SE522006C2 - Styrning av en cyklonbrännare - Google Patents

Description

25 30 35 u n , .. n n n o nu n .I _"_ "': ,' g. u u: o : f. , o o u u q u g :o I n' ' ' '.,: z un. I * 2 , a | ~ : u: nu I I , . o 0 I , , ,, u s n. n n _, “ann o , . 1 - 2 höga temperaturer. Den högsta temperaturen näs strax under stökiometriskt tillstànd, dvs. det tillstànd dà syret hos förbränningsgasen eller luften som tillförts är lika med den mängd som àtgàr för fullständig förbränning av bränslet. Om mindre syre tillförs, dvs. under- stökiometriskt tillstànd, kommer temperaturen att bli lägre, och detsamma gäller om mer syre tillförs, dvs. överstökiometriskt tillstànd, eftersom överskottssyret kommer att fungera som ett kylmedel. Detta illustreras i bifogade figur 1.

Regleromràdet eller kvoten mellan maximi- och minimilast (”turndown ratio”), dvs. det maximala mot det minimala drivbara bränslelastförhállandet för en given cyklonbrännare begränsas av behovet av partikelcirkulation och av omfattande partikelöverbäring (kortslutning/genväg). Med andra ord bör gasflödet eller gasens hastighet vara över en nedre gräns för att dra med bränslepartiklarna och undvika att släppa dem till följd av gravitations- och friktionskrafter, och bör även vara under en övre gräns för att undvika att partiklarna strömmar ut från förbränningskammaren innan de har förbränts fullständigt.

Den slaggande cyklonbrännaren är den vanligaste tillämpningen. De drivs i ett överstökiometriskt tillstànd, varvid huvudanledningen till detta är att undvika en korrosiv miljö under reducerande förhållanden vid koleldning. I typfallet är en kvot mellan maximi- och minimilast pà ungefär 2:1 möjligt. En slaggande cyklonbrànnare används för fullständig smältning av askpartiklar, vilka huvudsakligen avlägsnas som slagg. I motsats till detta drivs en icke-slaggande cyklonbrännare under sådana förhållanden att svàr slaggning inte kommer att inträffa inuti brännaren. Askan avlägsnas därigenom huvudsakligen som fasta flygaskapartiklar. Icke-slaggande cyklonbrännare kan drivas antingen under understökiometriska eller överstökiometriska tillstànd, även om understökiometriskt är det mest vanliga. I 10 15 20 25 30 35 , n .n nu o u H. ': ,".. 0 1 ' 2' 22-' '- - - ' " 2 - ß 1,. :w f; a I ;=; ;" . . g | a u m I"'^.' , ß u! <1!! . n n f 3 typfallet är en kvot mellan maximi- och minimilast på 4:1 möjlig. Drift under understökiometriska tillstånd är föredraget eftersom brännaren kan byggas mycket mer kompakt. Det specifika volymflödet av gaser genom cyklonbrännaren hf/kgmàwh) kan betraktas som ungefär proportionellt mot det stökiometriska förhållandet och således är en högre termisk last möjlig under ett understökiometriskt tillstànd.

Den kända tekniken åstadkommer endast lite styrbarhet vad gäller förbränningsprocessen hos cyklonbrännare, och det är svårt att åstadkomma en större kvot mellan maximi- och minimilast än 4:1, medan den arbetar inom det önskade temperaturintervallet. De huvudsakliga anledningarna till detta är att bränslepartiklarnas uppehàllstid inuti förbränningskammaren är begränsad vid högt gasflöde eller att cirkulationen i förbränningskammaren blir otillräcklig vid lågt gasflöde. En möjlig lösning för erhållande av en större kvot mellan maximi- och minimilast skulle vara att åstadkomma en längre brännare.

En sådan konstruktion skulle emellertid vara kostsam, klumpig och kräva mycket utrymme. Dessutom skulle en längre brännare ge upphov till avsevärda placeringssvàrigheter om den skulle ersätta en konventionell befintlig brännare.

Sammanfattning av uppfinning Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett styrbarhet och förfarande som möjliggör förbättrad reglerbarhet av en kompakt icke-slaggande cyklonbrännare.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förfarande som ökar den möjliga kvoten mellan maximi- och minimilast för en given cyklonbrännare. 10 15 20 25 30 35 522 006 .n- ø ø o Q u» ø ø u a u n u. 4 Dessa och andra ändamål, vilka kommer att framgå av den följande beskrivningen, uppnås medelst ett förfarande så som det definieras i de medföljande patentkraven.

Uppfinningen grundar sig på insikten om att det, genom att man växlar mellan understökiometriska och överstökiometriska tillstànd i en och samma zon av en förbränningskammare i en icke-slaggande cyklonbrännare, är möjligt att erhålla ökad reglerbarhet och större kvot mellan maximi- och minimilast än enligt den kända tekniken.

Det är vanligtvis önskvärt att hålla temperaturen i cyklonbrännarens förbränningskammare inom ett begränsat temperaturintervall. Ju lägre temperaturen är i förbränningskammaren, desto långsammare förbrännings- hastighet av kolåterstodspartiklar (återstod efter pyrolys, dvs. fast del av bränslet som återstår när flyktiga delar avgàtt) erhålls, och därigenom även kolåterstodsansamlingar inuti brännaren, vilket resulterar i en möjligtvis lägre uteffekt från cyklonbrännaren. Den nedre gränsen av temperaturintervallet är lämpligtvis åtminstone 700 'C, och företrädesvis 900 'C. Under vissa omständigheter, såsom för ett specifikt bränslematerial, kan gränsen vara ännu lägre, såsom 600 'C. Den övre gränsen av temperaturintervallet beror bland annat på smältning och klibbning av förbränt bränsle. Den övre gränsen av temperaturintervallet är lämpligtvis som mest 1300 'C, och företrädesvis 1100 'C. Under vissa omständigheter, såsom för ett specifikt bränslematerial, kan emellertid gränsen vara ännu högre, såsom 1400 'C. Detta innebär att mängden förbränningsgas bör styras i förhållande till den mängd bränsle som är närvarande i förbränningskammaren i avsikten att hålla temperaturen inom ett önskat intervall. Med andra ord, enligt åtminstone en utföringsform av uppfinningen bibehålls en av de två stökiometriska tillstànden: understökiometriskt tillstånd och överstökiometriskt tillstånd, genom styrning av 10 15 20 25 30 35 522 006 ef.

Q u n . - a n - n o | ~ n - ø a av 5 mängden matat syre i förhållande till mängden matat bränsle.

Om lasten, dvs. mängden bränsle som matas in i förbränningskammaren, minskas, då kan således förbränningsgasflödet också minskas för att bibehålla samma stökiometriska tillstànd. Det lägsta möjliga gasflödet eller den lägsta möjliga gashastigheten för att hàlla bränslepartiklarna cirkulerande kommer därför normalt att sätta den nedre gränsen för lasten. Vi har insett att om cyklonbrännaren drivs vid under- stökiometriskt tillstànd, är det möjligt att minska lasten inte bara till den lastgräns vid vilken gasflödet skulle vara på gränsen till att vara otillräckligt för den cirkulerande rörelsen, utan även till en ännu lägre last genom växling till överstökiometriskt tillstånd vid nämnda lastgräns. Detta innebär att överskott av förbränningsgas plötsligt tillhandahålls, vilket medger lasten att sänkas avsevärt. Både under~ och överstökiometriska tillstånd kan hålla temperaturen inom det önskade temperaturintervallet.

