TWI588417B - 具有擴大調節範圍的固體燃料熱氣體產生器 - Google Patents

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克勞斯 卡塞克
霍格 沃費特
安德烈 貝茲
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Description

具有擴大調節範圍的固體燃料熱氣體產生器
本發明係關於一種具有擴大調節範圍之固體燃料熱氣體產生器，其可較佳用於研磨-乾燥裝置中(例如，用於研磨固體燃料)。
自煤的汽化、藉由PCI(粉煤噴吹)製程之生鐵及鋼生產且自水泥工業(DE 40 35 730 C2，目錄LOESCHE GmbH,Dusseldorf,「Loesche-Muhlen fur teste Brennstoffe」,01/2008)已知如下煤研磨設備，其具有藉由供應熱氣體使濕原煤經受研磨-乾燥製程且使其研磨成煤塵的風掃磨(air swept mill)(例如，LOESCHE型立式輥磨機、懸式輥磨機或環式輥磨機)、具有使煤塵-氣體混合物分離之分離單元(例如，過濾器)且具有用於產生熱氣體之熱氣體產生器，氣體之一部分作為返回氣體被饋送回至熱氣體產生器。
另外在非金屬礦物工業中使用煤塵燃料熱氣體產生器來使生料、熔渣及粒狀鼓風爐熔渣及水泥乾燥。在石膏、糖及鉀肥工業中亦已知以褐煤或硬煤塵為燃料的熱氣體產生器。
自DE 197 06 077 A1已知如下熱氣體產生器，其具有：在供應有燃燒空氣的情況下以氣動傳送之燃燒塵(例如，硬煤或褐煤塵、生質塵或其混合物)為燃料的燃燒器、配置於該燃燒器上之出口側的燃燒器馬弗爐、待加熱之氣體之饋送器，及配置於燃燒器馬弗爐之後且形成為多孔夾套 的混合組件，該多孔夾套具有交錯的圓柱形部分且具有保護套(其形成待加熱之氣體之環形通道)。
描述於DE 42 08 951 A1中的熱氣體產生器已包含一由金屬製成以供待加熱之氣體流入之多孔夾套單元及一燃燒器馬弗爐，該燃燒器馬弗爐形成為在軸向方向上比該多孔夾套單元實質上短且內襯有耐火材料。然而，此處燃燒器為具有圍繞彼此的貧氣-燃燒空氣噴嘴之多噴槍燃燒器。
DE 197 25 613 A1揭示用於因燃燒燃料油或可燃氣體或煤塵而產生熱廢氣的燃燒器。藉由氣體載體介質(較佳為空氣)來輸送煤塵，且經由噴射槍將其噴吹至反應腔室中，該噴射槍自燃燒器頭延伸至圓錐形反應腔室之最大直徑點且設置於具有偏轉罩之出口側端。經由在反應腔室之頭側端處的徑向葉柵來饋送燃燒空氣。葉柵及反應腔室之一部分由收集空氣的外殼所圍繞，燃燒空氣將安置於此外殼中，且燃燒空氣自此外殼經由葉柵傳遞至反應腔室中。燃燒器由於其流動型樣而產生特別大的紊流波動移動區域。燃燒塵在離開偏轉罩之後被輸送回至空氣導葉，且藉由渦旋螺旋狀火焰將其加熱至大約1000℃且點燃。火焰噴射具有強脈衝，且產生氣體之極快速再循環。
在網際網路公開案「Impuls-Brenner,System Dr.Schoppe,fur Braunkohlenstaub,Heizol und Gas von 100 kW bis 35 MW」中，將前述燃燒器描述為脈衝燃燒器。
脈衝燃燒器之進一步發展描述於DE 102 32 373 B4 中，其將針對至少200℃至900℃之熱氣體溫度範圍包含增 加之火焰穩定性及火焰噴射速度。
結合混合腔室而使用的固體燃料燃燒器具有最大為1：5之調節範圍。技術上已證實之此調節範圍限制使得更難以阻止在需要較高調節範圍(例如，高達1：10之調節範圍)的基於製程之裝置中使用具有混合腔室(例如，多孔夾套單元)之熱氣體產生器。此等調節範圍可由待乾燥之材料之有極大波動的濕氣及待遞送之集合體之輸送量的改變引起。
