DD291611A5

DD291611A5 - Verfahren und vorrichtung zum anfahren des kessels einer mit festem brennstoff beheizten energieerzeugungsanlage

Info

Publication number: DD291611A5
Application number: DD90337105A
Authority: DD
Inventors: Pentti Salmelin
Original assignee: Imatran Voima Oy,Fi
Priority date: 1989-01-16
Filing date: 1990-01-15
Publication date: 1991-07-04
Also published as: CZ280052B6; AU4829790A; CA2045541A1; HU900942D0; PL162390B1; FI890220A0; EP0453461A1; HUT61392A; US5156100A; JPH04502806A; FI890220A; CN1044328A; JPH0781691B2; WO1990008289A1; FI85910B; CN1024043C; FI85910C

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anfahren des Kessels einer mit festem Brennstoff beheizten Energieerzeugungsanlage und zur Sicherung des Verbrennungsprozesses des Brennstoffes. Erfindungsgemaesz wird der Hauptbrennstoff des Kessels durch die Zufuhr eines Zusatzbrennstoffstromes gezuendet, der durch einen Plasmabrenner vergast und gezuendet wird. Eine effiziente Mischung und sichere Zuendung des Hauptbrennstoffes mit dem Zusatzbrennstoff wird durch turbulente Zuleitung des Zusatzbrennstoffes und durch eine Duese gesichert, durch welche der Zusatzbrennstoff in den Hauptbrennstoffstrom geleitet wird. Fig. 3{Kessel; Energieerzeugungsanlage; Brennstoff, fest; Verbrennungsprozesz; Hauptbrennstoff; Zusatzbrennstoff; Plasmabrenner; Zuendung, sicher; Duese}

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Mit festem Brennstoff beheizte Kessel von Energieerzeugungsanlagen sind mit verschiedenen Brennern ausgerüstet. Der Hauptanteil der Kesselleistung wird durch Hauptbrenner erzeugt, die die Hauptmenge aus zur Heizung des Kessels verwendetem Brennstoff liefern. Bei Kesseln, die mit festen Brennstoffen mit niedrigem Heizwert beheizt werden, muß die kontinuierliche Brennstoffverbrennung gesichert werden, da das Auslöschen des Feuers eine Explosionsgefahr durch die Brennstoffvergasung im heißen Kessel zu einem Gas mit explosionsgefährlichem Kohlenmonoxid darstellt. Die kontinuierliche Verbrennung des Brennstoffes wird durch Zusatzbrenner gesichert. Die Zusatzbrenner sind unterschiedliche Öl- oder Gasbrenner. Ein mit einem festen Brennstoff wie Kohle oder Torf beheizter Kessel wird durch Erhitzung des Kessels auf eine ausreichende Temperatur durch die Zündbrenner angefahren (auch „Anheizen" genannt), danach kann die Zufuhr des festen Brennstoffes zum Kessel veranlaßt werden. Die für diesen Prozeß orforderliche Leistung der Zündbrenner muß im Verhältnis zur Gesamtleistung des Kessels relativ hoch sein, damit der Anfahrprozeß möglich wird. Als Regel werden die Zündbrenner so dimensioniert, daß ihre Leistung ca. 25...50% der Gesamtleistung des Kessels beträgt, Die herkömmlichen Zündbrenner sind Gas- oder Ölbrenner, die gleichzeitig eis Verbrennungsunterstützende Brenner wirken. Der Hauptbrenner im Kessel ist an einer Öffnung in dor Kesselwand befestigt, während der ZusaUzündungbrenner in der Mitte des Hauptbrenners angeordnet ist. Während der Anheizphase wird der Kessel durch die Zusatzbrennerflamme erhitzt. Falls erforderlich, wird der Zündbrenner bei Dauerbetrieb des Kessels als Zusatzbrenner zur Sicherung der kontinuierlichen Verbrennung des Hauptbrennstoffes eingesetzt. Funktion der Konstruktion der unterschiedlichen Gas- und Ölbrenner sind im Fachgebiet gut bekannt.

Der Einsatz von Plasmabrennern als Zusatz- und/oder Zündbrenner wurde untersucht, jedoch ist ein breiterer Einsatz dieser Vorrichtungen noch nicht ersichtlich. Weiterhin wurde auch der direkte Einsatz von lichtbogengezündetem Kohlenstaub zur Zündung und als Hilfsheizung des Kessels untersucht, aber die auf dieser Vorstellung basierende Ausrüstung ist noch nicht für Energieerzeugungsanlagen einsetzbar. Der Stand der Technik wird in den folgenden Publikationen erläutert:

{1) Plasma torches as replacement for oil burners (Plasmabrenner als Ersatz für Ölbrenner), S. L.Thunberg, W. I. MeIiIIi, W.H.Reed, Energy (Energie), Iron and Steel International, Dez. 1983, S. 207...211.

