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Diese
Erfindung betrifft Feuerungen für
Kohlenstaub und ähnliche
Brennstäube
mit mittlerem bis hohem Gehalt an Flüchtigen, beispielsweise Braunkohle,
mittel- bis hochflüchtige
Steinkohle oder staubförmige Biomasse,
wie zum Beispiel Holzschleifstaub.
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Hierfür grundsätzlich geeignete
Brennerkonstruktionen sind zum Beispiel aus
EP 0 496 856 B1 bekannt,
die den letzten Stand der Entwicklung auf diesem Gebiet darstellt.
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Aus
der
US 4 960 059 ist
ein Verfahren zum Verbrennen von Kohlenstaub bekannt, bei dem dem
Kohlenstaub vor, oder nach dem Austritt aus einer Brennerdüse ein gasförmiger oder
flüssiger
Brennstoff mit 2 bis 50% Anteil des gesamten Brennstoffheizwertes
beigemischt wird, um die Flammwurzel brennstoffreich zu machen und
dadurch NO
x-Anteile in den Verbrennungsabgasen
zu vermindern. Es wird nur eine einzige Flamme gebildet, die von
der Flammwurzel ausgehend den gesamten Brennstoff ausbrennt.
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Der
in der oben erwähnten
EP 0 496 856 B1 beschriebene
Staubbrenner besteht aus einer sich in Durchströmrichtung erweiternden, konischen
Brennermuffel, der die Brennluft über ein radiales Schaufelgitter zugeführt wird.
An die Brennermuffel schließt
sich eine Flammbeschleunigungsdüse
an. Mit den in der genannten Druckschrift genannten Abmessungen
und Durchsatzmengen stellt sich der diesem Brennerprinzip eigene Strömungsverlauf
ein, bei dem die aus dem Schaufelgitter austretende Brennluft mit
einem Drallwinkel von ca. 45° entlang
der Wand der Brennermuffel bis zu deren größten Durchmesser strömt. Hier
wendet sich etwa die Hälfte
der Brennluftströmung
radial nach innen und strömt
als Rückströmung dann
entlang der Achse der Brennermuffel bis zur Stirnplatte des Schaufelgitters
zurück.
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An
der Stirnplatte des Schaufelgitters angekommen, wendet sich die
Rückströmung radial
nach außen und
strebt zusammen mit der durch das Schaufelgitter zugeführten frischen
Brennluft wieder dem größten Durchmesser
der Brennermuffel zu.
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Die
Strömung
bildet im Bereich des größten Durchmessers
einen Staupunkt, den man in der Flamme deutlich sehen kann.
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Zwischen
der wandnahen Durchsatzströmung
und der zentralen Rückströmung bildet
sich eine konisch-röhrenförmige Zone
intensiver Turbulenz aus, in der sich nach Brennstoffzufuhr die
Flamme einstellt. Deren Dicke ist gering, sie reicht von etwa 75%
bis etwa 90% des Radius der Brennermuffel und hat die Gestalt einer
konischen, dünnen,
wandnahen Röhre.
Die radial innerhalb der brennenden, rohrförmigen Strömung vorhandene Strömung in
der Brennermuffel ist schwarz, hat eine Temperatur von etwa 1000
bis 1100°C
und ist bei ihrem Staubgehalt von 5 bis 10 g/m3 für Wärmestrahlung
fast vollständig
undurchlässig.
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Der
Brennstaub wird mit Förderluft
oder Förderabgas
im Bereich des vorerwähnten
Staupunktes in die Rückströmung eingeblasen.
In
EP 0 496 856 B1 ist
dazu ein axiales Einblasrohr dargestellt, das das Schaufelgitter
von hinten durchdringt und bis in den Bereich des Staupunkts reicht
und dort an seinem Ende eine Umlenkhaube trägt, die den durch das Einblasrohr
fluidisch zugeführten
Kohlenstaub um 180° umlenkt
und in die Rückströmung einbläst.
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Auf
ihrem axialen Strömungsweg
vom größten zum
kleinsten Durchmesser der Brennermuffel mischt sich die heiße, sauerstoffarme
Rückströmung mit
der den Kohlenstaub fluidisierenden Trägerluft beziehungsweise Trägerabgas
und dem Kohlenstaub. Letzterer erwärmt sich dabei und gibt flüchtige Bestandteile
sowie Stickstoff in Form von NO ab.
