EP3228935B1 - Verfahren zur stickoxid-armen verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen brennstoffen, insbesondere kohlenstaub, ein brenner und eine feuerungsanlage zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur stickoxid-armen verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen brennstoffen, insbesondere kohlenstaub, ein brenner und eine feuerungsanlage zur durchführung des verfahrens Download PDF

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EP3228935B1
EP3228935B1 EP16164523.9A EP16164523A EP3228935B1 EP 3228935 B1 EP3228935 B1 EP 3228935B1 EP 16164523 A EP16164523 A EP 16164523A EP 3228935 B1 EP3228935 B1 EP 3228935B1
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EP
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air
fuel
burner
slots
furnace
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Hans-Ulrich Thierbach
Stefan Hamel
Anojan Santhirasegaran
Samir Nasri
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Steinmueller Engineering GmbH
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Steinmueller Engineering GmbH
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    • F23L9/00—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel 
    • 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 
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    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
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    • F23C6/047—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure with fuel supply in stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C5/00—Disposition of burners with respect to the combustion chamber or to one another; Mounting of burners in combustion apparatus
    • F23C5/08—Disposition of burners
    • F23C5/32—Disposition of burners to obtain rotating flames, i.e. flames moving helically or spirally
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2201/00—Staged combustion
    • F23C2201/10—Furnace staging
    • F23C2201/101—Furnace staging in vertical direction, e.g. alternating lean and rich zones
    • 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 
    • F23C2201/00—Staged combustion
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2201/00—Burners adapted for particulate solid or pulverulent fuels
    • F23D2201/10—Nozzle tips
    • F23D2201/101—Nozzle tips tiltable
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2201/00—Burners adapted for particulate solid or pulverulent fuels
    • F23D2201/20—Fuel flow guiding devices

Definitions

  • the invention relates to methods for the combustion of solid, liquid or gaseous fuels, in particular pulverized coal, a burner and a furnace for carrying out the method.
  • Lignite makes a significant contribution to power generation.
  • Lignite usually contains a high water content, which is evaporated during comminution in the mill by mixing with hot, extracted from the furnace flue gas flue gas. This results in a particle-carrier gas mixture which contains a high proportion of water vapor and impairs the ignition properties at the fuel outlet. Due to the large transport gas volume flows in conjunction with the resulting from the lower calorific value larger lignite mass flows, resulting in compliance with predetermined speeds of the carrier gas-particle mixture large cross sections for the burner.
  • Lignite dust burners are usually used as jet burners (also called register or slot burners) with rectangular cross-sections.
  • air nozzles are provided in the middle planes but also above and below the dust outlet for supplying under-air, middle air and upper air.
  • the burner is divided into two fingers, which in turn are separated horizontally by a core air.
  • Below the lower finger is the sub-air supply, between both fingers the intermediate or middle air and above the upper burner finger the upper air.
  • the DE 37 31 271 C2 describes a lignite-jet burner, which admits flue gas between the lower, middle and upper air opening and the associated dust-carrier gas mixture cross section in each case by a further cross-section to separate the air from the fuel.
  • the defined goal was to achieve a delayed ignition to avoid combustion peak temperatures and thereby reduce the slagging tendency of the firebox by lignite ash.
  • a separation of the particle-carrier gas mixture in a particle-enriched and a depleted fraction by means of so-called Brüdentrennung be useful.
  • An apparatus for this purpose discloses DE-OS 29 33 528 A1 wherein a swirl body in the dust line from the mill to the burners ensures that a fuel-rich and a fuel-lean (vapor) partial flow is produced, which is then fed to individual burners. After this type of "Brüdentrennung" the partial streams are passed to jet burners, wherein the fuel-enriched partial flow to two burners (main burner) in the lower combustion chamber area and the fuel-poor vapor stream is passed to a separate burner above the main burner.
  • Tangential firing means that the burners fire from the wall or from the corners tangentially on an imaginary circle, the so-called burning circle or fire circle.
  • the interaction of all burners causes a rotating flow in the furnace and thus substantially improved mixing, homogenization of the temperature field and increase the residence time.
  • Such tangential firings are for example in the DE-OS 35 31 571 as wall firing or in the DE-PS 195 14 302 C2 described as corner firing.
  • the radial gradation of the air with respect to the firing circle is described by means of angled air nozzles.
  • DE890254C describes a method according to the preamble of claim 1.
  • NO x nitrogen oxides
  • NO x The formation of NO x is subject to complex reaction mechanisms, the most important NO x sources being the oxidation of the nitrogen of the combustion air (thermal NO x ) and the oxidation of the fuel nitrogen (fuel NO x ).
  • Thermal NO x is formed essentially at temperatures greater than about 1200 ° C to 1500 ° C, because only at these temperatures the molecular oxygen present in the air changes noticeably into atomic oxygen (thermal oxidation) and with the nitrogen of the air combines.
  • the rate of formation of the thermal NO x depends exponentially on the temperature and is proportional to the oxygen concentration.
  • the primary nitrogen compounds contained in the fuel first disintegrate into secondary nitrogen compounds (simple amines and cyanides), which are competitively converted to either NO x or N 2 in the course of combustion.
  • secondary nitrogen compounds simple amines and cyanides
  • NO x is competitively converted to either NO x or N 2 in the course of combustion.
  • N 2 is preferred or the formation of NO x is suppressed or even reversed.
  • the formation of fuel NO x is only slightly dependent on temperature and proceeds even at low temperatures.
  • the measures to reduce NO x emission are aimed at lowering the combustion temperature and generating a lack of oxygen during combustion.
  • stage burners In such stage burners, the entire combustion air is divided into primary air and stage air. A part of the recirculated flue gas is fed with the primary air through the burner core, the other supplied with cold fresh air as a step air.
  • thermo NO x An essential feature in furnaces with several superimposed burner levels is that the temperature profile of the flue gas has a maximum along the longitudinal axis of the combustion chamber. In the area around the temperature maximum, in the so-called high temperature range, an increased formation of thermal NO x begins.
  • a further reduction of the NO x emission can therefore be achieved by targeted influencing of the combustion process in the combustion chamber, for example by an additional air or fuel staging.
  • the burners receive only part of the amount of air necessary for complete combustion.
  • the remaining air is e.g. in the so-called OFA process (over-fire-air) blown above the burner in the furnace.
  • nitric oxide combustion of coal dust in a combustion chamber is known to supply the oxidizing agent, usually in the form of air, stepped.
  • the fuel eg lignite dust
  • the fuel is introduced with the secondary air into the combustion chamber, eg by means of jet burners installed in the combustion chamber wall, in such a way that initially only substoichiometric combustion can take place. This ensures that the least possible NO x is produced or reduced in a subsequent reduction zone.
  • a further addition of air takes place above the jet burners in a so-called air staging.
  • the DE 35 31 571 A1 discloses a method for burning fuels while reducing the nitrogen oxide load and a furnace for carrying out the method.
  • coal dust in particular is introduced tangentially into a rectangular or square combustion chamber via main burners and, in addition, reduction fuel is introduced into the combustion chamber via reduction burners for reducing the nitrogen oxides formed during the combustion of the main fuel and burned in a substoichiometric manner.
  • combustion air is supplied to the conversion of the main fuel above the supply of main and reduction fuel. The supply of all reactants is done in such a way that a helical ascending flow is built up in the furnace.
  • the reduction burner near its associated main burner are arranged at least with a lateral distance and aligned so that when operating the Tangential85ung the injected over the reduction burner reducing fuel is mixed at a predetermined location in the main burner to be assigned primary flame.
  • the burner consists of one or more main burners and fuel nozzles are limited horizontally by under air nozzles, intermediate air nozzles and top air nozzles, on each side of each fuel nozzle additional side air nozzles are arranged without lateral distance to the fuel nozzles.
  • the additional side air nozzles may have the same vertical extent as the fuel nozzles or may extend over the entire vertical length of the main burner.
  • the axes of the main burner are directed to a circle of the combustion chamber longitudinal axis.
  • the main burner consists of three rectangular fuel nozzles, which are bounded below by the lower air nozzle and above by the upper air nozzle. Between the individual fuel nozzles intermediate air nozzles are arranged. The under air nozzles, the upper air nozzles and the intermediate air nozzles are arranged over the entire width of the fuel nozzle. About the fuel nozzles, the pulverized coal-flue gas mixture is entered into the combustion chamber.
  • the fuel nozzles have center-core air pipes or nozzles in a cross-shaped arrangement.
  • FIG. 1 Further modifications of the pulverized coal burners for raw lignite fired steam generators are carried out mainly as register burners or as slot burners.
  • the geometry of the burner depends essentially on the air and pulverized coal mass flows used.
  • the applicant uses in the prior art three basic variants, one of which in FIG. 1 will be shown.
  • the variant shown is equipped with two burner fingers, each burner finger having horizontal central core air pipes or nozzles.
  • the burner fingers are horizontally limited by the lower air slot, intermediate air slot and upper air slot.
  • the central core air pipes divide the burner finger into two burner half fingers and, in addition to participating in the combustion process, also cool the dust fingers when the burner is out of operation.
  • the main secondary air flow is injected above, below and below the fuel jet.
  • the distinguishing feature of this conventional burner is the horizontal stratification between coal dust flow and the main secondary airflow.
  • This air staging on the one hand to the total fuel jet recirculation of hot flue gas, which is required for a reliable ignition.
  • this air staging reduces the primary pollutant emissions, in particular nitrogen oxide formation, due to the reduction of the O 2 supply by a low air ratio (air / fuel ratio) in the burner belt area. Because of the horizontal stratification of combustion air and coal dust, a slow mixing of the two components is achieved.
  • the technical object is achieved by a method for the combustion of solid, liquid or gaseous fuels, in particular pulverized coal, in which the fuel stream is introduced and burnt into a combustion chamber via one or more main burners, wherein the fuel stream of the respective main burner is introduced into the combustion chamber via a fuel slot or via a plurality of fuel slots arranged in a vertical plane, wherein additional burner air (secondary air) is introduced via louvers or air nozzles in the firebox; wherein a portion of the additional burner air is introduced into the combustion chamber by means of horizontally extending rows of louvers or air nozzles, the fuel flow being limited by the burner air introduced through these louvers or air nozzles above and below; optionally further burner air by means of one or more horizontally extending rows of louvers or Air nozzles is introduced into the combustion chamber, wherein the fuel flow is divided horizontally by this burner air;
  • the other part of the burner air is introduced via unilaterally arranged air slots or air nozzles which extend at least over the entire vertical extent of all
  • the term "stratification" means that at least two adjacent layers of mass flows are produced, for example, in the horizontal stratification, the alternating layers of burner airflow (eg injected via the top air nozzles, under air nozzles, intermediate air nozzles and center core air nozzles) and fuel flow, ie a line along the vertical happens different layers. In the vertical stratification, there are alternating layers of fuel flow and side air flow, ie a line along the horizontal passes through different layers.
  • the term "grading" means that within a mass flow, ie within a layer of the fuel stream or an air stream, there is a different density of the particles. In a horizontal grading, or in a "radial grading" with respect to lying in a horizontal plane imaginary Feuernik, the concentration or density of the particles of the respective stream changes along a horizontal line. One could therefore speak of a horizontal gradient.
  • louvers or air nozzles which extend over at least the entire vertical extent of all fuel slots of the main burner, is to be understood according to the invention that such by Siemensschlitze- or nozzles only on one side of the Brenners are arranged, and not on both sides.
  • burner air or “secondary air” refers to the air that is introduced into the combustion chamber by means of separate air slots or air nozzles immediately adjacent to the fuel slots or fuel nozzles. If air is used as the carrier medium or part of it for the fuel, and thus introduced via the fuel slots or fuel nozzles, this is referred to as primary air.
  • the additional burner air is introduced through horizontally extending rows of louvers or air nozzles in the firebox. These are arranged at least above the uppermost fuel slot and below the lower fuel slot. Thus, the fuel flow is limited by the burner air introduced through these horizontally extending rows of louvers or air nozzles above and below.
  • Coal dust or preferably a pulverized coal / flue gas mixture is preferably introduced into the combustion chamber via the fuel slots.
  • the burner air flow is introduced into the combustion chamber via lateral air slots or air nozzles, wherein the distance between the center of the air slot and the air nozzle to the adjacent edge of the fuel slot is at most 1 ⁇ 2 of the horizontal dimension of the fuel slot.
  • a helical, ascending flow is built up in the combustion chamber, wherein preferably introduced via the lateral louvers or air nozzles in the combustion chamber burner air flow is introduced relative to the direction of rotation of the helical flow leading to the fuel flow.
  • the vertical stratification between the fuel stream and the burner air stream is configured such that the layer of burner airflow passes between the wall of the furnace and the fuel stream, and the fuel stream passes between the burner air stream and the central longitudinal axis of the furnace.
  • a method is preferred in which the ratio of the vertical extent to the horizontal extent of the layer of the fuel stream of a Main burner at the exit into the furnace at least 1.0: 1, preferably at least 1.5: 1, more preferably at least 2.0: 1, even more preferably at least 2.5: 1, more preferably at least 3.0: 1, still more preferably at least 3.5: 1 and more preferably at least 4.0: 1. These measures promote the formation of vertical stratification.
  • further burner air is introduced into the combustion chamber by means of one or more horizontal rows of louvers or air nozzles, whereby the fuel flow is divided horizontally by this burner air.
  • the amount of burner air introduced into the combustion chamber via the one or more horizontally extending rows of air slots or air nozzles increases in the direction of side air slots or side air nozzles.
  • a radial air staging is generated.
  • the air staging takes place on the burner from the furnace in the radial direction. This means that the side air is injected so that it forms a relative to the firing circle outside fog.
  • the injected air quantity is increased in the direction of rotation of the combustion chamber flow (ie towards the outside).
  • the radial air staging also provides a predominantly oxidizing atmosphere near the wall, which is an important criterion for suppressing corrosion. Oxygen, ie oxidizing conditions, on the wall prevent corrosion of the furnace walls.
  • the burner air is introduced by means of one or more horizontally extending rows of louvers or air nozzles in the combustion chamber, wherein the fuel flow is limited above and below, and optionally divided horizontally.
  • the amount of burner air introduced via these louvers or air nozzles increases from top to bottom, from bottom to top or from above and below in the direction of the center of the burner, ie it will be a generated vertical air grading. It is a vertical air staging, because along the vertical, the amount of injected air is varied.
  • This vertical air staging is preferably done together with the above-described radial air staging for advantageous operation in the burner.
  • different amounts of air are set in the sub-air, upper air and possibly intermediate air.
  • the sidewall air can be varied over the height.
  • the exact setting depends on the fuel properties, such as fineness, water content and reactivity, but also on the furnace geometry and flow.
  • An advantageous setting can preferably be made so that the amount of air in the sub-air is set larger than in the intermediate air and the upper air. The reason for this is, depending on the reactivity of the coal and / or depending on the fineness of grinding, to increase the amount of under-air in order to reduce unburned particles falling into the hopper.
  • the burner allows a two-dimensional air staging (in radial and vertical direction) to allow optimal adaptation to the current fuel.
  • a radial fuel staging is performed, that is, the concentration of fuel flow increases along the horizontal, within the fuel flow along the horizontal from the side bounded by the side airflow to the opposite side.
  • the particle density in the fuel stream increases.
  • the radial fuel staging takes place counter to the direction of the radial air staging.
  • the difference in the concentration of the fuel at the fuel outlet (of the fuel slot) at the edge facing the side air stream is at least 5% compared to the opposite edge.
  • the design of the feed passage for the fuel outlet is carried out such that local local enrichment of the fuel particle stream takes place through the flow guide.
  • the formation of primary NO x is thus further suppressed.