LOESCHE型立式輥磨機之輸送量介於(例如)100%與40%之間。因此，該輥磨機具有為1：2.5之調節比。若最小輸送量與極低濕氣及相對較高外部溫度一致，則僅相對較低熱量係必要的。最大熱量消耗以最大輸送量、待研磨且待乾燥的材料之最大濕氣及相對較低外部溫度為結果。
以下具體實例將說明：為了能夠接近所有「操作點」，大約為1：8之調節比係必要的。
實例：硬煤
最大狀況輸送量=80t/h
濕氣=15%
溫度=5℃
熱量=49.66×106kJ/h(13.8MW)
最小狀況輸送量=32t/h
濕氣=5%
溫度=35℃
熱量==6.1×106kJ/h(1.695MW)
調節比因此總計為：49.66：6.1=1：8.14。
迄今已在不存在具有固體燃燒器之熱氣體產生器的情況下達成前述調節比1：8.14。因此，在用於研磨煤之研磨-乾燥裝置中(在自製程本身不可獲得廢熱的程度上)，主要使用具有氣體或石油燃燒器之熱氣體產生器。在煤的汽化裝置之狀況下，通常將合成氣體作為燃料及(在PCI設備中)鼓風爐氣體饋送至熱氣體產生器以用於燃燒。用於煤的汽化之煤研磨裝置、PCI設備及在水泥工業中需要至少為1：8之調節範圍。一般而言，針對石油及氣體燃料熱氣體產生器之至少為1：10的調節比已成為目前技術發展水平。
本發明之一目標為產生一種具有擴大調節範圍的固體燃料熱氣體產生器(詳言之，煤塵燃料熱氣體產生器)，以便能夠用節約成本的燃料(例如，褐煤塵、硬煤塵等等)來替換燃料油及氣體且亦能夠不再以經濟效率低的方式使用合成氣體、鼓風爐氣體等等在熱氣體產生器中產生熱氣體。
根據本發明，經由申請專利範圍第1項及申請專利範圍第2項之特徵來達成該目標。附屬項及對諸圖之描述中包含有用且有利的具體實例。
核心思想可在於，給熱氣體產生器配備複數個燃燒器以便增加調節範圍。
根據本發明，固體燃料熱氣體產生器包含複數個固體燃燒器以便增加或擴大調節範圍以使得形成多重固體燃燒器。
將獨立的固體饋送器及燃燒空氣饋送器指派給每一固體燃燒器，且可獨立於其他固體燃料燃燒器給每一固體燃燒器加燃料。多重固體燃燒器之燃燒功率於是自該等固體燃燒器中之一者之最小功率擴大至所提供的所有固體燃燒器之最大功率。因此擴大調節範圍，且可涵蓋熱氣體產生器中所產生的熱氣體所供應至的集合體之所有負載區。
在一較佳具體實例中，具有一燃燒器馬弗爐及配置於該燃燒器馬弗爐之燃燒器板中的一開始燃燒器、具有用於待加熱之氣體之一饋送構件及具有一混合組件(所產生之燃燒氣體與待加熱之氣體在此混合組件中混合，且此混合組件配置於該燃燒器馬弗爐之後)之熱氣體產生器包含複數個固體燃燒器，該複數個固體燃燒器與該開始燃燒器同軸地配置且固定於該燃燒器馬弗爐之燃燒器板中。同軸配置藉此應被理解為圍繞開始燃燒器而配置固體燃燒器。固體燃燒器距中央開始燃燒器相同距離且距彼此相同角距離之配置係有利的。
可使燃燒器之數目有利地適應於各別要求。舉例而言，可將兩個、三個或四個(亦可能更多)固體燃燒器用凸緣連接至燃燒器馬弗爐之燃燒器板。亦可有利地使用相等或不同大小之燃燒器，亦即，具有同樣大或大小不同之燃燒功率的燃燒器。
在垂直建構中有用地設計本發明之熱氣體產生器，且多重固體燃燒器經設計且配置於燃燒器馬弗爐之燃燒器板中以使得固體燃燒器與其煤塵供應及其反應腔室延伸至燃 燒器馬弗爐中。
有利的是，三個固體燃燒器距彼此相等角距離而配置且與在燃燒器馬弗爐之縱向軸上所導引且穿過燃燒器板的開始燃燒器同軸配置。亦可以離開燃燒器之廢氣被導引至燃燒器馬弗爐之出口中央的方式以已定義之角來配置燃燒器。在針對含灰分之燃料提供固體燃燒器時，在熱氣體產生器之燃燒器板中或在熱氣體產生器之燃燒器馬弗爐中推薦垂直或向下傾斜配置。
進一步有利的是，可使用必須僅在尺寸上適應於燃燒器板中之所提供數目個固體燃燒器的燃燒器馬弗爐。燃燒器馬弗爐可內襯有耐火材料。