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Für die Aufheizung
des Kohlenstaubs in der Rückströmung steht
das Temperaturgefälle
der Rückströmung von
etwa 1000 bis 1100°C
bis herunter zu 400 bis 500°C
zur Verfügung.
Im letztgenannten Temperaturbereich beginnt die Abspaltung der flüchtigen
Bestandteile vom Kohlenstaub.
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Da
wegen der optischen Undurchlässigkeit
des Staub-Gas-Gemischs in den Innenzonen der Brennermuffel die Strahlung
der weiter außen
befindlichen rohrförmigen
Flamme den Kohlenstaub in der Rückströmung nicht
erreicht, erfolgt die Aufheizung des Kohlenstaubs fast vollständig nur
durch turbulenten Wärmeaustausch.
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Wegen
der Modellgesetze der freien Turbulenz ist die Aufheizung des Kohlenstaubs
bei großen
und bei kleinen Brennern fast gleich und somit in der Wirkung begrenzt.
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Dieses
hat zwei Folgen:
- – Die Strömungsgeschwindigkeiten und
damit die Brennerleistung können
nicht weiter gesteigert werden, weil die Aufbereitungszeit für den Kohlenstaub
dann zu kurz wür
de. Man kann das schon am Flammbild sehen: Wird die Aufheizzeit
zu kurz, bilden sich schwarze Strähnen auf der Flammoberfläche. Bei
noch weiterer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit
geht die Flamme aus.
- – Auch
der Regelbereich nach unten ist begrenzt, weil mit abnehmender Last
die Rückströmung kälter wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile
zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit
denen die Flammstabilität
bei Kohlenstaubfeuerungen verbessert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beziehungsweise im Anspruch
3 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils
abhängigen
Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
besteht demnach u. a. darin, daß am
Austritt des Kohlenstaubs aus der Umlenkhaube des Einblasrohrs eine
Primärflamme
installiert wird, die Umlenkhaube im Bereich des Staupunkts angeordnet
wird und der Kohlenstaub mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit
in den Brenner eingeblasen wird.
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Im
einzelnen gilt folgendes:
- 1. Der Kohlenstaub
wird mit 3,5 bis 5%, bevorzugt 4,0 bis 4,5%, der bei Vollast notwendigen
Brennluftmenge eingeblasen;
- 2. Der Ringspalt zwischen dem Einblasrohr und der Umlenkhaube
ist so bemessen, daß die
Austrittsgeschwindigkeit des von Förderluft fluidisierten Kohlenstaubs
wenigstens 15 m/s, bevorzugt mehr als 20 m/s beträgt.
- 3. Die Umlenkhaube ist im Bereich des größten Durchmessers der Brennermuffel
angeordnet.
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Bei
dieser konstruktiven Ausgestaltung und Betriebsweise stellt sich
aufgrund des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen der Rückströmung und
der aus dem Ringspalt austretenden Förderluftströmung ein kräftiger Wirbel am Austritt des
Ringspaltes ein, an den die Primärflamme
ansetzt. Die Geschwindigkeit der Förderluftströmung liegt vorteilhaft über 20 m/s,
sollte aber nicht so groß sein,
daß unter
dem Einfluß der Schleifwirkung
des Kohlenstaubs und des darin enthaltenen Quarzsandanteils die
mit der Strömung
in Berührung
gelangenden Teile verschleißen.
Geschwindigkeiten unter 30 m/s haben sich als ausrei chend erwiesen.
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Zwischen
der nach innen umkehrenden Rückströmung und
der zum Austritt der Flammbeschleunigungsdüse gehenden Strömung bildet
sich ein Staupunkt, der beispielsweise bei Gasfeuerungen gut sichtbar ist.
Er ist axial gegenüber
der vom größten Durchmesser
der Brennermuffel bestimmten Ebene um eine Distanz in Richtung auf
den Austritt versetzt, die ¼ bis ½ des größten Durchmessers
der Brennermuffel entspricht.
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Die
Anordnung der Umlenkhaube nicht am Staupunkt, sondern am größten Durchmesser
der Brennermuffel ist optimal. Verschiebt man die Umlenkhaube mehr
in Richtung auf den Staupunkt, werden Teile der Primärflamme
nutzlos aus dem Austritt der Flammbeschleunigungsdüse geblasen.