  • the burner includes flow diversion means in the fuel slots or in the feed slots of the fuel slots to increase the concentration of fuel flow introduced through the fuel slots from the side of the side air slots or nozzles to the opposite side. In this case, a radial fuel staging is generated.
  • These means of flow diversion in the fuel slots or their feed channels are selected from the group consisting of i) a one-sided taper of the feed channel, the taper being located in the feed channel on the side adjacent to the side air slots; ii) harassment; iii) steering flaps; iv) curvature of the feed channel.
  • the particles are guided by flow deflection on the side of the burner, which is opposite to the side of the side air nozzles or the side air flow.
  • the mixing of the combustion air is delayed in the carrier gas fuel stream and it forms a more extensive degassing.
  • a zone of sub-stoichiometric combustion is formed.
  • the air flow introduced via the lateral air slots or air nozzles is aligned such that it is introduced into the combustion chamber at an angle of 2 ° to 20 °, preferably 5 ° to 15 °, away from the orientation of the fuel flow becomes. This also delays the mixing of the combustion air into the carrier gas fuel stream, which leads to a reduction in the production of NO x .
  • a further preferred measure results in a more extensive degassing zone with substoichiometric combustion, which leads to a reduction in the production of NO x .
  • the fuel flow at an angle of 2 ° to 30 °, preferably from 5 ° to 15 °, with respect to the horizontal inclined downwards introduced into the furnace.
  • the undefined ignition, the unequal distribution of the fuel and the undefined mixing of the combustion air and their negative effects on the NO x -emissons can be eliminated.
  • the invention enables improved combustion with reduced NO x emissions by means of defined ignition, optimized air staging (radial and vertical), optimized combustion air interference in the carrier gas-dust jet and radial fuel staging.
  • advantageous properties are achieved during operation by means of the above-mentioned measures, namely a reduction of local temperature peaks, and thereby a reduction of the slagging tendency and of the thermally formed NO x in the temperature peaks.
  • an improvement of the wall atmosphere is effected by radial air curtain, whereby the tendency to corrosion of the furnace walls is reduced.
  • the method according to the present invention leads to an optimization of the combustion process and to the reduction of the primary NO x emissions in the burner belt area.
  • the combustion air is essentially radially stepped.
  • the vertical stratification between coal dust flow and side air flow is the characterizing feature of the present invention.
  • the superposition of the radial air staging in the combustor and the vertical air staging in the furnace (via top air nozzles) ensures an even slower mixing effect of the air into the fuel jet and thus additional suppression of the primary NO x formation.
  • the side air at the burner supplies the nearest evaporator walls with combustion air, so that moderate flue gas temperatures and a comparatively high O 2 wall atmosphere occur there. This significantly minimizes the risk of both wall corrosion and slagging in the burner belt area.
  • the upper, intermediate and sub-air is no longer introduced through slots, but through thermally stable tube constructions.
  • the fuel flow is introduced tangentially into the combustion chamber via one or more main burners, the fuel flow or the partial fuel streams fed from a plurality of main burners being or being aligned with a combustion circuit in the combustion chamber.
  • burn-out air is supplied to ensure the burn-out of the fuel introduced into the combustion chamber above the supply of the fuel stream.
  • the combustion chamber has a rectangular, in particular a square cross-section, wherein the fuel flow in the form of a wall fire, preferably a Allwand85ung is introduced into the furnace.
  • a furnace wherein two or more burners according to the invention are arranged side by side per firebox wall.
  • two or more burners according to the invention are arranged one above the other per combustion chamber wall.
  • a first plane at least one burner according to the invention is preferably arranged per firebox wall, and in a second plane likewise at least one burner according to the invention is disposed per firebox wall, wherein the second plane is arranged above the first plane.
  • Each burner of a plane is aligned to a circle of fire, wherein the firing circle of the 1st level is offset to the firing circle of the 2nd level along the vertical.
  • a furnace is used, wherein arranged in the furnace according to the described 1st and 2nd level further levels with the burners according to the invention.
  • the inventive method for burning fuels leads to the reduction of nitrogen oxide pollution.
  • lignite dust is introduced via main burner tangentially into a rectangular or square combustion chamber and air vertically layered also introduced into the furnace.
  • combustion air is supplied to the implementation of the fuel above its supply.
  • the supply of all reactants is done in such a way that a helical ascending flow is built up in the furnace. Due to the stepped supply of the reduction fuel, a combustion zone in the region of the main burners with substoichiometric combustion and a burn-out zone above the supply of the burn-out air are formed.
  • an additional air flow in the form of a corner fire is introduced into the firebox.
  • the fuel stream is passed to flame stabilizers (teeth) mounted directly on the fuel exit (coal dust exit) of the fuel slots.
  • flame stabilizers will serve to stably ignite the coal dust / air mixture.
  • the flame stabilizers serve to slow down the dust particles and create turbulence of the particles to accelerate the release of volatiles and to stabilize the ignition close to the exit of the burners.
  • the obstruction of the free cross-section of the fuel slot is from 5% to 50%.
  • the fuel stream is passed by ramps which are mounted directly on the fuel outlet of the fuel slots. These ramps serve to ensure the ignition of the fuel directly at the burner.
  • the ramps increasingly narrow the burner feed channel towards the exit.
  • the ramps provide a further increase in turbulence at the fuel outlet. They can be carried out either individually or together in combination with flame stabilizers.
  • a burner for a firing system for introducing a fuel flow, in particular a pulverized coal stream into a combustion chamber of the firing plant, wherein the burner has a fuel slot or a plurality of fuel slots arranged in a vertical plane, wherein one or more horizontal rows of louvers or air nozzles are disposed at least above and below the fuel slots, wherein one side of the fuel slots air slots or air nozzles are arranged, which extend at least over the entire vertical extent of all the fuel slots of the burner; and wherein the burner in the fuel slots or their supply channels includes means for flow diversion to increase the concentration of the fuel flow introduced through the fuel slots from the side of the side air slots (11) to the opposite side, creating a radial fuel staging.
  • the "one-sided" arrangement of the louvers or air nozzles means that such side louvers or nozzles are arranged only on one side of the burner or the fuel slots or nozzles, and not on both sides.
  • the fuel slots preferably have a rectangular or square shape.
  • the main burner is configured such that at least 20%, preferably at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95% of the air flow introduced through the burner through the side louvers or air nozzles.
  • the lateral air slots or air nozzles are arranged so that the distance between the center of the air slot or the air nozzle to the adjacent edge of the fuel slot is at most 1 ⁇ 2 the horizontal dimension of the fuel slot.
  • the ratio of the vertical extent to the horizontal extent of the entirety of the fuel slots of the burner is at least 1.0: 1, preferably at least 1.5: 1, more preferably at least 2.0: 1, even more preferably at least 2 , 5: 1, more preferably at least 3.0: 1, even more preferably at least 3.5: 1 and most preferably at least 4.0: 1.
  • the orientation of the lateral air slots or air nozzles is inclined by an angle of 2 ° to 20 °, preferably from 5 ° to 15 ° away from the fuel slots.
  • burners wherein one or more horizontal rows of air slots or air nozzles are arranged between the fuel slots, for the horizontal subdivision of the fuel flow of a burner by means of burner air.
  • the burner is configured so that the burner air is introduced by means of one or more horizontally extending rows of louvers or air nozzles in the firebox, wherein the fuel flow is divided horizontally and limited above and below, and in particular configured so that the over these louvers or air nozzles introduced amount of air increases toward 9.luftschlitze- or nozzles, with a radial air staging is generated.
  • the burner is configured so that the burner air by means of one or more horizontally extending rows of louvers or air nozzles is introduced into the combustion chamber, wherein the fuel flow is divided horizontally and limited above and below, and in particular configured so that the introduced via these louvers or air nozzles amount of air from top to bottom, from bottom to top or from above and below towards the center of the burner, creating a vertical air staging.
  • the undefined ignition, the unequal distribution of the fuel and the undefined mixing of the combustion air and its negative effects on the NO x -emissons can be eliminated.
  • the invention provides an improved burner of the "jet burner” type with reduced NO x emissions by means of defined ignition, optimized air staging (radial and vertical), optimized combustion air mixing in the carrier gas-dust jet and radial fuel staging.
  • the burner according to the invention achieves advantageous properties during operation by means of the abovementioned measures, namely a reduction of local temperature peaks, and thereby a reduction in the tendency to slag and the NO x thermally formed in the temperature peaks.
  • an improvement of the wall atmosphere is effected by radial air curtain, whereby the tendency to corrosion of the furnace walls is reduced.
  • flame stabilizers are attached to the ignition of the fuel at the outlets of the individual fuel slots. These flame stabilizers are used for stable ignition of the coal dust / air mixture. The stabilizers serve to slow down the dust particles and generate turbulence of the particles to accelerate the release of volatiles and to stabilize the ignition close to the exit of the burners. The flame stabilizers are attached to the fuel outlet of the fuel slots and protrude into the cross section of the fuel slot.
  • the shape of the flame stabilizers is not limited.
  • the flame stabilizers may have a rounded, rectangular or square shape.
  • the different tooth shapes serve in principle the same purpose, namely by generating local turbulence to favor the ignition (flame holder).
  • the flame stabilizers are provided with a support rib or stiffening rib on the side facing away from the firebox.
  • This rib fulfills two main tasks, namely i) the stiffening of the flame stabilizer from a constructive point of view, and ii) the removal or dissipation of heat.
  • the flame stabilizer is exposed to large thermal radiation from the furnace. Although cooling takes place by the continuous flow of carrier gas / fuel mixture. Nevertheless, the rib provides better heat dissipation. This is particularly important when the burner is out of operation, so no cooling is done by the carrier gas / fuel mixture. In the case where the burner is out of operation, then usually abandoned amounts of cooling air are comparatively small, so that the improved heat dissipation through the rib is required.
  • the flame stabilizers may be placed on all edges of the exit of the rectangular or square fuel slot, i) on the upper horizontal; ii) at the lower horizontal; iii) at the vertical to the side air; iv) on the vertical side air. It is also possible not to equip individual edges with flame stabilizers.
  • the flame stabilizers are placed at the following edges of the exit of the rectangular or square fuel slot: i) at the upper horizontal; ii) at the lower horizontal; iii) at the vertical adjacent to the side air jets; iv) at the vertical relative to the soluftdüsen- or -Schlitzen, particularly preferably in particular at the vertical relative to the Soluftdüsen- or Slots.
  • the flame stabilizers are attached to the vertical adjacent to the side air nozzle slots throughout, while the flame stabilizers are distributed across the entire edge adjacent to the upper horizontal and lower horizontal towards the edge the soluftdüsen- or -Schlitzen not continuously attached. This situation will be in FIG. 9B shown.
  • a smaller blockage is possible.
  • a larger blockage is necessary in order to further increase the interspace velocity and thus the turbulence.
  • the obstruction of the free cross-section of the carrier gas-dust outlet nozzle of 5% to 50%.
  • ramps are preferably attached to the fuel outlet, which increasingly narrow the burner inlet channel in the direction of exit.
  • the ramps provide a further increase in turbulence at the fuel outlet. They can be carried out either individually or together in combination with flame stabilizers.
  • the ramps can also be mounted horizontally and vertically at the coal dust outlet. In FIG. 11 an application example of the ramps is shown. The ramps are in this case individually and attached to the horizontally extending edges of the fuel outlet.
  • the technical object is further achieved by a firing system for the combustion of solid, liquid or gaseous fuels, in particular pulverized coal, wherein at least one burner per combustion chamber wall according to the present invention, as described above, is arranged and aligned these burners tangentially to a combustion circuit in the furnace are.
  • the main burners used in the furnace have a fuel slot or a plurality of fuel slots arranged in a vertical plane, wherein one or more horizontal rows of louvers or air nozzles are arranged at least above and below the fuel slots, for limiting the flow of fuel up and down by means of burner air, wherein one side of the fuel slots air slots or air nozzles are arranged, which extend at least over the entire vertical extent of all fuel slots of the burner, for introducing burner air into the combustion chamber and for the vertical limitation of the fuel flow on one side by means of the burner air; and wherein the burner in the fuel slots or their supply channels includes means for flow diversion to increase the concentration of the fuel flow introduced through the fuel slots from the side of the side air slots or nozzles to the opposite side, creating a radial fuel staging.
  • the firing system has a rectangular, in particular a square cross-section, wherein at least one wall, preferably at least two opposite walls, more preferably all walls of the firebox are each equipped with at least one main burner, preferably two juxtaposed main burners.
  • the burners are tangentially aligned with a combustion circuit in the combustion chamber.
  • the furnace is configured so that when operating in the furnace a helical, ascending flow is established, based on the sense of rotation of the helical Flow of the introduced via the side louvers or air nozzles in the combustion chamber side air flow leading to the fuel flow is introduced.
  • the vertical stratification between fuel flow and side airflow be constructed such that the layer of side airflow passes between the wall of the firebox and the fuel stream, and the fuel stream runs between the side airflow and the central longitudinal axis of the firebox.
  • the burners are preferably oriented at an angle of 2 ° to 30 °, preferably from 5 ° to 15 °, with respect to the horizontal inclined downwards.
  • two or more burners according to the invention are arranged next to one another per combustion chamber wall. In another preferred embodiment, two or more burners according to the invention are arranged one above the other per combustion chamber wall.
  • At least one burner according to the invention is preferably arranged per firebox wall, and in a second plane likewise at least one burner according to the invention is disposed per firebox wall, wherein the second plane is arranged above the first plane.
  • Each burner of a plane is aligned to a circle of fire, wherein the firing circle of the 1st level is offset to the firing circle of the 2nd level along the vertical.
  • additional levels with the burners according to the invention are arranged in the furnace according to the described 1st or 2nd level.
  • at least two burners according to the invention are arranged side by side per firebox wall.
  • two or more burners according to the invention are arranged side by side per firebox wall, and preferably also in a second plane, two or more burners according to the invention are arranged above the first plane.
  • Each burner is one level on a circle of fire aligned, with the firing circle of the 1st level is offset to the firing circle of the 2nd level along the vertical.
  • additional levels with the burners according to the invention are arranged in the furnace according to the described 1st or 2nd level.
  • the main burner (s) are configured such that at least 20%, preferably at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95% of the airflow introduced via a main burner is introduced into the combustion chamber via the side louvers or air nozzles so as to create a vertical stratification between fuel flow and side air flow.
  • the lateral louvers or air nozzles arranged so that the distance between the center of the louver and the air nozzle to the adjacent edge of the fuel slot is at most 1 ⁇ 2 the horizontal dimension of the fuel slot.
  • the ratio of the vertical extent to the horizontal extent of the entirety of the fuel slots of a main burner exiting the furnace is at least 1.0: 1, preferably at least 1.5: 1, at least 2.0 : 1, at least 2.5: 1, more preferably at least 3.0: 1 and even more preferably at least 3.5: 1 and most preferably at least 4.0: 1.
  • this is configured so that the burner air is introduced by means of one or more horizontally extending rows of louvers or air nozzles in the furnace, the fuel flow is divided horizontally and limited above and below, and in particular configured in that the amount of air introduced via these air vents increases in the direction of side air vents or nozzles, creating a radial air staging.
  • this is configured so that the burner air is introduced by means of one or more horizontally extending rows of louvers or air nozzles in the furnace, the fuel flow is divided horizontally and limited above and below, and in particular configured so that the amount of air introduced through these louvers or air nozzles increases from top to bottom, from bottom to top, or from top to bottom toward the center of the burner, creating a vertical air staging.
  • burn-out air nozzles for introducing burn-out air into the furnace are arranged above the main burners.
  • additional air nozzles are arranged in the corners of the firebox, which is also referred to as corner firing.
  • flame stabilizers are attached to the ignition of the fuel at the outlets of the individual fuel slots.