Såsom nämnts tidigare, begränsas driften av en cyklonbrännare av a) en minsta eller nedre begränsande gashastighet för att säkerställa att bränslepartiklarna cirkuleras och b) en högsta eller övre begränsande gashastighet som sätts av gränsen där partikelöverbäring av icke förbrända partiklar blir för hög. För en given cyklonugn och ett givet bränsle är det möjligt att välja att antingen arbeta vid ett överstökiometriskt tillstànd med en förhållandevis låg högsta last, eller att arbeta vid ett understökiometriskt tillstånd med en förhållandevis hög minsta last. Genom kombination av de tvä arbetssätten kan kvoten mellan maximi- och minimilast ökas.

Enligt en aspekt pà uppfinningen àstadkommes ett förfarande för drift av en förbränningsprocess i en cyklonbrännare. Enligt förfarandet matas bränsle in i en cylinderformad förbränningskammare hos en cyklonbrännare 10 15 20 25 30 35 522 006 6 och en syreinnehållande förbränningsgas, sàsom luft, införs med en tangentiell hastighetskomponent i nämnda förbränningskammare för àstadkommande av åtminstone partiell cirkulation av bränslet längs kammarväggen, för förgasning eller förbränning av bränslet. En nedre begränsande gashastighet och en övre begränsande gashastighet definieras för nämnda förbränningsgas.

Förbränningsgasens hastighet hàlls mellan nämnda begränsande gashastigheter. Antingen ett understökiometriskt eller ett överstökiometriskt tillstànd hålls i förbränningskammaren genom styrning av mängden matat syre mot mängden matat bränsle. Förfarandet innefattar vidare växling till det andra av nämnda tvà stökiometriska tillstånd medan förbränningsgasen hindras från att erhålla en hastighet utanför det intervall som definieras av den nedre begränsande gashastigheten och den övre begränsande gashastigheten.

Detta innebär att oavsett växlingsriktningen, dvs. fràn under- till överstökiometriskt tillstånd eller vice versa, kommer förbränningsgasens hastighet inte att vara lägre än den nedre begränsande gashastigheten och inte högre än den övre begränsande gashastigheten. Detta gäller för bàde före och efter åtgärden att växla från ett stökiometriskt tillstånd till det andra, och även under själva växlingen.

För en given temperatur i förbränningskammaren, definierar nämnda temperatur tillsammans med nämnda begränsande gashastigheter ett möjligt övergångsomràde, dvs. ett intervall av bränslelaster, för vilket övergång eller växling fràn ett av de två stökiometriska tillstånden till det andra är möjligt i enlighet med vad som framgår av åtminstone en utföringsform av föreliggande uppfinning. Den minsta bränslelasten och den maximala bränslelasten för nämnda område är beroende av temperaturen.

Det har visat sig att det möjliga övergångsomràdet expanderas genom att man blandar recirkulerad rökgas med 10 15 20 25 30 35 - . n n se den syreinnehàllande förbränningsgasen innan förbränningsgasen matas in i förbränningskammaren. Med andra ord, för varje given temperatur kommer tillsatsen av recirkulerad rökgas till den syreinnehàllande förbränningsgasen att resultera i en lägre minsta bränslelast än vad som skulle vara fallet utan tillsatsen av den recirkulerade rökgasen.

Tillsatsen av den recirkulerade rökgasen påverkar både de understökiometriska och överstökiometriska tillstànden. Kvoten mellan maximi- och minimilast under understökiometriska tillstånd kan utsträckas ytterligare om recirkulerade rökgaser blandas med förbränningsgasen innan förbränningsgasen matas till förbränningskammaren.

En dubbel effekt erhålles. recirkulerade rökgasen gasflödet utan att höja värmen som För det första ökar den avges från bränslet. Det stökiometriska förhållandet beror på mängden syreinnehàllande gas. Eftersom en del av denna syreinnehàllande gas kan ersättas av väsentligen icke-syreinnehàllande rökgas (eller som har ytterst liten mängd syre), kommer ett understökiometriskt tillstånd att vara erhàllbart för en ännu mindre last än vad som är fallet när ingen rökgas recirkuleras, utan att den cirkulerande effekten äventyras. Minimigränsen för gasflödet nås således vid en lägre last. För det andra fungerar den recirkulerade rökgasen som barlast.

Ytterligare syreinnehàllande gas, såsom förbränningsluft, behövs således för att avge mer värme från bränslet för att därigenom hålla temperaturen, och med andra ord förskjuts det stökiometriska förhållandet något närmare 1. Detta innebär att minimigränsen nås vid en ännu lägre last.

Under överstökiometriska tillstånd kommer den tillsatta rökgasen delvis att ersätta överskott av förbränningsgas. Rökgasen kommer att fungera som barlast, vilket innebär att en och samma mängd bränsle kommer att värma en större massa, varigenom användandet av mindre förbränningsluft för kylning möjliggörs. I det fall då 10 15 20 25 30 35 ø Q v | nu 522 006 8 det totala gasflödet förblir detsamma, är vinsten den att syrekoncentrationen kommer minska. Således bildas mindre kväveoxid.

Den huvudsakliga effekten av att använda recirkulerad rökgas är att spannet inom vilket det är möjligt att arbeta under understökiometriska tillstånd ökas.

Som ett alternativ till recirkulerad rökgas skulle det vara möjligt att erhålla ett liknande resultat, dvs. expansion av det möjliga övergångsområdet, genom blandning av förbränningsgasen med vilken som helst inert gas eller en gas innehållande en lägre andel syre.

Enligt åtminstone en utföringsform av uppfinningen styrs de stökiometriska tillstànden utan blandning av någon extra inert gas eller recirkulerad rökgas med förbränningsgasen. I detta fall är det möjligt att bibehålla ett väsentligen konstant stökiometriskt förhållande mellan syret och bränslet skilt från 1, dvs. vid ett av det två tillstånden: understökiometriskt och överstökiometriskt, genom styrning av mängden matad förbränningsgas i beroende av mängden matat bränsle. Ett väsentligen konstant stökiometriskt förhållande hålls före växlingen, och ett annat förhållande hålls efter växlingen från ett stökiometriskt tillstànd till det andra. Om således en förhållandevis liten last är närvarande, dvs. en liten mängd bränsle matas in i förbränningskammaren, kan ett väsentligen konstant överstökiometriskt förhållande hållas till tiden för växling till ett väsentligen konstant understökiometriskt förhållande, varvid nämnda tid för växling beror bland annat på lastens storlek. Det skall inses att termen väsentligen konstant stökiometriskt förhållande medger en sådan variation av det stökiometriska förhållande som ger en temperatur inom ett viss önskat temperaturintervall.

Exempelvis hänvisas till Figur 1, endast som ett illustrerande exempel, varvid för ett temperaturintervall på 1200 'C - 1300 'C bör det (under-)stökiometriska 10 15 20 25 30 35 - | ø - u» förhållandet vara ungefär 0,4 - 0,45 och det (över- )stökiometriska förhållandet vara ungefär 1,8 - 2. Före och efter tiden för växling, men inte under tiden för växling, när lasten ökas eller minskas, ökas respektive minskas således mängden förbränningsgas för att hålla det väsentligen konstanta stökiometriska förhållandet.

Det finns olika alternativ för styrning av mängden förbränningsgas som matas in i förbränningskammaren.

Begränsande faktorer är den nedre begränsande gashastigheten och den övre begränsande gashastigheten i förbränningskammaren. Hastigheten hos förbränningsgasen som tillförs från ett förbränningsgasinlopp kommer väsentligen att bibehållas när gasen strömmar in och färdas tangentiellt i förbränningskammaren, dvs. förlusterna kan betraktas som försumbara. Mot bakgrund av detta är ett rättfram konstruktion àstadkommandet av ett förbränningsgasinlopp som har en fast tvärsnittsarea.

