WO2009101171A1 - Vertikal verfahrbare brenneranordnung - Google Patents

Vertikal verfahrbare brenneranordnung Download PDF

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WO2009101171A1
WO2009101171A1 PCT/EP2009/051697 EP2009051697W WO2009101171A1 WO 2009101171 A1 WO2009101171 A1 WO 2009101171A1 EP 2009051697 W EP2009051697 W EP 2009051697W WO 2009101171 A1 WO2009101171 A1 WO 2009101171A1
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flame
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fuels
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Carsten Eckert
Claus-Jürgen Steffler
Klaus KÜHNE
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Khd Humboldt Wedag Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C5/00—Disposition of burners with respect to the combustion chamber or to one another; Mounting of burners in combustion apparatus
    • F23C5/02—Structural details of mounting
    • F23C5/06—Provision for adjustment of burner position during operation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B7/00—Hydraulic cements
    • C04B7/36—Manufacture of hydraulic cements in general
    • C04B7/43—Heat treatment, e.g. precalcining, burning, melting; Cooling
    • C04B7/44—Burning; Melting
    • C04B7/4407—Treatment or selection of the fuel therefor, e.g. use of hazardous waste as secondary fuel ; Use of particular energy sources, e.g. waste hot gases from other processes
    • C04B7/4446—Treatment or selection of the fuel therefor, e.g. use of hazardous waste as secondary fuel ; Use of particular energy sources, e.g. waste hot gases from other processes the fuel being treated in a separate gasifying or decomposing chamber, e.g. a separate combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B7/00—Rotary-drum furnaces, i.e. horizontal or slightly inclined
    • F27B7/20—Details, accessories, or equipment peculiar to rotary-drum furnaces
    • F27B7/2016—Arrangements of preheating devices for the charge
    • F27B7/2025—Arrangements of preheating devices for the charge consisting of a single string of cyclones
    • F27B7/2033—Arrangements of preheating devices for the charge consisting of a single string of cyclones with means for precalcining the raw material