  • These flame stabilizers serve to stably ignite the coal dust / air mixture.
  • the stabilizers serve to slow down the dust particles and create turbulence of the particles to accelerate the release of volatiles and to stabilize the ignition close to the exit of the burners.
  • the shape of the flame stabilizers is not limited.
  • the flame stabilizers may have a rounded, rectangular or square shape.
  • the fuel slots in the furnace around the entire edge of the exit of the fuel slots around flame stabilizers.
  • the in FIG. 1 illustrated conventional burner 1 has two burner fingers, an upper burner finger 1a and a lower burner fingers 1b.
  • the fuel slots are designated 2. Rows of central core air tubes 3 divide the burner fingers horizontally into two half-fingers each. Between the upper burner finger and the lower burner finger, an intermediate air slot 5 is arranged, while an upper air slot 4, the fuel slots up and an under air slot 6, the fuel slots down limited.
  • the main secondary air flow is injected above, below and below the fuel flow.
  • This type of burner of the prior art is characterized by the horizontal stratification of coal dust flow and main secondary air flow.
  • the in FIG. 2 shown burner 1 represents an embodiment of the present invention.
  • the in FIG. 2 The embodiment shown has two burner fingers, an upper burner finger 1a and a lower burner finger 1b.
  • the fuel slots are designated 2.
  • the individual fuel slots 2 are separated from one another by rows of center core air nozzles 9 or intermediate air nozzles 13.
  • a series of top air nozzles 8 limits the fuel slots 2 upwards and a row of under air nozzles 10 down the fuel slots.
  • air slots or air nozzles 11 are arranged according to the present invention. These extend at least over the entire vertical extension of the burner 1 and serve to supply side air.
  • the burner 1 is configured so that at least 20% of the air flow introduced through the burner is introduced into the furnace via the side air slots 11 or air nozzles to create a vertical stratification between fuel flow and main secondary air flow.
  • the lateral louvers 11 or air nozzles are preferably arranged. that the Distance between the center of the louver 11 to the adjacent edge of the fuel slot 2 is at most 1 ⁇ 2 of the horizontal dimension of the fuel slot 2.
  • a helical, ascending flow is built up in the furnace. Based on the direction of rotation of the helical flow, the side airflow directed via the lateral air slots 11 is introduced into the combustion chamber leading to the fuel flow.
  • the vertical stratification of fuel flow and side airflow according to the present invention is such that the layer of side airflow passes between the wall of the furnace and the fuel stream, and the fuel stream runs between the side airflow and the central longitudinal axis of the furnace.
  • the vertical extent of the fuel slots of the burner at the outlet into the combustion chamber is preferably a multiple to the horizontal extent of the fuel slots, namely here about factor 4.
  • flame stabilizers 12 are attached to the ignition of the fuel at the outlets of the individual fuel slots. These flame stabilizers are used for stable ignition of the coal dust / air mixture.
  • the flame stabilizers are attached to the fuel outlet of the fuel slots 2 and protrude into the cross section of the fuel slot.
  • flame holders 12 are mounted along all four edges of the fuel slots 2.
  • FIG. 3 For example, the radial air staging of the burner set in a preferred method according to the present invention will be explained.
  • a portion of the burner air is introduced by means of one or more horizontally extending rows of air nozzles 8, 9, 10 in the furnace. Characterized the introduced through the fuel slots 2 fuel flow is divided horizontally and limited above and below.
  • the over these air nozzles 8, 9, 10 introduced Air quantity in the direction of soluftschlitze- or nozzles 11 toward, ie it is a radial air staging generated.
  • the air in the side is injected in such a way that it forms a veil on the outside of the circle of fire.
  • the quantity of air injected via the horizontally extending rows of burner air nozzles 8, 9, 10 is increased in the direction of rotation of the combustion chamber flow (that is, toward the outside or in the direction of side air nozzles 11).
  • the increasing amount of air or radial air grading is shown schematically by the wedge at the top of the figure.
  • two flame stabilizers 12 are attached to only three edges of the fuel slots 2 at the exit of the fuel slots 2.
  • FIG. 4 For example, the vertical air staging of the burner set in a preferred method according to the present invention will be explained.
  • the burner air is introduced by means of one or more horizontally extending rows of air nozzles 8, 9, 10 in the furnace. In this way, the introduced through the fuel slots 2 fuel flow is divided horizontally and limited above and below.
  • the amount of air introduced via these air nozzles 11 from top to bottom is shown schematically by the bar on the right side of the figure.
  • FIG. 5 shows in the left part of the figure, the burner level seen from the firebox.
  • the right part of the figure represents a sectional view along the drawn in the left part of the figure CC level.
  • the side air nozzle is shown at 11. In a preferred embodiment, the axis of the side air nozzle 11 is inclined away from the axis of the fuel supply channel 2. In the radial fuel staging, the fuel flow increases from the side airflow side to the opposite side.
  • the design of the feed channel 2 to the burner is designed so that a local accumulation of the fuel particle stream is carried out by the flow guide. This can be achieved, for example, with a beginning of a shoulder 20 narrowing of the fuel supply channel 2, which is arranged on the side of the fuel supply channel, which is adjacent to the side air duct 11.
  • the particles are guided by flow deflection on the side of the burner, which is opposite to the side of the side air nozzles or the side air flow.
  • the radial fuel staging is shown schematically by the bar on the lower side of the figure.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a combustion chamber 18 in a schematic representation with identification of the flow directions of the introduced into the combustion chamber 18 fuel (thick arrow) and injected into the firebox side air (thin arrow) shown.
  • the burners 1 are designed to be identical to one another and the burners are illustrated by their burner mirrors 1 as an example. Downstream of the burner creates an air curtain on the burner wall.
  • the arrangement of the burner on the combustion chamber 18 follows here the principle of tangential firing.
  • the burners 1 fire from the wall 14 (or corners) FIG. 6 not shown) tangent to an imaginary circle, the so-called Brenn Vietnamese or Feuernik.
  • the vertical stratification between fuel flow and side airflow is configured such that the side airflow layer between the wall of the furnace and the fuel stream, and the fuel flow between the side airflow and the central longitudinal axis of the fuel Firebox runs.
  • FIG. 6 is further illustrated schematically by means of the solid arrows coming from the direction of the burner, that in preferred embodiments, the axis of the side air flow (thin arrow) from the axis of the fuel flow (thick arrow) is inclined away.
  • flame stabilizers in front view
  • flame stabilizers are attached to the outlets of the individual fuel slots to ignite the fuel.
  • These flame stabilizers are used for stable ignition of the coal dust / air mixture.
  • the stabilizers serve to slow down the dust particles and generate turbulence of the particles to accelerate the release of volatiles and to stabilize the ignition close to the exit of the burners.
  • the shape of the flame stabilizers is not limited.
  • the flame stabilizers may have a rounded, rectangular or square shape.
  • the flame stabilizers 12 are shown in the subfigures a1 and a2 further embodiments of the flame stabilizers 12 are shown.
  • the flame stabilizers 12 are provided with a support rib or stiffening rib 15 on the side facing away from the firebox. This rib is used for stiffening from a constructive point of view and the dissipation of heat.
  • FIG. 8 Further embodiments of the flame stabilizers 12 are shown. Again, the flame stabilizers 12 are provided with a support rib or stiffening rib 15 on the side remote from the firebox.
  • the flame stabilizers 12 may be disposed on all edges of the exit of the rectangular or square fuel slot 2: at the upper edge; at the bottom edge; at the vertical edge adjacent to the side air; on the vertical edge opposite the side air. It is also possible not to provide individual edges with flame stabilizers as shown in FIGS. 9A and 9B will be shown.
  • the flame stabilizers 12 are continuous to the upper and lower horizontal mounted distributed over the entire edge, while the flame stabilizers 12 are not continuously distributed at the vertical adjacent to the 9.luftdüsen- or -Slitzen 11 ( FIG.
  • the flame stabilizers 12 are mounted on the vertical adjacent to the side air nozzle slots 11 throughout the same throughout the edge, while the flame stabilizers 12 are adjacent to the upper horizontal and lower horizontal towards the edge the soluftdüsen- or -Schlitzen are not distributed throughout ( FIG. 9B) ,
  • FIG. 10 shows an embodiment in which flame stabilizers 12 of different geometries are attached to a fuel outlet 2.
  • FIG. 11 shows the operation of ramps 7 at the exits of the fuel nozzles.
  • the left part of the figure shows a section along the registered in the right part of the axis AA.
  • a portion of the burner air is introduced by means of one or more horizontally extending rows of air nozzles 8, 9, 10 in the furnace.
  • the fuel flow is divided horizontally and limited above and below.
  • ramps 7 are preferably attached to the fuel outlet 2. These ramps 7 provide a further increase in turbulence at the fuel outlet (shown in the left part of the figure).
  • the figure shows an embodiment in which the ramps 7 are mounted on the upper and lower edges, while the flame stabilizers 12 are arranged only on the vertical edges.
  • the burner type according to the present invention leads to an optimization of the combustion process and to the reduction of the primary NO x emissions in the burner belt area.
  • the combustion air is essentially stepped radially.
  • the characterizing feature of the present invention is the vertical stratification between coal dust flow and side air flow. The superimposition of the radial air staging in the burner and the vertical air staging in the combustion chamber (via top air nozzles) still ensures slower mixing effect of the air in the fuel jet and thus an additional suppression of primary NO x formation.
  • the side air at the burner supplies the nearby evaporator walls with combustion air, so that there moderate flue gas temperatures and a relatively high O 2 wall atmosphere prevail.
  • the furnace or the burner according to the present invention form in the furnace from bottom to top, a main burner combustion zone and the application of burnout air supply a burn-out.
  • a tangential firing is used with a plurality of main burners aligned on a combustor, and preferably a plurality of burnout air nozzles located above the main burners.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, insbesondere Kohlenstaub, ein Brenner und eine Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens.
    • Technischer Hintergrund der Erfindung
  • Braunkohle liefert einen bedeutenden Beitrag zur Stromerzeugung. Braunkohle enthält üblicherweise einen hohen Wassergehalt, der während der Zerkleinerung in der Mühle durch Mischung mit heißem, aus dem Feuerraum abgesaugtem Rauchgas verdampft wird. Daraus ergibt sich am ein Partikel-Traggas-Gemisch, das einen hohen Anteil an Wasserdampf enthält und die Zündeigenschaften am Brennstoffaustritt beeinträchtigt. Aufgrund der großen Transportgas-Volumenströme in Verbindung mit den aus dem geringeren Heizwert resultierenden größeren Braunkohlemassenströmen, ergeben sich zur Einhaltung vorgegebener Geschwindigkeiten des Traggas-Partikel-Gemischs große Querschnitte für die Brenner. Braunkohlenstaubbrenner werden meist als Strahlbrenner (auch Register- oder Schlitzbrenner genannt) mit rechteckigen Querschnitten eingesetzt. Typischerweise werden in den Mittelebenen aber auch ober- und unterhalb des Staubaustritts Luftdüsen zur Zuführung von Unterluft, Mittelluft und Oberluft vorgesehen. Der Brenner teilt sich in zwei Finger, die wiederum jeweils von einer Kernluft horizontal getrennt werden. Unterhalb des unteren Fingers befindet sich die Unterluftzugabe, zwischen beiden Fingern die Zwischen- oder Mittelluft und oberhalb des oberen Brennerfingers die Oberluft.
  • Die DE 37 31 271 C2 beschreibt einen Braunkohle-Strahlbrenner, der zwischen Unter-, Mittel- und Oberluftöffnung und dem zugeordneten Staub-Traggas-Gemisch-Querschnitt jeweils durch einen weiteren Querschnitt Rauchgas zugibt, um die Luft vom Brennstoff zu trennen. Definiertes Ziel war hiermit eine verzögerte Zündung zu erreichen, um Verbrennungsspitzentemperauren zu vermeiden und dadurch die Verschlackungsneigung des Feuerraums durch Braunkohlenasche zu reduzieren.
  • In Abhängigkeit des aus der verdampften Braunkohlefeuchte resultierenden Wasserdampfgehalts im Traggas, kann eine Trennung des Partikel-Traggas-Gemischs in einen mit Partikeln angereicherten und einen abgereicherten Anteil mittels sogenannter Brüdentrennung sinnvoll sein. Eine Vorrichtung dazu offenbart beispielsweise die DE-OS 29 33 528 A1 , wobei ein Drallkörper in der Staubleitung von der Mühle zu den Brennern dafür sorgt, das eine brennstoffreiche und eine brennstoffarme (Brüden) Teilströmung entsteht, die dann individuellen Brennern zugeführt wird. Nach dieser Art der "Brüdentrennung" werden die Teilströme zu Strahlbrennern geführt, wobei der mit Brennstoff angereicherte Teilstrom zu zwei Brennern (Hauptbrenner) im unteren Feuerraumbereich und der brennstoffarme Brüdenstrom zu einem separaten Brenner oberhalb der Hauptbrenner geführt wird.
  • Die Integration des Brüdenstaubstroms in einen Braunkohle-Strahlbrenner mittels separater Düsen offenbart die DE PS 37 31 271 C2 . Hier wird ebenfalls eine Brüdentrennung vollzogen, um die Hauptbrenner mit einem mit Brennstoff angereicherten Strom zu versorgen. Der abgetrennte Brüdenstrom wird jedoch nicht über einen separaten Brüdenbrenner in den Feuerraum eingeblasen, sondern in einem Filter entstaubt und "über Dach", also nicht in den Kessel zurück, freigesetzt. Der im Filter abgeschiedene Staubstrom wird separat durch den Braunkohle-Strahlbrenner über eine eigene Düse mit in den Feuerraum gegeben.
  • Ein weiterer Ansatz, um die bisherigen Nachteile der Strahlbrenner zu umgehen war die Konstruktion eines Rundbrenners für Braunkohlenstaub, wie z.B. in der EP 0 670 454 B1 dargelegt. Hierbei erfolgt innerhalb der konzentrischen Ringspalte des RundBrenners selbst eine Brüden-Trennung indem durch Drallschaufeln eine partikelreiche und eine partikelarme Schicht innerhalb des Staubringspalts erzeugt wird. Die Zufuhr von Verbrennungsluft erfolgt über außen liegende, ebenfalls konzentrische Ringspalten um den Staub-Traggas-Ringquerschnitt herum.
  • Für die Anordnung der Brenner am Feuerraum kommt im Falle der Braunkohleverbrennung fast ausschließlich das Prinzip der Tangentialfeuerung zum Einsatz. Tangentialfeuerung bedeutet, dass die Brenner von der Wand oder aus den Ecken tangential auf einen gedachten Kreis feuern, den sogenannten Brennkreis oder Feuerkreis. Das Zusammenspiel aller Brenner bewirkt eine rotierende Strömung im Feuerraum und somit im Wesentlichen eine verbesserte Vermischung, Homogenisierung des Temperaturfeldes und Erhöhung der Verweilzeit. Derartige Tangential-Feuerungen sind beispielsweise in der DE-OS 35 31 571 als Wandfeuerung oder in der DE-PS 195 14 302 C2 als Eckenfeuerung beschrieben. In der DE-PS 195 14 302 C2 wird die bezogen auf den Feuerkreis radiale Stufung der Luft mittels abgewinkelter Luftdüsen beschrieben.
  • Im Falle der Braunkohlefeuerung werden aufgrund der hohen Brennstoffmassenströme meist 6 bis 8 Mühlen eingesetzt, die jeweils eine Brennergruppe versorgen. Daher ist die Eckenfeuerung weniger geeignet, stattdessen werden auf den Wänden die 6 bis 8 Brennergruppen angeordnet, wozu die DE-OS 35 31 571 ein entsprechendes Verfahren beschreibt.