Genom ökning eller minskning av mängden förbränningsgas som strömmar in i förbränningskammaren, styrs gasens hastighet. Alternativt kan man välja att tillföra förbränningsgasen så att man uppnår en fast hastighet (vid en nivå mellan de begränsande gashastigheterna) och istället variera inloppets öppningsarea. En stor öppningsarea används när ett stort flöde, dvs. en stor mängd gas, är önskvärt, medan en liten öppningsarea används när en lite mängd gas är önskvärd. Den önskade mängden gas beror på mängden bränsle, så som har beskrivits tidigare. Ett ytterligare styrningsalternativ är att variera både inloppets tvärsnittsarea och den tillhandahållna förbränningsgasens hastighet. Således är gasflödet, dvs. volymen per tidsenhet, i alla tre fallen, styrbart.

En hastighetsmätare eller en flödesmätare kan, för mätning och beräkning av förbränningsgasens hastighet, anordnas i rörledningen för gastillförsel. På motsvarande sätt kan mätanordningar, såsom hastighetsmätare eller flödesmätare, anordnas för beräkning av mängden bränsle 10 15 20 25 30 35 u . ~ ø .c I.. e - ~ Q ø n n - u nu u n - | . o - on 10 som matas in i förbränningskammaren. Sådana mätningar och beräkningar fungerar lämpligtvis som en grund för att bestämma tiden för växling från ett stökiometriskt tillstànd till det andra.

Det beskrivna förfarandet för drift av en förbränningsprocess i en cyklonbrännare är tillämpbar för fasta, vätskeformiga och gasformiga bränslen. Det har visat sig vara särskilt lämpat för användning med fasta bränslen. Det fasta bränslet är lämpligtvis någon sorts biobränsle. Det fasta bränslet kan vara i form av partiklar, såsom träpartiklar, företrädesvis träpellets, typiskt krossade träpellets av en diameter upp till 4 mm.

När fasta bränslepartiklar används, sätts, som nämnda nedre begränsande gashastighet, den lägsta hastig- het som behövs för att hälla åtminstone en majoritet av bränslepartiklarna cirkulerande i förbränningskammare.

Den nedre begränsande gashastigheten kan även sättas pä basis av den största partikelstorleken hos bränslet eller pà någon annan basis. Exempelvis kommer vissa typer av bränslepartiklar som kommer in i förbränningskammaren snabbt att avge sina flyktiga ämnen, varigenom partikelns densitet minskas. Det kan därför vara lämpligt att i sådana fall basera den minsta eller nedre tangentiella gashastigheten på den partikeldensitet som erhàlls efter flyktavgáng. För träpartiklar är denna densitet typiskt i storleksordningen 250 kg/m3, ungefär en fjärdedel av partikeldensiteten före inträde i förbränningskammaren.

För en ”liggande” cyklonbrännare, dvs. innefattande en förbränningskammare som har en central symmetriaxel vilken sträcker sig horisontellt, sätts den nedre begränsande gashastigheten lämpligtvis så att vissa kriterier uppfylls vid toppen av förbränningskammaren.

För en cyklonbrännarförbränningskammare som har en horisontell central axel och cirkulärt tvärsnitt i vertikalplanet, kan det cirkulerande gasflödet inuti förbränningskammaren betraktas som icke-expanderande, och 10 15 20 25 30 35 ø | o | nu 522 006 ll därför den tangentiella periferihastigheten lika med gasens inloppshastighet.

Fem krafter verkar pá bränslepartiklarna, nämligen: Gravitation Fg =-mpg 2 Centrifugalkraft P;=n%~Éí Friktion Ff =-_LunpaN Tangentiellt luftmotstànd Radiellt luftmotstànd varvid = en partikels massa = gravitationskonstant = radie av cyklonbrännarens förbrânningskammare tangentiell gashastighet radiell gashastighet tangentiell partikelhastighet P J ,r .l , m g R Vs IQ V; V radiell partikelhastighet I' 'b y = friktionsfaktor aN = acceleration i normalriktning C) = luftmotstàndskoefficient AP = en bränslepartikels tvärsnittsarea pg = förbränningsgasens densitet Den nedre begränsande gashastigheten bestäms lämpligen av den situation i vilken en partikel vid den högsta positionen (vid toppen) precis hindras fràn att falla ned. Detta är fallet när gravitationskraften och det radiella luftmotstàndet balanserar centrifugalkraften, vilket resulterar i noll friktion. Den begränsande tangentiella partikelhastigheten blir: 10 15 20 25 30 35 a ø a o u o n 12 A (V V )2 30 p ,r_ ,r 2 VP» = R gifcdíßgfzk :JR[g*zI”f('/W“V””Ü P P P Det radiella luftmotstàndet kan antas vara försumbart, och den begränsande tangentiella partikelhastigheten (vät) uttrycks som: Vi, = Jšlï Den tangentiella gashastigheten inuti förbränningskammaren måste emellertid vara större än den begränsande partikelhastigheten. Den nedre begränsande gashastigheten kan erhållas genom lösning av följande differentialekvation, varvid således den gashastighet som säkerställer den önskade partikelhastigheten vid cyklonbrännarens topp fastställs: ÖV ÄV FL,+F}-+Fš=rn ß'=n1P' -51 " år "”" å? Således: 2 2 CdAppg ~pmp[gcos((p)+Eï-J-mpgsin(ç0)= mpVN Här är Q vinkeln mot vertikallinjen, dvs. l80° vid toppen av förbränningskammaren, och S är den sträcka som partikeln färdats längs periferin.

Om man löser den tangentiella gashastigheten PQJ för att ge den önskade partikelhastigheten vid toppen V¿¿=Jšš, finner man att (FQJ) ökar med ökande radie hos cyklonbrännarens förbränningskammare och ökande partikeldiameter.

I en ”stående” cyklonbrännare, dvs. en förbränningskammare som har en central symmetriaxel vilken sträcker sig vertikalt och ett cirkulärt tvärsnitt i horisontalplanet, är krafterna som verkar pà partikeln liknande de i den ”liggande” cyklonen med tillägget av en 10 15 20 25 30 35 13 För enkelhets skull betraktas emellertid både de radiella och vertikala vertikal luftmotståndskraft. krafterna som försumbara. Genom ett sådant antagande beräknas den tangentiella nedre begränsande gashastigheten PÉJ genom lösning av följande ekvation (vilken kommer att diskuteras ytterligare i samband med medföljande figur 11): tan(a)-p 4 P, yí tan(a)-,u .

V , = R__--+ -d _-- gcos(a)+g--í-s1n(a) g' Vg ptan(a)+1 \/3 ”pg Cd ptan(a)+1 varvid IQJ = tangentiell gashastighet g = gravitationskonstant R = radie av cyklonbrännarens förbränningskammare a = vinkeln mot horisontallinjen p = friktionsfaktor dp = en bränslepartikels diameter pp = en bränslepartikels densitet pg = förbränningsgasens densitet C) = luftmotståndskoefficient Alternativt kan den nedre begränsande gashastigheten fastställas empiriskt, dvs. genom att man gör tester för en specifik cyklonbrännare som eldas med ett specifikt bränsle. Förfarandet enligt föreliggande uppfinning är tillämpbar oavsett hur den nedre begränsande gashastigheten fastställs.