亦有用的是，燃燒器馬弗爐係由用於待加熱之氣體之饋送構件所圍繞，且可將待加熱之氣體饋送至後續混合組件以供與所產生之燃燒氣體混合。
多孔夾套單元可有利地配置為混合組件，其形成為鋼燃燒腔室且在軸向方向上包含複數個圓柱形且同軸的多孔夾套，該等多孔夾套在其過渡區處形成環形間隙以供待加熱之氣體流入且係由外部封閉鋼板夾套所圍繞並形成環形通道。此鋼板腔室被稱為多孔夾套燃燒腔室(LOMA燃燒腔室)。
舉例而言，Carbotechnik Energiesysteme GmbH(Geretsried)之脈衝燃燒器可有利地用作固體燃燒器。已在上文結合DE 197 25 613 A1及DE 102 32 373 B4及此公司的網際網路公開案中描述此等固體燃燒器。然而，亦可使用其他固體燃 燒器。
脈衝燃燒器具有介於0.5MW與100MW之間的功率且適合於在本發明之熱氣體產生器之燃燒器馬弗爐之上部端面燃燒器板中配置以使得形成多重脈衝燃燒器。
為了對每一個別固體燃燒器之分開控制及調節，提供定量配料構件，該定量配料構件可個別地且獨立於鄰近燃燒器之操作而給每一固體燃燒器供應煤塵且可移動至每一所要調節點。
用於Carbotechnik Energiesysteme GmbH(Geretsried)之流體化、定量配料及氣動傳送的CT定量配料機器特別合適。
定量配料機器描述於前述公司之網際網路公開案中且描述於EP 0 054 018 B1及EP 0 210 162 B2中。
將在下文中藉由開始時所描述的實例來進一步解釋具有多重固體燃燒器或多重脈衝燃燒器之本發明之熱氣體產生器的擴大或增加之調節範圍。
在此實例中，為13.8MW之最大熱量係必要的。出於基於製程之原因且關於將燃燒器併入於燃燒器馬弗爐中，選擇三個固體燃燒器作為最佳配置。每一固體燃燒器於是必須提供為4.6MW之功率。在個別固體燃燒器之調節範圍為1：4的狀況下，最小功率為1.15MW。因此，個別固體燃燒器甚至未達到為1.695MW之必要熱量，且個別固體燃燒器之為1：4的調節範圍擴大至具有三個固體燃燒器之本發明之多重燃燒器之為1：12的調節範圍。
根據熱量要求，可使多重燃燒器配置之僅一個固體燃燒器或兩個或全部三個燃料燃燒器投入使用。於是針對具有三個固體燃燒器之熱氣體產生器之總調節比處於1：12。
亦僅在特殊狀況下藉由氣體燃燒器達成此值。
因此，在熱氣體產生器之燃燒器馬弗爐上或燃燒器馬弗爐中之本發明之多重固體燃燒器配置以特別有效的方式促進熱氣體、研磨-乾燥裝置及其他熱裝置之產生。固體燃料(例如褐煤塵)之使用特別有利，褐煤塵與燃料油及燃燒氣體相比而言顯著更節約成本且另外可獲得充足量的褐煤塵。當使用鼓風爐氣體或合成氣體來產生熱氣體以達成乾燥之目的時(詳言之，在煤研磨裝置中)，可進行用煤塵替換。
下文中藉由參考諸圖之描述而更詳細地解釋本發明。此等圖以極大示意性表示來展示。
圖1及圖2展示具有多重固體燃燒器10之熱氣體產生器，該多重固體燃燒器10在此實例中由三個固體燃燒器3、4、5組成。
自具有兩個所說明之固體燃燒器3、4的圖1可見，固體饋送器6及燃燒空氣饋送器7經指派給每一固體燃燒器3、4、5且固體燃燒器3、4、5配置於燃燒器馬弗爐2之燃燒器板12中。像固體燃燒器3、4、5及開始燃燒器8一樣，燃燒器馬弗爐2及隨後配置之混合組件9經垂直定向。
用於煤塵(例如，褐煤塵)之脈衝燃燒器係用作固體 燃燒器3、4、5，其包含：具有成圓錐形漸狹之火焰加速噴嘴17的成圓錐形擴大之反應腔室16、具有偏轉罩19之用於噴吹流體化煤塵之噴射槍18，及在燃燒器頭上之徑向葉柵25，燃燒空氣經由徑向葉柵25傳遞至反應腔室16中，藉此，燃燒空氣經由橫向進氣口7進入空氣外殼28中且自此傳遞至徑向葉柵25及反應腔室16。