  • DE890254C beschreibt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Dampferzeugung entstehen Stickstoffoxide (NOx). Die gesetzlichen Bestimmungen zur Reinhaltung der Luft lassen eine NOx-Emission nur in immer engeren Grenzen zu. Daher müssen entsprechend den gesetzlichen Vorgaben Maßnahmen zur Steuerung des Verbrennungsprozesses etabliert werden, so dass nur wenig NOx entsteht und in die Atmosphäre gelangt.
  • Die Bildung von NOx unterliegt komplexen Reaktionsmechanismen, wobei die wichtigsten NOx-Quellen die Oxidation des Stickstoffs der Verbrennungsluft (thermisches NOx) und die Oxidation des Brennstoffstickstoffs (Brennstoff-NOx) sind.
  • Thermisches NOx entsteht im Wesentlichen bei Temperaturen, die größer sind als etwa 1200°C bis 1500°C, weil erst bei diesen Temperaturen der in der Luft vorhandene molekulare Sauerstoff merklich in atomaren Sauerstoff (thermische Oxidation) übergeht und sich mit dem Stickstoff der Luft verbindet. Die Bildungsrate des thermischen NOx hängt exponentiell von der Temperatur ab und ist proportional zur Sauerstoffkonzentration.
  • Die im Brennstoff enthaltenen primären Stickstoffverbindungen zerfallen zunächst in sekundäre Stickstoffverbindungen (einfache Amine und Cyanide), die im Verlauf der Verbrennung konkurrierend entweder zu NOx oder zu N2 umgewandelt werden. Bei Sauerstoffmangel wird die Bildung von N2 bevorzugt bzw. die NOx-Bildung unterdrückt oder sogar rückgängig gemacht. Die Bildung von Brennstoff NOx ist nur wenig temperaturabhängig und läuft auch bei niedrigen Temperaturen ab.
  • Die Maßnahmen zur Reduzierung der NOx-Emission richten sich auf eine Senkung der Verbrennungstemperatur und das Erzeugen eines Sauerstoffmangels bei der Verbrennung.
  • Bei Brennern mit geringer NOx-Emission wurden z.B. die stufenweise Zuführung der Verbrennungsluft und die Rauchgasrückführung verwirklicht.
  • Bei solchen Stufenbrennern wird die gesamte Verbrennungsluft in Primärluft und Stufenluft aufgeteilt. Ein Teil des rezirkulierten Rauchgases wird mit der Primärluft durch den Brennerkern aufgegeben, der andere mit kalter Frischluft als Stufenluft zugeführt.
  • Ein wesentliches Merkmal bei Feuerungsanlagen mit mehreren übereinanderliegenden Brennerebenen ist, dass der Temperaturverlauf des Rauchgases entlang der Längsachse des Feuerraumes ein Maximum aufweist. Im Bereich um das Temperaturmaximum, im sogenannten Hochtemperaturbereich, setzt eine verstärkte Bildung von thermischem NOx ein.
  • Eine weitere Reduzierung der NOx-Emission kann daher durch gezielte Beeinflussung des Verbrennungsprozesses im Feuerraum, z.B. durch eine zusätzliche Luft- oder Brennstoffstufung, erreicht werden.
  • Bei der Luftstufung im Feuerraum erhalten die Brenner nur einen Teil der zur vollständigen Verbrennung notwendigen Luftmenge. Die restliche Luft wird z.B. bei dem sogenannten OFA-Verfahren (Over-Fire-Air) oberhalb der Brenner in den Feuerraum eingeblasen.
  • Zur stickoxidarmen Verbrennung von Kohlenstaub in einer Brennkammer ist bekannt das Oxidationsmittel, meistens in Form von Luft, gestuft zuzuführen.
  • Der Brennstoff, z.B. Braunkohlenstaub, wird mit der Sekundärluft in die Brennkammer, z.B. mittels in der Brennkammerwand eingebauten Strahlbrennern, dabei so eingebracht, dass vorerst nur eine unterstöchiometrische Verbrennung stattfinden kann. Dadurch wird erreicht, dass möglichst wenig NOx entsteht bzw. in einer anschließenden Reduktionszone reduziert wird. Zur völligen Umsetzung des Brennstoffes erfolgt eine weitere Zugabe von Luft (Ausbrandluft) oberhalb der Strahlbrenner in einer so genannten Luftstufung. Durch eine überstöchiometrische Zugabe der Luft wird hierbei eine Reduzierung des bei der unterstöchiometrischen Verbrennung entstandenen CO erreicht.
  • Die DE 35 31 571 A1 offenbart ein Verfahren zum Verfeuern von Brennstoffen unter Reduzierung der Stickoxidbelastung sowie eine Feuerung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird insbesondere Kohlenstaub über Hauptbrenner tangential in einen rechteckigen bzw. quadratischen Feuerraum eingeführt und zusätzlich Reduktionsbrennstoff über Reduktionsbrenner zur Reduktion der bei der Verbrennung des Hauptbrennstoffs entstehenden Stickoxide ebenfalls in den Feuerraum eingeführt und unterstöchiometrisch verbrannt. Weiterhin wird zur Umsetzung des Hauptbrennstoffes oberhalb der Zufuhr von Haupt- und Reduktionsbrennstoff Ausbrandluft zugeführt. Die Zuführung aller Reaktionspartner geschieht dabei derart, dass eine schraubenförmige aufsteigende Strömung im Feuerraum aufgebaut wird. Es bilden sich durch die gestufte Zuführung des Reduktionsbrennstoffes eine Verbrennungszone im Bereich der Hauptbrenner mit einer unterstöchiometrischen Verbrennung sowie eine Ausbrandzone oberhalb der Zuführung der Ausbrandluft aus. Problematisch war in diesem Zusammenhang die bis dahin ungenügende Reduzierung des gebildeten NOx aufgrund der schraubenförmig aufsteigenden gasförmigen und festen Stoffe und eine mangelhafte Durchmischung zwischen Rauchgasen aus der primären Verbrennungszone sowie dem Reduktionsbrennstoff.
  • Um dem Problem zu begegnen, sind die Reduktionsbrenner nahe dem ihm zugeordneten Hauptbrenner mindestens mit einem seitlichen Abstand angeordnet und so ausgerichtet, dass bei Betrieb der Tangentialfeuerung der über den Reduktionsbrenner eingedüste Reduktionsbrennstoff an einer vorgegebenen Stelle in die dem Hauptbrenner zuzuordnende Primärflamme eingemischt wird.
  • Durch die mittels Reaktionsbrenner zusätzlich im Bereich der Hauptbrenner eingebrachten Brennstoff erfolgt eine weitere Reduzierung des Sauerstoffgehalts, d.h. der infolge der unterstöchiometrischen Fahrweise im unmittelbaren Brennerbereich vorhandene Sauerstoffmangel zur Erreichung einer NOx-armen Verbrennung wird weiter durch die zusätzlichen Reduktionsbrenner verstärkt, womit eine Korrosionsgefahr der Brennkammerwände weiterhin bestand.
  • In der EP 1 731 832 wird eine Weiterentwicklung vorgeschlagen, wobei der Brenner aus einem oder mehreren Hauptbrennern besteht und Brennstoffdüsen durch Unterluftdüsen, Zwischenluftdüsen und Oberluftdüsen horizontal begrenzt werden, wobei beidseitig jeder Brennstoffdüse zusätzliche Seitenluftdüsen ohne seitlichen Abstand zu den Brennstoffdüsen angeordnet sind. Bei dieser Konstruktion können die zusätzlichen Seitenluftdüsen die gleiche vertikale Erstreckung wie die Brennstoffdüsen aufweisen oder sich über die gesamte vertikale Länge des Hauptbrenners erstrecken. Mit dieser Anordnung wurde erreicht, dass der Brennstoffstrahl eine seitliche Fixierung erfährt, d.h. es wurde Sauerstoff unmittelbar seitlich der Brennstoffdüse, also in den Bereichen, welche zu Rezirkulationsströmungen neigen, zur Verfügung gestellt. Damit wurde der bis dahin dort unmittelbar herrschende Sauerstoffmangel beseitigt sowie die Berührung von unverbrannten Gasen mit der Wand der Brennkammer vermieden.
  • Im Dokument EP 1 731 832 wird weiterhin eine Tangentialfeuerung beschrieben. Dabei sind die Achsen der Hauptbrenner auf einen Kreis der Brennkammerlängsachse gerichtet. Der Hauptbrenner besteht aus drei rechteckigen Brennstoffdüsen, die unten durch die Unterluftdüse und oben durch die Oberluftdüse begrenzt sind. Zwischen den einzelnen Brennstoffdüsen sind Zwischenluftdüsen angeordnet. Die Unterluftdüsen, die Oberluftdüsen und die Zwischenluftdüsen sind über die gesamte Breite der Brennstoffdüse angeordnet. Über die Brennstoffdüsen wird das Kohlenstaub-Rauchgas-Gemisch in die Brennkammer eingetragen. Die Brennstoffdüsen weisen Mittenkernluftrohre bzw. -düsen in kreuzförmiger Anordnung auf. Über die Oberluftdüse, die Zwischenluftdüse und die Unterluftdüse wird der Brennkammer so viel Sekundärluft zugeführt, dass mit dem eingedüsten Kohlenstaub eine unterstöchiometrische Verbrennung stattfinden kann. Eine weitere Luftzugabe für den kompletten Ausbrand erfolgt oberhalb der oberen Hauptbrenner über die Ausbrandluftdüsen.
  • Weitere Abwandlungen der Kohlenstaubbrenner für rohbraunkohlegefeuerte Dampferzeuger werden hauptsächlich als Registerbrenner bzw. als Schlitzbrenner ausgeführt. Die Geometrie des Brenners hängt im Wesentlichen von den eingesetzten Luft- und Kohlenstaubmassenströmen ab. Der Anmelder verwendet im Stand der Technik drei Grundvarianten, wovon eine in Figur 1 gezeigt wird. Die gezeigte Variante ist mit zwei Brennerfingern ausgestattet, wobei jeder Brennerfinger horizontale Mittenkernluftrohre bzw. -düsen aufweist. Weiterhin sind bei dieser Bauweise die Brennerfinger durch Unterluftschlitz, Zwischenluftschlitz und Oberluftschlitz horizontal begrenzt. Die Mittenkernluftrohre teilen den Brennerfinger in zwei Brennerhalbfinger und sorgen neben der Teilnahme am Verbrennungsprozess auch für die Kühlung der Staubfinger wenn der Brenner außer Betrieb ist. Bei diesem Brennerkonzept wird der Hauptsekundärluftstrom ober-, zwischen und unterhalb des Brennstoffstrahles eingeblasen. Das kennzeichnende oder besondere Merkmal bei diesem herkömmlichen Brenner ist die horizontale Schichtung zwischen Kohlenstaubstrom und dem Hauptsekundärluftstrom. Durch diese Luftstufung erfolgt einerseits am Gesamtbrennstrahl eine Rezirkulation von heißem Rauchgas, die für eine sichere Zündung erforderlich ist. Andererseits werden durch diese Luftstufung die primären Schadstoffemissionen, insbesondere die Stickoxid-Bildung, aufgrund der Absenkung des O2-Angebotes durch eine niedrige Luftzahl (Luft-/Brennstoff-Verhältnis) im Brennergürtelbereich reduziert. Wegen der horizontalen Schichtung von Verbrennungsluft und Kohlenstaub wird eine langsame Mischung der beiden Komponenten erreicht.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Die Probleme der Brenner des Standes der Technik stellen weiterhin die primäre NOx-Bildung, die Wandkorrosion und Verschlackung dar.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher die primäre NOx-Bildung und die Wandkorrosion und Verschlackung im Brennergürtelbereich weiter zu verringern.
  • Die technische Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, insbesondere Kohlenstaub, bei dem der Brennstoffstrom über einen oder mehrere Hauptbrenner in einen Feuerraum eingeführt und verbrannt wird,
    wobei der Brennstoffstrom des jeweiligen Hauptbrenners über einen Brennstoffschlitz oder über mehrere in einer Vertikalebene angeordnete Brennstoffschlitze in den Feuerraum eingeführt wird,
    wobei zusätzliche Brennerluft (Sekundärluft) über Luftschlitze oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird;
    wobei ein Teil der zusätzlichen Brennerluft mittels horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom von der durch diese Luftschlitze oder Luftdüsen eingeführten Brennerluft oberhalb und unterhalb begrenzt wird; wobei optional weitere Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom horizontal durch diese Brennerluft unterteilt wird;
    gemäß der Erfindung wird der andere Teil der Brennerluft über einseitig angeordnete Luftschlitze oder Luftdüsen, welche sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze des Hauptbrenners erstrecken, in den Feuerraum eingeführt, wobei diese seitlich eingeführte Brennerluft den Brennstoffstrom des jeweiligen Hauptbrenners, an einer Seite vertikal begrenzt und einen Seitenluftstrom ausbildet;
    dabei wird mindestens 20% der über einen Hauptbrenner eingeführten Brennerluft über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen des Hauptbrenners in den Feuerraum eingeführt, so dass eine vertikale Schichtung zwischen Brennstoffstrom und Brennerluftstrom erzeugt wird; und
    die Konzentration des Brennstoffstroms innerhalb des Brennstoffstroms nimmt von der Seite des Seitenluftstroms zur gegenüberliegenden Seite hin zu, wobei eine radiale Brennstoffstufung erzeugt wird.
    Der Begriff "Schichtung" bedeutet, dass mindestens zwei benachbarte Schichten von Massenströmen erzeugt werden, beispielsweise bei der horizontalen Schichtung die abwechselnden Schichten Brennerluftstom (die z.B. über die Oberluftdüsen, Unterluftdüsen, Zwischenluftdüsen und Mittenkernluftdüsen eingedüst werden) und Brennstoffstrom, d.h. eine Linie entlang der Vertikalen passiert verschiedene Schichten. Bei der vertikalen Schichtung liegen abwechselnde Schichten von Brennstoffstrom und Seitenluftstrom vor, d.h. eine Linie entlang der Horizontalen passiert verschiedene Schichten.
    Der Begriff "Stufung" bedeutet, dass innerhalb eines Massenstroms, d.h. innerhalb einer Schicht des Brennstoffstroms oder eines Luftstroms, eine unterschiedliche Dichte der Teilchen vorliegt. Bei einer horizontalen Stufung, bzw. bei einer "radialen Stufung" bezogen auf den in einer horizontalen Ebene liegenden gedachten Feuerkreis, verändert sich die Konzentration bzw. Dichte der Teilchen des jeweiligen Stroms entlang einer horizontalen Linie. Man könnte daher auch von einem horizontal verlaufenden Gradienten sprechen.
  • Das Einführung des Hauptsekundärluftstroms in den Feuerraum über "einseitig" angeordnete Luftschlitze oder Luftdüsen, welche sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze des Hauptbrenners erstrecken, ist gemäß der Erfindung so zu verstehen, dass solche Seitenluftschlitze- bzw. düsen lediglich an einer Seite des Brenners angeordnet sind, und nicht an beiden Seiten.
  • Weiterhin ist die Erstreckung der einseitig angeordneten Luftschlitze oder Luftdüsen, über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze des Hauptbrenners gemäß der Erfindung so zu verstehen, dass die Seitenluftschlitze- bzw. düsen mindestens über die vertikale Strecke von der Unterkante des untersten Brennstoffschlitzes bis zur Oberkante des obersten Brennstoffschlitzes des jeweiligen Hauptbrenners angeordnet sind, und ggf. weitere nach unten und/oder oben angeordnet werden können.