(2) Plasma torch boiler ignition (Kesselzündung durch Plasmabrenner), M. B. Paley, Babcock und Wilcox Kanada, Industrial opportunities for plasma technology (Industrielle Möglichkeiten der Plasmatechnologie), Symposium in Toronto,

21. Okt. 1982, D-2,15 Seiten.

(3) Get oil and gas out of pulverized-coal firing (Nehmt Öl und Gas aus der Kohlenstaubheizung heraus), John Reason, ^ruels ;>nd fuel handling (Brennstoffe und Umgang mit Brennstoffen), Power, Mai 1983, S. 111 ...113.

Zusätzlich zu dem o.g. Einsatzmöglichkeiten ist ein Zusatzbrenner auf der Grundlage einer Mehrstufenheizung im Fachgebiet bekannt, wobei die als Zusatzbrennstoff wirkende Kohle in die Flamme eines Gasbrenners befördert wird. Die in die Brennerflamme beförderte Brennstoffmischung steht unter Luftmangel, wobei die für die vollständige Verbrennung erforderliche Zusatzluft durch einen separaten Rohrstutzen in den Strom des Zusatzbrennstoffes geführt wird. Herkömmliche Zünder- und Zusatzbrennerkonstruktionen auf der Grundlage von Öl- oder Gasbrennern haben eine einfache Konstruktion und erreichen eine gute Steuerung des Verbrennungsprozesses durch diese Brenner. Der Nachteil dieser Systeme besteht jedoch darin, daß der Brenner einen anderen Brennstoff benötigt, als für die Kesselfeuerung erforderlich ist, wobei ein getrenntes Brennstoffzufuhr- und Speichersystem für den Br""""· gebaut werden muß. öl und Gas liegen im Preis über den herkömmlich eingesetzten festen Brennstoffen, und da die Leistung der Zünder und derZusatzbrenner relativ hoch im Verhältnis zur Gesamtleistung des Kessels sein muß, verbrauchen sie den teuren Brennstoff im Überfluß und erhöhen damit die Betriebskosten der Anlage. Die Verbrennung von großen Ölmengen zusammen mit dem Einsatz eines festen Brennstoffes erhöht die freigesetzte Schwefelmenge der Anlage beträchtlich, da die allgemein eingesetzten ölqualitäten wesentlich mehr Schwefel enthalten als die allgemein benutzten festen Brennstoffe. Besonders bei Energieerzeugungsanlagen mit Torf brennstoff ist der Anteil von ölbezogenem Schwefel an der Gesamtschwefelfreisetzung der Anlage sehr hoch, da der Ölbrenner bei Dauerbetrieb des Kessels ständig eingesetzt werden muß, und somit wird der niedrige Schwefelgehalt von Torf zunichte gomacht. Der Verbrennungsprozeß ist bei Torf aufgrund der starken Veränderungen im Feuchtigkeitsgehalt und anderer verbrennungsbezogener Eigenschaften von Torf schwer zu steuern. Der Hauptanteil bei der Schwefelfreisetzung bei einem mit Torf beheizten Kessel ist somit auf das Öl im Zusatzbrenner zurückzuführen.

Zusatzbrenner und Zünder auf der Grundlage der Plasmatechnologie sind durch ihre unzureichende Leistung und die geringe Höhe der Plasmabrennerflamme eingeschränkt, da dor Verbrennungsprozeß des Hauptbrennstoffes durch diese Vorrichtungen schwer zu steuern ist. Die Kaltstarteigenschaften von plasmagezündeten Brennern sind schlecht. Die im Fachgebiet bekannten Brenner erreichten keine ausreichende Leistung bei der Vermischung der Plasmaflamme mit dem Brennstoff, um eine sichere

Zündung des Brennstoffes unter Kaltstartbedingungen zu sichern. Diese Vorrichtungen sind nicht in der Lage, einen kalten Kessel sicher anzufahren, und dadurch ist os unmöglich, sie als Ersatz für herkömmliche Zündbrenner einzusetzen. Das Heizen

mit Brennstoffen mit niedrigem Heizwert erfordert den Einsatz eines Öl- oder Gaszusatzbrenners als Ergänzung zu einem plasmagezündeten Zusatzbrenner.

Ein lichtbogengezündeter Brenner kann nur als Hauptbrenner eines Kessels benutzt werden. Nach dieser Methode werden Elektroden in den Brennstoffstrom des Hauptbrenners geführt, ein Lichtbogen wird zwischen den Elektroden gebildet, und nach der Zündung des Brennstoffes wird der Lichtbogen gelöscht, und die Elektroden werden aus dem Brennstoffstrom herausgezogen.

Der Nachteil eines mehrstufigen, gasgezündeten Brenners besteht darin, daß der Gasbrenner nicht in der Lage ist, eine ausreichend heiße und konzentrierte Flamme zu erzeugen, welche eine wirksame Vergasung der Zusatzbrennstoffmischung bei entsprechend wenig Luft erreichen könnte. Die für den Gasbrenner erforderliche Verbrennungsluft unterstützt weiterhin die Verbrennung des Zusatzbrennstoffes schon in der ersten Stufe der Luftzufuhr. Deshalb kann der gasgezündete Brenner nicht die Leistung eines ausreichend wirksamen Mehrstufenbrenners erreichen. Trotz der mehrstufigen Verbrennung sind die Schwefelemissionen bei dieser Brennerart relativ hoch, und der Brenner ist im Betrieb instabil. Außerdem kann dieser Brennertyp keinen wirksamen Anfangsbetrieb einer mehrstufigen Verbrennung bei der Brennerzündung erreichen.

