceed a value of about 1300 ° C.
  • the ⁇ value is determined substantially by the amount, that is, the flow rate per unit time, the fuel gas and the amount of the oxygen supplier for the combustion, since the shares of the oxygen supplier for the combustion, which do not react with the fuel gas, for cooling and Lowering the flame temperature contribute.
  • a recirculated process gas for example from a grinding-drying process, in particular from a coal grinding plant, is used as the O 2 -depleted gas.
  • a gas must be used as the process gas, which has an oxygen content of less than 10%.
  • a so-called mill drying is carried out in which the coal to be ground or another starting material is also dried in addition to comminution.
  • hot process gases are necessary, which however, for reasons of explosion protection, have an oxygen content of less than 10%. must have.
  • process gases can be diverted from the grinding operation as O 2 -depleted gases for the operation of the multi-gas burner. If the hot process gases generated by the multigas burner are used for grinding drying, then these are subsequently fed back into the grinding process, so that no O 2 -depleted process gas is withdrawn from the grinding process in the total sum. It is of course also possible to use O 2 -depleted gas from other sources.
  • coke oven gas is used as the high calorific gas and blast furnace gas is used as the low calorific gas.
  • blast furnace gas is used as the low calorific gas.
  • coal pulverizers are combined with a hot gas generator constructed of a multi-gas burner in ore processing and processing, e.g. Smelting processes, used.
  • blast furnace gas is produced, which is available as a favorable fuel for the mill drying and the operation of the burner.
  • high-calorie fuel gases any fuel gases, such as synthesis gas, coke gas or natural gas can be used.
  • the low calorific gas can also be referred to as lean gas and the high calorific gas as rich gas.
  • oxygen supplier for the combustion those gases are referred to within the scope of the invention which are supplied to the fuel gas during the combustion process.
  • the oxygen carrier or supplier for combustion may also be referred to as combustion air.
  • a gas having a calorific value or calorific value in the range from about 2,000 to about 4,000 kJ / m.sup.3 N 3 and a high-calorific gas from a gas of calorific value or calorific value in the range from about 10,000 to about 10,000 kW can be used for a low-calorie gas about 40,000 kJ / m N 3 are considered. It is not essential for the invention, which calorific values have the low calorific and the high calorific gas, but that the high calorific gas has a higher calorific value than the low calorific gas.
  • the invention relates to a multi-gas burner for operation with a low and a high-calorie fuel gas.
  • a burner lance with three nozzles having an outer tube, a central tube and an intermediate tube arranged between the outer and the central tube.
  • the tubes are each coaxially aligned with each other and spaced from each other to form annular gaps or flow cross-sections.
  • the burner lance is thus constructed of three coaxially nested tubes, each resulting flow cross-section is connected to a separate feed chamber.
  • the annular gap between the outer and the intermediate tube forms an outer nozzle
  • the annular gap between the intermediate and the central tube forms a central nozzle and the central tube the inner nozzle.
  • the first nozzle is an outer nozzle, the second nozzle an intermediate nozzle and the third nozzle an inner nozzle of a burner lance. It is further provided that the first nozzle with the first supply chamber, the second nozzle with the second supply chamber and the third nozzle with the third supply chamber are each connected fluidically. This ensures that the air is introduced in the low calorie as well as in the high calorie operation through the outer nozzle. In low calorie operation, the low calorific fuel gas is introduced through the adjacent central nozzle and thus allows a good mixing between the fuel gas and the air, which is the oxygen supplier for the combustion.
  • the air is introduced through the outer nozzle in high-calorie operation and the O 2 -degraded gas through the middle nozzle, which can premix.
  • the high-calorie fuel gas is introduced through the inner nozzle. In this way, in turn, a good mixing of the fuel gas with the oxygen carrier formed from air and O 2 -depleted gas for combustion is possible.
  • a control device which is designed to introduce the low-calorie fuel gas into the second supply chamber in a low-calorie operation into the first supply chamber and to block the supply to the third supply chamber.
  • the control device is further designed in such a way in a high-calorie operation in the first supply chamber air, in the second supply chamber O 2 - depleted gas and in the third supply chamber to introduce the high-calorie fuel gas.
  • the cross-sectional area of the first to the second nozzle and to the third nozzle has a ratio in the range of 4.4 - 5.0: 5.9 - 6.3: 1, in particular 4.7; 6.2: 1 up.
  • the cross-sectional ratios may also be deviating therefrom and depend essentially on the ⁇ values used, the low-calorie and high-calorie fuel gas, the respective stoichiometric air requirement of the gases and / or the operating or injection pressure.
  • the cross-sectional areas which essentially determines the possible flow of the corresponding gases, it is achieved that sufficient hot gas can be generated with the multigas burner thus formed in both operating modes.
  • the design of the second nozzle can be decisive for this, since it is used for two different gases, once low-calorie fuel gas and in the other operating state O 2 -abgereichtes gas.
  • a burner lance is a complete multigas burner in the minimum case.
  • the desired burner output can be achieved by selecting the number of burner lances.
  • the individual burner lance is normalized to a certain power, so that no enlargement of the burner SCALE-UP must be made. This is called a "numbering-up", ie it is not necessary to take into account changed criteria with regard to geometry, flow behavior, etc., for every burner design.
  • the invention further relates to a process plant with a multigas burner according to the invention and a grinding plant for solid fuels z. B. a Kohlenmahlstrom.
  • This may in particular be a roller mill, wherein the coal grinding plant is provided as a means to be used as a source of O 2 -depleted gas.
  • the O 2 -depleted gas can be recirculated process gas from the milling process, in particular a grinding-drying process.
  • a constellation is also applicable to any other thermal process, ie use of multiple gases, low O 2 levels in the process gas and their use as Rezigas, high control ratios etc ..
  • a control device which may also be designed as a control and regulating device
  • the inflows of the various gases, the high-calorie fuel gas, the low-calorie combustible gas, the air and the O 2 -depleted gas are adjusted depending on the operating mode.
  • the control or regulation takes place in such a way that the necessary calorific value with a flame temperature below 1,300 ° C. and with a maximum oxygen content, in particular below 10%, of the hot process gas is achieved in a high-calorie operation.
  • the tributaries are controlled in the low calorie operation by the control and regulating device such that a sufficient calorific value is achieved without reaching a high flame temperature.
  • the low calorific value causes low combustion temperatures, so that there are no significant O 2 problems in the process gas.
  • the respective properties can in particular by adjusting the amounts of gases used and the ratio of gases to each other.
  • Fig. 1 a simplified construction of a multigas burner 1 according to the invention is shown.
  • the multigas burner 1 shown here has two burner lances 10 which are each designed as three-lance burners or three-nozzle lances and have a first nozzle 11, a second nozzle 12 and a third nozzle 13.
  • the burner lances 10 each end in a combustion chamber 3.
  • the multi-gas burner 1 has a first supply chamber 21, a second supply chamber 22 and a third supply chamber 23.
  • the nozzles 11, 12, 13 of the burner lance 10 are formed by three coaxially aligned tubes.
  • the first nozzle 11 terminates in the first supply chamber 21.
