NO161992B - Brenner for forbrenning av partikkelformet brennstoff. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en brenner av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav 1, for forbrenning av faste, partikkelformete brennstoff, for å danne ren varmgass. Den gjelder særlig en sylindrisk trykkbrenner som utnytter heliske strømningsmønster for å forlenge forbrenningen til det faste brennstoffet og en mellomliggende strupesone og et luft-kjøletrinn for å forbedre forbrenningen og styre temperaturen på de utstrømmende gassene.

Forskjellige typer av brennere for partikkelformet fast brennstoff er blitt foreslått, f.eks. i US-patentskrift 2.614.573, 2.769.411 og 2.881.720 som utnytter tangentielle strømningsmønstre og avgrenset utløpsåpning for å holde brennstoffet tilbake i brenneren slik at forbrenningen kan bli fullstendigere. I US-patentskrift 3.1099.479 beskrives en liknende brenner for kull med et dobbelt tangentielt inn-løp for de små og grove kullpartiklene, et strupet utløp for forbrenningsgassene og en nedre utløpsåpning for fjerning av aske. Andre liknende brennere er blitt beskrevet i US-PS 3.244.220, 3.453.976 og 3.472.185, men disse mangler strupete utløpsåpninger og er ikke beregnet for trykkdrift. US-PS 3.777.678 og 4.053.505 beskriver en horisontal brenner av syklontypen, for brennbare faste materialer, hvor brennstoffet innføres tangentielt i forbrenningskammeret ved dets innløpsende og forbrenningsluft innføres tangentielt langs brenneren, som har en avstrupet utløpsåpning. Også i US-PS 4.422.388 beskrives en horisontal sylindrisk brenner for fast brennstoff innført tangentielt i en ende, men holdt i ei fluidisert seng av brennstoff i sin nedre del. I tillegg er det blitt brukt spiraleller "dobbelt-spjelds" horisontalt fyrte brennere, såsom "Coen DAZ-brenneren" for forbrenning av luftbårne korn av fast materiale. Slike brennere har dobbelte spjeld, med konsentriske ventiler, som i virkeligheten deler luftstrømmen i to kontraroterende konsentriske strømmer som føres mot hverandre og gir turbulent blandeeffekt for brennstoff som føres inn i det ringformete rommet mellom de to luftstrømmene.

Slike kjente brennere er egnet for å brenne partikkelformete materialer ved tilnærmet atmosfæretrykk, for tilintetgjøring og dessuten for å gjenvinne varmeenergi. Det er imidlertiden nødvendig med forbedringer i forbrenningen av partikkelformete faste brennstoff over atmosfæretrykk og i brennerkonstruksjonen for å oppnå høyere kapasiteter for brennstoff og høyere frigjøringsgrad for varmen i brenneren for å produsere forholdsvis faststoff-fri trykksatte varme utløpsgasser egnet for kraftproduksjon.

Brenning av faste brennstoff, til forskjell fra brenning av fordampete og flyktige væskeformete brennstoff, krever økte reaksjons-tidskonstanter som er i størrelses-orden lenger for fullstendig forbrenning, dvs. massens diffusivitet styrer hastigheten ved hurtig forbrenning av faste stoffer. Historisk har dette kravet til lenger forbrenningstid blitt redusert ved å redusere størrelsen på det faste stoffet, som ved brenning av pulverisert kull i steden for kullbiter eller kullbriketter. Selv om slik størrelsesreduksjon er gunstig, vil den fortsatt ikke tillate forbrenning av fast materiale ved forbrennings-hastigheter som er tilnærmet den som oppnås for ikke-faste brennstoff. Denne forskjellen er mest iøyenfallende når en sammenligner de volumetriske energi-frigjøringene for forskjellige varmegeneratorer.

For å øke partiklenes oppholdstid i en brenner, hvilken varierer inverst med brennkaramerets størrelse for en gitt varmeavgivelse, er det et formål å utvikle en ny brenner for å oppnå økt oppholdstid for de faste partiklene. Formålet med dette er å holde de faste partiklene med høy masse i lenger tid enn flyktige brennstoff med lav masse og gassaktig materiale i et sylindrisk forbrenningskammer som har en lengde som er mer enn to ganger innvendig diameter. I dette forbrenningskammeret blir det partikkelformete faste brennstoffet innført tangentielt ved innløps-enden. Brennstoffets tangentielle hastigheter i brenneren er tilstrekkelig til at høye sentrifugalkrefter påtrykkes brennstoffpartiklene når de virvles rundt innsida av brenneren, mens det gassformete materialet, som ikke utsettes for sentrifugalkrefter og beveges med molekyl-bevegelse, kan bevege seg fritt langs brennerens langsgående akse under hurtig forbrenning og deretter unnslippe gjennom en styrt utløpsåpning ved brennerens utløpsende.