Die Stickstoffoxidemissionen bei anderen o.g. Brennertypen sind etwas höher als bei einem gasgezündeten Mehrstufenbrenner.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu überwinden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zusatz- und Brennerzündkonstruktion auf der Grundlage der Flasmatechnologie bereitzustellen, die als Ersatz für herkömmliche öl- und Gasbrenner bei einer gleichzeitigen beträchtlichen Reduzierung der Stickstoffoxidemissionen eingesetzt werden kann.

Der Zusatz- und Zündbrenner gemäß dieser Erfindung wird nachfolgend kurz PC- (Plasma-Kohle-) Brenner genannt.

Die Erfindung basiert auf Vergasung und Zündung eines Teils des Zusatzbrennstoffes durch einen Plasmabrenner und auf der Zuführung dieses Zusatzbrennstoffes koaxial zur Mitte des Hauptbrennstoffstromes, wobei eine geringe Energieleistung des Plasmabrenners für die Vergasung und die gesteuerte Zündung einer großen Menge zugeführtem Zusatzbrennstoffes ausreichend ist. Gemäß der Erfindung ist es möglich, einen Zusatz- und Zündbrenner mit einer solch hohen Leistung und so leicht steuerbar auszuführen, daß das Anheizen des Kessels mit diesem Brenner möglich ist.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Anfahren eines mit festem Brennstoff beheizten Kessels und zur Sicherung des Verbrennungsprozesses des Brennstoffes, bei der der Hauptbrennstoff des Kessels gezündet und das Verbrennen durch eine Zusatzbrennerflamme gesichert wird, wobei der Zusatzbrennstoff mit dem Hauptbrennstoff identisch sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Vergasungszone mit Luftmangel in der Flamme eines Plasmabrenners, die vor dem Brenner brennt, ein Zusatzbrennstoff geführt wird, der dort vergast und teilweise verbrannt wird, woboi die Verbrennungsenergie des Zusatzbrenristoffes weiteren Zusatzbrennstoff vergasen kann,

- der Vergasungsgrad des Zusatzbrennstoffes durch die Luftzufuhr zu dem Zusatzbrennstoff in mindestens einer Stufe gesteuert wird,

- das vergaste, teilweise brennende Zusatzbrennstoffgemisch mit Luftmangel durch Luftzufuhr zum Gemisch gezündet und

- der Zusatzbrennstoffstrom in den Hauptbrennstoff eingeleitet wird, um den Hauptbrennstoff zu zünden.

Das Plasma bildende Gas ist vorzugsweise ein Gas wie z. B. Stickstoff, das Radikale in der Plasmaflamme bilden kann, die in den nachfolgenden Stufen des Verbrennungsprozesses Stickstoffoxide entfernen können.

Vorteilhaft liegt die Temperatur der Vergasungszone teilweise über 3 500 ⁰C, vorzugsweise über 4000 °C.

Der Zusatzbrennstoff wird über einen Kanal vor einen Plasmabrenner geführt, wo der Zusatzbrennstoff gezündet und teilweise vergast wird, und der teilweise vergaste Zusatzbrennstoff wird weiter durch eine Düse in den Brennstoffstrom eines Hauptbrenners geführt.

Zweckmäßig wird der Zusatzbrennstoff in Stufen vergast und verbrannt, indem Luft in mindestens zwei unterschiedlichen Stufen in das heiße Zusatzbrennstoffgemisch eingeleitet wird.

Der Zusatzbrennstoff kann so in den Hai>\itbrennstoffstrom geführt werden, daß er um die Mittelachse des Hauptbrennstoffstromes wirbelt, er kenn aber auch so eingeleitet werden, daß er nur in Richtung der Mittelachse des Hauptbrennstoffstromes weiterströmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Anfahren eines mit festem Brennstoff beheizten Kessels und zur Sicherung des Verbrennungsprozesses des Brennstoffes, die einen Plasmabrenner und einen Hauptbrenner umfaßt, ist gekennzeichnet durch

- ein Rohr des Körpers, das im wesentlichen gleichachsig zur Mittelachse des Hauptbrenners ausgelegt ist und zur Einleitung des Zusatzbrennstoffs in die Plasmaflamme und weiter in den Hauptbrennstoffstrom dient,

- eine Düse, die an das kesselseitige Ende des Rohres angepaßt ist und zur Einleitung des Zusatzbrennstoffes in den Hauptbrennstoffstrom dient,

- einen Raum zwischen dem Plasmabrenner und dem koaxial ausgerichteten Rohr für die Einleitung von Zusatzbrennstoff in d'e Plasmaflamme, die in dem Raum zwischen Plasmabrenner und Rohr brennt,

- mindestens einen Lufteinlaß zur Leitung von Luft in den Zusatzbrennstoffstrom zur Steuerung des Vergasungsgrades,

- einen Luftzufuhrstutzen zur Einleitung von Sekundärluft in den Zusatzbrennstoffstrom mit Luftmangel zur Erzielung seiner endgültigen Zündung.