  • the second nozzle 12 terminates in the second supply chamber 22 and the third nozzle 13 terminates in the third supply chamber 23.
  • the nozzles 11, 12, 13 and the tailpipes respectively with flange-like connections the inner wall of the respective feed chamber 21, 22, 23 be attached.
  • a starting burner 17 is provided, which is used to start the multi-gas burner 1.
  • a supply 31 to the first supply chamber 21, a supply 32 to the second supply chamber 22 and a supply 33 to the third supply chamber 23 is provided. Furthermore, an additional fourth feed 34 is provided, which likewise ends in the second feed chamber 22.
  • the feeders 31, 32, 33, 34 have valves which can be controlled by a control device 36.
  • the feeder 31 is connected to an air source. This is normal outdoor air.
  • the supply line 32 is connected to a source of low calorific fuel gas. This may be, for example, blast furnace gas. Such low-calorie combustion gases are also referred to as lean gases.
  • the supply line 33 is connected to a source of a high-calorie fuel gas, which may also be referred to as rich gas.
  • the supply line 34 in turn is connected to a source of O 2 -depleted gas. This may in particular have an O 2 content of less than 10%.
  • the control device 36 controls the valves of the feeders 31, 32, 33 and 34 such that air flows into the first feed chamber 21 via the feed line 31 and into the second feed chamber 22 via the feed 32 a low calorie combustible gas.
  • the other two leads 33 and 34 are closed here.
  • the ratio of air passing through the nozzle 11 into the combustion chamber 3 and the low calorific gas flowing through the nozzle 12 into the combustion chamber 3 is adjusted so that the ⁇ value is in the range of 1.1.
  • control device 36 opens the valves of the feed lines 31, 33 and 34. In this way, air flows into the feed chamber 21, O 2 -abegedes gas into the feed chamber 22 and high-calorie gas in the feed chamber 23. About the nozzles 11, 12, 13, these gases can flow into the combustion chamber 3 and react with each other there.
  • the controller 36 controls the inflow of the air, the O 2 depleted gas, and the high calorie combustion gas such that a ⁇ value is set in the range of 1.6, with approximately 30% of the oxygen carrier for the combustion being O 2 depleted gas is.
  • a ⁇ value is set in the range of 1.6, with approximately 30% of the oxygen carrier for the combustion being O 2 depleted gas is.
  • At the combustion chamber end of the burner lance 11 may be provided in the region of the respective end of the nozzle swirling means to mix the outflowing gases well together.
  • the chamber 22 can be supplied with both the low-calorie fuel gas and the O 2 -depleted gas.
  • the chamber 22 can be supplied with both the low-calorie fuel gas and the O 2 -depleted gas.
  • Fig. 2 a process diagram of a coal grinding plant is shown with a hot gas generator, which uses a multi-gas burner 10 according to the invention.
  • a central element of the process engineering plant shown here is, on the one hand, the mill-sifter combination 52, which may be, for example, a vertical roller mill with circulating air operation, in particular a LOESCHE roller mill.
  • a hot gas generator 51 is provided which has a multigas burner 10 according to the invention.
  • the hot gas generator 51 is used to generate hot process gases or their heating, which are used in the milling process in the mill-sifter combination 52 to dry the material to be ground, in this case raw coal, in addition to the grinding process.
  • a hot gas supply 54 is provided between the hot gas generator 51 and the mill-sifter combination 52.
  • a coal grinding plant is to be seen here merely as an example of a process plant in which a hot gas generator 51 is used. Instead of a mill-sifter combination 52, other parts of the plant can be provided in which generated hot process gas is used.
  • the raw coal to be ground is fed to the mill-sifter combination 52.
  • the raw coal is ground to dust and with the aid of the hot gas flowing through the feed 54 in the mill-sifter combination 52 dried and transported in the direction of a filter 62 by means of air flow.
  • the generated carbon dust is separated and fed to a dust bin 63.
  • the carbon dust can then be deducted and its use, for example, for PCI process, fed.
  • the process gas purified from the dust which in the meantime has also cooled down, is sent to the hot gas generator 51 via a process gas recirculation 56. Here it is heated by the combustion energy and passed back via the hot gas supply 54 to the mill-sifter combination 52.
  • the multi-gas burner 10 of the hot gas generator 51 has four different feeds.
  • Feeder 71 is used to supply a low calorific fuel gas, such as top gas, supply 72 for supplying air, supply 73 for supplying a high-calorie fuel gas, such as coke gas and feed 74 for supplying gas to the starting burner.
  • a low calorific fuel gas such as top gas
  • supply 72 for supplying air
  • supply 73 for supplying a high-calorie fuel gas, such as coke gas
  • feed 74 for supplying gas to the starting burner.
  • natural gas can be used.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Multigasbrenners sowie einen Multigasbrenner für den Betrieb mit einem nieder- und einem hochkalorischen Brenngas.
  • Gattungsgemäße Multigasbrenner weisen meist eine Brennkammer und mindestens einer Brennerlanze auf. Diese Brennerlanze ist mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Düse ausgestaltet. Des Weiteren sind eine erste, eine zweite und eine dritte Zuführungskammer vorgesehen, welche zum Zuführen von Gasen in die Brennkammer mit jeweils einer Düse strömungstechnisch verbunden sind. Die Düsen der mindestens einen Brennerlanze enden auf einer Seite in der Brennkammer und auf der anderen Seite in einer jeweiligen Zuführungskammer. Ferner ist in der Brennkammer im Bereich des Endes der Düsen eine Brennermuffel vorgesehen. Ein Brenner mit mehreren Brennerlanzen wird als Mehrlanzenbrenner bezeichnet.
  • Gattungsgemäße Brenner sind beispielsweise aus der US 6 241 510 B1 , der DE 196 27 203 C2 und der DE 42 08 951 C2 bekannt.
  • Derartige Gasbrenner werden in Heißgaserzeugern eingesetzt, welche dazu dienen Prozessgase, beispielsweise im Rahmen der Verhüttung von Eisenerzen zu erhitzen. Für einen Mahl-Trocknungsprozess von Kohle werden heiße Prozessgase benötigt. Die gemahlene und getrocknete Kohle wird in der Verhüttung von Eisenerzen weiter verwendet. Als Brenngase für Heißgaserzeuger werden in der Regel niederkalorische Gase, welche auch als Schwachgase bezeichnet werden, mit einem Sauerstoffträger für die Verbrennung, insbesondere Luft, durch die Düsen in die Brennerkammer geführt, wo sie dann mit dem Sauerstoffträger vermischt, entzündet und verbrannt werden.
  • Um die Flexibilität und die Verwendbarkeit von Heißgaserzeuger zu erhöhen, ist es wünschenswert, den oder die Brenner der Heißgaserzeuger auch mit anderen Brenngasen, wie hochkalorischen Brenngasen, alternativ betreiben zu können.