De faste partiklene holdes i sitt heliske strømnings-mønster, fanget av sin relativt høye masse og høye rotasjonshastighet, slik at de beveges langsomt helisk og med en tilstand med høye "Reynolds-tall" mot utløpsenden av forbrenningskammeret. Denne langstrakte forbrenningsbanen forlenges betydelig av den tangentielle innsprøytingen av forbrenningsluft langs brennerens langsakse, med en høy hastighet. Denne forbrenningsluften innføres under betingelser med høy tangentiell hastighet og tilhørende høye Reynolds-tall, slik at de overfører en ekstra tangentiell akselerasjon til brennstoffpartiklene som er tilstrekkelig til å hindre en eventuell reduksjon i hastighet på grunn av strømningsmotstanden for partiklene som virvler rundt. Denne forbrenningsprosessen fortsetter følgelig under betingelser som tilsvarer høye Reynolds-tall, inntil partiklene er tilstrekkelig destruert til å produsere gassprodukter som unnslipper sentrifugalkreftene i forbrenningskammeret og føres ut ved brennerens utløpsende.

Gassens oppholdstid i forbrenningskammeret er bare en funksjon av den volumetriske kapasiteten, mens oppholdstiden for de faste stoffene er baneavhengig og bestemmes av forbrenningskammerets omkrets og består av antallet omløp dividert på partikkelhastighet. En partikkel kan derfor holdes i brenneren for destruksjon i langt lenger tid enn de flyktige brennstoffene og forbrenningsproduktene som følger partikkelen. Denne forbedrete forbrenningsmetoden fremmer også hurtigere forbrenning av faste brennstoff ved å tvinge de sirkulerende partiklene noer opptil forbrenningskammerets varme innvendige vegger. Disse varme veggene er forholdsvis store sammenlignet med partiklene og tjener til å opprett-holde reaksjonen ved konstant å tilføre den terskelenergien som kreves for forbrenningen. Tilsetningen av akselerasjons-luft langs den heliske banen til brennstoffpartiklene fremmer hurtig oksidasjon ved kontinuerlig tilførsel av frisk oksygen nær de brennstoffpartiklene som blir utsatt for reaksjon. Tilsetningen av forbrenningsluft langs lengden av forbrenningskammeret gir også en ekstra fordel til brennerens mekaniske integritet, ved å buffre og temperere overflata til det varmebestandige, ildfaste isolasjons-materialet som forer det indre av brennkammeret mot de meget varme forbrenningsproduktene. Denne lufttilførselen hindrer isolasjonsflata fra å nå reaksjonstemperaturer som ville ødelegge isolasjonen. Denne luftstrømmen fremmes ved konstruksjonen og monteringen av luftdysene.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape en brenner for partikkelformete, faste brennstoff, som gir forlenget forbrenning av partiklene ved høye tangentielle hastigheter, høye sentrifugalkrefter og høye Reynolds-tall. Et annet formål er å skape en brenner som drives ved sterkt turbulente forhold og høye Reynolds-tall og gir meget høye volumetriske varmefrigjøringshastigheter, nær opptil de som oppnås for gassaktige brennstoff. Et annet formål er å skape en brenner for fast, partikkelformet brennstoff, såsom treflis, som gir en ren, trykksatt utløpsgass egnet for bruk til kraftproduksjon.

Ifølge oppfinnelsen kan oppfinnelsens hovedformål oppnås ved en brenner som er beskrevet i patentkrav 1. En slik brenner gir hastigheter for varmefrigjøring ved forbrenning av partikkelformete faste brennstoff som kan sammenlignes med dem som gjelder for forbrenning av flytende eller gassaktige brennstoff i gassturbiner og forbrennings motorer.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen er angitt i underkravene.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under

henvisning til tegningene, hvor:

fig. 1 viser et langsgående aksialsnitt av en syklonbrenner i samsvar med oppfinnelsen, med et primært og et sekundært forbrenningskammer,

fig. 2 viser et tverrsnitt etter linje 2-2 i fig. 1,

fig. 3 viser et tverrsnitt etter linje 3-3 i fig. 1,

i fig. 4 viser et diagram som illustrerer sentrifugalkreftene i forhold til den tangentielle hastigheten for brennstoffpartiklene i brenneren sammenlignet med tilsvarende kjente brennere,

fig. 5 viser et diagram som illustrerer hastigheten på i varmefrigivingen i forhold til innvendig trykk i brenneren for brenneren i samsvar med oppfinnelsen og for tilsvarende kjente brennere, mens

fig 6 viser et skjematisk diagram av et system som omfatter brenneren i fig. 1.