Die Vorrichtung enthält weiterhin vorteilhaft einen Zufuhrstutzei < für den Zusatzbrennstoff, der dan Körper res Zusatzbrenners teilweise oder vollständig umgibt.

Es kann auch zweckmäßig sein, daß der Zufuhrstutzen fir den Zusatzbrennstoff koaxial zum Körper des Zusatzbrenners

angebracht ist. ,

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Rohr des Zusatzbrenners in den Hauptbrennerraum durch die Wand des Hauptbrenners, von einen Schutzmantel umgeben, eintritt.

Weiterhin kann erfindungsgemäß ein Zuleitiingsrohr zur Zuführung des vergasten Zusatzbrennstoffes zu einer Düse vorgesehen

Die Erfindung schafft hervorragende Vorteile.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlaubt den Austausch der vorher als Zusatzbrenner und Zünder benutzten Öl- und Gasbrenner. Da für den PC-Brenner p'ü fester Brennstoff benutzt wird, können Einrichtungen für die Lagerung und Beschickungsausrüstungon für Öl oder Gas wegfallen. Die Betriebskosten für die Energieerzeugungsanlage werden durch den Einsatz eines billigen Brennstoffs im Zusatzbrenner reduziert, und die Brennstofflagerung wird aufgrund der reduzierten Menge an gelagertem Brennstoff leichter. Der Anteil der durch den Plasmabrenner erforderlichen Elektroenergie ist im Verhältnis zur Gesamtleistung des PC-Brenners gering. Reduzierte Schwefeloxidemissionen werden besonders bei Energieerzeugungsanlagen mit Torffeuerung festgestellt, wur.n ein Ölbrenner durch einen plasmagezündeten, mit festem Brennstof brennenden B"-' nern ersetzt wird.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Mehrstufenbrenner ist, können die Stickstoffoxidemissionen durch die Mehrstufenverbrennung auf einem niedrigen Niveau gehalten werden, welches gleich oder sogar besser als bei herkömmlichen Zusatzbrennern ist. Durch Einsatz des Plasmabrenners zur Vergasung und Zündung des Zusatzbrennstoffes kann genügend Energie in die Vergasungszone des Brenners zur Erreichung einer effektiven Vergasung im Brenner geführt werden, und damit wird eine verbesserte Mehrstufenverbrennung gegenüber herkömmlichen Brennern erreicht. Durch den Einsatz dieser Brennerart können die Stickstoffoxidemissionen sogar reduziert werden, indem ein solches Gas, vorzugsweise Stickstoff, als Plasma bildendes Gas verwendet wird, das später Einzelatomradikale in der Plasmaflamme bildet. Damit ist eine beträchtliche Reduzierung der Stickstoffoxidemissionon der Hauptvorteil der Erfindung.

Die Flamme des PC-Brenners ist leicht zu steuern und brennt auch bei geringen Energieleistungen gleichmäßig. Aufgrund der stabilen Brenneigenschaften kann die Energieleistung des PC-Brenners durch Einstellung der Brennstoffzufuhrmenge leicht reguliert werden. Deshalb eignet sich der PC-Brenner als Zündbrenner bei allen mit festem Brennstoff beheizten Kssseln sowie als Regulierbrenner für die Kesselleistung. Der erfindungsgemäße PC-Brenner erreicht eine Hauptbrennstoffnutzung bei mit Kohle oder Torf beheizten Kesseln über einen weitaus größeren Kesselleistungsbereich und bei niedrigeren Betriebswerten der Energieausgangsleistung, als es bei der herkömmlichen Technologie möglich ist. Durch die sichere und ökonomische Steuerung der Energieausgangsleistung der Anlage kann die Anlage zur Spitzenbegrenzung im Verteilungsnetz eingesetzt werden, indem nur mit dem Hauptbrennstoff allein geheizt wird. Die Konstruktion des PC-Brenners gemäß der Erfindung besteht darin, daß das kontinuierliche Brennen des im Brenner benutzten Brennstoffes durch einen Plasmabrenner gesichert wird, wobei für den Kessel schwerbrennbare Brennstoffe wie Holzspäne, Lignin etc. als Hauptbrennstoff verwendet werden können. Aufgrund des äußerst zuverlässigen Betriebes und der leichten Steuerbarkeit des PC-Brenners können die Hauptbrenner durch di J PC-Brenner ohne den zusätzlichen Einsatz von Öl- oder Gasbrennern unterstützt werden, da die Auslöschgefahr und eine folgende Explosionsgefahr sehr gering sind.

Der Brenner kann in neue Kessel installiert werden oder in einem vorhandenen Kessel Zünder und Zusatzbrenner ersetzen. Es sind keine großen Veränderungen bei der Kesselkonstruktion erforderlich, da der Kessel so kloin gebaut werden kann, daß er zusammen mit dem vorhandenen Hauptbrenner als Ersatz für den ausgebauten Zusatzbrenner und dessen Zubehör montiert werden kann.