  • Durch den höheren Heizwert der hochkalorischen Brenngase, verbrennen diese mit einer höheren Flammentemperatur im Vergleich zu den niederkalorischen Gasen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ab Verbrennungstemperaturen oberhalb von ca. 1300°C durch eine thermische Umsetzung des N2 der Sauerstoffträger für die Verbrennung, insbesondere bei normaler Luft, NOx gebildet wird. Regelmäßig liegen die Verbrennungstemperaturen bei der Verwendung hochkalorischer Brenngase oberhalb dieses kritischen Temperaturbereiches. Eine Bildung von NOx muss aber bedingt durch umweltschutztechnische Bestimmungen weitgehend vermieden werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Multigasbrenners sowie einen derartigen Multigasbrenner anzugeben, mit dem die Verbrennung von hochkalorischen Brenngasen unter Einhaltung der geltenden Umweltschutzvorschriften, insbesondere in Kombination mit Kohlemahlanlagen, möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb eines Multigasbrenners mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Multigasbrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren angegeben.
  • Anspruch 1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Multigasbrenners in einem niederkalorischen Betrieb mit einem niederkalorischen Brenngas und in einem hochkalorischen Betrieb einem hochkalorischen Brenngas, wobei der Multigasbrenner mindestens einer Brennerlanze mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Düse, eine erste, eine zweite und eine dritte Zuführungskammer, die jeweils mit einer Düse strömungstechnisch verbunden sind und eine Brennkammer, in die die mindestes eine Brennerlanze hineinragt, aufweist, wobei in einem hochkalorischen Betrieb gleichzeitig über die erste Düse Luft, über die zweite Düse 02-abgereichertes Gas und über die dritte Düse ein hochkalorisches Brenngas in die Brennkammer geleitet werden und dort zum Verbrennen gebracht werden, wobei die Luft und das 02 -abgereicherte Gas als Sauerstoffträger für die Verbrennung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem niederkalorischen Betrieb gleichzeitig über die erste Düse Luft als Sauerstoffträger für die Verbrennung und über die zweite Düse ein niederkalorisches Brenngas in die Brennkammer geleitet werden und dort zum Verbrennen gebracht werden.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zum Vermeiden der Entstehung von NOx notwendig ist, die Flammentemperatur derart abzusenken, dass sie unterhalb eines Bereiches liegt, in dem NOx in größten Maßen entstehen kann. Dieser Temperaturbereich liegt unterhalb von ca. 1300°C.
  • Dies kann entsprechend der Erfindung dadurch erreicht werden, dass die Verbrennung bei erhöhten λ-Werten im Vergleich zu einem niederkalorischen Betrieb, das heißt einer Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, durchgeführt wird. Der λ-Wert wird auch als Verbrennungsverhältnis oder Luftzahl bezeichnet und beschreibt das Verhältnis von zugeführten Sauerstofflieferanten für die Verbrennung, insbesondere Luft, zur stöchiometrisch für die Verbrennung des Brenngases benötigten Mindestluftmenge.
  • Wird bei einer Verbrennung eines hochkalorischen Gases die Verbrennung mit mehr Verbrennungsluft, also mit einer größeren Menge an Sauerstofflieferanten für die Verbrennung durchgeführt, so erhöht sich der λ-Wert. Durch das zusätzliche Einbringen von mehr Verbrennungsluft werden bei einer vollständigen Verbrennung des Brenngases die entstehenden Gase abgekühlt. Hierdurch kann erreicht werden, dass der gesamte Verbrennungsprozess bei einer Temperatur stattfindet, der unterhalb des für die NOx-Entstehung kritischen Temperaturbereiches liegt.
  • Herkömmlicherweise wird für den Sauerstofflieferanten für die Verbrennung normale Außenluft mit einem Sauerstoffgehalt von ca. 21% verwendet. Durch die höhere Menge des Sauerstofflieferanten für die Verbrennung steigt der Sauerstoffgehalt im heißen Prozessgas an. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn der Gasbrenner in einem Heißgaserzeuger eingesetzt wird, welcher zur Erzeugung von Prozessgasen für Kohlemahlanlagen verwendet wird. Derartige Kohlemahlanlagen werden beispielsweise für die Aufbreitung von Kohlenstoffträgern, wie Steinkohlen, für das Einblasen in Hochöfen mit dem Pulverized-Coal-Injection-Verfahren (PCI) oder im Rahmen von Kohlevergasungsanlagen verwendet. Bei solchen Anlagen muss das Prozessgas einen Sauerstoffgehalt von weniger als 10% aufgrund des Explosionsschutzes aufweisen. Daher ist es nicht möglich, durch eine Erhöhung des λ-Wertes die Verwendung von hochkalorischen Brenngasen zu ermöglichen. Dasselbe Problem besteht bei vielen Prozessgasen, die in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden. Somit ist es zur Verwendung von hochkalorischen Brenngasen zwingend erforderlich, neben der Verhinderung von NOx auch dafür Sorge zu tragen, dass das entstehende heiße Prozessgas einen Sauerstoffgehalt aufweist, der unterhalb eines abhängig vom Prozess festgelegten Prozentgehaltes liegt.
  • Daher kann ein weiterer Grundgedanke der Erfindung darin gesehen werden, als Sauerstofflieferant für die Verbrennung nicht ausschließlich normale Luft zu verwenden, sondern den Sauerstofflieferant für die Verbrennung aus normaler Luft und O2-abgereichertem Gas zu mischen. Dies hat zur Folge, dass der verwendete Sauerstofflieferant für die Verbrennung einen insgesamt geringeren Sauerstoffgehalt aufweist als normale Luft. Hierdurch kann der Brenner mit höheren λ-Werten betrieben werden, so dass die zuvor beschriebene notwendige Absenkung der Flammentemperatur ermöglicht wird. Durch den geringeren Sauerstoffgehalt des so verwendeten Sauerstofflieferanten für die Verbrennung kann aber dennoch erreicht werden, dass das entstehende Prozessgas einen verringerten Sauerstoffgehalt, insbesondere von weniger als 10%, aufweist, so dass das Prozessgas beispielsweise in Kohlemahlanlagen verwendet werden kann.
  • Erfindungsmäßig ist es vorgesehen, dass in einem niederkalorischen Betrieb gleichzeitig über die erste Düse Luft als Sauerstofflieferant für die Verbrennung und über die zweite Düse ein niederkalorisches Brenngas in die Brennkammer geleitet werden und dort zur Reaktion, insbesondere zum Verbrennen, gebracht werden. Hierdurch wird es ermöglicht, einen Multigasbrenner sowohl mit einem niederkalorischen Brenngas wie auch mit einem hochkalorischen Brenngas zu betreiben und nicht für jede dieser Betriebsarten einen eigenen Brenner vorsehen zu müssen.
  • Dieser Ausführung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Düse, welche im niederkalorischen Betrieb für das niederkalorische Brenngas verwendet wird, im hochkalorischen Betrieb nicht eingesetzt wird. Daher kann diese Düse dazu verwendet werden, O2-abgereichertes Gas zu der Luft aus der ersten Düse zuzumischen, um den Sauerstofflieferant für die Verbrennung zur Verfügung zu stellen. Der Vorteil dieser Lösung gegenüber einem Vorsehen einer weiteren Düse für das O2-abgereicherte Gas ist, dass hierdurch die verwendeten Brennerlanzen beispielsweise nur drei und nicht vier Düsen aufweisen müssen. Dies vermindert insbesondere die Bautiefe und Baugröße eines aus einer oder mehrerer derartiger Brennerlanzen bestehenden Multigasbrenners.