Den övre begränsande gashastigheten sätts lämpligt- vis vid den högsta hastighet som kan medges för mini- mering av mängden obrända bränslepartiklar som lämnar förbränningskammaren, varvid nämnda hastighet är 20-50 m/s, företrädesvis 25-40 m/s, såsom i storleksordningen 30 m/s. En annan definition av den övre begränsande gashastigheten är 3-6 gånger den nedre begränsande gashastigheten, typiskt 4 gånger. 10 15 20 25 30 35 522 006 14 Man mà vänta sig att separationseffektiviteten, dvs. partiklarnas tendens att färdas längs förbränningskammarens vägg, skulle öka oändligt då den tangentiella gashastigheten ökas. I praktiken börjar emellertid àterupptagande av partiklar mot förbränningskammarens centrala axel bli ganska märkbar vid en viss hastighet pà grund av ökad turbulens och virvelnedbrytning inuti cyklonbrännarens cylindriska förbränningskammare. Även om det inte är enkelt att beräkna den övre begränsande gashastigheten, har erfarenheten visat att ett typiskt värde är i storleksordningen 30 m/s.

En annan aspekt som begränsar den möjliga övre gashastigheten är volymkoncentrationen av obrända bränslepartiklar inuti förbränningskammaren. Det är utbränningstiden av kolàterstodspartiklar (återstoden efter flyktavgàngen av bränslet) som är begränsande. För en given temperatur och ett givet stökiometriskt förhållande kommer mängden obrända kolàterstodspartiklar inuti cyklonbrännarens förbränningskammare att vara proportionell mot lasten, och därigenom även den tangentiella gashastigheten. Vid en viss last kommer koncentrationen av obrända bränslepartiklar att bli så hög att överbäring kommer att bli ganska märkbart. Vid överstökiometriska tillstànd är àterupptagande till följd av hög tangentiell hastighet sannolikt den begränsande faktorn. Vid understökiometrisk drift är överbäring till följd av ackumulering av bränslepartiklar mer sannolikt.

Proceduren för fastställande av den övre begränsande gashastigheten kan variera, t.ex. genom att man gör tester för specifika cyklonbrännare som eldas med ett specifikt bränsle. Förfarandet enligt föreliggande uppfinning är tillämpbart oavsett hur de övre och nedre begränsande gashastigheterna fastställs. De har funktionen av begränsande värden. Enligt exempelvis åtminstone en utföringsform av uppfinningen utförs växling fràn ett av det tvà stökiometriska tillstànden ...van 10 15 20 25 30 35 522 006 15 till det andra strax innan gasen når en av nämnda begränsande gashastigheter. Enligt åtminstone en annan utföringsform av uppfinningen utförs nämnda växling till den andra av nämnda två tillstånd när mängden matat bränsle i det aktuella stökiometriska tillståndet skulle, för det andra stökiometriska tillståndet, erfordra en sådan mängd förbränningsgas som motsvarar en hastighet av gasflöde som ligger inom intervallet för de begränsande gashastigheterna.

Så som har diskuterats ovan, åstadkommer förfarandet enligt föreliggande uppfinning en kvot mellan maximi- och minimilast för cyklonbrännare som är avsevärt större än vad som har varit möjligt att uppnå med den kända tekniken. Även om det är önskvärt att hålla temperaturen inom ett visst intervall, både för under- och överstökiometriska tillstånd, kan nämnda intervall i själva verket vara riktigt användbar för ökning av kvoten mellan maximi- och minimilast. Även om ett 'C - 1100 kan intervallet temperaturintervall mellan 900 'C kan vara föredraget inuti cyklonbrännaren, godtagbart utstråckas till 700 'C - 1300 mer. Om man exempelvis kan medge en högre än normal 'C eller ännu temperatur under understökiometriska tillstånd, såsom nära eller ungefär 1300 'C, behövs mer syre än vanligt för att höja temperaturen för samma lastmängd. Eftersom mer syreinnehållande gas medges att införas i cyklonbrännare i förhållande till lastmängden, innebär detta att det stökiometriska förhållandet år närmare 1, vilket har konsekvensen att en mindre minimilast medges, medan fortfarande tillräcklig gas införs för att hålla partiklarna cirkulerande. Likaså under överstökiometriska tillstånd kan en förhållandevis låg temperatur vara tillåten, dvs. mer syre i förhållande till lasten. Detta kommer också att leda till en möjlig mindre minimilast. Även om det är möjligt att utnyttja varierande temperaturer, kan det i många fall vara önskvärt att hålla en så jämn temperatur som möjligt. Detta kan i . o . v v | u no 10 15 20 25 30 35 522 006 . . . . N '...--~ - 16 synnerhet gälla vid den faktiska tidpunkten för växling från under- till överstökiometriskt förhållande, och vice versa. Därför utförs en sådan växling lämpligtvis snabbt så att temperaturnivån hålls så jämn som möjligt. Detta kan uppnås medelst ett reglersystem, som exempelvis innefattar en dator, flödesmätare för bränslet och förbränningsgasen samt ventiler. Systemet kan programmeras på följande sätt. Vid överstökiometrisk drift uppstår ett tillstånd att en minskad mängd inmatad förbränningsgas leder till en höjning av temperaturen.

Ett minsta tillåtet stökiometriskt förhållande, över 1,0, sätts också. Vid understökmetriska tillstånd, ändras nämnda omständighet till att en ökad mängd inmatad förbränningsgas resulterar i en höjd temperatur, och det minsta stökiometriska förhållandet ersätts med ett maximum, som är under 1,0. Vid tidpunkten för växling till understökiometrisk drift ges reglersystemet momentant de nya tillstånden, vilket innebär att växlingen erhålles så snabbt som ventilen (ventilerna) kan ändra position. Den omvända ändringen av tillstånd och gränsvärde gäller när man går från understökiometrisk till överstökiometrisk drift.

Av beskrivningen ovan bör det ny tydligt framgå att förfarandet enligt åtminstone en utföringsform av föreliggande uppfinning möjliggör en ändring mellan förgasning (dvs. understökiometriskt tillstånd) vid större laster och förbränning vid mindre laster.

Uppfinningen medger detta att utföras under drift av cyklonbrännaren, och inte endast under igångsättning därav. Vidare, som en skillnad mot andra tidigare kända brännare, vilka kan drivas samtidigt med understökio- metriska tillstånd i en zon och överstökiometriska tillstånd i en annan zon, gör föreliggande förfarande det möjligt att utnyttja en och samma zon av en cyklonbrännare för växling mellan de två olika stökiometriska tillstånden. 10 15 20 25 30 35 522 006 .1 - | o a . v ' _ , , .u 17 Det bör även ha framgått att den uppfinningsenligt idén möjliggör en ökad kvot mellan maximi- och minimilast (förhållandet mellan den största och minsta möjliga last att brännas i cyklonbrännaren). Detta kan vara användbart när det exempelvis är önskvärt att ändra uteffekten till en ugn som är ansluten till cyklonbrännaren, typiskt i ett fjärrvärmeverk (upp till 30 - 50 MW) eller till och med i en hushàllspanna (några 100 kW). Temperaturen i brännaren kan hållas relativt konstant under drift, emellertid kan mängden bränsle, och följaktligen uteffekten varieras beroende exempelvis pà drift dagtid eller nattetid. En ökad kvot mellan maximi- och minimilast för en cyklonbrännare underlättar ändringen mellan behovet av högre eller lägre uteffekt. I brännarna enligt den kända tekniken kan det ibland vara nödvändigt att avbryta driften av brännaren, eftersom det inte är möjligt att producera en tillräckligt làg uteffekt, och när högre uteffekt äter är önskvärd mäste därför brännaren startas om. Föreliggande uppfinningsrika idé ger emellertid ett större möjligt regleromràde.

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 är ett diagram som illustrerar sambandet mellan stökiometriskt förhållande och adiabatisk temperatur när träpellets används som bränsle.

Figur 2 är ett diagram som illustrerar den teoretiska minsta partikelhastigheten vid toppen av en förbränningskammare som en funktion av förbrännings- kammardiametern.

Figur 3 är ett diagram som illustrerar den beräknade nedre begränsande gashastigheten som en funktion av partikeldiameter och förbränningskammardiameter.