Ausführungsbeispiel«

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: schematisch die Grundbestandteile einer Vorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die zusammen mit einem Hauptbrenner installiert

ist; Fig.3: eine detaillierte Schnittzeichnung für eine Ausführungsform der Erfindung in gemeinsamer Montage mit einem Hauptbrenner;

Fig. 4: eine aiterative Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5: eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß der Erfindung wird ein Plasmabrenner 1 zur Vergasung eines festen Brennstoffes, z. B. Kohlenstaub hoher Dichte benutzt. Der (irad des Verbrennungs-Vergasungs-Verhältnisses des Kohle-Luft-Gemisches wird durch die mehrstufige Luftzufuhr gesteuert. Das teilweise vergaste und brennende Luftmangelgemisch mit heißen Kohleteilchen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff wird in den Brennstoffstrom eines Hauptbrenners 6 geleitet, dabei wird der Hauptbrennstoff gezündet. In die Zündzone wird Luft geleitet, um den Verbrennungsprozeß zu verbessern.

Fig. 1 zeigt das Betriebsprinzip der Erfindung. Der Plasmabrenner 1 ist an die konische Rückseite eines PC-Brenners 5 angepaßt. Dem PC-Brenner 5 wird Kohlenstaub hoher Dichte - von Luft getragen - über einen Stutzen 2 zugeführt. Der Kohlenstaub hoher Dichte wird um den Plasmabrenner 1 herum zur Vorderseite des Plasmabrenners 1 transportiert, wo die heiße Plasmaflamme einen Teil des Kohlenstaubs zu Kohlonstoffmonoxid vergast und gleichzeitig die Verbrennung von Kohlenstaub und Kohlenmonoxid zündet. Das brennende Kohlenstoffmonoxid vergast weitere Kohleteilchen und verstärkt somit die Wirkung der Plasmaflamme. Die Temperatur dieser Vergasungszone liegt örtlich über 3500⁰C, vorzugsweise über 4000⁰C, was hoch genug ist, um einen Teil des Stickstoffgases, des als Plasma bildendes Gas benutzt wurde, in Radikale aufzuspalten. Das in dieser Stufe als Träger für Brennstoff erforderliche Luftvolumen ist so gering, daß das Kohle-Luft-Gemisch, das vor dem Plasmabrenner 1 in

dio Vergasungzone eintritt, ein extremes Luftdefizit hat. Deshalb wild über einen Stutzen 3 Sekundärluft in den Brennstoffstrom geleitet, um den Grad der Brennstoffvergasung zu steuern. Es wird nur so viel Luft mit dem Brennstoff gemischt, daß ein Teil der Kohle zu Kohlenatoffmonoxid vergast wird. Das brennende Gas, das Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und heiße Kohlepartikel im Überfluß enthält, wird durch ein Rohr 4 in den Brennstoffstrom des Hauptbrenners 6 geblasen. Die Kombination von Plasmabrenner 1 mit der Mohrstufenverbrennungstechnologie ergibt oin&n Brenner, dessen Stickstoffoxidemissionen äußerst gering sind. Bei herkömmlichen Brennern werden Stickstoffoxide in den Flammenbereich"i erzeugt, wo hohe Temperaturen bestehen. Der PC-Brenner 5 verhindert die Bildung von Stickstoffoxiden, da das Plasma ohne Verbrennungsluft oder Brennstoff gebildet wird. Deshalb arbeitet die Plasmazone ohne Sauerstoff, der zur Bildung von Stickstoffoxiden notwendig ist. Die Flamme des Plasmabrenners 1 ist äußerst heiß und dadurch in der Lage, eine große Energiemenge in das Zusatzbrennstoffgemisch zu übertragen. Die Wärmeerzeugung in der Vergasungszone wird weiterhin durch eine teilweise Verbrennung des Zusatzbrennstoffes verbessert. Wird Stickstoff als Plasma bildendes Gas benutzt, dann zerfällt es in der Vergasungszone aus eine ι zweiatomigen Gas in einatomige Radikale. Diese Radikale reagieren dann mit den Stickstoffoxiden, wobei zweiatomige Stickstoff- und Sauerstoffgase bebildet werden. Die dem Plasmabrenner 1 folgenden Verbrennungsstufen haben solche Bedingungen, daß die gebildeten Einzelatomradikale und Stickstoffoxide miteinander reagieren können. Die entstehenden Verbrennungsabgase enthalten sehr geringe Mengen Stickstoffoxide, wobei die Stickstoffoxidemission vom Brenner sehr niedrig bleibt.

Fig. 2 zeigt die Anwendung der Vorrichtung zusammen mit einem Hauptbrenner 6. Der PC-Brenner 5 ist parallel zur Mittelachse des Hauptbrenners 6 angeordnet, so daß der PC-Brenner 5 gleichachsig zur Mittelachse des Hauptbrenners 6 angebracht ist. Brennstoff wird dem PC-Brenner 5 über einen Stutzen 2 zugeleitet, und der Brennstoff wird durch den Plasmabrenner 1 gezündet. Der Brennstoff des Hauptbrenners 6 tritt über einen Stutzen 8 ein, und die für den Hauptbrenner 6 erforderliche Verbrennungsluft wird über einen Luftleitstutzen 7 zum Hauptbrenner 6 geleitet.