Definitions

  • the innovation relates to a burner apparatus for burning different fuels, comprising a combustion chamber, a burner seat and a burner, which is arranged in the combustion chamber and forms a vertically aligned flame.
  • ground high-limestone rock powder is converted against the flow of a gas stream with the release of CO 2 from the carbonate in the gas / solid phase and then sintered in the solid phase to cement clinker.
  • the rock meal is first heated in a preheating stage by the hot exhaust gases of a rotary kiln, then heated in a calciner to carry out the deacidification reaction in which the limestone is converted to quick lime with formal loss of CO 2 and then passed into a rotary kiln in which the sintering with silicate-containing rock is made into cement clinker.
  • further heat is supplied to the calciner through a burner.
  • low-grade fuels such as dried and shredded household waste, granulated waste tires, hazardous waste in the form of combustible solvent waste, but also shredded biomaterial, such as straw or wood chips.
  • other fuels such as petroleum coke or coal dust, or mixtures of fuels of different quality come into consideration.
  • the low-value fuels often have not only a low calorific value Fuel value, but are also still inhomogeneous. For the use of these fuels, this means that the quality of the flame always varies with the quality of the fuel.
  • a combustion chamber is arranged next to the calciner, wherein the flame in the combustion chamber emerges from a burner in the vertical direction.
  • the hot burner gases from the flame are then passed through a discharge shaft into the calciner to deacidify the limestone. Since the energy converted by the burner is relatively high despite the low-value fuels, it is necessary to line the walls of the combustion chamber with a refractory coating.
  • the flame of the burner in the combustion chamber is enclosed by a swirl of unfired raw meal which cools the walls by heat absorption and deacidifies the raw meal used for cooling.
  • a burner which is permanently installed in a combustion chamber, thus forms its flame at different locations in the combustion chamber of the combustion chamber, depending on the selected fuel. Usually, the burner is set to a once selected fuel.
  • the flame spacing depends on the injection rate of the fuel and on the velocity of the propagating flame front, and by adjusting the injection velocity, a flame position relative to the burner head would be adjustable, this solution is not practical. Too many operating parameters would need to be controlled to allow stable operation of the burner.
  • the fuel front injected into the combustion air forms a decreasing velocity gradient, with the position of the flame front forming at the point where the flame propagation velocity of the fuel is in equilibrium with the fuel braked by the combustion air. In the case of fuels with a low flame propagation speed, for example because of a high flash point, the flame is not formed far away from the injection site, but is formed in fuels with a higher flame propagation speed The flame front is close to the injection site, ie near the burner head.
  • the object of the innovation is therefore to provide a burner device which provides a possibility for adjusting the flame position within the combustion chamber as a function of the selected fuel.
  • the flame position can be set for a once selected fuel.
  • the burner is immersed deep into the conical head of the combustion chamber to protect the upper combustion chamber wall and away from the burner for poorly igniting fuels with slowly propagating flame front and position of the flame root
  • the burner is pulled out of the conically shaped head of the combustion chamber.
  • FIG. 1 shows a sketch of a burner according to the invention with a variable burner seat
  • FIG. 1 shows a burner device 1 according to the invention for the combustion of different fuels 2.
  • the burner device 1 has a burner 3 in a burner seat 4 within which the burner 3 in its immersion depth in a combustion chamber 5 is adjustable.
  • raw meal 7 is injected as a vortex 8 into the combustion chamber 5 tangentially to the circumference of the combustion chamber 5 through the inlet opening 7a, wherein the vortex 8 encloses a flame 9 emerging from the burner 3 and absorbs radiant heat from the flame 9 ,
  • the raw meal 7 injected for cooling is at least partially deacidified, the endothermic deacidification reaction making up a considerable proportion of the absorption heat.
  • the burner 3 is adjustable in height in its burner seat 4, as indicated by the double arrow in the sketch on the burner 3. Due to the height adjustment of the burner 3, the position of the flame 9 is inevitably changed, so that the flame front 1 1 varies with the position of the burner 3.
  • the distance of the flame 9 is changed by the upper walls 12 of the combustion chamber 5 and can be set for fuels 2 with different fast spreading flame fronts 1 1 so that the above-mentioned distance between flame 9 and upper walls 12 is as large as possible the radiation heat of the flame 9, which acts on the upper walls 12 of the combustion chamber 5 to keep low.
  • the region of the wall 13 of the combustion chamber 5, which is arranged between the inlet opening 7a and the head of the burner 3, can also be protected from intense radiant heat.
  • the combustion chamber 5 may be cylindrical or conical and optionally have tapered or cylindrical shaped roof and floor parts. The design can be selected individually and adapted to the respective conditions of the system.
  • the injection speed of the fuel 2 in the burner housing 5 can be adjusted, whereby an even greater variability with respect to the position of the flame 9 in operation can be achieved.
  • the widening angle can also be adjustable under which the fuel 2 is injected through the burner 3 into the combustion chamber 5. If the fuel 2 is injected without expansion angle in the combustion chamber 5, the flame front 1 1 is formed far away from the head of the burner 3. If, however, the fuel 2 is injected into the combustion chamber 5 at an expansion angle of a few degrees, the flame front 1 1 protrudes close to the head of the burner 3.

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Abstract

Die Neuerung betrifft eine Brennervorrichtung (1) zum Verbrennen unterschiedlicher Brennstoffe (2) aufweisend eine Brennkammer (5), einen Brennersitz (4) und einen Brenner (3), der in der Brennkammer (5) angeordnet ist und eine vertikal ausgerichtete Flamme ausbildet. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Brennersitz (4) eine Verstellmöglichkeit für eine unterschiedliche Brennerposition des Brenners (3) in der Brennkammer (5) aufweist, um den Brenner an verschiedene Brennstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften anzupassen.