  • Als "Brennerluft" oder "Sekundärluft" wird die Luft bezeichnet, die mittels separater Luftschlitze oder Luftdüsen unmittelbar benachbart zu den Brennstoffschlitzen oder Brennstoffdüsen in den Feuerraum eingeführt wird. Falls Luft als Trägermedium oder ein Teil davon für den Brennstoff verwendet wird, und somit über die Brennstoffschlitze oder Brennstoffdüsen eingeführt wird, wird diese als Primärluft bezeichnet.
  • Die zusätzliche Brennerluft wird über horizontal verlaufende Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt. Diese sind mindestens oberhalb des obersten Brennstoffschlitzes und unterhalb des unteren Brennstoffschlitzes angeordnet. So wird der Brennstoffstrom von der durch diese horizontal verlaufenden Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen eingeführten Brennerluft oberhalb und unterhalb begrenzt.
  • In einem bevorzugten Verfahren strömen mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 85%, mindestens 90%, mindestens 95% des über den Hauptbrenner eingeführten Luftstroms über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen des Hauptbrenners in den Feuerraum.
  • Die beschriebene Anordnung von Luft- und Brennstoffschlitzen bzw. -düsen dient der NOx-armen Verbrennung. Über die Brennstoffschlitze wird vorzugsweise Kohlenstaub bzw. bevorzugt ein Kohlenstaub-Rauchgas-Gemisch, insbesondere ein Braunkohlenstaub-Rauchgas-Gemisch in den Feuerraum eingeführt. Über die Seitenluftschlitze bzw. -düsen, und die horizontal verlaufenden Reihen von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen (wie etwa Oberluftdüsen, Unterluftdüsen, Zwischenluftdüsen und Mittenkernluftdüsen), wird soviel Luft zugeführt, dass mit dem eingedüsten Brennstoff eine unterstöchiometrische Verbrennung stattfinden kann (λ = 0,8 - 0,99).
  • In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der Brennerluftstrom über seitliche Luftschlitze oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt, wobei der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Luftschlitzes bzw. der Luftdüse zur benachbarten Kante des Brennstoffschlitzes höchstens ½ der horizontalen Abmessung des Brennstoffschlitzes ist.
  • In dem Verfahren wird im Feuerraum eine schraubenförmige, aufsteigende Strömung aufgebaut, wobei in bevorzugter Weise der über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführte Brennerluftstrom bezogen auf den Drehsinn der schraubenförmigen Strömung voreilend zum Brennstoffstrom eingeführt wird.
  • In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird die vertikale Schichtung zwischen Brennstoffstrom und Brennerluftstrom derart aufgebaut, dass die Schicht des Brennerluftstroms zwischen der Wand des Feuerraums und dem Brennstoffstrom, und der Brennstoffstrom zwischen dem Brennerluftstrom und der zentralen Längsachse des Feuerraums verläuft.
  • Insbesondere ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem das Verhältnis der vertikalen Ausdehnung zur horizontalen Ausdehnung der Schicht des Brennstoffstroms eines Hauptbrenners am Austritt in den Feuerraum mindestens 1,0:1, bevorzugt mindestens 1,5:1, weiter bevorzugt mindestens 2,0:1, noch weiter bevorzugt mindestens 2,5:1, weiter bevorzugt mindestens 3,0:1, noch weiter bevorzugt mindestens 3,5:1 und besonders bevorzugt mindestens 4,0:1 beträgt. Diese Maßnahmen fördern die Ausbildung einer vertikalen Schichtung.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird weitere Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontaler Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt, wodurch der Brennstoffstrom horizontal durch diese Brennerluft unterteilt wird.
    • Radiale Luftstufung
  • In einem bevorzugten Verfahren nimmt die Menge der über die eine oder die mehreren horizontal verlaufenden Reihen von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen in den Feuerraum eingeführten Brennerluft in Richtung Seitenluftschlitze bzw. Seitenluftdüsen zu. Hierbei wird eine radiale Luftstufung erzeugt. Bei dieser Verfahrensführung erfolgt die Luftstufung am Brenner vom Feuerraum aus gesehen in radialer Richtung. Dies bedeutet, dass die Seitenluft so eingedüst wird, dass sie einen bezogen auf den Feuerkreis außen liegenden Schleier bildet. An den Brennerluftdüsen wird die eingedüste Luftmenge in Rotationsrichtung der Feuerraumströmung (also nach außen hin) erhöht. Vom Brenner aus gesehen handelt es sich um eine horizontale Luftstufung, weil entlang der Horizontalen die Menge der eingedüsten Luft entlang der horizontal verlaufenden Reihe(n) von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen gesteigert wird, nämlich in Richtung der Seite des Brenners, an der die Seitenluftdüsen angeordnet sind.
  • Durch die radiale/horizontale Luftstufung am Brenner erfolgt auch eine radiale Luftstufung am Feuerkreis. Dies hat zur Folge, dass sich die Luft zeitverzögert einmischt, was die Bildung von Primär-NOx unterdrückt. Die radiale Luftstufung sorgt außerdem für eine überwiegend oxidierende Atmosphäre in Wandnähe, was ein wichtiges Kriterium für die Unterdrückung von Korrosion ist. Sauerstoff, also oxidierende Verhältnisse, an der Wand verhindern Korrosion der Feuerraumwände.
    • Vertikale Luftstufung
  • Wie oben erwähnt, wird die Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt, wobei der Brennstoffstrom oberhalb und unterhalb begrenzt wird, sowie ggf. horizontal unterteilt wird. In bevorzugter Weise nimmt die Menge der über diese Luftschlitze bzw. Luftdüsen eingeführten Brennerluft von oben nach unten, von unten nach oben oder von oben und unten in Richtung Mitte des Brenners zu, d.h. es wird eine vertikale Luftstufung erzeugt. Es handelt sich um eine vertikale Luftstufung, weil entlang der Vertikalen die Menge der eingedüsten Luft variiert wird.
  • Diese vertikale Luftstufung wird bevorzugt zusammen mit der oben beschriebenen radialen Luftstufung zum vorteilhaften Betrieb im Brenner vorgenommen. Dazu werden in Unterluft, Oberluft und ggf. Zwischenluft jeweils unterschiedliche Luftmengen eingestellt. Zusätzlich kann in weiter bevorzugter Weise auch die Seitenwandluft über die Höhe variiert werden. Die exakte Einstellung hängt von den Brennstoffeigenschaften, wie etwa Mahlfeinheit, Wassergehalt und Reaktivität, aber auch von der Feuerraumgeometrie und -strömung ab. Eine vorteilhafte Einstellung kann bevorzugt so vorgenommen werden, dass in der Unterluft die Luftmenge größer eingestellt wird als in der Zwischenluft und Oberluft. Der Grund hierfür ist je nach Reaktivität der Kohle und/oder je nach Mahlfeinheit die Unterluftmenge zu erhöhen, um unverbrannte Partikel, die in den Trichter fallen, zu reduzieren. Grundsätzlich erlaubt der Brenner eine zweidimensionale Luftstufung (in radialer und gleichzeitig in vertikaler Richtung) um ein optimale Anpassung an den aktuellen Brennstoff zu ermöglichen.
    • Radiale Brennstoffstufung
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine radiale Brennstoffstufung vorgenommen, das heißt die Konzentration des Brennstoffstroms nimmt entlang der Horizontalen zu, und zwar innerhalb des Brennstoffstroms entlang der Horizontalen von der Seite, die von dem Seitenluftstrom begrenzt wird, zur gegenüberliegenden Seite. Dabei steigt entgegen der Rotationsrichtung der Feuerraumströmung (also von außen nach innen) die Partikeldichte im Brennstoffstrom an. Damit erfolgt die radiale Brennstoffstufung entgegen der Richtung der radialen Luftstufung. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Unterschied der Konzentration des Brennstoffs am Brennstoffaustritt (des Brennstoffschlitzes) an der dem Seitenluftstrom zugewandten Kante im Vergleich zur gegenüberliegenden Kante mindestens 5%.
  • Um eine radiale Brennstoffstufung zu erreichen wird die Gestaltung des Zufuhrkanals zum Brennstoffaustritt so ausgeführt, dass durch die Strömungsführung eine lokale Anreicherung des Brennstoffpartikelstroms erfolgt. Die Bildung von Primär-NOx wird so weiter unterdrückt. So enthält der Brenner in den Brennstoffschlitzen oder in den Zufuhrkanälen der Brennstoffschlitze Mittel zu Strömungsumlenkung, um die Konzentration des durch die Brennstoffschlitze eingeführten Brennstoffstroms von der Seite der seitlichen Luftschlitze bzw. Luftdüsen zur gegenüberliegenden Seite hin zu erhöhen. Dabei wird eine radiale Brennstoffstufung erzeugt. Diese Mittel zur Strömungsumlenkung in den Brennstoffschlitzen oder deren Zufuhrkanäle sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus i) einer einseitigen Verjüngung des Zufuhrkanals, wobei die Verjüngung im Zufuhrkanal auf der Seite angeordnet ist, die den Seitenluftschlitzen bzw. -düsen benachbart ist; ii) Schikanen; iii) Lenkklappen; iv) Krümmung des Zufuhrkanals. Die Partikel werden durch Strömungsumlenkung auf die Seite des Brenners geführt, die der Seite der Seitenluftdüsen bzw. dem Seitenluftstrom gegenüberliegt. Dadurch wird die Einmischung der Verbrennungsluft in den Traggas-Brennstoffstrom verzögert und es bildet sich eine ausgedehntere Entgasungszone aus. Zudem bildet sich eine Zone der unterstöchiometrischen Verbrennung aus. Diese Umstände führen zu einer verringerten Produktion von NOX.
  • In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der über die seitlichen Luftschlitze bzw. Luftdüsen eingeführte Luftstrom so ausgerichtet, dass dieser um einen Winkel von 2° bis 20°, vorzugsweise von 5° bis 15°, von der Ausrichtung des Brennstoffstroms weg geneigt in den Feuerraum eingeführt wird. Auch dadurch wird die Einmischung der Verbrennungsluft in den Traggas-Brennstoffstrom verzögert was zu einer Verringerung der Produktion von NOX führt.
  • Auch eine weitere bevorzugte Maßnahme führt zu einer ausgedehnteren Entgasungszone mit unterstöchiometrischer Verbrennung, was zu einer Verringerung der Produktion von NOX führt. Dabei wird der Brennstoffstrom um einen Winkel von 2° bis 30°, vorzugsweise von 5° bis 15°, bezüglich der Horizontalen nach unten geneigt in den Feuerraum eingeführt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die undefinierte Zündung, die Ungleichverteilung des Brennstoffes und die undefinierte Einmischung der Verbrennungsluft und deren negative Auswirkungen auf die NOx-Emissonen beseitigen. In bevorzugten Verfahrensführungen ermöglicht die Erfindung eine verbesserte Verbrennung mit reduzierten NOx-Emissionen mittels definierter Zündung, optimierter Luftstufung (radial und vertikal), optimierter Verbrennungslufteinmischung in den Traggas-Staub-Strahl und radialer Brennstoffstufung. Darüber hinaus werden mittels der oben genannten Maßnahmen vorteilhafte Eigenschaften während des Betriebs erreicht, nämlich eine Reduktion lokaler Temperaturspitzen, und dadurch eine Reduktion der Verschlackungsneigung und des in den Temperaturspitzen thermisch gebildeten NOx. Weiterhin wird eine Verbesserung der Wandatmosphäre durch radiale Luftschleier bewirkt, wodurch die Korrosionsneigung an den Feuerraumwänden verringert wird.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung führt zu einer Optimierung des Verbrennungsprozesses und zur Senkung der primären NOx-Emissionen im Brennergürtelbereich. Bevorzugt wird die Verbrennungsluft im Gegensatz der Verwendung des klassischen Braunkohlebrenners im Wesentlichen radial gestuft. Die vertikale Schichtung zwischen Kohlenstaubstrom und Seitenluftstrom stellt das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung dar. Die Überlagerung der radialen Luftstufung im Brenner und der vertikalen Luftstufung im Feuerraum (über Oberluftdüsen) gewährleistet einen noch langsameren Mischeffekt der Luft in den Brennstoffstrahl und somit eine zusätzliche Unterdrückung der primären NOx-Bildung.
  • Darüber hinaus versorgt die Seitenluft am Brenner die nächstliegenden Verdampferwände mit Verbrennungsluft, so dass sich dort moderate Rauchgastemperaturen und eine vergleichsweise hohe O2-Wandatmosphäre einstellen. Dadurch wird das Risiko sowohl von Wandkorrosion als auch von Verschlackung im Brennergürtelbereich deutlich minimiert. In bevorzugten Verfahren wird die Ober-, Zwischen- und Unterluft wird nicht mehr über Schlitze, sondern durch thermisch stabilere Rohrkonstruktionen eingeführt.
  • In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der Brennstoffstrom über einen oder mehrere Hauptbrenner tangential in den Feuerraum eingeführt, wobei der Brennstoffstrom oder die aus mehreren Hauptbrennern zugeführten Brennstoffteilströme auf einen Brennkreis im Feuerraum ausgerichtet ist bzw. sind.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass zur Sicherung des Ausbrands des in den Feuerraum eingeführten Brennstoffes oberhalb der Zufuhr des Brennstoffstroms Ausbrandluft zugeführt wird.
  • In einem weiteren bevorzugten Verfahren weist der Feuerraum einen rechteckigen, insbesondere einen quadratischen Querschnitt auf, wobei der Brennstoffstrom in Form einer Wandfeuerung, vorzugweise einer Allwandfeuerung in den Feuerraum eingeführt wird.
  • In weiteren bevorzugten Verfahren wird eine Feuerung verwendet, wobei zwei oder mehr erfindungsgemäße Brenner nebeneinander je Feuerraumwand angeordnet sind. In einem anderen bevorzugten Verfahren sind zwei oder mehr erfindungsgemäße Brenner übereinander je Feuerraumwand angeordnet. Besonders bevorzugt ist in einer ersten Ebene mindestens ein erfindungsgemäßer Brenner je Feuerraumwand und in einer zweiten Ebene ebenfalls mindestens ein erfindungsgemäßer Brenner je Feuerraumwand angeordnet, wobei die zweite Ebene oberhalb der ersten Ebene angeordnet ist. Dabei ist jeder Brenner einer Ebene auf einen Feuerkreis ausgerichtet, wobei der Feuerkreis der 1. Ebene zum Feuerkreis der 2. Ebene entlang der Vertikalen versetzt ist. In weiteren bevorzugten Verfahren wird eine Feuerung angewandt, wobei in der Feuerungsanlage entsprechend der beschriebenen 1. bzw. 2. Ebene weitere Ebenen mit den erfindungsgemäßen Brennern angeordnet. Insbesondere ist bevorzugt, dass in mindestens einer Brennerebene mindestens zwei erfindungsgemäße Brenner nebeneinander je Feuerraumwand angeordnet sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verfeuern von Brennstoffen führt zur Reduzierung der Stickoxidbelastung. Dabei wird bevorzugt Braunkohlenstaub über Hauptbrenner tangential in einen rechteckigen bzw. quadratischen Feuerraum eingeführt und Luft vertikal geschichtet ebenfalls in den Feuerraum eingeführt. Weiterhin wird zur Umsetzung des Brennstoffes oberhalb dessen Zufuhr Ausbrandluft zugeführt. Die Zuführung aller Reaktionspartner geschieht dabei derart, dass eine schraubenförmige aufsteigende Strömung im Feuerraum aufgebaut wird. Es bilden sich durch die gestufte Zuführung des Reduktionsbrennstoffes eine Verbrennungszone im Bereich der Hauptbrenner mit einer unterstöchiometrischen Verbrennung sowie eine Ausbrandzone oberhalb der Zuführung der Ausbrandluft aus.
  • Zudem ist bevorzugt, dass ein zusätzlicher Luftstrom in Form einer Eckenfeuerung in den Feuerraum eingeführt wird.