Fig. 3 zeigt eine konkrete Ausführungsform der Erfindung. Neben dem PC-Brenner 5 und dem Hauptbrenner 6 umfaßt die Vorrichtung Brennstoff- und Luftstutzen 2,7,8,9, den Plasmabrenner 1, die Luftschlitze 10,11 und eine Düse 12 des Zusatzbrenners. Der Hauptbrenner 6 ist auf der Kesselwand montiert. Der PC-Brenner 5 ist in der Mittelachse des Hauptbrenners 6 angelegt, und das Ende der Düse 12 steht weiter in den Kessel hinein als die Öffnung des Hauptbrenners 6. Die Düse 12 des PC-Brenners 5 ist am kesselseitigen Ende eines Rohres 13 des Körpers befestigt. Das Rohr 13 des PC-Brenners 5 tritt durch die Wand des Hauptbrenners 6, der mit einem Schutzmantel 16 umgeben ist, in dem Hauptbrennerraum ein. Die Eingangsseite des Schutzmantel 16 und das Rohr 13 find mit einem Zufuhrstutzen 9 für Verbrennungsluft versehen. Der Zufuhrstutzen 9 trägt den angebauten Plasmabrenner 1 und die Brennstoffzufuhrstutzen 2 des PC-Brenners 5. Der Plasmabrenner 1 wird durch Gleichstrom erregt, wobei Stickstoff als Plasma bildendes Gas benutzt wird. Der Plasmabrenner wird mit Wasser gekühlt, Es wird Kohlenstaub hoher Dichte als Bronnstoff eingesetzt und über den Stutzen 2 zur Vorderseite des Plasmabrenners 1 geleitet. Der Brennstoff wird mittels eines Gebläses zugeleitet und dabei von der Luft mitgeführt. Das Endstück des Brennstoffzufuhrstutzens 2, das mit dem PC-Brenner 5 verbunden ist, geht in einen runden Mantel über, der den Körper ca. zur Hälfte umgibt. Aufgrund der runden Form des Endstückes des Stutzens 2 wird der in den PC-Brenner 5 eintretende Kohlenstaub um die Mittelachse des PC-Brenners 6 verwirbelt. Die sich entwickelnden Turbulenzen unterstützen das Mischen des Kohlenstaubs mit der Luft und die Vergasung der Kohle in der ersten Luftzufuhrstufe. Die unruhige Flamme und die Konvektion des Gasstromes fördern das Mischen des Hauptbrennstoffes mit dem Gasstrom, der vom PC-Brenner 5 eintritt, und dabei kommt es zur Zündung und zur gleichmäßigen Verbrennung des Hauptbrennstoffstromes. Plasmabrenner 1 verfügt an der Frontseite über Luftschutz 10 und 11. Durch Veränderung der Luft.nonge, die durch die Luftschlitze 10 und 11 strömt, kann der Grad der Brennstoffvergasung in unterschiedlichen Stufen verändert werden. Der erste Luftschlitz 10 wird zwischen einem Zuleitungsrohr 14 und einem Düsenkonus 15 gebildet.

Der Düsenkonus 15 vor dem Plasmabrenner 1 bildet einen Raum, in welchem der Kohlenstaub gezündet und durch die Wirkung des Plasmabrenners teilweise zu Kohlenstoffmonoxid vergast wird. Der Plasmabrenner 1 kann im PC-Brenner 6 kontinuierlich oder intermittierend betrieben werden. Die als Träger des Kohlenstaubs erforderliche Luftmenge ist so gering, daß in dieser Stufe ein niedriger Gehalt an Kohlenstoffmonoxid entsteht. Von dem Düsenkonus 15 wird das Kohle-Luft-Gemisch in das Zuleitungsrohr 14 gedrückt. Am Ende des Düsenkonus 15 wird Sekundärluft über den Luftschlitz 10 zugeführt, wobei weiteres Kohienstoffmonoxid entsteht. Das entstandene Gemisch wird dann durch das Zuleitungsrohr 14 zur Düse 12 geleitet. Der Eingang der Düse 12 an der Verbindung mit dem Austrittsende des Zuleitungsrohrs 14 erhält Luft durch den Luftschlitz 11. Mit Hilfe dieser Sekundärluftzufuhr wird die Verbrennung des Gemisches aus dem Zuleitungsrohr 14 beschleunigt. Das teilweise brennende Gas, das Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und heiße Kohleteilchen in großen Mengen enthält, wird durch die Düse 12 in den Brennstoffstrom des Hauptbrenners 6 gepreßt. Es ist der Zweck der Düse 12, eine Flamme zu bilden, deren Vermischung mit dem Hauptbrennstoffstrom mit maximaler Wirksamkeit erfolgen soll. Die Vermischung des Hauptbrennstoffes mit der Flamme des PC-Brenners 5 wird durch die Wirbelbewegung des Gasstromes unterstützt, der vom PC-Brenner 5 über die Mittelachse des Brenners kommt.