Figur 4 är ett annat diagram som illustrerar den beräknade nedre begränsande gashastigheten som en funktion av partikeldiameter och förbränningskammardiameter. o u v u | nu 10 15 20 25 30 35 , , n - .u 522 006 18 Figur 5 är ett diagram som illustrerar kvoten mellan maximi~ och minimilast beroende på det stökiometriska förhållande och det relativa gasflödet.

Figur 6 är ett annat diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast.

Figur 7 är ett diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast i det fall då recirkulerade rökgaser tillsätts till förbränningsgasen.

Figur 8 är ett annat diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast i det fall då recirkulerade rökgaser tillsätts till förbränningsgasen.

Figur 9 är ännu ett diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast i det fall då recirkulerade rökgaser tillsätts till förbränningsgasen.

Figur 10 är ytterligare ett diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast i det fall då recirkulerade rökgaser tillsätts till förbränningsgasen.

Figur 11 illustrerar krafter som verkar på en partikel i en stående cyklonbrännare.

Detaljerad beskrivning av ritningarna Figur 1 är ett diagram som illustrerar sambandet mellan stökiometriskt förhållande och adiabatisk temperatur när träpellets används som bränsle.

Träpelletsen kan ha ett nedre värmevärde av 18,2 MJ/kg.

Diagrammet visar att den högsta temperaturen erhålles för ett stökiometriskt förhållande av ungefär 0,95. Om mer syre tillförs i förhållande till vad som behövs för fullständig förbränning av bränslet, dvs. ett överstökiometriskt tillstànd, blir temperaturen lägre. Et stökiometriskt förhållande av 2,0 resulterar exempelvis i 'C. Likaså, syre tillförs för att åstadkomma ett mer en adiabatisk temperatur av 1200 om mindre understökiometriskt tillstånd, kommer temperaturen också att bli lägre. Exempelvis skulle ett stökiometriskt förhållande av 0,5 resulterar i en temperatur av ungefär 1400 'C. Så som beskrivits tidigare, för att erhålla 10 15 20 25 30 35 . - - - .- 19 tillfredsställande driftsduglighet, kan det vara önskvärt att hålla temperaturen inom ett visst intervall. För detta särskilda bränsle skulle det således vara önskvärt att arbeta inom temperaturintervallet 1100 'C - 1300 'C, varvid de under- och överstökiometriska förhållandena skulle hållas vid ungefär 0,37 - 0,45 respektive 1,8 - 2,25.

Figur 2 är ett diagram som illustrerar den teoretiska minsta partikelhastigheten vid toppen av en liggande cyklonbrännares förbränningskammare som en funktion av förbränningskammardiametern. Sá som har beskrivits tidigare, sätts det nedre begränsande gasflödet av det fall i vilket en partikel vid den högsta positionen (toppen) av förbränningskammaren precis hindras fràn att falla ned. Om det radiella luftmotständet antas vara försumbart, är den tangentiella partikelhastigheten V¿,=VGší. Detta illustreras i figur 2. Till exempel en förbränningskammare som har en diameter av 0,3 m, 0,6 m eller 1,2 m skulle resultera i en minsta partikelhastighet vid toppen av 1,2 m/s, 1,7 m/s respektive 2,4 m/s.

Figur 3 är ett diagram som illustrerar den beräknade nedre begränsande gashastigheten som en funktion av partikeldiameter och förbränningskammardiameter i en liggande cyklonbrännare. Den tangentiella gashastigheten (vàt) mäste vara högre än den minsta partikelhastigheten (VQJ). Så som har beskrivits tidigare, bör den tangentiella gashastigheten Vàt vara så hög att 1so°) i cyklonbrännarens förbränningskammare är högre än den partikelhastigheten vid den övre positionen (w = beräknade minsta partikelhastigheten (tgfl). Genom användning av detta som randvillkor löses gashastigheten frán följande differentialekvation V ,-V 2 V2, _ aV C.A,,Pg - flmíg <=°S(<0)+ ~ m,,gS111(w)= mpVp, å? . | » n . .- 10 15 20 25 30 35 . o n ~ n. 522 006 . ~ - . n 20 Man finner att den nedre begränsande gashastigheten (V¿t) ökar då radien av cyklonbrännarens förbränningskammare ökar och partikeldiametern ökar. Detta illustreras i figur 3. Den horisontella axeln i diagrammet representerar partikeldiametern i mm och den vertikala axeln representerar den nedre begränsande gashastigheten i m/s. Tre kurvor är ritade, varvid den nedersta kurvan är för en förbränningskammardiameter av 0,3 m, mittenkurvan är för en förbränningskammardiameter av 0,6 m och den översta kurvan är för en förbränningskammar- diameter av 1,2 m. För beräkningarna har en friktionsfaktor av 0,5, en luftmotstàndskoefficient av 0,44, en gasdensitet av 0,28 kg/m3 och en partikeldensitet av 1000 kg/HP antagits. Diagrammet visar att för en partikeldiameter av exempelvis 2,0 mm (t.ex. krossad träpellet) är den nedre begränsande gashastigheten ungefär ll till 13 m/s beroende pà förbränningskammaren storlek. För en mindre partikeldiameter av exempelvis 0,5 mm (såsom krossa pellet) är den nedre begränsande gashastigheten sà làg som 6 till 8 m/s.

När bränslepartiklar träder in i cyklonbrännarens förbränningskammare kommer de snabbt att avge sina flyktiga ämnen. Partikeldensiteten kommer också att minska. Det kan därför vara lämpligt att beräkna den nedre begränsande gashastigheten baserat pà partikeldensiteten efter flyktavgàng. För trä partiklar är denna densitet typiskt i storleksordningen 250 kg/mf Detta visas i figur 4. All indata är således samma som för det i figur 3 visade diagrammet, utom partikeldensiteten som i figur 4 är 250 kg/m3 istället för 1000 kg/m3. För en partikeldiameter av 0,5 mm är den nedre begränsande gashastigheten ungefär 3 till 5 m/s, vilket är tillräckligt för erhållande av den minsta partikelhastigheten (1,2 m/s, 1,7 m/s och 2,4 m/s) som beräknats ovan för de olika förbränningskammar- diametrarna. Om den övre begränsande gashastigheten, som 10 15 20 25 30 35 , , A n nu o , , . . .- .- 21 har erhållits empiriskt, är ungefär 30 m/s, skulle kvoten mellan maximi- och minimilast för en given förbränningstemperatur och en partikelstorlek av 0,5 mm 6:1. minimilast kan utsträckas ytterligare om även vara ungefär 30:5, dvs. Kvoten mellan maximi- och förbränningstemperaturen medges att varieras med lasten.

Figur 5 är ett diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast beroende på det stökiometriska förhållandet och det relativa gasflödet. I detta exempel antas en adiabatisk temperatur av ungefär 1300 'C i cyklonbrännarens förbränningskammare. Den horisontella axeln representerar den relativa lasten hos cyklonbrännaren. Den vänstra vertikala axeln representerar det stökiometriska förhållandet inuti förbränningskammaren. Den högra vertikala axeln representerar det relativa gasflödet inuti förbränningskammaren, dvs. förhållandet mellan det faktiska gasflödet och det minsta gasflödet, eller i flesta fall förhållandet mellan den faktiska gashastigheten och den nedre begränsande gashastigheten.