Description

VERTIKAL VERFAHRBARE BRENNERANORDNUNG
Die Neuerung betrifft einer Brennervorrichtung zum Verbrennen unterschiedlicher Brennstoffe aufweisend eine Brennkammer, einen Brennersitz und einen Brenner, der in der Brennkammer angeordnet ist und eine vertikal ausgerichtete Flamme ausbildet.
TECHNISCHES GEBIET
Bei der Herstellung von Zementklinker wird gemahlenes Gesteinsmehl mit hohem Kalksteinanteil entgegen dem Fluss eines Gasstroms unter Abgabe von CO2 aus dem Carbonatanteil in der Gas/Feststoffphase umgewandelt und anschließend in der Feststoffphase zu Zementklinker gesintert. Dabei wird das Gesteinsmehl zunächst in einer Vorwärmstufe durch die heißen Abgase eines Drehrohrofens erwärmt, dann in einem Calcinator erhitzt, um die Entsäuerungsreaktion vorzunehmen, bei welcher der Kalkstein unter formalem Verlust von CO2 zu gebranntem Kalk umgewandelt und dann in einen Drehrohrofen geleitet wird, in welchem das Sintern mit silikathaltigem Gestein zu Zementklinker vorgenommen wird. Damit innerhalb des Calcinators eine nahezu vollständige endotherm stattfindende Entsäuerung geschieht, wird dem Calcinator weitere Wärme durch einen Brenner zugeführt.
Da der Energiebedarf zum Entsäuern recht hoch ist, wird häufig auch auf niederwertige und daher kostengünstige Brennstoffe, wie getrockneter und zerkleinerter Hausmüll, granulierte Altreifen, Sondermüll in Form von brennbaren Lösemittelabfällen, aber auch zerkleinertes Biomaterial, wie Stroh oder Holzspäne zurückgegriffen. Neben den niederwertigen Brennstoffen kommen auch andere Brennstoffe, wie beispielsweise Petrolkoks oder Kohlestaub oder Mischungen von Brennstoffen unterschiedlicher Qualität in Betracht. Die niederwertigen Brennstoffe weisen häufig nicht nur einen geringen kalorischen Brennwert auf, sondern sind dazu auch noch inhomogen. Das bedeutet für die Nutzung dieser Brennstoffe, dass die Qualität der Flamme stets mit der Brennstoffqualität variiert.
Um die Qualität der Verbrennung in Bezug auf NOx-Bildung besser kontrollieren zu können, wird in modernen oder modernisierten Anlagen zur Herstellung von Zementklinker eine Brennkammer neben dem Calcinator angeordnet, wobei die Flamme in der Brennkammer in vertikaler Richtung aus einem Brenner austritt. Die heißen Brennergase aus der Flamme werden sodann über einen Auslaufschacht in den Calcinator zur Entsäuerung des Kalksteins geleitet. Da die durch den Brenner umgesetzte Energie trotz der niederwertigen Brennstoffe relativ hoch ist, ist es notwendig, die Wände der Brennkammer mit einer feuerfesten Beschichtung auszukleiden. Zusätzlich wird die Flamme des Brenners in der Brennkammer von einem Wirbel aus ungebranntem Rohmehl umschlossen, der die Wandungen durch Wärmeabsorption kühlt und wobei das zur Kühlung eingesetzte Rohmehl entsäuert. Durch den Wirbel werden aber nur die seitlich der Flamme liegenden Wandungen der Brennkammer vor der Strahlungshitze der Brennerflamme geschützt. Daher ist es notwendig, den oberhalb der Brennerflamme liegenden Teil der Wandungen der Brennkammer durch entsprechend großen Abstand vor zu großer Strahlungshitze zu schützen, damit diese nicht vorzeitig durch die Hitze altert und Schaden nimmt. Wird im Betrieb einer Anlage, die von dem niederwertigen Brennstoff Gebrauch macht, der Brennstoff gleich aus welchem Grund gewechselt, so passiert es gelegentlich, dass die Anlage zwar zunächst problemlos arbeitet, jedoch wird die feuerfeste Ausmauerung über der Position des Brenners in der Brennkammer so stark beschädigt, dass die Brennkammer nach bestimmter Zeit nicht mehr nutzbar ist.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Flammabstand in der Brennkammer vom Brennerkopf zur Flammfront in Abhängigkeit vom gewählten Brennstoff variiert. Bei manchen Brennstoffen, beispielsweise Petrolkoks, ist der Flammabstand zum Brennerkopf recht kurz und Petrolkoks brennt mit sehr heißer Flamme. Bei anderen Brennstoffen, die nicht gut zünden, ist beobachtbar, dass der Flammabstand von Flammfront zu Brennerkopf mitunter recht groß sein kann. Ein Brenner, der fest in eine Brennkammer eingebaut ist, bildet also seine Flamme an unterschiedlichen Orten in der Brennkammer der Brennkammer in Abhängigkeit vom gewählten Brennstoff. Üblicherweise wird der Brenner auf einen einmal gewählten Brennstoff eingestellt. Wird nun ein anderer Brennstoff mit kürzerem Flammabstand zum Brennerkopf eingesetzt, führt dies dazu, dass der obere Raum über dem Brenner, dessen Flamme nach unten gerichtet ist, durch die Strahlungshitze Schaden nimmt und zwar dann, wenn der Flammanstand eher kurz ist. Zwar werden die inneren Wände der Brennkammer üblicherweise durch den oben genannten Rohmehlschleier gekühlt. Diese Kühlung funktioniert jedoch nicht im Raum der Brennkammer unterhalb des Brenners, aber dennoch oberhalb des Rohmehlschleiers.
Wünschenswert wäre es, wenn man den Flammabstand einstellen könnte, damit der Raum unterhalb des Brenners, aber oberhalb des Rohmehlschleiers vor Strahlungshitze geschützt ist.