Der PC-Brenner hat eine Mehrstufenkonstruktion, wo die erforderliche Verbrennungsluft in mehreren Stufen zugeführt wird. Ein Zufuhrstutzen S für die Verbrennungsluft ist an der Eingangsseite des Rohres 13 im PC-Bronner 5 montiert. Der Luftzufuhrstutzen 9 ist ein Mantel, der ein konisches Ende 17 des Zuleitungsrohrs 14 und den Düse nkonus 15 umgibt. Der Luftzufuhrstutzen 9 bildet somit einen Raum, der die Eintrittsenden der Luftschlitze 10 und 11 enthält Dererste Luftschutz 10, der an der Vorderseite des Düsenkonus 15 endet, beginnt zwischen dem konischen Ende 17 des Zuleitungsrohrs 14 und dem Düsenkonus 15. Der zweite Schlitz 11, der an der Eingangsseite der Düse 12 endet, wird zwisuien dem Zuleitungsrohr 14 und dem Rohr 13 des Körpers gebildet. Das Rohr 13 ist mit einem Schutzmantel 16 versehen. Das Ziel der Mehrstufenverbrennung besteht in der Reduzierung der Stickstoffoxidemissionen im Verbrennungsprozeß. Die Bildung von Stickstoffoxiden wird reduziert, indem Reduktionsbedingungen in der Flammenzündungsstufe, wo hohe Temperaturen auftreten, aufrechterhalten werden. Die Verbrennungstemperaturen bei der Endverbrennung des Hauptbrennstoffstromes können durch die Mehrstufenverbrennungstechnologie niedrig gehalten werden, wodurch die Stickstoffoxidbildung niedrig bleibt. Die Energieleistung des PC-Brenners 5 wird durch Regulierung der Zufuhrmenge je Zeiteinheit an Kohlenstaub gesteuert. Die Energiebistung des Plasmabrenners 1 wird konstant gehalten. Da der Plasmabrenner 6 den in den PC-Brenner 5 geleiteten Kohlenstaub auch bei niedrigen Zufuhrmengen an Brennstoff zum Brenner zünden kann, ist der PC-Brenner 5 über den gesamten Bereich von Höchstleistung bis zu einer Energieleistung von Null einsetzbar. Die effiziente Steuerbarkeit des Brenners ermöglicht dessen Einsatz als Regelbrenner für die Energieleistung bei mit festem Brennstoff beheizten Anlagen.

Andere alternative Ausführungsformen sind ebenfalls innerhalb des Geltungsbereiches der Erfindung möglich. Es kann die Düsenform je nach den gewünschten Merkmalen der Zündflamme verändert werden. Unterschiedliche Arten der Düsenkonstruktion mit festgelegten Eigenschaften sind im Fachgebiet bekannt und ermöglichen eine leichte anwendungsspezifische Dimensionierung und Anpassung der Düsen in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Strömungsmechanik. Drei unterschiedliche Düsenkonstruktionen sind in den Fig.3,4 und 5 dargestellt. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, kann die Position des Endes der Düse 12 innerhalb des Hauptbrenners 6 variiert werden. Die Lage der Düse 12 hängt von der Größe und der Konstruktion des Hauptbrenners 6 und des Kessels ab.

Die Ausführungsformen der Figuren 4 und 5 zeigen eine einfachere Konstruktion als die Fig.3. Bei den letztgenannten Ausführungsformen wurde das Ende des Plasmabrenners 1 dichter an die Düse 12 gebracht, und Luft wird nur in zwei Stufen in den Zusätzbrennstoff geleitet. Die Sekundärluft für den Verbrennungsprozeß zur Vergasung des Zusatzbrennstoffes, der durch die Plasmabrennerflamme gezündet wird, wird mit dem Zusatzbrennstoff durch einen Stutzen 2 geführt. Der Hauptbrennstoffstrom mit Trägergas tritt durch einen Hauptbrennstoffstutzen 8 ein, während die Verbrennungsluft für den Hauptbrennstoff durch einen Verbrennungsluftstutzen 7 des Hauptbrenners 6 kommt.

Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird Kohle als Brennstoff für den PC-Brenner 5 benutzt. Aufgrund des geringen Schwefolgehaltes und der homogenen Qualität ist dies ein bevorzugter Brennstoff für den PC-Brenner 5. Andere mögliche Brennstoffe sind z. B. pulverisierter Torf und Holzspäne, jeder Brennstoff ist geeignet, der durch entsprechende Mittel in den Brenner transportiert werden kann.

Der Brennstoff kann in den PC-Brenner 5 entweder, wie im Beispiel beschrieben, durch einen gekrümmten Stutzen transportiert werden, wobei der Brennst iff hi eine Wirbelbewegung um die Mittelachse des Brenners gebracht wird, oder alternativ, in eine lineare Bewegung parallel tür Brennerachse.