i

En trykksatt syklonbrenner for å gi forlenget trykksatt forbrenning, a.v partikkelf ormete, faste brennstoff og som er "utformet og drevet i samsvar med oppfinnelsen, er vist i fig. 1. 1 eksempelet finnes en brenneroppstilling 10 med et i sylindrisk trykksatt ytre metallhus 12 og et hode 13 som holdes sammen med en påskrudd flens 12a. Et ildfast forings-materiale er plassert innvendig i huset 12 og hodet 13 slik at det avgrenses et primært brennkammer 15, idet forings-materialet er egnet for å motstå temperaturer opptil ca.

) 1650°C.

Det partikkelformete brennstoffet, såsom treflis, som fortrinnsvis er mindre enn 0,33 cm i hovedutstrekning, blir ved hjelp av hensiktsmessige midler (ikke vist) matet jevnt inn i det primære brennkammeret 15 gjennom en tangentiell

S innløpsforbindelse 16 plassert nær opptil brennerens hode 13. I kammeret blir det faste materialet innesluttet i luft

med en tangentiell hastighet på minst omtrent 24 m/sek og fortrinnsvis 30-60 m/sek. Dersom det ønskes, for å forbedre tenningen av det innmatete materialet, kan endeveggen 14a til den ildfaste foringa 14 være konveks og strekke seg aksialt inn i forbrenningskammeret til en posisjon som ikke er mer enn omtrent 0,5 ganger kammerets innvendige diameter forbi planet for br.ennstof f innløpet 16 som vist med strekete: linj,er i fig. 1. DeÆ.te; arrangementet, bevirker at det innførte brennstoffet beveger seg; nærmere^ den varme flafca 14a

slik at det oppnås mer effektiv varmeo.ver:f.ø.r.ingi til. t.il-satsen.

Langs huset 12 og foringa 14 er d'et plas.sert med innbyrdes avstand i lengderetning et flertall tangentielle innløpsåpninger eller dyser 18, 18a, 18b„ ette..,, for til-førsel av forbrenningsluft til forbrenningskammeret. Dyseåpningene 18, 18a, etc. er fortrinnsvis plassert som doble rekker, som vist i snitt-tegningen i fig. 2, med minst tre og vanligvis mer enn tjue slike dyseåpninger i hver rekke. Dyseåpningene 18, 18a, etc. er langstrakte i form i en retning som er parallell med brennerens lengdeakse.. Dyseåpningene bør fortrinnsvis ha et lengde/bredde-forhold som overstiger 2:1 og fortrinnsvis i området 3:1 til 5:1.

Forbrenningsluft tilføres gjennom dyseåpningene med en hastighet som overstiger omtrent 30 m/sek og med et Reynolds-tall i forhold til dyseåpningene som overstiger omtrent 900 000). Forbrenningsluf ta tilføres fortrinnsvis gjennom; dysene' med' en. tangenfciieU.1 hast.ighe-t: p;åi 3\3<;>:„5<;->4l5.,7 m/sek: og; med Reynolds-tall' f rai i 000 ff00' - 3. 000) 000i.. Eh f lens:bærende- renseåpning; 1»7.' er: anordnet gjennom, dem n"ed<;>re> delen, aw hodet 133,- idet" den er: forsynt: medl en", ut-t-agbar:,-ildfast plugg 17a\. Vitfere"; er et siktrør 19 plassert gjennom den øvre delen av herdet 13 for å kunne iakta forbrenningsprosessen i kammeret 15.

Forbrenningskammeret 15 drives med et indre trykk på omtrent på omtrent 3-20 atm. absolutt og fortrinnsvis 4-10 atm. Gunstig vektforhold mellom forbrenningsluft og partikkelformet brennstoff ligger i området fra omtrent 1,0

til 4,0 ganger den støkiometriske verdien.