Verschiebt man die Umlenkhaube in Richtung auf das Schaufelgitter,
das heißt
in einen Bereich, wo die Rückströmung schon
schneller geworden ist, dann ist die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen
der Rückströmung und
der aus dem Ringspalt zwischen Einblasrohr und Umlenkhaube austretenden
Strömung
kleiner. Der Wirbel am Austritt des Ringspaltes wird dann schwächer, und
die Primärflamme
wird weniger intensiv.
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Wirkung
und Verlauf der Primärflamme
kann man gut sichtbar machen, wenn man das Einblasrohr nach Verfeuerung
beispielsweise von rheinischem Braunkohlenstaub demontiert. Dieser
Staub hat nämlich eine
gelb-ocker-farbene Asche, im Gegensatz zu den anderen Brennstäuben, deren
Asche meist grau ist.
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In
einer ersten, dem Ringspalt unmittelbar benachbarten, relativ kurzen
Zone, ist das Einblasrohr nämlich
metallisch blank, denn es ist vom ausgeblasenen Kohlenstaub poliert
worden.
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In
einer sich daran anschließenden
zweiten, etwas längeren
Zone ist das Einblasrohr gelb-ocker-farben.
In diesem Bereich hat die Primärflamme
gebrannt.
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In
einer sich hieran anschließenden
dritten, sehr viel längeren
Zone zeigt das Einblasrohr schwarzen, trockenen Ruß. Hier
sind niedrigflüchtige
Bestandteile, zum Beispiel CH4, aus dem
Kohlenstaub abgegangen.
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In
einer sich daran anschließenden
vierten, etwa ebenso langen Zone wird der schwarze Belag auf dem
Einblasrohr zunehmend fettig, verursacht von den hier aus dem Kohlen staub
abgegangenen höherflüchtigen
Bestandteilen.
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In
einer fünften
Zone kurz vor dem Schaufelgitter sieht das Einblasrohr so aus, als
wenn Teer aufgebracht worden wäre.
Hier sind mit Crackvorgängen
die höchstsiedenden
Kohlebestandteile aus der Kohle abgegangen.
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In
einer sechsten, das Schaufelgitter durchdringenden Zone ist das
Einblasrohr wieder gelb-ocker-farben. Hier ist der aufgeheizte Staub
zum ersten Mal mit der Brennluft in Berührung gekommen, und hat spontan gezündet. Hier
liegt der Beginn der Hauptflamme, die sich röhrenförmig nahe der Muffelwand entlang
erstreckt.
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Hinter
dem Schaufelgitter, das heißt
außerhalb
des Brennraums, ist das Einblasrohr von Verbrennungsvorgängen unbeeinflusst.
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Dieses
sich an dem Einblasrohr zeigende Bild erlaubt auch die optimale
Einstellung der Trägerluftmenge:
- – Bei
weniger Trägerluft
wird in der Primärflamme
weniger Wärme
entwickelt. Die zweiten bis vierten Zonen verschieben sich in Richtung
auf die Umlenkhaube. Die fünfte
Zone wird länger,
hier bilden sich teerhaltige, koksartige, dicke Beläge auf dem
Einblasrohr, die den Betrieb des Brenners stören können. Dieses ist eine Folge
der zu niedrigen Temperatur der Rückströmung. Die Aufbereitung des
Kohlenstaubs in der Rückströmung ist
ungenügend.
- – Bei
mehr Trägerluft
werden die Rückströmung und
das Einblasrohr sehr heiß.
Das Einblasrohr kann überhitzt
werden, und es wird in der Primärflamme
bereits ein unzulässig
hoher Anteil der flüchtigen
Bestandteile aus dem Kohlenstaub verbrannt, der nachher in der Hauptflamme
fehlt. Eine örtliche Überhitzung
des Einblasrohres erkennt man an einem Abbrand an der betreffenden
Stelle des Rohres, die dort eine Einschnürung zeigt, wo das Rohrmaterial
weggebrannt ist.
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Bei
der angegebenen erfindungsgemäßen Einstellung
der Trägerluft
bleibt das Einblasrohr langfristig sauber, und wird nicht überhitzt.
Am Ende der Rückströmung im
Bereich der fünften
und sechsten Zonen liegt ein Maximum an flüchtigen Bestandteilen vor.