  • Bevorzugt ist es, wenn als erste Düse eine äußere, als zweite Düse eine mittlere und als dritte Düse eine innere Düse der Brennerlanze gewählt wird. Durch die äußere Düse wird somit unabhängig vom niederkalorischen oder hochkalorischen Betrieb immer Luft in die Brennkammer eingeblasen. Das Brenngas wird im niederkalorischen Betrieb durch eine mittlere Düse eingeblasen, so dass das Brenngas nach Ausblasen aus der Düse von der eingeblasenen Luft umgeben wird und mit dieser gut vermischt wird und reagieren kann. In ähnlicher Weise ist dies auch im hochkalorischen Betrieb der Fall, bei dem die innere Düse zum Einblasen des hochkalorischen Brenngases eingesetzt wird. Durch die Verwendung der mittleren Düse für das O2-abgereicherte Gas ist es auch hier möglich, dass sich das durch die innere Düse eingeblasene hochkalorische Brenngas gut mit dem Sauerstofflieferanten für die Verbrennung, welche aus Luft und O2-abgereichertem Gas besteht, vermischen kann.
  • Bei der Verbrennung von niederkalorischen Gasen, wird bevorzugt mit λ-Werten im Bereich von ca. 1,05 bis ca. 1,2 gearbeitet. Infolge der geringen Heizwerte, zwischen 2000 kJ/mN 3 und 4000 kJ/mN 3, liegen die Verbrennungstemperaturen unterhalb 1300°C. Wie zuvor ausgeführt, muss in einem hochkalorischen Betrieb der Multigasbrenner mit höheren λ-Werten betrieben werden, um die notwendige Absenkung der Flammentemperatur zu erreichen. Je nach Heizwert des verwendeten hochkalorischen Gases, liegen die λ-Werte im Bereich von ca. 1,5 bis ca. 2,0. Bei der Verbrennung von Koksgas beispielsweise befindet sich der λ-Wert bevorzugt in einem Bereich um 1,6 wobei zwischen 15% und 30% des Sauerstofflieferanten für die Verbrennung O2-abgereichertes Gas ist.
  • Um die Verwendung des entstehenden Prozessgases in Kohlemahlanlagen oder anderen explosionskritischen Prozessen zu ermöglichen, wird der λ-Wert im niederkalorischen Betrieb und der λ-Wert sowie Zumischung von O2-abgereicherten Gas im hochkalorischen Betrieb derart eingestellt, dass die erzeugten heißen Prozessgase, die auch als Heißgase bezeichnet werden, einen O2-Gehalt von weniger als 10% aufweisen. Sofern es aufgrund von Explosionsschutzrichtlinien notwendig ist, kann auch ein geringerer Zielwert an O2-Gehalt im heißen Prozessgas durch eine entsprechende Anpassung der Zumischung von O2-abgereichertem Gas erreicht werden.
  • Im niederkalorischen Betrieb ist dies durch den im Vergleich geringen Brennwert des niederkalorischen Brenngases ohne größeren Aufwand zu erreichen.
  • Im hochkalorischen Betrieb ist es hierzu erforderlich, abhängig vom gewählten λ-Wert, ausreichend O2-abgereichertes Gas als einen Teil des Sauerstofflieferanten für die Verbrennung beizumischen. Das exakte Verhältnis von Luft zu O2-abgereichertem Gas im Sauerstoffträger für die Verbrennung hängt im Wesentlichen vom exakt verwendeten hochkalorischen Brenngas und dem dann verwendetem λ-Wert ab. Hierdurch ist es auch möglich, Sauerstoffgehalte im erzeugten Prozessgas zu erreichen, die weit unterhalb von 10% liegen.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Menge des Brenngases, die λ-Werte und die Zusammensetzung des Sauerstofflieferanten für die Verbrennung aus Luft und O2-abgereicherten Gas derart eingestellt werden, dass die gemessene Flammentemperatur einen Wert von ca. 1300°C nicht überschreitet. Hierbei wird der λ-Wert im Wesentlichen durch die Menge, das heißt dem Volumenstrom pro Zeiteinheit, des Brenngases und der Menge des Sauerstofflieferante für die Verbrennung bestimmt, da die Anteile des Sauerstofflieferanten für die Verbrennung, die nicht mit dem Brenngas reagieren, zur Kühlung und Absenkung der Flammentemperatur beitragen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird als O2-abgereichertes Gas ein rezirkuliertes Prozessgas z.B. aus einem Mahl-Trocknungsprozess, insbesondere aus einer Kohlenmahlanlage, verwendet. Bei einem Mahlbetrieb kohlenstoffhaltiger fester Brennstoffe mit Luftförderung, wie es beispielsweise bei Vertikalwälzmühlen mit Luftstromförderung der Fall ist, muss als Prozessgas ein Gas verwendet werden, welches einen Sauerstoffgehalt von weniger als 10% aufweist. Oft wird hierbei auch eine sogenannte Mahltrocknung durchgeführt, bei der die zu mahlende Kohle oder ein anderer Ausgangsstoff zusätzlich zur Zerkleinerung auch getrocknet wird. Hierzu sind wie bereits ausgeführt, heiße Prozessgase notwendig, die jedoch aus Explosionsschutzgründen einen Sauerstoffgehalt von weniger als 10% aufweisen müssen. Diese Prozessgase können als O2-abgereicherte Gase für den Betrieb des Multigasbrenners aus dem Mahlbetrieb abgezweigt werden. Werden die durch den Multigasbrenner erzeugten heißen Prozessgase zur Mahltrocknung eingesetzt, so werden diese anschließend wieder zurück in den Mahlprozess geführt, so dass in der Gesamtsumme dem Mahlprozess kein O2-abgereichertes Prozessgas entzogen wird. Es ist natürlich möglich auch aus anderen Quellen O2-abgereichertes Gas zu verwenden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird als hochkalorisches Gas Koksofengas und als niederkalorisches Gas Gichtgas verwendet. Oft werden Kohlemahlanlagen mit einem Heißgaserzeuger, der aus einem Multigasbrenner aufgebaut ist, im Rahmen der Erzaufbereitung und -verarbeitung, z.B. Verhüttungsprozessen, verwendet. Am oberen Rand des Hochofens entsteht Gichtgas, welches als günstiger Brennstoff für die Mahltrocknung und den Betrieb des Brenners zur Verfügung steht. Als hochkalorische Brenngase können beliebige Brenngase, wie beispielsweise Synthesegas, Koksgas oder Erdgas verwendet werden. Das niederkalorische Gas kann auch als Schwachgas und das hochkalorische Gas als Reichgas bezeichnet werden. Sofern im Rahmen der Erfindung auf Luft Bezug genommen wird, kann hierunter insbesondere normale Außenluft mit einem Sauerstoffgehalt von ca. 21% verstanden werden. Als Sauerstofflieferant für die Verbrennung werden im Rahmen der Erfindung diejenigen Gase bezeichnet, die dem Brenngas im Rahmen des Verbrennungsprozesses zugeführt werden. Alternativ kann der Sauerstoffträger oder -lieferant für die Verbrennung auch als Verbrennungsluft bezeichnet werden.