Obwohl der Flammabstand von der Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes und von der Geschwindigkeit der sich ausbreitenden Flammfront abhängt und durch Einstellung der Injektionsgeschwindigkeit eine Flammposition relativ zum Brennerkopf einstellbar wäre, ist diese Lösung wenig praktikabel. Zu viele Betriebsparameter müssten kontrolliert werden, damit ein stabiler Betrieb des Brenners möglich ist. Des weiteren bildet die in die Verbrennungsluft injizierte Brennstofffront einen abnehmenden Geschwindigkeitsgradienten aus, wobei sich die Position der Flammfront an der Stelle ausbildet, an der die sich Flammausbreitungsgeschwindigkeit des Brennstoffes im Gleichgewicht mit dem durch die Verbrennungsluft gebremsten Brennstoff befindet. Bei Brennstoffen mit geringer Flammausbreitungsgeschwin- digkeit, beispielsweise wegen eines hohen Flammpunktes, bildet sich die Flamme erst weit von der Injektionsstelle entfernt, bei Brennstoffen mit höherer Flammausbreitungsgeschwindigkeit hingegen bildet sich die Flammfront nahe an der Injektionsstelle, also in der Nähe des Brennerkopfes.
Aufgabe der Neuerung ist es daher, eine Brennervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine Möglichkeit zur Einstellung der Flammposition innerhalb der Brennkammer in Abhängigkeit vom gewählten Brennstoff zu Verfügung stellt.
OFFENBARUNG DER NEUERUNG
Die neuerungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Brennersitz eine Verstellmöglichkeit für eine unterschiedliche Brennerposition des Brenners in der Brennkammer aufweist. Weitere Ausgestaltungen der Neuerung werden in den Unteransprüchen gegeben.
Durch eine verstellbare Position eines Brenners, also durch die Möglichkeit des Ein- und wieder Ausfahrens eines Brenners in die oder aus der Brennkammer, kann die Flammposition für einen einmal gewählten Brennstoff eingestellt werden. Für gut zündende Brennstoffe mit sich schnell ausbreitender Flammfront und Position der Flammwurzel nahe am Brenner wird zum Schutz der oberen Brennkammerwandung der Brenner tief in den konisch geformten Kopf der Brennkammer eingetaucht und für schlecht zündende Brennstoffe mit sich langsam ausbreitender Flammfront und Position der Flammwurzel entfernt vom Brenner wird der Brenner aus dem konisch geformten Kopf der Brennkammer herausgezogen. Durch diese Maßnahme kann der Abstand der heißen Flamme von der Wandung im konisch geformten Kopf der Brennkammer über dem Brenner eingestellt und so eine übermäßige Strahlungshitze, welche die Wandung der Brennkammer langsam zerstört, verhindert werden.
Die Neuerung wird anhand der folgenden Figur näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Skizze eines neuerungsgemäßen Brenners mit variablem Brennersitz
In Figur 1 ist eine neuerungsgemäße Brennervorrichtung 1 zur Verbrennung verschiedener Brennstoffe 2 dargestellt. Die Brennervorrichtung 1 weist einen Brenner 3 in einem Brennersitz 4 innerhalb dessen der Brenner 3 in seiner Eintauchtiefe in eine Brennkammer 5 verstellbar ist. Zur Kühlung der Wandungen 6 der Brennkammer 5 wird Rohmehl 7 als Wirbel 8 in die Brennkammer 5 tangential zum Umfang der Brennkammer 5 durch die Einlassöffnung 7a eingedϋst, wobei der Wirbel 8 eine aus dem Brenner 3 austretende Flamme 9 umschließt und Strahlungshitze von der Flamme 9 absorbiert. Bei der Absorption der Strahlungshitze wird das zur Kühlung eingedüste Rohmehl 7 zumindest teilweise entsäuert, wobei die endotherme Entsäuerungsreaktion einen erheblichen Wärmeanteil der Absorption ausmacht. Die heißen Gase der Flamme 9 verlassen gemeinsam mit dem Rohmehl 7 die Brennkammer 5 durch einen Auslaufschacht 10 in einen Calcina- tor zur Entsäuerung des größten Teils des im Prozess umzuwandelnden Rohmehls. Neuerungsgemäß ist vorgesehen, dass der Brenner 3 in seinem Brennersitz 4 in der Höhe verstellbar ist, wie durch den Doppelpfeil in der Skizze auf dem Brenner 3 angedeutet ist. Durch die Höhenverstellung des Brenners 3 wird zwangsläufig die Position der Flamme 9 mit verändert, so dass die Flammfront 1 1 mit der Position des Brenners 3 variiert. Dabei wird der Abstand der Flamme 9 von den oberen Wandungen 12 der Brennkammer 5 verändert und kann für Brennstoffe 2 mit sich unterschiedlich schnell ausbreitenden Flammfronten 1 1 so eingestellt werden, dass der oben genannte Abstand zwischen Flamme 9 und oberen Wandungen 12 möglichst groß ist, um die Strahlungshitze der Flamme 9, die auf die oberen Wandungen 12 der Brennkammer 5 einwirkt, gering zu halten. Je nach Position der Einlassöffnung 7a für das zur Kühlung eingesetzte Rohmehl 7 kann auch der Bereich der Wandung 13 der Brennkammer 5, der zwischen der Einlassöffnung 7a und dem Kopf des Brenners 3 angeordnet ist, vor zu intensiver Strahlungshitze geschützt werden. Die Brennkammer 5 kann zylinder- oder konusförmig sein und wahlweise konisch zulaufende oder zylindrische ausgeformte Dach- und Bodenteile aufweisen. Die Bauform ist individuell frei wählbar und an die jeweiligen Verhältnisse der Anlage anzupassen. Neben dem Brennersitz 4 kann wahlweise auch die Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes 2 in das Brennergehäuse 5 einstellbar sein, wodurch eine noch größere Variabilität in Bezug auf die Position der Flamme 9 in Betrieb erreichbar ist. In vorteilhafter Ausgestaltung der Neuerung kann auch der Aufweitungswinkel einstellbar sein unter dem der Brennstoff 2 durch den Brenner 3 in die Brennkammer 5 injiziert wird. Wird der Brennstoff 2 ohne Aufweitungswinkel in die Brennkammer 5 injiziert, so bildet sich die Flammfront 1 1 weit vom Kopf des Brenners 3 entfernt. Wird jedoch der Brennstoff 2 unter einem Aufweitungswinkel von einigen Grad in die Brennkammer 5 injiziert, so ragt die Flammfront 1 1 nahe an den Kopf des Brenners 3 heran.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Brennervorrichtung 8 Wirbel
2 Brennstoff 9 Flamme
3 Brenner 10 Auslaufschacht
4 Brennersitz 11 Flammfront
5 Brennkammer 12 Wandung
6 Wandung 13 Wandung
7 Rohmehl
7a Einlassöffnung