Ved utløpsenden til det primære forbrenningskammeret 15 finnes et sentralt plassert strupeelement 20, som har en generelt sylinderformet åpning 20a og et tverrsnittsareal som er betydelig mindre enn forbrenningskammeret 15. Åpningen 20a bør være liten nok til å bidra til å holde det sirkulerende brennstoffet i brennkammeret, slik at oppholdstiden forlenges for å gi hovedsakelig fullstendig forbrenning, men åpningen er ikke gjort så liten at uønsket differensialtrykk for utløpsgassene som strømmer gjennom strupningen blir betydelig økt. Tverrsnittsområdet til strupningen 20 bør være minst 30% av forbrenningskammeret 15 og vanligvis 40-50% av arealet til dette. For å fremme gjennomgangen av aske fra det primære forbrenningskammeret, kan strupeåpningen 20a være plassert nærmere den nedre delen av kammeret eller åpningen kan være ikke-sirkelformet med en del av åpningen som strekker seg ned mot kammerets bunn. Denne strupningen 20 er vanligvis ringformet og fortrinnsvis utformet som et støpbart ildfast materiale som er mer slitasjebestandig enn foringa 14. Strupningen 20 hat fortrinnsvis ei avrundet innløpsflate 20b og en konisk utvendig flate 20c som er med på å holde den på plass i det omgivende ildfaste materialet 24. Dersom det ønskes kan også et ildfast sement-materiale 21 brukes mellom strupeelementet 20 og det omgivende ildfaste materialet 24, for å holde strupeelementet på plass.

For en brenner i samsvar med oppfinnelsen har observasjoner som er utført av de faste brennstoffpartiklene i brenneren under forbrenningen vist at partiklene beveges i en helisk strømningsbane som er tilnærmet vinkelrett på brenneraksen, hvilket antyder at banevinkelen i forhold til brenneraksen er bare litt mindre enn 90°. Dette strømnings-mønsteret indikerer at brennstoffpartiklene foretar et stort antall omdreininger i det primoereforbrenningskammeret før de blir fullstendig flyktiggjort og forbrukt. På grunn av partiklenes rotasjonshastighet vil også brennstoffet være utsatt for høye sentrifugalkrefter i brenneren og de gassformete forbrenningsproduktene vil reagere på de meget høye Reynolds-tall. Ved å utnytte brennerkonfigurasjonen i samsvar med oppfinnelsen, vil den volumetriske varmefrigivelsen for trykksatt forbrenning av partikkelformet fast brennstoff være betydelig høyere enn for kjente brennere og nå hastigheter som opptrer ved forbrenning av væskeformet eller gass-formet brennstoff i forbrenningsmotorer.

På grunn av de høye tangentielle hastigheter og høye sentrifugalkrefter som utvikles på de faste partiklene i det primære forbrenningskammeret 15, vil partiklene gjøre mange omdreininger og holdes dermed i forbrenningssonen opptil den varme ildfaste foringa 14 i betydelig lenger tid inntil alle materialene er blitt flyktiggjort og forbrent, hvilket gir meget høye hastigheter på den volumetriske varmefrigivelsen. Sentrifugalkrafta som utvikles på det partikkelformete materialet under forbrenningen overstiger omtrent 140 ganger jordgraviteten "g" og er fortrinnsvis 150-300 g og Reynolds-tall for utløpsgassene er minst 150 000 og fortrinnsvis 200 000-500 000. Hastigheten på den volumetriske varmefrigivelsen i brennerens primære forbrenningskammer er minst ca. 3600 kcal/h.dm 3 for volumet av det primære forbrenningskammeret og fortrinnsvis 4500-27 000 kcal/h.dm<3>.

Et sekundært sylinderformet forbrenningskammer 25 er fortrinnsvis plassert nedstrøms fra primærkammeret 15 og strupningen 20, og omtrent 25% av den totale forbrenningen kan skje i det sekundære kammeret. Det sekundære forbrenningskammeret 25 har et sylindrisk metallhus 22 som omgir ei ildfast foring 24. Huset 22 er trykktett forbundet med huset 12 til det primære forbrenningskammeret 15 med en sammenskruet flensforbindelse 26, og kan forbindes trykktett til et nedstrøms rør ved hjelp av en flens 27. Foringa 24 vil også støte mot foringa 14 radialt utenfor strupningen 20. Ei mellomsone 28 med redusert diameter er plassert umiddelbart nedstrøms fra strupningen 20, vanligvis med et lengde/diameter-forhold på omtrent 1:1 til 1,5:. Mellomsona 26 følges av ei konisk utvidet sone 29 forbundet med ei sone med full diameter som danner det sekundære forbrenningskammeret 25 og som har en innvendig diameter omtrent lik det primære forbrenningskammeret 15.