  • Im Rahmen der Erfindung kann unter einem niederkalorischen Gas ein Gas mit einem Brenn- oder Heizwert im Bereich von ca. 2.000 bis ca. 4.000 kJ/mN 3 und ein hochkalorisches Gas ein Gas mit einem Brennwert oder Heizwert im Bereich von ca. 10.000 bis ca. 40.000 kJ/mN 3 angesehen werden. Hierbei ist es für die Erfindung nicht zwingend wesentlich, welche Brennwerte das niederkalorische und das hochkalorische Gas haben, sondern dass das hochkalorische Gas einen höheren Brennwert als das niederkalorische Gas besitzt.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Multigasbrenner für den Betrieb mit einem nieder- und einen hochkalorischen Brenngas. Hierzu ist ein gattungsgemäßer Brenner mit einer Brennkammer, mindestens einer Brennerlanze mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Düse, einer ersten, einer zweiten und einer dritten Zuführungskammer, welche zum Zuführen von Gasen in die Brennkammer mit jeweils einer Düse strömungstechnisch verbunden sind, wobei die Düsen mit einem Ende in der Brennkammer und mit einem anderen Ende in jeweils einer Zuführungskammer enden und die Brennkammern im Bereich des Endes der Düsen eine Brennermuffel aufweist, wobei die erste Zuführungskammer zum Zuführen eines Sauerstoffträgers für die Verbrennung ausgebildet ist, die dritte Zuführungskammer zum Zuführen des hochkalorischen Brenngases ausgebildet ist, wobei die zweite Zuführungskammer zum Zuführen des niederkalorischen Brenngases und von O2-abgereichertem Gas ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet dass eine Zuführungseinrichtung zum Zuführen des niederkalorischen Brenngases und des O2-abgereicherten Gases in die zweite Zuführungskammer vorgesehen ist, welche ausgelegt ist entweder das niederkalorische Brenngas oder das 02 -abgereicherte Gas, abhängig vom Betriebsmodus des Multigasbrenners, in die zweite Zuführungskammer einzuleiten.
  • Bei gattungsgemäßen Brennerlanzen mit mindestens drei Düsen wird meist in einem ersten Betrieb eine Düse für den Sauerstofflieferant für die Verbrennung und eine zweite Düse für das erste Brenngas und in einem zweiten Betrieb eine dritte Düse für das zweite Verbrennungsgas und weiterhin die erste Düse für den Sauerstofflieferant für die Verbrennung verwendet.. Unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Idee, dass es bei der Verbrennung von hochkalorischen Gasen notwendig ist, den Multigasbrenner mit erhöhten λ-Werten im Vergleich zu einem niederkalorischen Betrieb zu betreiben, und folglich dass zur Einhaltung von maximalen Sauerstoffgehalten des erhitzten Prozessgases die Notwendigkeit besteht, O2-abgereichertes Gas der Luft beizumischen, wurde hierbei erkannt, dass die zweite Düse einer Brennerlanze beim hochkalorischen Betrieb im Gegensatz zum niederkalorischen Betrieb nicht verwendet wird und daher diese eine Doppelfunktion erfüllen kann. Diese Doppelfunktion kann in der Zuleitung des niederkalorischen Brenngases im niederkalorischen Betrieb und der Zuleitung des O2-abgereicherten Gases im hochkalorischen Betrieb gesehen werden.
  • Hierdurch ergibt sich im Gegensatz zur Verwendung von vier Düsen, die jeweils nur eine einzelne Funktion ausführen, der Vorteil, dass der erfindungsgemäße Multigasbrenner eine geringere Baugröße aufweist, Platz und Investitionskosten spart und er flexibler einsetzbar ist. Auch kann an Material und Auslegungskosten gespart werden, da eine Konstruktion einer Brennerlanze mit vier Düsen aufwändiger ist als die Verwendung einer Brennerlanze mit drei Düsen.
  • Hierbei kann eine Brennerlanze mit drei Düsen ein Außenrohr, ein Zentralrohr und ein zwischen dem Außen- und dem Zentralrohr angeordnetes Zwischenrohr aufweisen. Die Rohre sind jeweils zueinander koaxial ausgerichtet und zur Ausbildung von Ringspalten bzw. Strömungsquerschnitten beabstandet zueinander angeordnet. Die Brennerlanze ist somit aus drei koaxial ineinander steckenden Rohren aufgebaut, wobei jeder dadurch entstehende Strömungsquerschnitt an eine separate Zuführungskammer angeschlossen ist. Der Ringspalt zwischen dem Außen- und dem Zwischenrohr bildet eine äußere Düse, der Ringspalt zwischen dem Zwischen- und dem Zentralrohr eine mittlere Düse und das Zentralrohr die innere Düse aus.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Düse eine äußere Düse, die zweite Düse eine mittlere Düse und die dritte Düse eine innere Düse einer Brennerlanze. Ferner ist vorgesehen, dass die erste Düse mit der ersten Zuführungskammer, die zweite Düse mit der zweiten Zuführungskammer und die dritte Düse mit der dritten Zuführungskammer jeweils strömungstechnisch verbunden sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Luft im niederkalorischen als auch im hochkalorischen Betrieb durch die äußere Düse eingeleitet wird. Im niederkalorischen Betrieb wird durch die angrenzende mittlere Düse das niederkalorische Brenngas eingeleitet und somit eine gute Vermischung zwischen dem Brenngas und der Luft, welche der Sauerstofflieferant für die Verbrennung ist, ermöglicht.
  • Analog wird im hochkalorischen Betrieb durch die äußere Düse die Luft und durch die mittlere Düse das O2-abgereichterte Gas eingebracht, welche sich vorvermischen können. Durch die innere Düse wird das hochkalorische Brenngas eingebracht. Hierdurch ist wiederum eine gute Vermischung des Brenngases mit dem aus Luft und O2-abgereichertem Gas gebildeten Sauerstoffträger für die Verbrennung möglich.
  • Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die ausgelegt ist, in einem niederkalorischen Betrieb in die erste Zuführungskammer Luft, in die zweite Zuführungskammer das niederkalorische Brenngas einzuleiten und die Zuführung zur dritten Zuführungskammer zu sperren. Die Steuereinrichtung ist weiter derart ausgebildet, in einem hochkalorischen Betrieb in die erste Zuführungskammer Luft, in die zweite Zuführungskammer O2- abgereichertes Gas und in die dritte Zuführungskammer das hochkalorische Brenngas einzuleiten. Durch eine derartige Steuereinrichtung wird erreicht, dass nicht fälschlicherweise im niederkalorischen Betrieb zusätzlich zum niederkalorischen Brenngas O2-abgereichertes Gas in die zweite Zuführungskammer eingeleitet wird. Dies könnte zu einem unkontrollierten Brennverhalten in der Brennkammer führen.