Betrachtet man den Beginn der Hauptflamme an der sechsten Zone durch
ein Schauglas, sieht man eine fast vollständig gasartige Flamme, in der
nur noch einzelne rotglühende
Grobkörner
herumwirbeln. Da der Feinkornanteil nicht zu sehen ist, darf man
vermuten, daß er
vergast oder in der sechsten Zone ausgebrannt worden ist.
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Gegenüber einem
Zustand ohne Primärflamme
ist der Unterschied im Verhalten der Hauptflamme erheblich:
- a) Die Hauptflamme verhält sich fast wie eine Gasflamme.
Sie brennt auch bei höheren
Durchsätzen,
bei denen sie ohne Primärflamme
ausgeblasen wäre,
stabil und pulsationsfrei.
- b) Man kann den Austrittsquerschnitt der Beschleunigungsdüse noch
weiter verkleinern und damit noch höhere Flammstrahlgeschwindigkeiten,
die bei 100 bis 120 m/s liegen, erreichen, ohne daß die Flamme
abreist. Zwar nennt die oben genannte EP 0 496 856 B1 auch Geschwindigkeiten von
ca. 100 m/s. Dieses ist aber dort Wunschdenken. Rechnet man nämlich den
dort dargestellten Brenner für
die in der Druckschrift angegebene Feuerungsleistung von 3,9 MW
und den Austrittsdurchmesser der Düse unter Berücksichtigung
der in der Druckschrift gemachten Angaben nach, ergeben sich je
nach Luftüberschuß nur Flammstrahlgeschwindigkeiten
von 51 bis 58 m/s. Ein äußeres Indiz
für diese
geringen Geschwindigkeiten ist, daß der Austrittsdurchmesser
der Beschleunigungsdüse
mit 350 mm größer ist
als der den Durchsatz bestimmenden Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel
mit 338 mm. Für
eine Flammstrahlgeschwindigkeit von 100 m/s wäre aber ein Austrittsdurchmesser
der Beschleunigungsdüse
von 260 mm erforderlich, der also erheblich kleiner ist, als der
angegebene Eintrittsdurchmesser von 338 mm. EP 0 496 856 51 gibt also in dieser
Hinsicht keine Lehre zum technischen Handeln.
- c) Eine weitere Folge der Primärflamme ist der erheblich vergrößerte Regelbereich.
Während
Brenner nach EP 0 496
856 B1 von 100% Last bis ca. 40% Last geregelt werden könnten, wie
von den realisierten Anlagen bekannt ist, also im Verhältnis 1:2,5
geregelt werden können,
steigt bei Einsatz der Primärflamme
nach der vorliegenden Erfindung der Regelbereich auf etwa 1:20.
Im Grenzfall bei nur 5% Last brennt nur noch die Primärflamme,
aber sicher.
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Welche
erheblichen praktischen und wirtschaftlichen Vorteile die vorstehenden
Punkte b) und c) bringen, soll nachfolgend an zwei verschiedenen
Beispielen dargestellt werden.
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Beispiel 1
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Brenner für die Umrüstung von Wasserrohrkesseln.
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In
der
DE 100 55 507
A1 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem öl- oder
gasgefeuerte Wasserrohrkessel auf die Befeuerung mit rheinischem
Braunkohlenstaub umgestellt werden können. Dazu ist eine Feuerungseinrichtung
erforderlich, die mit diesem Brennstoff Flammstrahlgeschwindigkeiten
von mehr als 100 m/s erzeugen kann und deren Vorhandensein in der
genannten Druckschrift unterstellt ist. Wie man dieses aber erreicht,
ist dort nicht beschrieben und auch nicht Gegenstand der Anmeldung.
Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmalig eine so hohe Flammstrahlgeschwindigkeit
erreicht.
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Beispiel 2
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Heißgaserzeuger
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Die
Erfindung erlaubt auch den Bau verbesserter Heißgaserzeuger. Damit sind Feuerungen
gemeint, die keine strahlende Flamme erzeugen, sondern ein möglichst
homogenes heißes
Gas, etwa zum Beheizen von Trocknern, Mühlen, usw.. Bei dafür geeigneten
Vorrichtungen entfällt
die Flammbeschleunigungsdüse.
Die Vorrichtung kann heiße
Gase von 200°C
bis 900°C
erzeugen, wobei bei 900°C
die Flamme die Brennermuffel bis auf eine dünne, wandnahe Kaltluftschicht
ausfüllt.
Die Flamme endet ungefähr
am größten Durchmesser der
Muffel. Eine konkrete Ausführungsform
wird später
erläutert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
weiter erläutert.