En kjølegass, såsom ytterligere trykkluft eller vanndamp, tilføres det sekundære forbrenningskammeret 25 gjennom minst en åpning 30 gjennom foringa 24 umiddelbart nedstrøms i forhold til strupningen 20 for å kjøle den varme utløps-gassen fra strupningen. Vanligvis er det plassert to åpninger 30 og disse er fortrinnsvis anordnet med en tangentiell retning motsatt retningen for brennstoff-innløpet 16 og åpningene 18 for forbrenningsluft for forbrenningskammeret 15. Således vil den motstrømmende kjølegasstrømmen som strømmer tangentielt fra åpningen 32 gjennom åpningene 30 gi et strømningsmønster for kjølegassen og den varme utløpsgassen oppstrøms fra det sekundære forbrenningskammeret 25, som gir en skjærende blanding med høy hastighet, hvilket gir effektiv sammenblanding av utløpsgassen og kjølegassen, slik at utløpsgassen kjøles ned fra omtrent 1480°C til en lavere temperatur, såsom 815-980°C, egnet for tilførsel til en gassturbin. Fordelaktig kjølegass er trykkluft, på grunn av dens tilgjengelighet. Hensiktsmessige vektforhold mellom kjøle-gassen og forbrenningsgassen oppstrøms for strupningen er fra omtrent 0,8 til 1,5. Dersom vanndamp brukes som kjøle-gass, skal damptilstanden og mengden som brukes være slik at det ikke dannes kondensat i gassturbinens utløpsgass. For å lette overføringen av aske fra den nedre delen av det primære forbrenningskammeret 15 til det sekundære forbrenningskammeret 25, finnes i eksemplet en kanal som går utenom strupningen 20.

Brenneren i samsvar med oppfinnelsen vil bli beskrevet nærmere ved hjelp av et eksempel.

Eksempel:

En sylinderformet prøvebrenner av syklontypen, som kunne settes under trykk, ble utformet i samsvar med oppfinnelsen og med dimensjoner som angitt i tabell I, hvor det er gjort sammenligning med to tilsvarende kjente brennere og en prototyp-brenner i samsvar med oppfinnelsen, som er beregnet for å fyres med fast brennstoff med liknende nominelle eller totale varmeavgivelser. Denne nye test-brenneren ble drevet med treflis med en partikkelstørrelse mindre enn ca. 0,3 cm, som ble matet tangentielt inn i brenneren under de driftforhold som er oppført i tabell I. Ved denne brenner-sammenlikningen ble det partikkelformete brennstoffet innført med omgivelsestemperatur. Flere observasjoner av brennerdriften ble utført ved å iaktta gjennom åpninger, som viste at de faste partiklene i det primære brennkammeret virvlet rundt i en helisk strømnings-bane rundt brennerens omkrets, inntil de var forbrent. Tabell I viser også prøvebrennerens driftsresultater, opp-nådd i sammenligning med ytelsene til andre, liknende kjente trykkløse brennere.

Av sammenlikningen i tabellen av brennetnes konstruktive trekk og ytelsesdata, viser det seg at det primære forbrenningskammeret for brenneren i samsvar med oppfinnelsen har større forhold mellom lengde og diametere og større strupningsforhold enn kjente syklonbrennere for fast brennstoff. Det framgår også at den nye brenneren gir et betydelig høyere Reynolds-tall for forbrenningslufta som går inn i det primære forbrenningskammeret og også sterkere tangentielle strømningshastigheter og betydelig høyere sentrifugalkrefter på de faste brennstoffpartiklene som beveger seg skruelinjeformet, hvilket er vist ytterligere i fig. 4. I tillegg framgår det at den nye brenneren ligger vesentlig høyere volumtrisk varmefrigjøring og høyere Reynolds-tall for den varme utløpsgassen som strømmer ut av brennerens primære og sekundære forbrenningskammer, enn tilsvarende kjente brennere. En sammenligning av varme-frigjøringen er også vist grafisk i fig. 5. En slik forbedret brennerytelse under trykkdrift var uventet og oppfinnelsen vil på fordelaktig måte gi en betydelig og uventet forbedring i brennerutforming og brennerytelse for trykk-brenning av fast, partikkelformet brennstoff, særlig for bruk ved kraftproduksjon.

I fig. 6 er det vist et system som omfatter en brenner 10 som vist i fig. 1.