  • Bevorzugt weist die Querschnittsfläche der ersten zur zweiten Düse und zur dritten Düse ein Verhältnis im Bereich von 4,4 - 5,0 : 5,9 - 6,3 : 1 insbesondere 4,7 ; 6,2 : 1 auf. Die Querschnittsverhältnisse können je nach verwendeten Gases auch davon abweichend ausgelegt werden und hängen im Wesentlichen vom verwendeten λ-Werten, dem niederkalorischen und hochkalorischen Brenngas, dem jeweiligen stöchiometrischen Luftbedarf der Gase und/oder dem Betriebs- oder Einblasedruck ab. Durch eine derartige Auslegung der Querschnittsflächen, welche im Wesentlichen den möglichen Durchfluss der entsprechenden Gase bestimmt, wird erreicht, dass mit dem so ausgebildeten Multigasbrenner in beiden Betriebsarten ausreichend Heißgas erzeugt werden kann. Insbesondere die Auslegung der zweiten Düse kann hierfür maßgeblich sein, da sie für zwei unterschiedliche Gase, einmal niederkalorisches Brenngas und im anderen Betriebszustand O2-abgereichtes Gas, verwendet wird.
  • Vorteilhaft ist es, wenn mehrere Brennerlanzen vorgesehen sind und die erste Düse jeder Brennerlanze strömungstechnisch mit der ersten Zuführungskammer, jede zweite Düse strömungstechnisch mit der zweiten Zuführungskammer und jede dritte Düse strömungstechnisch mit der dritten Zuführungskammer verbunden sind. Eine Brennerlanze stellt im Minimalfall einen kompletten Multigasbrenner dar. Die gewünschte Brennerleistung erzielt man durch die Wahl der Anzahl der Brennerlanze. Die einzelne Brennerlanze ist auf eine bestimmte Leistung normiert, sodass bei Vergrößerung des Brenners kein SCALE-UP vorgenommen werden muss. Hier spricht man von einem "Numbering-up", d.h. es müssen nicht bei jeder Brennerauslegung geänderte Kriterien ,hinsichtlich Geometrie, Strömungsverhalten etc. berücksichtigt werden. Durch die Verwendung von mehreren Brennerlanzen in dem Multigasbrenner kann insgesamt eine höhere Leistung des Multigasbrenners erzielt werden. Außerdem kann durch die Verwendung von Brennerlanze ein besseres Regelverhalten erreicht werden. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die "gegenseitige Unterstützung" eines Brennerlanzebündels, d.h. dass man die Leistung herunterregeln kann und die Vielzahl der Brennerlanzen immer wieder als "Zündquelle" dient, so dass die einzelne Flamme nicht erlischt. So sind Regelverhältnisse bis 1:15 selbst bei niederkalorischen Gasen möglich, obwohl der Vordruck der an der Verbrennung beteiligten Komponenten im Niederdruckbereich liegt.
  • Dadurch, dass nur drei Zuführungskammern vorgesehen sind, erleichtert sich insgesamt der Aufbau des Multigasbrenners.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine prozesstechnische Anlage mit einem erfindungsgemäßen Multigasbrenner und einer Mahlanlage für feste Brennstoffe z. B. einer Kohlenmahlanlage. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Wälzmühle handeln, wobei die Kohlenmahlanlage als Einrichtung vorgesehen ist, um als Quelle für O2-abgereichertes Gas eingesetzt zu werden. Bei dem O2-abgereicherten Gas kann es sich um rezirkuliertes Prozessgas aus dem Mahlprozess, insbesondere einem Mahltrocknungsprozess, handeln. Natürlich ist eine derartige Konstellation auch für jeden anderen thermischen Prozess anwendbar, d.h. Verwendung mehrerer Gase, niedrige O2-Gehalte im Prozessgas und deren Verwendung als Rezigas, hohe Regelverhältnisse etc..
  • Mittels einer Steuereinrichtung, die auch als Steuer- und Reglereinrichtung ausgelegt sein kann, werden die Zuströmungen der verschiedenen Gase, des hochkalorischen Brenngases, des niederkalorischen Brenngases, der Luft und des O2-abgereicherten Gases abhängig vom Betriebsmodus entsprechend eingestellt. Hierbei erfolgt die Steuerung beziehungsweise Regelung derart, dass in einem hochkalorischen Betrieb der notwendige Heizwert mit einer Flammentemperatur unterhalb von 1.300°C und bei einem maximalen Sauerstoffgehalt, von insbesondere unter 10%, des heißen Prozessgases erreicht wird. In analoger Weise werden die Zuflüsse im niederkalorischen Betrieb durch die Steuer- und Regelungseinrichtung derart gesteuert, dass ein ausreichender Heizwert erreicht wird, ohne eine zu hohe Flammentemperatur zu erreichen. Bei der Verwendung niederkalorischer Gase bedingt der niedrige Heizwert niedrige Verbrennungstemperaturen, so dass hier keine wesentlichen O2-Probleme im Prozessgas auftreten. Die jeweiligen Eigenschaften können insbesondere durch das Einstellen der Mengen der verwendeten Gase sowie das Verhältnis der Gase zueinander festgelegt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:
    • Fig.1:
    einen vereinfachten Aufbau eines erfindungsgemäßen Multigasbrenners; und
    Fig.2:
    ein Prozessdiagramm einer Kohlemahlanlage mit erfindungsgemäßem Multigasbrenner.
  • In Fig. 1 ist ein vereinfachter Aufbau eines erfindungsgemäßen Multigasbrenners 1 dargestellt. Der hier gezeigte Multigasbrenner 1 weist zwei Brennerlanzen 10 auf, die jeweils als Dreilanzenbrenner oder Dreidüsenlanzen ausgeführt sind und eine erste Düse 11, eine zweite Düse 12 und eine dritte Düse 13 aufweisen. Die Brennerlanzen 10 enden jeweils in einer Brennkammer 3.
  • Ferner weist der erfindungsgemäße Multigasbrenner 1 eine erste Zuführungskammer 21, eine zweite Zuführungskammer 22 und eine dritte Zuführungskammer 23 auf. Die Düsen 11, 12, 13 der Brennerlanze 10 sind durch drei koaxial zueinander ausgerichtete Rohre ausgebildet. Die erste Düse 11 endet in der ersten Zuführungskammer 21. Die zweite Düse 12 endet in der zweiten Zuführungskammer 22 und die dritte Düse 13 endet in der dritten Zuführungskammer 23. Hierbei können die Düsen 11, 12, 13 beziehungsweise die Endrohre jeweils mit flanschartigen Verbindungen an der Innenwandung der jeweiligen Zuführungskammer 21, 22, 23 befestigt sein. Des Weiteren ist mittig in dem Multigasbrenner 1 ein Startbrenner 17 vorgesehen, der zum Starten des Multigasbrenners 1 verwendet wird.