Claims

SCHUTZANSPRÜCHE
1. Brennervorrichtung (1 ) zum Verbrennen unterschiedlicher Brennstoffe (2) aufweisend, eine Brennkammer (5), einen Brennersitz (4) und einen Brenner (3), der in der Brennkammer (5) angeordnet ist und eine vertikal ausgerichtete Flamme ausbildet dadurch gekennzeichnet, dass der Brennersitz (4) eine Verstellmöglichkeit für eine unterschiedliche Brennerposition des Brenners (3) in der Brennkammer (5) aufweist.
2. Brennervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (5) eine Einlassöffnung (7a) aufweist, durch die hindurch Material (7) zum Kühlen der Wandung (6) der Brennkammer (5) in die Brennkammer (5) eintritt.
3. Brennervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Brennkammer (5) zylinder- oder konusförmig ist und dass das Material (7) zum Kühlen tangential in die Brennkammer (5) unter Bildung eines Wirbels (8), der die Flamme (9) des Brenners (3) umschließt, eintritt.
4. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (3) eine Verstellmöglichkeit für eine unterschiedliche Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes (2) in die Flamme (9) aufweist. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (3) eine Verstellmöglichkeit für einen unterschiedlichen Injektionswinkel des Brennstoffes (2) in die Flamme (9) aufweist.
PCT/EP2009/051697 2008-02-13 2009-02-13 Vertikal verfahrbare brenneranordnung WO2009101171A1 (de)

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