Som vist ved 110 tilføres trefliser med størrelse under ca. 1,8 cm i største utstrekning, og fortrinnsvis under 0,3 cm, til en silo 112 slik at det i denne finnes et forråd 111. Flis 111 mates fra siloen 112 ved hjelp av en regulerbar skruetransportør 114 drevet av en motor 114a, ned i en vertikalt orientert kanal 115 og føres ved hjelp av en hensiktsmessig plateanordning 116 ned i en transportledning 118 som står under trykk. Materen 116 kan f.eks. består av to roterende ventiler 116a og 116b, koblet i serie og inn-rettet for å overføre partikkelformet materiale under påvirkning av tyngdekrafta fra kanalen 115 ned i ledningen 118 med et trykk på omtrent 3-20 atm absolutt og fortrinnsvis 4-15 atm.. Trykkluft tilføres gjennom en ledning 117 til ledninga 118 med en overflatehastighet på 12-36 m/sek og fortrinnsvis 18-30 m/sek, og denne transporterer brennstoffpartiklene pneumatisk til brenneren 10.

Det partikkelformete brennstoffet mates pneumatisk inn i brenneren 10 nær dens innløpsende gjennom en tangentiell innløpsåpning 16 med en overflatehastighet på gassen som overstiger omtrent 25 m/sek og fortrinnsvis 27,5-46 m/sek inn i det primære brennkammeret 15.

Ytterligere forbrennings luft tilføres tangentielt til brennkammeret 15 med en overflatehastighet på over ca. 30 m/sek, og fortrinnsvis 33-46 m/sek, gjennom dysene 18a, 18b, 18c etc, plassert aksialt langs kammeret 15. Dersom forvarming eller tørking av brennstoffet i ledningen 118 ønskes, kan dette oppnås i en varmeveksler 119, med bruk av en hver hensiktsmessig varmekilde, såsom utløpsgass fra turbinen, som strømmer gjennom ei kappe som omgir en lang-strakt varmeveksler. I forbrenningskammeret 15 blir brennstoffet brakt til å virvle rundt med høy hastighet, over 24,5 og fortrinnsvis mellom 30-46 m/sek og forårsake høye sentrifugalkrefter som overstiger omtrent 140 gravitets-enheter "g", mens partiklene hurtig varmes opp av de varme kammerveggene og etter hvert f lyktiggjøres og brennes slik at det dannes en varm trykkgass med en temperatur på omtrent 1150-1540°C. Partiklene holdes fortrinnsvis i primærkammeret 15 for å gi forlenget forbrenning i dette, ikke bare av de høye sentrifugalkreftene, men også på grunn av virkningen av strupeåpningen 20a plassert ved kammeret 15 utløpsende. Strupeåpningen 20a har mindre areal enn forbrenningssona 15, slik at den forlenger partiklenes forbrenningstid og dermed gir mer fullstendig forbrenning av brennmaterialet og skaper en meget høy volumettisk varmefrigjøring, over omtrent 3600 kcal/h.dm<3 >av kammervolumet og fortrinnsvis 4500-27000 kcal/h.dm 3.

Det er blitt funnet fordelaktig, at det primære forbrenningskammeret 15 har et lengde/diameter-forhold på minst omtrent 2,5:1 men ikke over 10:1, for å gi passende forbrenningstid for brennstoffet. Forbrenningskammerets innvendige diameter bør være minst omtrent 0,46 m for å oppnå en rimelig gjennomløpshastighet for brennstoffet, men den bør ikke overstige omtrent 0,92 m for å oppnå passende rotasjonshastighet for partiklene.

I kammerets 15 strupeseksjon 20 blir den varme utløps-gassen blandet med ekstra forbrenningsluft tilført gjennom åpningen 32, slik at den varme gassen kjøles ned til ca. 815-980°C, passende for bruk i en gassturbin.

Sekundær- eller kjølelufta tilføres strupesonen gjennom to åpninger 30 plassert i en tangentiell retning som går mot tetningen for dysene 18 i primærkammeret 15, slik at det dannes en sterk turbulent blanding av de to strømmene i strupesonen inntil det sekundære forbrenningskammeret 15. Strømmen av ekstra luft gjennom åpningen 32 styres i forhold til f orbrenningsluf ta i ledningene 123a, 123b, 123c etc, til dysene 18a, 18b, 18c, etc, med en styrekrets 132 som overvåker luftstrømmen med strømningsmeter 131a, 131b og påvirker en styreventil 129 i ledningen 32.