Dor Plasmabrenner 1 kam mit Gleichstrom odor Wechselstrom betrieben werden, und als Plasma bildendes Gas kann jedes geeignete Gas wie Stickstoff, Kohlendioxid, komprimierte Luft etc. benutzt werden, wobei die Reduktion von Stickstoffoxiden den bevorzugten Eins jtz solcher Plasma bildender Gase diktiert, die in den späteren Verbrennungsstufen einatomige Radikale bilden, die die Oxide /on Stickstoff zerfallen lassen. Ein solches Gas ist z. B. Stickstoff. Der Plasmabrenner 1 kann mit einer konstanten Energie'.bistung betrieben werden, während ein Plasmabrenner 1 mit einer steuerbaren Energie eine weitere Verbesserung bei der Einstellbarkeit und Steuerbarkeit des PC-Brenners S ermöglicht. Die Energieleistung des ''lasmabrenners wird nach der Energieleistung des Brenners konstruiert. Die Eingangsleistung des Plasmabrenners 1 liegt normalerweise im Be reich von 50... 500 kW.

Claims

1. Verfahren zum Anfahren des Kessels einer mit festem Brennstoff beheizten Energieerzeugungsanlage und Sicherung des Verbrennungsprozesses des Brennstoffes, bei der der Hauptbrennstoff des Kessels gezündet und das Verbrennen durch eine Zusatzbrennerflamme gesichert wird, wobei der Zusatzbrennstoff mit dem Hauptbrennstoff identisch sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Vergasungszone mit Luftmangel in der Flamme eines Plasmabrenners, die vor dem Brenner brennt, ein Zusatzbrennstoff geführt wird, der dort vergast und teilweise verbrannt wird, wobei die Verbrennungsenergie des Zusatzbrennstoffes weiteren Zusatzbrennstoff vergasen kann,

- das vergaste, teilweise brennende Zusatzbrennstoffg?iP"sch mit Luftmangel durch Luftzufuhr zum Gemisch gezündet und

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma bildende Gas ein Gas₍wie z. B. Stickstoff ist, das Radikale in der Plasmaflamme bilden kann, die in den nachfolgenden Stufen des Verbrennungsprozesses Stickstoffoxide entfernen können.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Vergasungszone teilweise über 3500⁰C, vorzugsweise über 4000⁰C, liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzbrennstoff über einen Kanal vor einen Plasmabrenner geführt wird, wo der Zusatzbrennstoff gezündet und teilweise vergast wird, und der teilweise vergaste Zusatzbrennstoff weiter durch eine Düse in den Brennstoffstrom eines Hauptbrenners geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzbrennstoff in Stufen vergast und verbrannt wird, indem Luft in mindestens zwei unterschiedlichen Stufen in das heiße Zusatzbrennstoffgemisch eingeleitet wird.

6. Verfahren nrch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzbrennstoff so in den Hauptbrennstoffstrom geführt wird, daß er um die Mittelachse des Hauptbrennstoffstromes wirbelt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzbrennstof in den

Hauptbrennstoffstrom so eingeleitet wird, daß er nur in Richtung der Mittelachse des Hau )tbrennstoffstromes weiterströmt.

8. Vorrichtung zum Anfahren des Kessels einer mit festem Brennstoff beheizten

Energieerzeugungsanlage und zur Sicherung des Verbrennungsprozesses des Brennstoffes, die einen Plasmabrenner und einen Hauptbrenner umfaßt, gekennzeichnet durch

- ein Rohr (13) des Körpers, das im wesentlichen gleichachsig zur Mittelachse des Hauptbrenners (6) ausgelegt ist, für die Einleitung des Zusatzbrennstoffs in die Plasmaflamme und weiter in den Hauptbrennstoffstrom,

- eine Düse (21), dieandaskesselseitigeEndedes Rohres (13) angepaßt ist, zur Einleitung des Zusatzbrennstoffes in den Hauptbrennstoffstrom,

- einen Raum zwischen den Plasmabrenner (1) und das koaxial ausgerichtete Rohr (13) für die Einleitung von Zusatzbrennstoff in die Plasmaflamme, die in dem Raum zwischen Plasmabrenner (1) und Rohr (13) brennt,

- mindestens einen Lufteinlaß (10) zur Leitung von Luft in den Zusatzbrennstoffstrom zur Steuerung des Vergasungsgrades,

- einen Luftzufuhrstutzen (8) zur Einleitung von Seku .uarluft in den Zusatzbrennstoffstrom mit Luftmangel zur Erzielung seiner endgültigen Zündung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Zufuhrstutzen (2) für den Zusatzbrennstoff, der den Körper des Zusatzbrenners (5) teilweise oder vollständig umgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Zufuhrstutzen (2) für den Zusatzbrennstoff, der koaxial zum Körper des Zusatzbrenners (5) angebracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (13) des Zusatzbrenners (5) in den Hauptbrennerraum (6) durch die Wand des Hauptbrenners (6), von einen Schutzmantel umgeben (16), eintritt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Zuleitungsrohr (14) zur Zuführung des vergasten Zusatzbrennstoffes zu einer Düse (12).

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anfahren des Kessels einer mit festem Brennstoff beheizten Energieerzeugungsanlege, welche zur Sicherung des Verbrennungsprozesses des Brennstoffes dienen.