Med hänvisning till den vänstra delen av diagrammet, när en förhållandevis liten bränslemängd, dvs. en lite last, matas in i förbränningskammaren, tillförs en jämförelsevis stor mängd syreinnehållande förbränningsgas, såsom luft, så att ett överstökiometriskt tillstànd existerar i förbränningskammaren. Det stökiometriska förhållandet hålls vid ungefär 1,8, så som illustreras av den streckade linjen Ll, för att bibehålla temperaturen av ungefär 1300 'C. När lasten ökas, ökas även mängden förbränningsgas genom ökning av hastigheten med vilken den matas in i förbränningskammaren, varigenom ett överstökiometriskt tillstànd bibehålls. Detta visas med det lutade vänstra partiet av kurvan L2. I detta fall hàlls det stökiometriska förhållandet väsentligen konstant vid 1,8. Den lastmängd som är avsedd att hanteras vid överstökiometriskt tillstànd fastställs av 10 15 20 25 30 35 man: .q . 522 006 . . . I q- 22 den nedre begränsande gashastigheten och den övre begränsande gashastigheten som är typiskt 4 gånger den nedre. De begränsande gashastigheterna indikeras med de och L5 tvärs diagrammet. När lasten således ökas från en horisontella linjerna L4 (nedre gräns) (övre gräns) relativ last på 1 på den horisontella skalan, och följaktligen även gashastigheten, kommer den övre begränsande gashastigheten så småningom att nås. Detta inträffar vid 4 på den horisontella skalan. En cyklon- brännare som drivs vid överstökiometriskt tillstånd skulle således vara begränsad till en kvot mellan maximi- och minimilast av 4:1.

När man väl har nått den övre begränsande gashastigheten vid överstökiometriskt tillstånd, utförs en växlingsoperation för erhållande av ett understökiometriskt tillstånd, varigenom lasten medges att ökas ytterligare. Åtgärden att växla till ett understökiometriskt tillstånd utförs genom sänkning av hastigheten hos gasen innan hastigheten hos gasen när eller passerar över den övre begränsande gashastigheten, vilket indikeras med linjen L6. I detta fall sammanfaller den med den nedre begränsande gashastigheten vid ett understökiometriskt förhållande av ungefär 0,45 (vid 4 pä den horisontella skalan), för att bibehålla temperaturen vid omkring 1300 'C. Istället för att ha överskott av syre, finns det nu en brist på syre. Det understökiometriska förhållandet av ungefär 0,45 hålls väsentligen konstant, så som illustreras med den streckade linjen L7, medan mängden bränsle som matas in i förbränningskammaren medges att ökas ytterligare. Mängden bränsle kan ökas, och därför även gasflödet som indikeras med linjen L8, upp till en sådan last där den övre begränsande gashastigheten nås. Detta sker vid 16 på den horisontella skalan. Detta innebär att om en cyklonbrännare endast skulle drivas vid detta skulle en kvot mellan maximi- 4:1 erhållas. stökiometriska förhållande, och minimilast av l6:4, dvs. Genom att man . . . ø | .- 10 15 20 25 30 35 , . » o oo q . . . » ° ' 522 006 23 kombinerar de två driftssätten, och drar nytta av båda stökiometriska tillstånden, är en teoretisk kvot mellan maximi- och minimilast av 16:1 erhållbar.

Processen är reversibel. Det är således möjligt att börja vid den högra sidan av kurvan i figur 5, dvs. vid ett understökiometriskt tillstånd. När lasten minskas, och därför även gashastigheten, nås så småningom den nedre begränsande gashastigheten. Vid denna punkt görs växling till överstökiometriskt förhållande genom ökning av gashastigheten. Därefter kan lasten minskas ännu mer, för bibehållande av till till dess att gashastigheten sänkts, väsentligen konstant överstökiometriskt förhållande, den nedre begränsande gashastigheten.

Figur 6 är ett annat diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast. I detta fall används samma bränsle i samma förbränningskammare som i figur 5. Nu är emellertid en adiabatisk temperatur av ungefär 1100 'C önskvärd inuti förbränningskammaren. Denna temperatur erhålles för ett överstökiometrisk förhållande av ungefär 2,2, ungefär 0,38. Så som framgår av figur 6, och indikeras och för ett understökiometriskt förhållande av med en nedåtriktad pil, skulle en växling från det överstökiometriska tillståndet vid den övre begränsande gashastigheten till understökiometriskt tillstånd leda till en gashastighet lägre än den nedre begränsande gashastigheten. Likaså skulle en växling från det understökiometriska tillståndet, när man har den nedre begränsande gashastigheten, till det överstökiometriska tillståndet resultera i en gashastighet långt över den så som indikeras med den för att hålla den önskade temperaturen och för att erhålla ett överlapp när övre begränsande gashastigheten, uppåtriktade pilen. Detta innebär att, man växlar från ett stökiometriskt tillstånd till det andra, gashastigheten kommer att passera den övre och/eller nedre begränsande gashastigheten.

Svårigheten som illustreras i figur 6 övervinns genom tillsats av recirkulerade rökgaser, vilka har lågt v . . » - - H lO 15 20 25 30 35 .- , . , . n- 522 006 24 eller inget syreinnehåll, till förbränningsgasen som har högt syreinnehåll, såsom luft.

Följaktligen är figur 7 ett diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast i det fall då recirkulerade rökgaser tillsätts till förbränningsgasen.

Liksom i figur 6 är den önskade temperaturen i förbränningskammaren 1100 'C. En fast mängd av recirkulerad rökgas (l5% av minimigasflödet) blandas in i förbränningsgasen innan den matas till förbränningskammaren. Mängden recirkulerad rökgas illustreras som en rak horisontell prickad linje L9 vid diagrammets nedre parti. Linjer som motsvarar linjerna i figur 5 har givits samma hänvisningsbeteckning.

Så som framgår av diagrammet i figur 7, utsträcks minimilasten under understökiometriska tillstànd ytterligare nu när recirkulerad rökgas tillämpas. Den recirkulerade rökgasen ökar det totala gasflödet utan att höja värmen som avges från bränslet. Gasflödets minimigräns, dvs. den nedre begränsande gashastigheten nås således vid en lägre last. Dessutom fungerar den recirkulerad gasen som barlast. Ytterligare förbränningsgas behövs därför för att bihålla den önskade temperaturen. Detta ökar det totala gasflödet ytterligare, och minimigränsen nås vid en ytterligare minskad last. Enligt diagrammet i figur 7 är denna gräns vid ungefär 3,5 på den horisontella skalan, istället för ungefär 6 som i figur 6.

Under överstökiometriskt tillstånd, kommer den tillsatta rökgasen delvis ersätta överskottsförbrännings- gas. Det totala gasflödet kommer således att förbli detsamma som utan någon recirkulation av rökgas, men det stökiometriska förhållandet kommer att variera mellan ungefär 1,8 och 2,1 dä lasten ändras (se den streckade linjen L1). Fördelen är att syrekoncentrationen kommer att minska när lasten minskar, vilket resulterar i att mindre kväveoxid bildas. I diagrammet i figur 7, och i diagrammet i figur 6, nås således den övre lastgränsen .nvnw 10 15 20 25 30 35 522 006 25 för överstökiometriskt tillstånd vid 4 på den horisontella skalan. Medan det inte finns något överlapp i figur 6, erhålls ett överlapp och därför ett möjligt övergångsområde PTR (”possible transition region”) i diagrammet i figur 7 tack vare utsträckningen av minimilasten under understökiometriska tillstànd. Det möjliga övergångsområdet PTR bestäms av den nedre begränsande hastigheten vid understökiometriskt tillstånd och den övre begränsande hastigheten vid överstökiometriskt tillstånd. Istället för att ha en ”tunn” linje L6 så som visas i figur 5, erhålls ett bredare möjligt övergångsområde PTR i det fall som visas i figur 7. Detta innebär att det, i det fall som visas i diagrammet, inte är nödvändigt att vänta tills en begränsande gashastighet nås för att göra växlingen till det andra stökiometriska tillståndet. Istället kan växlingen utföras vid en tidigare punkt när mängden bränsle är sådan att den inte passerar utanför gränsen som sätts av den andra begränsande gashastigheten för det andra stökiometriska tillståndet. När man exempelvis växlar från understökiometriskt till överstökiometriskt tillstånd kan växlingen göras vid en lastmängd motsvarande 4 (övre gräns, överstökiometriskt) på den horisontella skalan i figur 7, eller senare så långt ned som en lastmängd motsvarande ungefär 3,5 (nedre gräns, understökiometriskt) på den horisontella skalan. Det skall observeras att kvoten mellan maximi- och minimilast, enligt diagrammet i figur 7, är l8:l.