  • In einem besonders bevorzugten Verfahren wird der Brennstoffstrom an Flammenstabilisatoren (Zähne), die direkt am Brennstoffaustritt (Kohlenstaubaustritt) der Brennstoffschlitze angebracht sind, vorbeigeführt. Diese Flammenstabilisatoren werden dienen zur stabilen Zündung des Kohlenstaub/Luft-Gemisches. Die Flammenstabilisatoren dienen dazu, die Staubteilchen zu verlangsamen und eine Turbulenz der Partikel zu erzeugen, um die Freigabe von flüchtigen Stoffen beschleunigen und die Zündung nah am Ausgang der Brenner zu stabilisieren. Je nach Zündwilligkeit der Kohle liegt die Versperrung des freien Querschnitts des Brennstoffschlitzes von 5 % bis 50 %.
  • In einem weiteren besonders bevorzugten Verfahren wird der Brennstoffstrom an Rampen, die direkt am Brennstoffaustritt der Brennstoffschlitze angebracht sind, vorbeigeführt. Diese Rampen dienen zur Sicherstellung der Zündung des Brennstoffes direkt am Brenner. Die Rampen verengen den Brennerzufuhrkanal in Richtung Austritt zunehmend. Die Rampen sorgen für eine weitere Erhöhung der Turbulenz am Brennstoffaustritt. Sie können sowohl einzeln als auch zusammen in Kombination mit Flammenstabilisatoren ausgeführt werden.
  • Die technische Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Brenner für eine Feuerungsanlage zur Einführung eines Brennstoffstroms, insbesondere eines Kohlenstaubstroms in einen Feuerraum der Feuerungsanlage,
    wobei der Brenner einen Brennstoffschlitz oder mehrere in einer Vertikalebene angeordnete Brennstoffschlitze aufweist,
    wobei eine oder mehrere horizontale Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen zumindest oberhalb und unterhalb der Brennstoffschlitze angeordnet sind,
    wobei einseitig der Brennstoffschlitze Luftschlitze oder Luftdüsen angeordnet sind, welche sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze des Brenners erstrecken; und
    wobei der Brenner in den Brennstoffschlitzen oder deren Zufuhrkanäle Mittel zu Strömungsumlenkung enthält, um die Konzentration des durch die Brennstoffschlitze eingeführten Brennstoffstroms von der Seite der seitlichen Luftschlitze bzw. Luftdüsen (11) zur gegenüberliegenden Seite hin zu erhöhen, wobei eine radiale Brennstoffstufung erzeugt wird.
  • Der Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
    • der Brenner einen Brennstoffschlitz oder mehrere in einer Vertikalebene angeordnete Brennstoffschlitze aufweist,
    • eine oder mehrere horizontale Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen zumindest oberhalb und unterhalb der Brennstoffschlitze angeordnet sind, zur Begrenzung des Brennstoffstroms nach oben und unten mittels Brennerluft,
    • einseitig der Brennstoffschlitze Luftschlitze oder Luftdüsen angeordnet sind, welche sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze des Brenners erstrecken, zur Einführung von Brennerluft in den Feuerraum und zur vertikalen Begrenzung des Brennstoffstroms an einer Seite mittels eines Seitenluftstroms; und
  • Wie bereits oben erwähnt bedeutet die "einseitige" Anordnung der Luftschlitze oder Luftdüsen, dass solche Seitenluftschlitze- bzw. düsen lediglich an einer Seite des Brenners bzw. der Brennstoffschlitze oder -düsen angeordnet sind, und nicht an beiden Seiten.
  • Weiterhin ist die Erstreckung der einseitig angeordneten Luftschlitze oder Luftdüsen, über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze des Hauptbrenners gemäß der Erfindung so zu verstehen, dass die Seitenluftschlitze- bzw. düsen mindestens über die vertikale Strecke von der Unterkante des untersten Brennstoffschlitzes bis zur Oberkante des obersten Brennstoffschlitzes des jeweiligen Hauptbrenners angeordnet sind, und ggf. weitere nach unten und/oder oben angeordnet werden können.
  • Die Mittel zur Strömungsumlenkung in den Brennstoffschlitzen oder deren Zufuhrkanäle können jegliche Ausgestaltung aufweisen, solange diese geeignet sind, die Konzentration des durch die Brennstoffschlitze eingeführten Brennstoffstroms entlang einer horizontalen Achse, d.h. von einer Seite des Brennstoffaustritts zur anderen, zu erhöhen, bzw. einen horizontal verlaufenden Brennstoffgradienten zu schaffen. Diese Mittel sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
    1. i) einer einseitigen Verjüngung des Zufuhrkanals, wobei die Verjüngung im Zufuhrkanal auf der Seite angeordnet ist, die den Seitenluftschlitzen bzw. -düsen benachbart ist;
    2. ii) Schikanen;
    3. iii) Lenkklappen;
    4. iv) Krümmung des Zufuhrkanals.
  • Die Brennstoffschlitze weisen vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Form auf.
  • In bevorzugten Ausführungsformen des Brenners für eine Feuerungsanlage ist der Hauptbrenner so konfiguriert, dass mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 85%, mindestens 90%, mindestens 95% des über den Brenner eingeführten Luftstroms über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen strömen.
  • Besonders bevorzugt sind die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen so angeordnet, dass der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Luftschlitzes bzw. der Luftdüse zur benachbarten Kante des Brennstoffschlitzes höchstens ½ der horizontalen Abmessung des Brennstoffschlitzes beträgt.
  • In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis der vertikalen Ausdehnung zur horizontalen Ausdehnung der Gesamtheit der Brennstoffschlitze des Brenners mindestens 1,0:1, bevorzugt mindestens 1,5:1, weiter bevorzugt mindestens 2,0:1, noch weiter bevorzugt mindestens 2,5:1, weiter bevorzugt mindestens 3,0:1, noch weiter bevorzugt mindestens 3,5:1 und besonders bevorzugt mindestens 4,0:1.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ausrichtung der seitlichen Luftschlitze bzw. Luftdüsen um einen Winkel von 2° bis 20°, vorzugsweise von 5° bis 15°, von den Brennstoffschlitzen weg geneigt.
  • Besonders bevorzugt sind Brenner wobei eine oder mehrere horizontale Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen zwischen den Brennstoffschlitzen angeordnet sind, zur horizontalen Unterteilung des Brennstoffstroms eines Brenners mittels Brennerluft.
  • Weiter bevorzugt ist der Brenner so konfiguriert ist, dass die Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom horizontal unterteilt sowie oberhalb und unterhalb begrenzt wird, und insbesondere so konfiguriert, dass die über diese Luftschlitzen bzw. Luftdüsen eingeführte Luftmenge in Richtung Seitenluftschlitze- bzw. -düsen zunimmt, wobei eine radiale Luftstufung erzeugt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Brenner so konfiguriert, dass die Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom horizontal unterteilt sowie oberhalb und unterhalb begrenzt wird, und insbesondere so konfiguriert, dass die über diese Luftschlitzen bzw. Luftdüsen eingeführte Luftmenge von oben nach unten, von unten nach oben oder von oben und unten in Richtung Mitte des Brenners zunimmt, wobei eine vertikale Luftstufung erzeugt wird.
  • Mit dem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich die undefinierte Zündung, die Ungleichverteilung des Brennstoffes und die undefinierte Einmischung der Verbrennungsluft und deren negative Auswirkungen auf die NOx-Emissonen beseitigen. Insbesondere stellt die Erfindung einen verbesserten Brenner vom Typ "Strahlbrenner" mit reduzierten NOx-Emissionen mittels definierter Zündung, optimierter Luftstufung (radial und vertikal), optimierter Verbrennungslufteinmischung in den Traggas-Staub-Strahl und radialer Brennstoffstufung zur Verfügung. Darüber hinaus werden durch die erfindungsgemäßen Brenner mittels der oben genannten Maßnahmen vorteilhafte Eigenschaften während des Betriebs erreicht, nämlich eine Reduktion lokaler Temperaturspitzen, und dadurch eine Reduktion der Verschlackungsneigung und des in den Temperaturspitzen thermisch gebildeten NOx. Weiterhin wird eine Verbesserung der Wandatmosphäre durch radiale Luftschleier bewirkt, wodurch die Korrosionsneigung an den Feuerraumwänden verringert wird.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Brenners sind zur Zündung des Brennstoffs an den Auslässen der einzelnen Brennstoffschlitze Flammenstabilisatoren (Zähne) angebracht. Diese Flammenstabilisatoren dienen der stabilen Zündung des Kohlenstaub/Luft-Gemisches. Die Stabilisatoren dienen dazu die Staubteilchen zu verlangsamen und eine Turbulenz der Partikel zu erzeugen, um die Freigabe von flüchtigen Stoffen beschleunigen und die Zündung nah am Ausgang der Brenner zu stabilisieren. Die Flammenstabilisatoren sind dabei am Brennstoffaustritt der Brennstoffschlitze angebracht und ragen in den Querschnitt des Brennstoffschlitzes hinein.
  • Die Form der Flammenstabilisatoren ist nicht begrenzt. So können die Flammenstabilisatoren eine abgerundete, rechteckige oder quadratische Form aufweisen. Die unterschiedlichen Zahnformen dienen prinzipiell demselben Zweck, nämlich durch Erzeugung örtlicher Turbulenz die Zündung zu begünstigen (Flammenhalter).
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Flammenstabilisatoren mit einer Stützrippe bzw. Versteifungsrippe an der feuerraumabgewandten Seite versehen. Diese Rippe erfüllt zwei Hauptaufgaben, nämlich i) der Versteifung des Flammenstabilisators aus konstruktiver Sicht, und ii) der Abfuhr bzw. Ableitung von Wärme.
  • Der Flammenstabilisator ist aus dem Feuerraum heraus einer großen thermischen Strahlung ausgesetzt. Zwar findet durch die kontinuierliche Anströmung von Traggas/Brennstaub-Gemisch eine Kühlung statt. Dennoch erfolgt durch die Rippe eine bessere Wärmeableitung. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Brenner außer Betrieb ist, also keine Kühlung durch das Traggas/Brennstaub-Gemisch erfolgt. Die im Fall, dass der Brenner außer Betrieb ist, dann üblicherweise aufgegebenen Kühlluftmengen sind vergleichsweise gering, so dass die verbesserte Wärmeableitung durch die Rippe erforderlich ist.
  • Die Flammenstabilisatoren können an allen Kanten des Austritts des rechteckigen oder quadratischen Brennstoffschlitzes angeordnet werden, i) an der oberen Horizontalen; ii) an der unteren Horizontalen; iii) an der Vertikalen zur Seitenluft; iv) an der Vertikalen gegenüber der Seitenluft. Es ist auch möglich, einzelne Kanten nicht mit Flammenstabilisatoren auszustatten.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Flammenstabilisatoren an den folgenden Kanten des Austritts des rechteckigen oder quadratischen Brennstoffschlitzes angeordnet: i) an der oberen Horizontalen; ii) an der unteren Horizontalen; iii) an der Vertikalen benachbart zu den Seitenluftdüsen- bzw. -Schlitzen; iv) an der Vertikalen gegenüber den Seitenluftdüsen- bzw. -Schlitzen, besonders bevorzugt insbesondere an der Vertikalen gegenüber den Seitenluftdüsen- bzw. - Schlitzen. Bei einer besonders bevorzugten Variante dieser Ausführungsform werden die Flammenstabilisatoren an der Vertikalen benachbart zu den Seitenluftdüsen- bzw. -Schlitzen durchgehend an derselben angebracht, während die Flammenstabilisatoren an der oberen Horizontalen und an der unteren Horizontalen in Richtung der Kante benachbart über die ganze Kante verteilt zu den Seitenluftdüsen- bzw. -Schlitzen nicht durchgehend angebracht sind. Diese Situation wird in Figur 9 B dargestellt.
  • Als Flammenstabilisatoren können die oben aufgeführten Variationen zum Einsatz kommen, und insbesondere auch Kombinationen daraus an einem Brennstoffaustritt. Diese Situation wird in Figur 10 dargestellt.
  • Die von den Flammenstabilisatoren bezogen auf die freie Fläche Afrei,oben = b * h2 für den oberen Staub-Halbfinger bzw Afrei.unten = b * h1 (siehe Figur 9) für den unteren Staub-Halbfinger versperrte Fläche wird maßgeblich durch die Brennstoffeigenschaften und die vorangegangene Mahltrocknung bestimmt. Bei zündwilliger Kohle ist eine geringere Versperrung möglich. Bei zündunwilligerer Kohle ist eine größere Versperrung notwendig, um die die Zwischenraumgeschwindigkeit und damit die Turbulenz weiter zu erhöhen. Je nach Zündwilligkeit der Kohle liegt die Versperrung des freien Querschnitts der Traggas-Staub-Austrittsdüse von 5 % bis 50 %.
  • Um die Zündung des Brennstoffes direkt am Brenner weiterhin stabil sicherzustellen werden vorzugsweise Rampen am Brennstoffaustritt angebracht, die den Brennerzufuhrkanal in Richtung Austritt zunehmend verengen. Die Rampen sorgen für eine weitere Erhöhung der Turbulenz am Brennstoffaustritt. Sie können sowohl einzeln als auch zusammen in Kombination mit Flammenstabilisatoren ausgeführt werden. Die Rampen können außerdem horizontal und vertikal am Kohlenstaubaustritt angebracht werden. In Figur 11 ist ein Anwendungsbeispiel der Rampen dargestellt. Die Rampen sind in diesem Fall einzeln und an den horizontal verlaufenden Kanten des Brennstoffaustrittes angebracht.
  • Die technische Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Feuerungsanlage zur Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, insbesondere Kohlenstaub, wobei mindestens je ein Brenner pro Feuerraumwand gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, angeordnet ist und diese Brenner tangential auf einen Brennkreis im Feuerraum ausgerichtet sind. Die in der Feuerungsanlage verwendeten Hauptbrenner weisen einen Brennstoffschlitz oder mehrere in einer Vertikalebene angeordnete Brennstoffschlitze auf,
    wobei eine oder mehrere horizontale Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen zumindest oberhalb und unterhalb der Brennstoffschlitze angeordnet sind, zur Begrenzung des Brennstoffstroms nach oben und unten mittels Brennerluft,
    wobei einseitig der Brennstoffschlitze Luftschlitze oder Luftdüsen angeordnet sind, welche sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze des Brenners erstrecken, zur Einführung von Brennerluft in den Feuerraum und zur vertikalen Begrenzung des Brennstoffstroms an einer Seite mittels der Brennerluft; und
    wobei der Brenner in den Brennstoffschlitzen oder deren Zufuhrkanäle Mittel zu Strömungsumlenkung enthält, um die Konzentration des durch die Brennstoffschlitze eingeführten Brennstoffstroms von der Seite der seitlichen Luftschlitze bzw. Luftdüsen zur gegenüberliegenden Seite hin zu erhöhen, wobei eine radiale Brennstoffstufung erzeugt wird.
  • Die Feuerungsanlage weist einen rechteckigen, insbesondere einen quadratischen Querschnitt auf, wobei mindestens eine Wand, vorzugsweise mindestens zwei gegenüberliegende Wände, weiter bevorzugt alle Wände des Feuerraums jeweils mit mindestens einem Hauptbrenner, vorzugsweise zwei nebeneinander angeordneten Hauptbrennern, ausgestattet ist bzw. sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die die Brenner tangential auf einen Brennkreis im Feuerraum ausgerichtet. Bevorzugt ist dabei die Feuerungsanlage so konfiguriert, dass bei Betrieb im Feuerraum eine schraubenförmige, aufsteigende Strömung aufgebaut wird, wobei bezogen auf den Drehsinn der schraubenförmigen Strömung der über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführte Seitenluftstrom voreilend zum Brennstoffstrom eingeführt wird.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass bei Betrieb die vertikale Schichtung zwischen Brennstoffstrom und Seitenluftstrom derart aufgebaut wird, dass die Schicht des Seitenluftstroms zwischen der Wand des Feuerraums und dem Brennstoffstrom, und der Brennstoffstrom zwischen dem Seitenluftstrom und der zentralen Längsachse des Feuerraums verläuft.