  • Ferner ist eine Zuführung 31 zur ersten Zuführungskammer 21, eine Zuführung 32 zur zweiten Zuführungskammer 22 und eine Zuführung 33 zur dritten Zuführungskammer 23 vorgesehen. Des Weiteren ist eine zusätzliche vierte Zuführung 34 vorgesehen, welche ebenfalls in der zweiten Zuführungskammer 22 endet. Die Zuführungen 31, 32, 33, 34 weisen Ventile auf, die über eine Steuereinrichtung 36 gesteuert werden können.
  • Die Zuführung 31 ist mit einer Luftquelle verbunden. Hierbei handelt es sich um normale Außenluft. Die Zuleitung 32 ist mit einer Quelle für ein niederkalorisches Brenngas verbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise um Gichtgas handeln. Derartige niederkalorische Brenngase werden auch als Schwachgase bezeichnet. Die Zuleitung 33 ist mit einer Quelle für ein hochkalorisches Brenngas, welches auch als Reichgas bezeichnet werden kann, verbunden. Die Zuleitung 34 wiederum ist mit einer Quelle für O2-abgereichertes Gas verbunden. Dieses kann insbesondere einen O2-Gehalt von weniger als 10% aufweisen.
  • Für einen niederkalorischen Betrieb steuert die Steuereinrichtung 36 die Ventile der Zuführung 31, 32, 33 und 34 derart, dass in die erste Zuführungskammer 21 über die Zuleitung 31 Luft und in die zweite Zuführungskammer 22 über die Zuführung 32 ein niederkalorisches Brenngas einströmen. Die anderen beiden Zuleitungen 33 und 34 sind hierbei geschlossen. Das Verhältnis von Luft, welche durch die Düse 11 in die Verbrennungskammer 3 und dem niederkalorischen Gas, welches durch die Düse 12 in die Verbrennungskammer 3 strömt, wird derart eingestellt, dass der λ-Wert im Bereich von 1,1 liegt.
  • Für einen hochkalorischen Betrieb öffnet die Steuereinrichtung 36 die Ventile der Zuleitungen 31, 33 und 34. Hierdurch strömt Luft in die Zuführungskammer 21, O2-abgereichtes Gas in die Zuführungskammer 22 und hochkalorisches Gas in die Zuführungskammer 23. Über die Düsen 11, 12, 13 können diese Gase in die Verbrennungskammer 3 strömen und dort miteinander reagieren.
  • Hierbei steuert die Steuereinrichtung 36 den Zustrom der Luft, des O2-abgereicherten Gases und des hochkalorischen Brennungsgases derart, dass ein λ-Wert im Bereich von 1,6 eingestellt ist, wobei ungefähr 30% des Sauerstoffträgers für die Verbrennung O2-abgereichertes Gas ist. Am verbrennungskammerseitigen Ende der Brennerlanze 11 können im Bereich des jeweiligen Endes der Düsen Dralleinrichtungen vorgesehen sein, um die ausströmenden Gase gut miteinander zu vermischen.
  • Alternativ zur Zuführung 34 sind auch andere Ausführungsformen möglich bei denen die Kammer 22 sowohl mit dem niederkalorischen Brenngas als auch dem O2-abgereicherten Gas versorgt werden kann. Beispielsweise ist es denkbar, über die Zuführung 32 sowohl niederkalorisches Gas als auch O2-abgereichertes Gas einleiten zu können. Dies kann durch eine entsprechende Zuleitung und ein Dreiwegeventil ermöglicht werden. In diesem Fall kann auf die Zuleitung 34 verzichtet werden.
  • In Fig. 2 ist ein Prozessdiagramm einer Kohlemahlanlage mit einem Heißgaserzeuger dargestellt, welcher einen erfindungsgemäßen Multigasbrenner 10 verwendet.
  • Ein zentrales Element der hier dargestellten prozesstechnischen Anlage ist zum einen die Mühle-Sichter-Kombination 52, welche beispielsweise eine Vertikalwälzmühle mit Umluftbetrieb, insbesondere eine LOESCHE-Wälzmühle, sein kann. Zum anderen ist ein Heißgaserzeuger 51 vorgesehen, der einen erfindungsgemäßen Multigasbrenner 10 aufweist. Der Heißgaserzeuger 51 dient zur Erzeugung von heißen Prozessgasen beziehungsweise deren Erwärmung, die im Rahmen des Mahlprozesses in der Mühle-Sichter-Kombination 52 verwendet werden, um das zu mahlende Gut, in diesem Fall Rohkohle, zusätzlich zum Mahlprozess zu trocknen. Hierzu ist eine Heißgaszuführung 54 zwischen dem Heißgaserzeuger 51 und der Mühle-Sichter-Kombination 52 vorgesehen.
  • Eine Kohlemahlanlage ist hier bei lediglich als ein Beispiel für eine prozesstechnische Anlage zu sehen bei der ein Heißgaserzeuger 51 verwendet wird. Anstelle eine Mühle-Sichter-Kombination 52 können auch anderer Anlagenteile vorgesehen sein, bei denen erzeugtes heißes Prozessgas verwendet wird.
  • Über einen Kohlebunker 61 wird die zu mahlende Rohkohle der Mühle-Sichter-Kombination 52 zugeführt. In der Mühle-Sichter-Kombination 52 wird die Rohkohle zu Staub vermahlen und mit Hilfe des Heißgases, welches über die Zuführung 54 in die Mühle-Sichter-Kombination 52 strömt, getrocknet und in Richtung eines Filters 62 mittels Luftstrom transportiert.
  • Im Filter 62 wird der erzeugte Kohlenstoffstaub abgeschieden und einem Staubbunker 63 zugeführt. Aus dem Staubbunker 63 kann der Kohlenstoffstaub dann abgezogen werden und seiner Verwendung, beispielsweise für PCI-Verfahren, zugeführt werden. Das vom Staub gereinigte Prozessgas, welches mittlerweile auch abgekühlt ist, wird über eine Prozessgasrückführung 56 erneut zum Heißgaserzeuger 51 geleitet. Hier wird es durch die Verbrennungsenergie erwärmt und zurück über die Heißgaszuführung 54 zur Mühle-Sichter-Kombination 52 geleitet.
  • Der Multigasbrenner 10 des Heißgaserzeugers 51 weist vier unterschiedliche Zuführungen auf. Zuführung 71 dient zur Zuführung eines niederkalorischen Brenngases, beispielsweise Gichtgas, Zuführung 72 zur Zuführung von Luft, Zuführung 73 zur Zuführung eines hochkalorischen Brenngases, beispielsweise Koksgas und Zuführung 74 zur Zuführung von Gas zum Startbrenner. Hierfür kann beispielsweise Erdgas verwendet werden.
  • Um nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Befeuerung des Multigasbrenners mit dem hochkalorischen Gas auch O2-abgereichertes Gas der Luft zumischen zu können, ist es ferner vorgesehen, in die Prozessgasrückführung 56 eine Rezigasabzweigung 57 vorzusehen. Diese endet an einer Rezigaszuführung 76, welche in die Zuleitung für das niederkalorische Brenngas endet.