Eftersom en given cyklonbrännare emellertid har en maximal möjlig last, dvs. en ansamlingsgräns på grund av ansamling av brinnande flyktavgångna partiklar, och eftersom gashastigheten är proportionell mot lasten, är det fullt möjligt att denna maximala last kommer att nås innan gashastigheten vid understökiometriska tillstånd har nått den övre begränsande gashastigheten. Den maximala möjliga lasten eller ansamlingsgränsen bestämmer således indirekt hastighetsgränsen. En fördel är 10 l5 20 25 30 35 vnuo eo . u I . | , . | . en o ø o 0 , , » u ' uu 522 006 26 emellertid att spannet (kvoten mellan maximi- och minimilast) inom vilket det är möjligt att driva vid understökiometriska tillstànd förstoras, varvid detta föredras ur miljösynpunkt eftersom mindre kväveoxid bildas. Detta illustreras ytterligare i figur 8.

Figur 8 är ett annat diagram som illustrerar kvoten mellan maximi- och minimilast i det fall då recirkulerade rökgaser tillsätts till förbränningsgasen. I detta fall är den önskade temperaturen 1300 'C, och diagrammet är ritat för samma typ av bränsle i samma cyklonbrännare som för figur 5. Figur 8 illustrerar emellertid en 15 procentig recirkulation av rökgas i förbränningsgasen.

Vid jämförelse mellan diagrammen i dessa tvà figurer, är det uppenbart att det möjliga övergàngsomràdet är större när recirkulerad rökgasanvänds, eftersom minimilasten vid understökiometriska tillstànd flyttas längre mot vänster i diagrammet i figur 8. Även om det är föredraget att arbeta så mycket som möjligt vid överstökiometriska tillstànd, kan användningen av rökgas negativt påverka den totala kvoten mellan maximi- och minimilast om rökgasrecirkulationen inte tas bort vid en högre last. I figur 8 är exempelvis den totala kvoten mellan maximi- och minimilast l2,5:l istället för l6:1 som i figur 5.

Figurerna 9 och 10 illustrerar effekten av att en stor del av införd gas är i form av recirkulerad rökgas.

I dessa exempel är den recirkulerade rökgasen 45 % av minimigasflödet, och i figur 9 är den önskade temperaturen 1100 'C, medan den önskade temperaturen i figur 10 är 1300 'C. Man kan lägga märke till att denna större recirkulationen av rökgas resulterar i ett större möjlig övergàngsomràde. Man kan även lägga märke till att, understökiometrisk förbränning nästan utsträcks till en i figur 10, det driftsdugliga intervallet vid relativ last av l.

I det följande kommer figur 11 att diskuteras för härledning av den nedre begränsande tangentiella gashastigheten för en ”stående” cyklonbrännare, dvs. 10 lS 20 25 30 .--a av ' n. ' u o ° ' ' U av 522 006 27 innefattande en förbränningskammare som har en central symmetriaxel vilken sträcker sig vertikalt och ett cirkulärt tvärsnitt i det horisontella planet. Pà motsvarande sätt som för en liggande cyklon, bestäms den begränsande gashastigheten av partiklarnas benägenhet att falla ned vertikalt.

I det följande antas att bränslepartiklarna inte bärs ut genom förbränningskammarens utlopp. För enkelhets skull beskrivs gasflödet som ett horisontellt roterande flöde radiella gasflödet betraktas som försumbart, vilket (ingen vertikal luftmotstàndskraft) och det resulterar i en jämvikt av krafter som verkar pä en bränslepartikel 2, så som illustreras i figur ll.

Bränslepartikeln ligger an mot en innervägg 4 av förbränningskammaren. För att hindra partikeln frän att falla ned, balanseras gravitationskraften F; av friktionskraften F} och centrifugalkraften FL i det lutande planets riktning, vilket plan lutar med en vinkel a frán horisontalplanet H.

F, + F, cos(a) = Fg sin(a) Centrifugalkraften F; och gravitationskraften F; kan uttryckas som: V2 FL=1np-ål Fg = mpg varvid mp är partikelns massa, V är partikelns p,t tangentiella hastighet, R är radien hos cyklonbrännarens förbränningskammare och g är gravitationskonstanten.

Friktionskraften P) är proportionell mot en normalkraft F; enligt: 10 15 20 25 30 35 w »nuv- 522 006 28 Ff=FFN FN = F g cos(a) + FC sin(a) 2 VN _ R s1n(a) Ff =pmp[gcos(a)+ varvid ,u är friktionsfaktorn eller friktionskoefficienten. Detta leder till följande samband.

Ff + FC cos(a) = Fg sin(a) 2 2 å” sin(a):I + m p -Ã_"cos(a) = m p g sin(a) pmp lïg cos(a) + 2 V21 V I ,u 1+-"}':tan(a) +-í-=tan(a) g g Den lägsta tangentiella partikelhastigheten kommer sàledes att vara: VN = gR ,u tan(a) +1 Av det ovanstående framgår det att det är möjligt att ha en brantare lutning om a) radien R minskas, b) den tangentiella partikelhastigheten V;J ökas, eller c) friktionskoefficienten ;1 ökas.

För att behålla den tangentiella partikelhastigheten, måste den tangentiella - . a . .one 4 vv0vI* n 29 luftmotstàndskraften IQ; balansera friktionskraften P' Friktionskraften är lika stor i alla riktningar.

V -V 2 5 F” =CdAppg varvid Cd är luftmotstàndskoefficienten, AP är bränslepartikelns tvärsnittsarea, pg = förbränningsgasens densitet och PQJ = tangentiell gashastighet. 10 2 V V -V Ff = pmp[gcos(a)+-%'-sin(a)J= pgApCd 15 Den lägsta tangentiella gashastigheten kommer således att vara: 2 V2 20 Vg, =VP,+ -Lml- gcøs(a)+-p-"sin(a) ' ' pgApCH R Substitution av massan mp med partikeldensiteten pp gånger partikelns volym, varvid dp är partikelns 25 diameter, och omskrivning av partikelns tvärsnittsarea AP 3 p p 3 2 30 d, 2 A» =” ï ger 35 4 P ,u V2, .

VU = Vpv, + dp cos(a) +-É'-s1n(a) g 10 15 20 522 ooe 3 30 Genom substitution av uttrycket för den lägsta tangentiella partikelhastigheten erhàlls följande ekvation. ( :mun-p 4 p, p[ ramen-y .