  • Weiterhin sind die Brenner vorzugsweise in einem Winkel von 2° bis 30°, vorzugsweise von 5° bis 15°, bezüglich der Horizontalen nach unten geneigt ausgerichtet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr erfindungsgemäße Brenner nebeneinander je Feuerraumwand angeordnet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr erfindungsgemäße Brenner übereinander je Feuerraumwand angeordnet.
  • Besonders bevorzugt ist in einer ersten Ebene mindestens ein erfindungsgemäßer Brenner je Feuerraumwand und in einer zweiten Ebene ebenfalls mindestens ein erfindungsgemäßer Brenner je Feuerraumwand angeordnet, wobei die zweite Ebene oberhalb der ersten Ebene angeordnet ist. Dabei ist jeder Brenner einer Ebene auf einen Feuerkreis ausgerichtet, wobei der Feuerkreis der 1. Ebene zum Feuerkreis der 2. Ebene entlang der Vertikalen versetzt ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind in der Feuerungsanlage entsprechend der beschriebenen 1. bzw. 2. Ebene weitere Ebenen mit den erfindungsgemäßen Brennern angeordnet. Insbesondere ist bevorzugt, dass in mindestens einer Brennerebene mindestens zwei erfindungsgemäße Brenner nebeneinander je Feuerraumwand angeordnet sind.
  • Dabei ist besonders bevorzugt in einer ersten Ebene zwei oder mehr erfindungsgemäße Brenner nebeneinander je Feuerraumwand und vorzugsweise in einer zweiten Ebene ebenfalls zwei oder mehr erfindungsgemäße Brenner oberhalb der ersten Ebene angeordnet. Dabei ist jeder Brenner einer Ebene auf einen Feuerkreis ausgerichtet, wobei der Feuerkreis der 1. Ebene zum Feuerkreis der 2. Ebene entlang der Vertikalen versetzt ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind in der Feuerungsanlage entsprechend der beschriebenen 1. bzw. 2. Ebene weitere Ebenen mit den erfindungsgemäßen Brennern angeordnet.
  • In eine bevorzugten Ausführungsform der Feuerungsanlage ist der oder sind die Hauptbrenner so konfiguriert, dass mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 85%, mindestens 90%, mindestens 95% des über einen Hauptbrenner eingeführten Luftstroms über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, so dass eine vertikale Schichtung zwischen Brennstoffstrom und Seitenluftstroms erzeugt wird.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen so angeordnet, dass der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Luftschlitzes bzw. der Luftdüse zur benachbarten Kante des Brennstoffschlitzes höchstens ½ der horizontalen Abmessung des Brennstoffschlitzes beträgt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Feuerungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis der vertikalen Ausdehnung zur horizontalen Ausdehnung der Gesamtheit der Brennstoffschlitze eines Hauptbrenners am Austritt in den Feuerraum mindestens 1,0:1, bevorzugt mindestens 1,5:1, mindestens 2,0:1, mindestens 2,5:1, weiter bevorzugt mindestens 3,0:1 und noch weiter bevorzugt mindestens 3,5:1 und besonders bevorzugt mindestens 4,0:1.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Feuerungsanlage ist diese so konfiguriert ist, dass die Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom horizontal unterteilt sowie oberhalb und unterhalb begrenzt wird, und insbesondere so konfiguriert ist, dass die über diese Luftschlitzen bzw. Luftdüsen eingeführte Luftmenge in Richtung Seitenluftschlitze- bzw. -düsen zunimmt, wobei eine radiale Luftstufung erzeugt wird.
  • In eine weiteren Ausgestaltung der Feuerungsanlage ist diese so konfiguriert, dass die Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen bzw. Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom horizontal unterteilt sowie oberhalb und unterhalb begrenzt wird, und insbesondere so konfiguriert, dass die über diese Luftschlitzen bzw. Luftdüsen eingeführte Luftmenge von oben nach unten, von unten nach oben oder von oben und unten in Richtung Mitte des Brenners zunimmt, wobei eine vertikale Luftstufung erzeugt wird.
  • Besonders bevorzugt sind oberhalb der Hauptbrenner Ausbrandluftdüsen zur Einführung von Ausbrandluft in den Feuerraum angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Feuerungsanlage sind zusätzliche Luftdüsen in den Ecken des Feuerraums angeordnet, was auch als Eckenfeuerung bezeichnet wird.
  • Wie oben bereits erwähnt, sind zur Zündung des Brennstoffs an den Auslässen der einzelnen Brennstoffschlitze bevorzugt Flammenstabilisatoren (Zähne) angebracht. Diese Flammenstabilisatoren dienen der stabilen Zündung des Kohlenstaub/LuftGemisches. Die Stabilisatoren dienen dazu die Staubteilchen zu verlangsamen und eine Turbulenz der Partikel zu erzeugen, um die Freigabe von flüchtigen Stoffen beschleunigen und die Zündung nah am Austritt der Brenner zu stabilisieren. Die Form der Flammenstabilisatoren ist nicht limitiert. So können die Flammenstabilisatoren eine abgerundete, rechteckige oder quadratische Form aufweisen. Vorzugsweise weisen die Brennstoffschlitze in den Feuerraum um den ganzen Rand des Austritts der Brennstoffschlitze herum Flammenstabilisatoren auf.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher beschrieben werden. Dazu dienen auch die nachfolgenden Zeichnungen.
    • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennerspiegels des Standes der Technik vom Feuerraum aus gesehen.
    • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennerspiegels gemäß der vorliegenden Erfindung vom Feuerraum aus gesehen.
    • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennerspiegels gemäß der vorliegenden Erfindung vom Feuerraum aus gesehen bei der die radiale Luftstufung erläutert wird.
    • Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennerspiegels gemäß der vorliegenden Erfindung vom Feuerraum aus gesehen bei der die vertikale Luftstufung erläutert wird.
    • Figur 5 zeigt die radiale Brennstoffstufung des Brenners, die in einem bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt wird.
    • Figur 6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Feuerraums in schematisierter Darstellung mit Kennzeichnung der Strömungsrichtungen des in den Feuerraum eingeführten Brennstoffes und der in den Feuerraum eingeblasenen Luft.
    • Figur 7 zeigt unterschiedliche Geometrien von Flammenstabilisatoren.
    • Figur 8 zeigt weitere Ausgestaltungen von Flammenstabilisatoren.
    • Figur 9 zeigt mögliche Anordnungen von Flammenstabilisatoren am Brennstoffaustritt.
    • Figur 10 zeigt unterschiedliche Geometrien von Flammenstabilisatoren an einem Brennstoffaustritt.
    • Figur 11 zeigt die Funktionsweise von Rampen an den Austritten der Brennstoffdüsen.
  • Der in Figur 1 dargestellte herkömmliche Brenner 1 weist zwei Brennerfinger, einen oberen Brennerfinger 1a und einen unteren Brennerfinger 1b auf. Die Brennstoffschlitze sind mit 2 bezeichnet. Reihen von Mittenkernluftrohren 3 teilen die Brennerfinger horizontal jeweils in zwei Brennerhalbfinger auf. Zwischen dem oberen Brennerfinger und dem unteren Brennerfinger ist ein Zwischenluftschlitz 5 angeordnet, während ein Oberluftschlitz 4 die Brennstoffschlitze nach oben und ein Unterluftschlitz 6 die Brennstoffschlitze nach unten begrenzt. Bei diesem Brennertyp wird der Hauptsekundärluftstrom ober-, zwischen und unterhalb des Brennstoffstroms eingeblasen. Dieser Brennertyp des Standes der Technik ist durch die horizontale Schichtung von Kohlenstaubstrom und Hauptsekundärluftstrom gekennzeichnet.
  • Der in Figur 2 gezeigte Brenner 1 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform weist zwei Brennerfinger, einen oberen Brennerfinger 1a und einen unteren Brennerfinger 1b auf. Die Brennstoffschlitze sind mit 2 bezeichnet. Die einzelnen Brennstoffschlitze 2 werden durch Reihen von Mittenkernluftdüsen 9 bzw. Zwischenluftdüsen 13 voneinander getrennt. Weiterhin begrenzt eine Reihe Oberluftdüsen 8 die Brennstoffschlitze 2 nach oben und eine Reihe Unterluftdüsen 10 die Brennstoffschlitze nach unten. An einer Seite des Brenners bzw. der Brennstoffschlitze 2 des Brenners 1 sind gemäß der vorliegenden Erfindung Luftschlitze oder Luftdüsen 11 (Seitenluftschlitze bzw. -düsen) angeordnet. Diese erstrecken sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung des Brenners 1 und dienen der Zuführung von Seitenluft. Gemäß der Erfindung wird auf diese Weise im Feuerraum der Brennstoffstrom an einer Seite vertikal durch die Seitenluft begrenzt. Dabei ist der Brenner 1 gemäß der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass mindestens 20% des über den Brenner eingeführten Luftstroms über die seitlichen Luftschlitze 11 oder Luftdüsen in den Feuerraum eingeführt wird, um eine vertikale Schichtung zwischen Brennstoffstrom und Hauptsekundärluftstrom bzw. Seitenluftstrom zu erzeugen. Wie in der Figur 2 dargestellt, sind die seitlichen Luftschlitze 11 oder Luftdüsen bevorzugt so angeordnet. dass der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Luftschlitzes 11 zur benachbarten Kante des Brennstoffschlitzes 2 höchstens ½ der horizontalen Abmessung des Brennstoffschlitzes 2 beträgt.
  • Bei Betrieb wird im Feuerraum eine schraubenförmige, aufsteigende Strömung aufgebaut. Bezogen auf den Drehsinn der schraubenförmigen Strömung wird der über die seitlichen Luftschlitze 11 geleitete Seitenluftstrom voreilend zum Brennstoffstrom in den Feuerraum eingeführt. Die vertikale Schichtung von Brennstoffstrom und Seitenluftstrom ist gemäß der vorliegenden Erfindung derart, dass die Schicht des Seitenluftstroms zwischen der Wand des Feuerraums und dem Brennstoffstrom, und der Brennstoffstrom zwischen dem Seitenluftstrom und der zentralen Längsachse des Feuerraums verläuft.
  • Wie in Figur 2 ersichtlich ist beträgt die vertikale Ausdehnung der Brennstoffschlitze des Brenners am Austritt in den Feuerraum vorzugsweise ein Vielfaches zur horizontalen Ausdehnung der Brennstoffschlitze, nämlich hier etwa Faktor 4.
  • In der in Figur 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform des Brenners 1 sind zur Zündung des Brennstoffs an den Auslässen der einzelnen Brennstoffschlitze 2 Flammenstabilisatoren 12 angebracht. Diese Flammenstabilisatoren dienen der stabilen Zündung des Kohlenstaub/Luft-Gemisches. Die Flammenstabilisatoren sind dabei am Brennstoffaustritt der Brennstoffschlitze 2 angebracht und ragen in den Querschnitt des Brennstoffschlitzes hinein. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform sind entlang aller vier Kanten der Brennstoffschlitze 2 Flammenhalter 12 angebracht.
  • In Figur 3 wird die radiale Luftstufung des Brenners, die in einem bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt wird, erläutert. Ein Teil der Brennerluft wird mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftdüsen 8, 9, 10 in den Feuerraum eingeführt. Dadurch wird der durch die Brennstoffschlitze 2 eingeführte Brennstoffstrom horizontal unterteilt sowie oberhalb und unterhalb begrenzt. Bevorzugt nimmt die über diese Luftdüsen 8, 9, 10 eingeführte Luftmenge in Richtung Seitenluftschlitze- bzw. -düsen 11 hin zu, d.h. es wird eine radiale Luftstufung erzeugt. Die Seitenluft wird so eingedüst, dass sie einen bezogen auf den Feuerkreis außen liegenden Schleier bildet. Zusätzlich wird die über die horizontal verlaufenden Reihen von Brennerluftdüsen 8, 9, 10 eingedüste Luftmenge in Rotationsrichtung der Feuerraumströmung (also nach außen hin bzw. in Richtung Seitenluftdüsen 11) erhöht. Die ansteigende Luftmenge bzw. radiale Luftstufung ist durch den Keil am oberen Ende der Figur schematisch dargestellt. In der gezeigten Ausführungsform sind am Austritt der Brennstoffschlitze 2 Flammenstabilisatoren 12 an nur drei Kanten der Brennstoffschlitze 2 angebracht.
  • In Figur 4 wird die vertikale Luftstufung des Brenners, die in einem bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt wird, erläutert. Die Brennerluft wird mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftdüsen 8, 9, 10 in den Feuerraum eingeführt. Auf diese Weise wird der durch die Brennstoffschlitze 2 eingeführte Brennstoffstrom horizontal unterteilt sowie oberhalb und unterhalb begrenzt. Bei der vertikalen Luftstufung nimmt, wie in Figur 4 dargestellt, die über diese Luftdüsen 11 eingeführte Luftmenge von oben nach unten zu. Die unterschiedliche Luftmenge bzw. die vertikale Stufung der Luftmenge ist durch den Balken auf der rechten Seite der Figur schematisch dargestellt.
  • In Figur 5 wird die radiale Brennstoffstufung des Brenners, die in einem bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt wird, erläutert. Figur 5 zeigt in der linken Teilfigur den Brennerspiegel vom Feuerraum aus gesehen. Die rechte Teilfigur stellt eine Schnittansicht entlang der in der linken Teilfigur eingezeichneten Ebene C-C dar. Mit der Kennziffer 2 sind in der linken Teilfigur der Brennstoffschlitz und in der rechten Teilfigur der Brennstoffzufuhrkanal und mit 19 der Austritt des Brennstoffschlitzes bezeichnet. Die Seitenluftdüse wird mit 11 dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Achse der Seitenluftdüse 11 von der Achse des Brennstoffzufuhrkanals 2 weg geneigt. Bei der radialen Brennstoffstufung nimmt der Brennstoffstrom von der Seite des Seitenluftstroms zur gegenüberliegenden Seite hin zu. Dabei steigt entgegen der Rotationsrichtung der Feuerraumströmung die Partikeldichte im Brennstoffstrom an. Um diese radiale Brennstoffstufung zu erreichen, wird die Gestaltung des Zufuhrkanals 2 zum Brenner so ausgeführt, dass durch die Strömungsführung eine lokale Anreicherung des Brennstoffpartikelstroms erfolgt. Dies kann z.B. mit einer mit einer Schulter 20 beginnenden Verengung des Brennstoffzufuhrkanals 2 erreicht werden, die auf der Seite des Brennstoffzufuhrkanals angeordnet ist, die dem Seitenluftkanal 11 benachbart ist. Die Partikel werden durch Strömungsumlenkung auf die Seite des Brenners geführt, die der Seite der Seitenluftdüsen bzw. dem Seitenluftstrom gegenüberliegt. Die radiale Brennstoffstufung ist durch den Balken auf der unteren Seite der Figur schematisch dargestellt.