  • Somit ist es möglich, abhängig von der gewählten Betriebsart des Multigasbrenners 10 des Heißgaserzeugers 1 das niederkalorische Brenngas über die Zuführung 71 zuzuführen oder Rezigas als O2-abgereicherten Gas, welches aus dem rezirkulierten Prozessgas gewonnen wird. Dieses rezirkulierte Prozessgas wird auch als Rezigas bezeichnet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Multigasbrenner ist es somit möglich, sowohl niederkalorische Gase wie auch hochkalorische Gase unter Einhaltung der umweltschutz- und sicherheitstechnischen Vorgaben für die Erzeugung von heißen Prozessgasen zu verwenden.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Multigasbrenners (1) in einem niederkalorischen Betrieb mit einem niederkalorischen Brenngas und in einem hochkalorischen Betrieb einem hochkalorischen Brenngas, wobei der Multigasbrenner (1)
    - mindestens eine Brennerlanze (10) mit einer ersten (11), einer zweiten (12) und einer dritten Düse (13),
    - eine erste (21), eine zweite (22) und eine dritte Zuführungskammer (23), die jeweils mit einer Düse (11, 12, 13) strömungstechnisch verbunden sind, und
    - eine Brennkammer (3), in die die mindestens eine Brennerlanze (10) hineinragt, aufweist, wobei
    in einem hochkalorischen Betrieb gleichzeitig über die erste Düse (11) Luft, über die zweite Düse (12) O2-abgereichertes Gas und über die dritte Düse (13) ein hochkalorisches Brenngas in die Brennkammer (3) geleitet werden und dort zum Verbrennen gebracht werden, wobei die Luft und das O2-abgereicherte Gas als Sauerstoffträger für die Verbrennung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet,
    dass in einem niederkalorischen Betrieb gleichzeitig über die erste Düse (11) Luft als Sauerstoffträger für die Verbrennung und über die zweite Düse (12) ein niederkalorisches Brenngas in die Brennkammer (3) geleitet werden und dort zum Verbrennen gebracht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als erste Düse (11) eine äußere, als zweite Düse (12) eine mittlere und als dritte Düse (13) eine innere Düse gewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Multigasbrenner (1) im niederkalorischen Betrieb mit einem λ-Wert im Bereich von ca. 1,05 bis ca. 1,2 betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Multigasbrenner (1) im hochkalorischen Betrieb mit einem λ-Wert von ca. 1,4 bis ca. 2,0 betrieben wird, wobei ca. 15% bis 30% des Sauerstofflieferanten aus dem O2-abgereicherten Gas stammen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der λ-Wert im niederkalorischen Betrieb und der λ-Wert sowie die Zumischung von O2-abgereichertem Gas im hochkalorischen Betrieb derart eingestellt werden, dass die Heißgase einen O2-Gehalt von weniger als 10% aufweisen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Menge des Brenngases, der λ-Wert und die Zusammensetzung des Sauerstoffträgers für die Verbrennung aus Luft und O2-abgereichertem Gas derart eingestellt wird, dass eine Flammentemperatur von 1300°C nicht überschritten wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als O2-abgereichertes Gas ein rezirkuliertes Prozessgas aus einem Mahlbetrieb, insbesondere einer Mahlanlage für feste Brennstoffe, verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als hochkalorisches Gas Koksofengas und als niederkalorisches Gas Gichtgas verwendet wird.
  9. Multigasbrenner (1) für einen niederkalorischen Betrieb mit einem niederkalorischen Brenngas und für und einen hochkalorischen Betrieb mit einem hochkalorischen Brenngas mit
    - einer Brennkammer (3),
    - mindestens einer Brennerlanze (10) mit einer ersten (11), einer zweiten (12) und einer dritten Düse (13),
    - einer ersten (21), zweiten (22) und dritten Zuführungskammer (23), welche zum Zuführen von Gasen in die Brennkammer mit jeweils eine Düse (11, 12, 13) strömungstechnisch verbunden sind,
    - wobei die Düsen (11, 12, 13) mit einem Ende in der Brennkammer (3) und mit einem anderen Ende in jeweils einer Zuführungskammer (21, 22, 23) enden,
    - wobei die Brennkammer (3) im Bereich des Endes der Düsen (21, 22, 23) eine Brennermuffel aufweist,
    wobei die erste Zuführungskammer (21) zum Zuführen eines Sauerstoffträgers für die Verbrennung ausgebildet ist,
    wobei die dritte Zuführungskammer (23) zum Zuführen des hochkalorischen Brenngases ausgebildet ist, wobei
    die zweite Zuführungskammer (22) zum Zuführen des niederkalorischen Brenngases und von O2-abgereichertem Gas ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführungseinrichtung (32, 34) zum Zuführen des niederkalorischen Brenngases und des O2-abgereicherten Gases in die zweite Zuführungskammer (22) vorgesehen ist, welche ausgelegt ist, entweder das niederkalorische Brenngas oder das O2-abgereicherte Gas, abhängig vom Betriebsmodus des Multigasbrenners (1), in die zweite Zuführungskammer (22) einzuleiten.
  10. Multigasbrenner (1) nach Anspruch 9
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Düse (11) eine äußerste Düse, die zweite Düse (12) eine mittlere Düse und die dritte Düse (13) eine innere Düse der Brennerlanze (10) sind, dass die erste Düse (11) mit der ersten Zuführungskammer (21) strömungstechnisch verbunden ist,
    dass die zweite Düse (12) mit der zweiten Zuführungskammer (22) strömungstechnisch verbunden ist und,
    dass die dritte Düse (13) mit der dritten Zuführungskammer (23) strömungstechnisch verbunden ist.
  11. Multigasbrenner (1) nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die ausgelegt ist in einem niederkalorischen Betrieb in die erste Zuführungskammer (21) Luft, in die zweite Zuführungskammer (22) das niederkalorische Brenngas einzuleiten, und die Zuführung zur dritten Zuführungskammer (23) zu sperren,
    und dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, in einem hochkalorischen Betrieb in die erste Zuführungskammer (21) Luft, in die zweite Zuführungskammer (22) O2-abgereichertes Gas und in die dritte Zuführungskammer (23) das hochkalorische Brenngas einzuleiten.
  12. Multigasbrenner (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Verhältnis der Querschnittsflächen der ersten (11) zur zweiten (12) zur dritten Düse (13) zueinander von den verwendeten λ-Werten, dem niederkalorischen und hochkalorischen Brenngas und/oder dem jeweiligen stöchiometrischen Luftbedarf abhängig ist und insbesondere im Bereich von ca. 4,5 - 4,9 : 6,0 - 6,4 : 1 liegt.
  13. Multigasbrenner (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Brennerlanzen (10) vorgesehen sind und dass jede erste Düse (11) strömungstechnisch mit der ersten Zuführungskammer (21), jede zweite Düse (12) mit der zweiten Zuführungskammer (22) und jede dritte Düse (13) mit der dritten Zuführungskammer (23) strömungstechnisch verbunden ist.
  14. Prozesstechnische Anlage
    mit einem Multigasbrenner (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13 und mit einem thermischen Prozess wobei als O2-abgereichertes Gas rezirkuliertes Prozessgas aus dem thermischen Prozess verwendet wird.
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