V , = gR--:+ -d -- gcos(a)+gí-s1n(a) g' ptan(a)+1 \¶ p pg Cd ytan(a)+1 Ju större och tyngre partikeln är, desto större förbränningskammarradie och högre tangentiell gashastighet erfordras. Dessutom höjs den nedre begränsande gashastigheten dà vinkeln a ökas och friktionskoefficienten sänks.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 522 006 31 PATENTKRAV

1. Förfarande för drift av en förbränningsprocess i en icke-slaggande cyklonbrännare, efter igångsättning av den, kännetecknat av att det innefattar: att mata ett bränsle in i en cylinderformad förbränningskammare hos cyklonbrännaren, att mata en syreinnehàllande förbränningsgas med en tangentiell hastighet in i nämnda förbränningskammare, varvid en nedre begränsande gashastighet och en övre begränsande gashastighet är bestämda för nämnda förbränningsgas, att hålla förbränningsgasens hastighet mellan nämnda begränsande gashastigheter, att bibehålla ett av två stökiometriska tillstànd: understökiometriskt tillstànd och överstökiometriskt tillstånd, genom styrning av mängden matat syre i förhållande till mängden matat bränsle, dvs. bränslelasten, att växla till det andra av nämnda tvà stökiometriska tillstånd medan förbränningsgasen hindras från att erhålla en hastighet utanför det intervall som bestäms av den nedre begränsande gashastigheten och den övre begränsande gashastigheten.

2. Förfarande enligt krav l, vilket ytterligare innefattar: att hålla temperaturen i förbränningskammaren inom temperaturintervallet 700 'C - 1300 'C, företrädesvis 900 'C - 1100 'C, varvid varje temperaturpunkt i nämnda temperaturintervall bestämmer, tillsammans med nämnda begränsande gashastigheter, en respektive minsta bränslelast och en respektive största bränslelast för växling från ett av de två stökiometriska tillstànden till det andra. lO 15 20 25 30 35 522 006 32

3. Förfarande enligt krav 2, vilket ytterligare innefattar: att blanda recirkulerad rökgas, eller annan gas med lågt syreinnehàll eller inert gas, med den syreinnehållande förbränningsgasen innan förbränningsgasen matas in i förbränningskammaren, varigenom nämnda minsta bränslelast under understökiometriska tillstànd minskas.

4. Förfarande enligt krav 2, vilket ytterligare innefattar: att blanda recirkulerad rökgas, eller annan gas med lågt syreinnehàll eller inert gas, med den syreinnehållande förbränningsgasen innan förbränningsgasen matas in i förbränningskammaren, varigenom, vid samma totala gasflöde, syrekoncentrationen och därigenom bildandet av kväveoxider under överstökiometriska tillstànd minskas.

5. Förfarande enligt krav 1 eller 2, varvid åtgärden att bibehålla ett stökiometriskt tillstånd innefattar att hålla ett väsentligen konstant stökiometriskt förhållande.

6. Förfarande enligt något av kraven l-5, innefattande att mata nämnda bränsle i form av fasta bränslepartiklar, såsom träpartiklar, företrädesvis träpellets, typiskt krossade träpellets av en diameter upp till 4 mm.

7. Förfarande enligt krav 6, innefattande: att styra, för en relativt liten mängd bränsle som matas in i förbränningskammaren, mängden förbränningsgas så att ett överstökiometriskt tillstånd råder i förbränningskammaren, att öka, när mängden bränsle ökas, mängden förbränningsgas genom att öka hastigheten med vilken den lO l5 20 25 30 35 522 006 33 matas in i förbränningskammaren, varigenom ett överstökiometriskt tillstànd bibehälls, att växla till ett understökiometriskt tillstànd genom att minska den relativa mängden förbränningsgas, genom att sänka förbränningsgasens hastighet, innan gasens hastighet när nämnda övre begränsande gashastighet eller när mängden bränsle är sådan att ett understökiometriskt tillstànd är erhàllbart vilket uppfyller kriterierna att temperaturen i 'C - 1300 'C, 'C, och att gasens hastighet är lika med förbränningskammaren är 700 företrädesvis 900 'C - 1100 eller högre än nämnda nedre begränsande gashastighet.

8. Förfarande enligt krav 7, vid vilket, efter växling till ett understökiometriskt tillstànd, förfarandet ytterligare innefattar: att öka, när mängden bränsle ökas ytterligare, mängden förbränningsgas genom att öka hastigheten med vilken den matas in i förbränningskammaren, medan ett understökiometriskt tillstànd bibehålls.

9. Förfarande enligt krav 6, innefattande att styra, för en relativt stor mängd bränsle som matas in i förbränningskammaren, mängden förbränningsgas sä att ett understökiometriskt tillstànd råder i förbränningskammaren, att minska, när mängden bränsle minskas, mängden förbränningsgas genom att sänka hastigheten med vilken den matas in i förbränningskammaren, varigenom ett understökiometriskt tillstànd bibehålls, att växla till ett överstökiometriskt tillstànd genom att öka den relativa mängden förbränningsgas, genom att öka förbränningsgasens hastighet, innan gasens hastighet när nämnda nedre begränsande gashastighet eller när mängden bränsle är sådan att ett överstökiometriskt tillstànd är erhàllbart vilket uppfyller kriterierna att temperaturen i förbränningskammaren är 700 'C - 1300 'C, 10 15 20 25 30 35 522 006 34 företrädesvis 900 'C - 1100 °C, och att gasens hastighet är lika med eller lägre än nämnda övre begränsande gashastighet.

10. Förfarande enligt krav 9, vid vilket, efter växling till det överstökiometriska tillståndet, förfarandet ytterligare innefattar: att minska, när mängden bränsle minskas ytterligare, mängden förbränningsgas genom att sänka hastigheten med vilken den matas in i förbränningskammaren, medan ett överstökiometriskt tillstànd bibehålls.

11. Förfarande enligt nàgot av kraven 6-10, vid vilket nämnda nedre begränsande gashastighet är den lägsta hastigheten för att hålla åtminstone en majoritet av bränslepartiklarna cirkulerande i förbränningskammaren.

12. Förfarande enligt nàgot av kraven 6-11, vid vilket, för en cyklonbrännare med en förbränningskammare som har en central symmetriaxel vilken sträcker sig horisontellt, den tangentiella nedre begränsande gashastigheten FQJ vid toppen av förbränningskammaren beräknas genom lösning av följande differentialekvation: 2 [V -V ]2 V _ CdAppg i%-pmpl:gcos(ø)+-lçiil-mpgs1n(¶2)= mpVpa, -åsï uppfyllande randvillkoret V;,=JgR för $=180° varvid y = friktionsfaktor C) = luftmotstándskoefficient AP = en bränslepartikels tvärsnittsarea pg = förbränningsgasens densitet w = vinkeln mot vertikallinjen, dvs. 180° vid toppen av förbränningskammaren 10 15 20 25 30 35 522 006 35 FQJ = tangentiell gashastighet Km = tangentiell partikelhastighet mp= en partikels massa g = gravitationskonstant R = radie av cyklonbrännarens förbränningskammare S = den sträcka som partikeln färdats längs periferin.

13. Förfarande enligt något av kraven 6-ll, vid vilket, för en cyklonbrännare med en förbränningskammare som har en central symmetriaxel vilken sträcker sig vertikalt, den tangentiella nedre begränsande gashastigheten IQJ beräknas genom lösning av följande ekvation: VH = fgR +\/ídp fiiíg cos(a) + g sin(a):| ,u tan(a) +1 3 pg Cd ,u tan(a) +1 varvid PQJ = tangentiell gashastighet g = gravitationskonstant R = radie av cyklonbrännarens förbränningskammare a = vinkeln mot horisontallinjen y = friktionsfaktor dp = en bränslepartikels diameter pp = en bränslepartikels densitet pg = förbränningsgasens densitet C; = luftmotstàndskoefficient.

14. Förfarande enligt något av kraven 6-13, vid vilket nämnda övre begränsande gashastighet är den högsta hastighet som tillàts för att hindra en stor mängd av obrända bränslepartiklar fràn att lämna förbränningskammaren, varvid nämnda hastighet är 20-50 m/s, företrädesvis 25-40 m/s, såsom i storleksordningen 30 m/s.