  • In Figur 6 wird eine Querschnittsansicht eines Feuerraums 18 in schematisierter Darstellung mit Kennzeichnung der Strömungsrichtungen des in den Feuerraum 18 eingeführten Brennstoffes (dicker Pfeil) und der in den Feuerraum eingeblasenen Seitenluft (dünner Pfeil) gezeigt. Mit 14 wird die Feuerraumwand bezeichnet. Die Brenner 1 sind untereinander gleich ausgebildet und stellvertretend für diese sind die Brenner durch ihre Brennerspiegel 1 veranschaulicht. Stromabwärts des Brenners entsteht an der Brennerwand ein Luftschleier. Die Anordnung der Brenner am Feuerraum 18 folgt hier dem Prinzip der Tangentialfeuerung. Hierbei feuern die Brenner 1 von der Wand 14 (oder aus den Ecken; in Figur 6 nicht gezeigt) tangential auf einen gedachten Kreis, den sogenannten Brennkreis oder Feuerkreis. Das Zusammenspiel aller Brenner 1 bewirkt eine rotierende, schraubenförmig aufsteigende Strömung im Feuerraum 18 und somit im Wesentlichen eine verbesserte Vermischung, Homogenisierung des Temperaturfeldes und Erhöhung der Verweilzeit. Bei der Verfahrensweise gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei von jedem Brenner 1 ein vertikal ausgerichteter Seitenluftstrom abgegeben wird, wird bezogen auf den Drehsinn der schraubenförmigen Strömung des Feuerkreises dieser Seitenluftstrom über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen voreilend zum Brennstoffstrom eingeführt. So bildet sich an der Außenseite des Feuerkreises eine Zone bzw. Schicht 16 mit hohem Luftanteil aus, während im inneren Teil 17 die Verbrennung stattfindet. Auf diese Weise wird bei Betrieb die vertikale Schichtung zwischen Brennstoffstrom und Seitenluftstrom derart aufgebaut, dass die Schicht des Seitenluftstroms zwischen der Wand des Feuerraums und dem Brennstoffstrom, und der Brennstoffstrom zwischen dem Seitenluftstrom und der zentralen Längsachse des Feuerraums verläuft. In der Figur 6 wird weiterhin mittels der aus Richtung des Brenners kommenden ausgefüllten Pfeile schematisch dargestellt, dass in bevorzugten Ausführungsformen die Achse des Seitenluftstroms (dünner Pfeil) von der Achse des Brennstoffstroms (dicker Pfeil) weg geneigt ist.
  • In Figur 7 werden unterschiedliche Geometrien von Flammenstabilisatoren dargestellt (a, b, c: Flammenstabilisatoren in Vorderansicht). In bevorzugten Ausführungsformen werden zur Zündung des Brennstoffs an den Auslässen der einzelnen Brennstoffschlitze Flammenstabilisatoren (Zähne) angebracht. Diese Flammenstabilisatoren dienen der stabilen Zündung des Kohlenstaub/Luft-Gemisches. Die Stabilisatoren dienen dazu, die Staubteilchen zu verlangsamen und eine Turbulenz der Partikel zu erzeugen, um die Freigabe von flüchtigen Stoffen zu beschleunigen und die Zündung nah am Ausgang der Brenner zu stabilisieren. Die Form der Flammenstabilisatoren ist nicht begrenzt. So können die Flammenstabilisatoren eine abgerundete, rechteckige oder quadratische Form aufweisen. In den Teilfiguren a1 und a2 werden weitere Ausgestaltungen der Flammenstabilisatoren 12 gezeigt. Hierbei werden die Flammenstabilisatoren 12 mit einer Stützrippe bzw. Versteifungsrippe 15 an der feuerraumabgewandten Seite versehen. Diese Rippe dient der Versteifung aus konstruktiver Sicht und der Ableitung von Wärme.
  • In Figur 8 werden weitere Ausgestaltungen der Flammenstabilisatoren 12 gezeigt. Auch hierbei sind die Flammenstabilisatoren 12 mit einer Stützrippe bzw. Versteifungsrippe 15 an der feuerraumabgewandten Seite versehen.
  • In Figur 9 werden mögliche Anordnungen von Flammenstabilisatoren am Brennstoffaustritt erläutert. Die Flammenstabilisatoren 12 können an allen Kanten des Austritts des rechteckigen oder quadratischen Brennstoffschlitzes 2 angeordnet werden: an der oberen Kante; an der unteren Kante; an der vertikalen Kante benachbart zur Seitenluft; an der vertikalen Kante gegenüber der Seitenluft. Es ist auch möglich, einzelne Kanten nicht mit Flammenstabilisatoren auszustatten, wie dies in Figur 9 A und 9 B gezeigt wird. In einer Ausführungsform sind die Flammenstabilisatoren 12 an der oberen und unteren Horizontalen durchgehend an derselben über die ganze Kante verteilt angebracht, während die Flammenstabilisatoren 12 an der Vertikalen benachbart zu den Seitenluftdüsen- bzw. -Schlitzen 11 nicht durchgehend verteilt angebracht sind (Figur 9 A). In einer anderen Ausführungsform sind die Flammenstabilisatoren 12 an der Vertikalen benachbart zu den Seitenluftdüsen- bzw. -Schlitzen 11 durchgehend an derselben über die ganze Kante verteilt angebracht sind, während die Flammenstabilisatoren an der oberen Horizontalen und an der unteren Horizontalen in Richtung der Kante benachbart zu den Seitenluftdüsen- bzw. -Schlitzen nicht durchgehend verteilt angebracht sind (Figur 9 B).
  • Figur 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der Flammenstabilisatoren 12 unterschiedlicher Geometrien an einem Brennstoffaustritt 2 angebracht sind.
  • Figur 11 zeigt die Funktionsweise von Rampen 7 an den Austritten der Brennstoffdüsen. Die linke Teilfigur zeigt einen Schnitt entlang der in der rechten Teilfigur eingetragenen Achse A-A. Ein Teil der Brennerluft wird mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftdüsen 8, 9, 10 in den Feuerraum eingeführt. Dadurch wird der Brennstoffstrom horizontal unterteilt sowie oberhalb und unterhalb begrenzt. Zur Sicherstellung der Zündung des Brennstoffes direkt am Brenner werden vorzugsweise Rampen 7 am Brennstoffaustritt 2 angebracht. Diese Rampen 7 sorgen für eine weitere Erhöhung der Turbulenz am Brennstoffaustritt (in der linken Teilfigur dargestellt). Die Figur zeigt eine Ausführungsform, bei der die Rampen 7 an der oberen und unteren Kante angebracht sind, während die Flammenstabilisatoren 12 nur an den vertikalen Kanten angeordnet sind.
  • Der Brennertyp gemäß der vorliegenden Erfindung führt zu einer Optimierung des Verbrennungsprozesses und zur Senkung der primären NOx-Emissionen im Brennergürtelbereich. Im Gegensatz zum klassischen Braunkohlebrenner wird die Verbrennungsluft im Wesentlichen radial gestuft. Das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die vertikale Schichtung zwischen Kohlenstaubstrom und Seitenluftstrom. Die Überlagerung der radialen Luftstufung im Brenner und der vertikalen Luftstufung im Feuerraum (über Oberluftdüsen) gewährleistet einen noch langsameren Mischeffekt der Luft in den Brennstoffstrahl und somit eine zusätzliche Unterdrückung der primären NOx-Bildung.
  • Die Seitenluft am Brenner versorgt die nahe stehenden Verdampferwände mit Verbrennungsluft, so dass dort moderate Rauchgastemperaturen und eine vergleichsweise hohe O2-Wandatmosphäre herrschen. Durch die Schaffung eines ausreichenden Luftschleiers zur Vermeidung einer Brennstoffberührung mit der Feuerraumwand wird das Risiko sowohl von Wandkorrosion als auch von Verschlackung im Brennergürtelbereich deutlich minimiert.
  • Bei Einsatz des Verfahrens, der Feuerungsanlage bzw. des Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung bilden sich im Feuerraum von unten nach oben eine Hauptbrenner-Verbrennungszone und bei Anwendung von Ausbrandluftzufuhr eine Ausbrandzone. Vorteilhafterweise wird eine Tangentialfeuerung angewandt mit einer Vielzahl auf einen Brennkreis ausgerichteten Hauptbrennern und vorzugsweise einer Vielzahl von oberhalb der Hauptbrenner angeordneten Ausbrandluftdüsen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brenner
    1a
    oberer Brennerfinger
    1b
    unterer Brennerfinger
    2
    Brennstoffschlitz
    3
    Mittenkernluftrohr
    4
    Oberluftschlitz
    5
    Zwischenluftschlitz
    6
    Unterluftschlitz
    7
    Rampe
    8
    Oberluftdüsen
    9
    Mittenkernluftdüse
    10
    Unterluftdüsen
    11
    Seitenluftschlitze bzw. -düsen
    12
    Flammenstabilisatoren
    13
    Zwischenluftdüse
    14
    Feuerraumwand
    15
    Stützrippe bzw. Versteifungsrippe
    16
    Schicht mit hohem Luftanteil
    17
    Verbrennungszone
    18
    Feuerraum
    19
    Austritt des Brennstoffschlitzes
    20
    Schulter

Claims (15)

  1. Verfahren zur Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, insbesondere Kohlenstaub, bei dem der Brennstoffstrom über einen oder mehrere Hauptbrenner (1) in einen Feuerraum (18) eingeführt und verbrannt wird, wobei der Brennstoffstrom des jeweiligen Hauptbrenners (1) über einen Brennstoffschlitz (2) oder über mehrere in einer Vertikalebene angeordnete Brennstoffschlitze (2) in den Feuerraum (18) eingeführt wird,
    wobei zusätzliche Brennerluft über Luftschlitze oder Luftdüsen (8, 9, 10, 11) in den Feuerraum (18) eingeführt wird;
    wobei ein Teil der zusätzlichen Brennerluft mittels horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen (8, 9, 10) in den Feuerraum (18) eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom von der durch diese Luftschlitze oder Luftdüsen (8, 9, 10) eingeführten Brennerluft oberhalb und unterhalb begrenzt wird;
    wobei optional weitere Brennerluft mittels einer oder mehrerer horizontal verlaufender Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen (9) in den Feuerraum (18) eingeführt wird, wobei der Brennstoffstrom horizontal durch diese Brennerluft unterteilt wird;
    wobei der andere Teil der Brennerluft über einseitig angeordnete Luftschlitze oder Luftdüsen (11), welche sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze (2) des Hauptbrenners (1) erstrecken, in den Feuerraum (18) eingeführt wird und den Brennstoffstrom des jeweiligen Hauptbrenners (1), an einer Seite vertikal begrenzt und ein Seitenluftstrom ausgebildet wird;
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 20% der über einen Hauptbrenner (1) eingeführten Brennerluft über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen (11) des Hauptbrenners (1) in den Feuerraum (18) eingeführt wird, so dass eine vertikale Schichtung zwischen Brennstoffstrom und Brennerluftstrom erzeugt wird; und
    dass die Konzentration des Brennstoffstroms innerhalb des Brennstoffstroms von der Seite des Seitenluftstroms zur gegenüberliegenden Seite hin zunimmt, wobei eine radiale Brennstoffstufung erzeugt wird.
  2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 85%, mindestens 90%, mindestens 95% des über den Hauptbrenner (1) eingeführten Luftstroms über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen (11) des Hauptbrenners (1) strömen.
  3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Feuerraum (18) eine schraubenförmige, aufsteigende Strömung aufgebaut wird, und wobei bezogen auf den Drehsinn der schraubenförmigen Strömung der über die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen (11) in den Feuerraum (18) eingeführte Brennerluftstrom voreilend zum Brennstoffstrom eingeführt wird.
  4. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der über die eine oder die mehreren horizontal verlaufenden Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen (8, 9, 10) eingeführten Brennerluft in Richtung Seitenluftschlitze bzw. -düsen (11) zunimmt, wobei eine radiale Luftstufung erzeugt wird.
  5. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der über die Luftschlitze bzw. Luftdüsen (8, 9, 10, 11)eingeführten Brennerluft von oben nach unten, von unten nach oben oder von oben und unten in Richtung Mitte des Brenners (1) zunimmt, wobei eine vertikale Luftstufung erzeugt wird.
  6. Brenner (1) für eine Feuerungsanlage zur Einführung eines Brennstoffstroms, insbesondere eines Kohlenstaubstroms in einen Feuerraum (18) der Feuerungsanlage,
    wobei der Brenner (1) einen Brennstoffschlitz (2) oder mehrere in einer Vertikalebene angeordnete Brennstoffschlitze (2) aufweist,
    wobei eine oder mehrere horizontale Reihen von Luftschlitzen oder Luftdüsen (8, 9, 10) zumindest oberhalb und unterhalb der Brennstoffschlitze (2) angeordnet sind, wobei einseitig der Brennstoffschlitze (2) Luftschlitze oder Luftdüsen (11) angeordnet sind, welche sich mindestens über die gesamte vertikale Erstreckung aller Brennstoffschlitze (2) des Brenners (1) erstrecken; und dadurch gekennzeichnet dass der Brenner (1) in den Brennstoffschlitzen (2) oder deren Zufuhrkanäle Mittel zu Strömungsumlenkung (20) enthält, um die Konzentration des durch die Brennstoffschlitze (2) eingeführten Brennstoffstroms von der Seite der seitlichen Luftschlitze bzw. Luftdüsen (11) zur gegenüberliegenden Seite hin zu erhöhen, wobei eine radiale Brennstoffstufung erzeugt wird.
  7. Brenner (1) für eine Feuerungsanlage gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsumlenkung (20) in den Brennstoffschlitzen (2) oder deren Zufuhrkanäle ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus
    i) einer einseitigen Verjüngung des Zufuhrkanals (20);
    ii) Schikanen;
    iii) Lenkklappen;
    iv) Krümmung des Zufuhrkanals.
  8. Brenner (1) für eine Feuerungsanlage gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Luftschlitze oder Luftdüsen (11) so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Luftschlitzes bzw. der Luftdüse (11) zur benachbarten Kante des Brennstoffschlitzes (2) höchstens ½ der horizontalen Abmessung des Brennstoffschlitzes (2) beträgt.
  9. Brenner (1) für eine Feuerungsanlage gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der seitlichen Luftschlitze bzw. Luftdüsen (11) um einen Winkel von 2° bis 20°, vorzugsweise von 5° bis 15°, von den Brennstoffschlitzen (2) weg geneigt sind.
  10. Brenner (1) für eine Feuerungsanlage gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Brennstoffaustritt (19) der Brennstoffschlitze (2) Flammenstabilisatoren (12) angebracht sind und in den Querschnitt des Brennstoffschlitzes (2) hineinragen.
  11. Feuerungsanlage zur Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, insbesondere Kohlenstaub, wobei mindestens ein Brenner (1) gemäß den Ansprüchen 6 bis 10 je Feuerraumwand (14) angeordnet ist und diese Brenner (1) tangential auf einen Brennkreis im Feuerraum (18) ausgerichtet sind.
  12. Die Feuerungsanlage gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (1) in einem Winkel von 2° bis 30°, vorzugsweise von 5° bis 15°, bezüglich der Horizontalen nach unten geneigt ausgerichtet sind.
  13. Die Feuerungsanlage gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Brenner (1) gemäß den Ansprüchen 6 bis 10 nebeneinander je Feuerraumwand (14) angeordnet ist.
  14. Die Feuerungsanlage gemäß irgendeinem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Brenner (1) gemäß den Ansprüchen 6 bis 10 übereinander je Feuerraumwand (14) angeordnet ist.
  15. Die Feuerungsanlage gemäß irgendeinem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Hauptbrenner (1) Ausbrandluftdüsen zur Einführung von Ausbrandluft in den Feuerraum (18) angeordnet sind.
EP16164523.9A 2016-04-08 2016-04-08 Verfahren zur stickoxid-armen verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen brennstoffen, insbesondere kohlenstaub, ein brenner und eine feuerungsanlage zur durchführung des verfahrens Active EP3228935B1 (de)

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