Den resulterende avkjølte utløpsgassen i sekundær-kammeret 25, som fremdeles kan inneholde en viss konsentrasjon uforbrennbare partikler, føres gjennom en separator 34 av syklontypen for hovedsakelig fullstendig fjerning av slike rester. Separatoren 34 har fortrinnsvis et aksialt strømningselement 35 slik at det oppnås en mer kompakt hovedstruktur. Fra separatoren 34 hentes en ren og varm utløpsgass ut ved en temperatur mellom 815-980°C ved 36, mens faste rester føres ut gjennom en ventil 37 for hensiktsmessig tømming.

Den rene utløpsgassen ved 36 ved 3-10 atm. trykk føres deretter gjennom en ledning 38 til innløpet til en gassturbin 40 som er koblet til en drivende luftkompressor 42 for tilførsel av trykkluft 44, beregnet for forbrenningsluft gjennom dysene 18 og kjøleluft gjennom åpningen 32. En del av luftstrømmen ved 44 blir kjølt ved 45 mot en strøm 45a som er tilstrekkelig til å unngå forbrenning av brennstoffet, f.eks. til ca. 93°C, vanligvis ved varmeveksling mot omgivelsene. Lufta ved 47 blir dessuten komprimert ved 46 ved hjelp av en kjent og hensiktsmessig kompressor, til et differensialtrykk på 0,14-0,7 kp/cm 2 og fortrinnsvis 0,28-0,56 kp/cm 2, slik at det dannes trykkluft ved 117 for bruk i ledningen 118 for pneumatisk transport av treflisene inn i brenneren 10.

Turbinen 40 driver også ei last 50, som vanligvis er en elektrisk generator for utvikling av elektrisk kraft. Fra turbinen 40 kan utløpsgass ved nær atmosfæretrykk og 480-840°C føres til en varmeveksler 52 for gjenvinning av varme som kan brukes for utvikling av vanndamp, for opp-varming av en annen væske brukt for varmeformål eller som varm gass for forvarming og/eller tørking av partikkelmaterialet i varmeveksleren 119.

Gassturbinen 40 kan være delt i to separate turbiner som hver drives med forskjellig hastighet, idet den første turbinen 40a brukes for drift av kompressoren 42 med høy hastighet og utløpsgassen 41a fra den første turbinen 40a føres til den andre turbinen 40b som er koblet til generatoren 50 for drift av denne med lavere hastighet. Alternativt kan det brukes en turbin-kompressor-enhet med en enkelt aksel, slik at både kompressoren og den elektriske generatoren drives av en enkelt turbin.

Under oppstartingen blir en hjelpebrenner (ikke vist) som bruker et hydrokarbon-brennstoff, såsom propan, brukt for å forvarme de ildfaste veggene i det primære forbrenningskammeret 10, til en temperatur som er tilstrekkelig til å tenne brennstoffet som innføres ved 16. Videre blir en hjelpemotor 54 brukt for å drive kompressoren i 42 for å skaffe den varmlufta som i starten kreves for forbrenning. Luft som er ytterligere komprimert med kompressor 46 blir dessuten brukt fot den første pneumatiske transporten av brennstoff gjennom ledningen 118 til brenneren 10.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til et driftseksempel:

Eksempel:

Trefliset og treavskjoer, f.eks. fra trelastforedling, med en nominell størrelse på omtrent 0,3 cm, ble overført fra et magasin med atmosfæretrykk gjennom en tandem-mateventil ned i et trykksatt overføringsrør ved omtrent 5 atm. trykk. Treflisene ble pneumatisk transportert med en overflatehastighet på gassen på omtrent 24 m/sek og matet tangentielt inn i innløpsenden av et horisontalt plassert sylindrisk forbrenningskammer basert på syklon-prinsippet, med dimensjoner som vist i tabell II. Trykksatt forbrenningsluft ble også tilført tangentielt til forbrenningskammeret gjennom seks doble dyser fordelt innbyrdes aksialt langs kammerets lengde og med en gass-hastighet på omtrent 30 m/sek. Forskjellige observasjoner av brennerdriften ble foretatt gjennom sikteåpninger og disse viste at brennstoffpartiklene ble sirkulert i en virvlende helisk strømningsbane i forbrenningskammeret med en beregnet tangentiell hastighet på omtrent 30 m/sek inntil forbrenning.