以固體燃料為燃料的脈衝燃燒器具有高火焰噴射速度，且火焰30如圖1中所展示延伸穿過燃燒器馬弗爐2，進入混合組件9中。
若無固體燃料可用，則可將脈衝燃燒器切換至氣體以便能夠維持後續裝置之操作。自圖1可見，除了固體饋送器6之外，氣體饋送器27連接至此處可見的固體或脈衝燃燒器3、4。
在混合組件9中，發生多重固體燃燒器10中所產生的燃燒氣體之加熱及燃燒氣體與待加熱之處理氣體13(處理氣體13係經由饋送構件11來饋送)之混合。
饋送構件11以其徑向外殼圍繞燃燒器馬弗爐2，固體燃燒器3、4、5之反應腔室16及火焰加速噴嘴17延伸至燃燒器馬弗爐2中。
燃燒器馬弗爐2在此具體實例中內襯有耐火材料15。亦可省略耐火內襯。多孔夾套單元20在出口側上連接至燃燒器馬弗爐2，且因此作為混合組件9與燃燒器板12中之多重固體燃燒器配置10相對。此多孔夾套單元20為鋼燃燒腔室之部分，且由具有放大直徑的複數個圓柱形且同軸 的多孔夾套21組成。供待加熱之氣體13流入之環形間隙22形成於個別多孔夾套21之間，且環形通道24形成於多孔夾套21與外部封閉鋼板材料23之間，待加熱之氣體13自饋送構件11饋送至環形通道24中且接著經由環形間隙22及多孔夾套21之孔饋送至混合腔室26中。經由排氣口29移除所形成之熱氣體14。
圖2展示在燃燒器馬弗爐2之燃燒器板12之高度處的熱氣體產生器之俯視圖，其中用於待加熱之氣體的饋送構件11之螺旋外殼配置於燃燒器馬弗爐2之周邊上。藉由氣體或石油而操作的開始燃燒器8配置於燃燒器板12之中央，且三個固體燃燒器3、4、5同軸地且距彼此相同距離且距開始燃燒器8相同距離而垂直向下延伸。
用作脈衝燃燒器的固體燃燒器3、4、5亦適合於氣體之燃燒。若在中斷之狀況下無煤塵可用，則可在無任何問題的情況下將脈衝燃燒器切換至天然氣、合成氣體或鼓風爐氣，使得可維持(例如)在煤的汽化時發電站、PCI設備中之鼓風爐等等之後續裝置之操作。
本發明之多燃料燃燒器之本質優點為具有固體燃燒器之熱氣體產生器之使用領域的擴大。
在鋼工業中在煤的汽化設備中及在PCI設備中及針對非鐵冶金製程且亦在一般的基於熱之裝置中可能使用具有多個燃料燃燒器(詳言之，多個脈衝燃燒器)之熱氣體產生器。在煤的汽化時產生的合成氣體可藉此有利地用於能量生產工業中且愈來愈多地用於塑膠工業中。另一方面， 若合成氣體作為能量載體分叉以用於研磨-乾燥製程，則此需要(在通常熱輸出介於10MW與30MW之間的情況下)合成氣體量為3300mN 3/h至10,000mN 3/h且合成氣體之熱值為大約11,000kJ/mN 3。此表示所欲用途有相當大的損失。來自鋼工業之鼓風爐氣體同時亦已愈來愈頻繁地在特殊發電站中用於發電。使用煤塵來產生熱氣體避免了在熱氣體產生器中使用上文所提及之氣體及其他燃料(諸如，輕型及重型石油、天然氣等等)，且就能量及投資而言特別有利。
2‧‧‧燃燒器馬弗爐
3‧‧‧固體燃燒器
4‧‧‧固體燃燒器
5‧‧‧固體燃燒器
6‧‧‧固體饋送器
7‧‧‧燃燒空氣饋送器
8‧‧‧開始燃燒器
9‧‧‧混合組件
10‧‧‧多重固體燃燒器
11‧‧‧饋送構件
12‧‧‧燃燒器板
13‧‧‧處理氣體
14‧‧‧熱氣體
15‧‧‧耐火材料
16‧‧‧反應腔室
17‧‧‧火焰加速噴嘴
18‧‧‧噴射槍
19‧‧‧偏轉罩
20‧‧‧多孔夾套單元
21‧‧‧多孔夾套
22‧‧‧環形間隙
23‧‧‧外部封閉鋼板夾套
24‧‧‧環形通道
25‧‧‧徑向葉柵
26‧‧‧混合腔室
27‧‧‧氣體饋送器
28‧‧‧空氣外殼
29‧‧‧排氣口
30‧‧‧火焰
圖1為穿過具有多重固體燃燒器之本發明之熱氣體產生器的軸向縱向區段，及圖2為根據圖1中之線Ⅱ-Ⅱ的俯視圖。
2‧‧‧燃燒器馬弗爐
3‧‧‧固體燃燒器
4‧‧‧固體燃燒器
5‧‧‧固體燃燒器
6‧‧‧固體饋送器
7‧‧‧燃燒空氣饋送器
8‧‧‧開始燃燒器
9‧‧‧混合組件
10‧‧‧多重固體燃燒器
11‧‧‧饋送構件
12‧‧‧燃燒器板
13‧‧‧處理氣體
14‧‧‧熱氣體
15‧‧‧耐火材料
16‧‧‧反應腔室
17‧‧‧火焰加速噴嘴
18‧‧‧噴射槍
19‧‧‧偏轉罩
20‧‧‧多孔夾套單元
21‧‧‧多孔夾套
22‧‧‧環形間隙
23‧‧‧外部封閉鋼板夾套
24‧‧‧環形通道
25‧‧‧徑向葉柵
26‧‧‧混合腔室
27‧‧‧氣體饋送器
28‧‧‧空氣外殼
29‧‧‧排氣口
30‧‧‧火焰

Claims (10)

  1. 一種具有一擴大調節範圍的固體燃料熱氣體產生器，其特徵在於配置於一燃燒器馬弗爐(2)中的複數個固體燃燒器(3、4、5)且形成一多重固體燃燒器(10)，一獨立的固體饋送器(6)及一燃燒空氣饋送器(7)經指派給每一固體燃燒器(3、4、5)，一定量配料構件係被提供，用於對每一個別固體燃燒器之分開控制及調節，其中該定量配料構件以將一單獨、定量的固體饋送至每一固體燃燒器(3、4、5)，該多重固體燃燒器(10)之燃燒功率可自一固體燃燒器之最小功率調節至所有固體燃燒器(3、4、5)之最大功率且涵蓋後續裝置單元之所有所需負載區。
  2. 如申請專利範圍第1項之熱氣體產生器，其具有配置於該燃燒器馬弗爐(2)之一燃燒器板(12)中的一開始燃燒器(8)，具有用於待加熱之氣體(13)之一饋送構件(11)，且具有配置於該燃燒器馬弗爐(2)之後的一混合組件(9)，所產生之燃燒氣體與待加熱之該氣體(13)在該混合組件(9)中混合，其特徵在於複數個固體燃燒器(3、4、5)經同軸地配置或距該 開始燃燒器(8)相同距離，且固定於該燃燒器馬弗爐(2)之該燃燒器板(12)中。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之熱氣體產生器，其特徵在於具有相同大小或不同大小的固體燃燒器(3、4、5)形成一多重固體燃燒器。
  4. 如申請專利範圍第2項之熱氣體產生器，其特徵在於三個固體燃燒器(3、4、5)係距彼此一相等角距離且距該燃燒器板(12)中之該開始燃燒器(8)一相等徑向距離而配置。
  5. 如申請專利範圍第1項之熱氣體產生器，其特徵在於，該等固體燃燒器(3、4、5)經配置成與該燃燒器馬弗爐(2)之縱向軸線成一已定義之角度。
  6. 如申請專利範圍第1項之熱氣體產生器，其特徵在於粉塵形式之燃料可以流體化形式饋送至該等固體燃燒器(3、4、5)。
  7. 如申請專利範圍第1項之熱氣體產生器，其特徵在於脈衝燃燒器經配置為固體燃燒器(3、4、5)，其分別包含：可能具有一成圓錐形漸狹之火焰加速噴嘴(17)的一成圓錐形擴大之反應腔室(16)，及具有偏轉罩 (19)之用於該流體化、粉塵形式之燃料之一噴射槍(18)，及用於供應燃燒空氣之一徑向葉柵(25)。
  8. 如申請專利範圍第7項之熱氣體產生器，其特徵在於用作固體燃燒器(3、4、5)之該脈衝燃燒器可切換至氣體，且例如藉由天然氣、合成氣體或鼓風爐氣體而操作。
  9. 如申請專利範圍第1項之熱氣體產生器，其特徵在於一多孔夾套單元(20)(LOMA)經安置為一混合組件(9)，該多孔夾套單元(20)具有複數個圓柱形且同軸的多孔夾套、具有介於該等多孔夾套(21)之間的環形間隙(22)且具有介於該等多孔夾套(21)與一外部封閉鋼板夾套(23)之間的一環形通道(24)。
  10. 如申請專利範圍第1項之熱氣體產生器，其特徵在於用於鋼工業中之煤的汽化設備、PCI設備中及用於非鐵冶金製程中，用於水泥工業中及用於一般的基於熱之裝置中。
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