I det primære forbrenningskammeret ble trepartiklene sirkulert med høy rotasjonshastighet slik at det ble utviklet høye sentrifugalkrefter på omtrent 200 "g", hvilket ga forlenget fullstendig forbrenning av partiklene ved høye Reynolds-tall og ga høy volumetrisk varmefrigjøring på omtrent 16200 kcal/hdm . På denne måten ble de faste partiklene hurtig flyktiggjort og forbrent, slik at det dannet seg en varm utløpsgass med en temperatur mellom 1480-1540°C, som gikk gjennom en avgrenset strupeåpningen ved forbrenningskammerets utløpsende. Den resulterende varme utløpsgassen ved omtrent 1480-1540°C ble avkjølt ved å føre inn ytterligere trykkluft tangentielt i strupeåpningens trange del. Kjølelufta ble innsprøytet tangentielt i retning motsatt retningen til gassrotasjonen i det primære forbrenningskammeret, slik at det dannet seg en sterkt turbulent miksing av de to gasstrømmene og dermed nedkjøling av den varme gassen til omtrent 925°C før innløpet til det sekunære forbrenningskammeret umiddelbart etter strupningen.

Av disse dataene fcamgår det at brenneren i samsvar med oppfinnelsen utnytter en forbedret trykkforbrenning av trefliser eller annet partikkelformet fast brennstoff til å oppnå høye volumetriske varmefrigjøringer i brenneren. Brenneren utnyttet også effekt kjøling av den varme utløps-gassen sammen med gass-faststoff-separasjon til å gi en ren trykkgass egnet for bruk i en gassturbin for produksjon av elektrisk energi.

Claims (9)

1. Brenner for forbrenning av partikkelformet brennstoff for å skape utløpsgass under trykk, med a) en trykkfast ytterbeholder (12) av metall, b) en innvendig ildfast foring (14) plassert opptil ytterbeholderens innside og utformet for å danne et forbrenningskammer (15), karakterisert ved at den omfatter: c) en åpning (16) plassert tangentielt i forbrenningskammerets innløp for tilførsel av brennstoff tangentielt inn i forbrenningskammeret, d) ei rekke tangentielt orienterte dyseåpninger (18) for tilførsel av en forbrenningsgass tangentielt inn i forbrenningskammeret, idet dyseåpningene hver har et forhold lengde/bredde på minst omtrent 2:1, idet de er plassert med innbyrdes avstand langsetter i kammerets lengderetning, e) en strupeåpning (20a) plassert ved utløpsenden av det primære forbrenningskammeret, samt f) at strupeåpningen er forsynt med minst en åpning (30) som retter en kjølegass inn mot den heliske strømmen av varmgass, slik at brennstoffet forbrennes hurtig ved høy rotasjonshastighet og høye hastigheter for varme-frigjøringen, mens den resulterende varme produktgassen kjøles slik at det dannes en lavere temperatur i den ferdige produktgassen.

2. Brenner i samsvar med krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom lengde og diameter på det primære forbrenningskammeret (15) er mellom omtrent 2:1 og 10:1,og at dyseåpningene (18) hver fortrinnsvis har et forhold lengde/bredde mellom omtrent 3:1 og 5:1.

3. Brenner i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at den ildfaste foringa ved innløpet 12 er gjort konveks og strekker seg inn i forbrenningskammeret til et tverrplan som ligger forbi den tangentielle åpningen (16) for tilførsel av brennstoff.

4. Brenner i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at strupeåpningen har et tverrsnittsareal omtrent 30-50% av tverrsnittsarealet for det primære forbrenningskammeret og at den ildfaste foringen for det primære forbrenningskammeret fortrinnsvis er valgt slik at det gir tilstrekkelig varmeoverfør ing til omgivelsene til å unngå avsetning av brennstoff.

5. Brenner i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at et sekundært, sylindrisk forbrenningskammer (25) er anordnet med trykktett for-bindelse til brenneren nedstrøms i forhold til strupeåpningen (20a).

6. Brenner i samsvar med krav 5, karakterisert ved at strupningsåpningen (20a) er konisk utvidet mot det sekundære brennkammeret (25) for å gjøre minst mulig trykkforskjell for gjennomstrømmende gass.

7. Brenner i samsvar med krav 5 eller 6, karakterisert ved at strupeåpningen er forsynt med et ringformet, uttakbart element (20) av slitasjebestandig, ildfast materiale.

8. Brenner i samsvar med et av Kravene 1-7, karakterisert ved at åpningen (30) som er plassert i strupningsåpningen (20a) er plassert tangentielt i motsatt retning i forhold til innløpet (16) til det primære forbrenningskammeret (15), for å gi blanding av gasstrømmene ved turbulent skjærevirkning.

9. Brenner i samsvar med et av kravene 1-7 karakterisert ved at en kanal strekker seg fra det primære forbrenningskammerets nedre del inn i det sekundære forbrenningskammeret under strupningsåpningen.