Es zeigt:
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1 schematisch
im Längsschnitt
eine Brennermuffel mit Beschleunigungsdüse und Einblasrohr,
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2 in
vergrößertem Maßstab den
Endbereich des Einblasrohres mit aufgesetzter Umlenkhaube;
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3 eine
der 1 vergleichbare Darstellung zur Erläuterung
verschiedener Ablagerungszonen an dem Einblasrohr;
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4 einen
detaillierten Längsschnitt
durch eine Anordnung nach 1
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5 schematisch
im Längsschnitt
einen Heißgaserzeuger,
und
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6 im
Längsschnitt
schematisch einen konventionellen Brenner für Braunkohlenstaub, der im
Sinne der Erfindung adaptiert ist.
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Man
erkennt in 1 im Längsschnitt einen insgesamt
mit 1 bezeichneten Kohlenstaubbrenner bestehend aus einer
sich konisch erweiternden Brennermuffel 1a und einer sich
an deren größten Durchmesser D
anschließenden,
sich konisch verengenden Flammbeschleunigungsdüse 1b. Vom kleineren
Durchmesser der Brennermuffel 1a ausgehend und diesen durchstoßend erstreckt
sich in die Brennermuffel 1a ein Einblasrohr 2,
das beim größten Durchmesser
D des Brenners endet und dort eine Umlenkhaube 3 trägt. Die
Umlenkhaube 3 bildet zusammen mit dem Außendurchmesser
des Einblasrohrs 2 gemäß 2 einen
Ringspalt 4 aus, dessen Öffnung auf das Ende kleineren
Durchmessers der Brennermuffel 1a gerichtet ist.
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Am
kleineren Durchmesser der Brennermuffel 1a befindet sich
ein Schaufelgitter 1c, das der Zuführung von Brennluft in die
Brennermuffel 1a dient.
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Die
sich im Betrieb einstellenden Strömungen sind in den 1 und 2 mit
Pfeilen dargestellt. Mit Hilfe von 3,5 bis 5%, bevorzugt 4,0 bis
4,5%, der für
die Verbrennung von Kohlenstaub, beispielsweise Braunkohlenstaub,
benötigten
Brennluftmenge wird der Kohlenstaub in fluidisiertem Zustand durch
das Einblasrohr 2 in den Brenner eingeblasen, wo er durch
den Ringspalt 4 zwischen Umlenkhaube 3 und Einblasrohr 2 austritt.
Die restliche, d. h. überwiegende
Teil der Verbrennungsluft L wird über das Schaufelgitter 1c der
Brennermuffel 1a unter einem Schraubenwinkel zugeführt, so
daß sie
nahe der Wand der Brennermuffel 1a in Richtung auf deren
größten Durchmesser
strömt.
Aufgrund der beschriebenen Strömungsdynamik
wendet sich ein Teil dieser Strömung
im Bereich des größten Durchmessers
D der Brennermuffel 1a nach innen und strömt zentral als
Rückströmung 7 in
Richtung auf das Schaufelgitter 1c zurück. Der in die Rückströmung 7 eingeblasene und
von ihr mitgeführte
Kohlenstaub wird mit Hilfe einer Zündflamme, die in der Zeichnung
nicht dargestellt ist, erstmalig gezündet. Die Zündflamme wird mit Leuchtgas
oder Erdgas von einem Zündbrenner 23 erzeugt,
der in einen Kopfraum 24 mündet, der hinter einer der
das Schaufelgitter 1c nach rückwärts begrenzenden Kopfplatte 25 liegt,
die von dem Einblasrohr 2 unter Ausbildung eines breiten
Ringspaltes 26 durchdrungen wird. Die Zündflamme erstreckt sich wie
ein Toruswirbel durch diesen Ringspalt 26 in den Bereich
des Schaufelgitters 1c. Wenn der durch die Rückströmung dorthin
getragene Kohlenstaub gezündet
hat, d. h. die Hauptflamme brennt, kann die Zündflamme abgestellt werden.
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Der
mit Luft fluidisierte Kohlenstaub, in den Zeichnungen mit K + L
bezeichnet, tritt mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 15 m/s,
bevorzugt mehr als 20 m/s, aus dem Ringspalt 4 aus, wodurch
ein kräftiger, torusförmiger Wirbel 5 erzeugt
wird, an dem im Betrieb die Primärflamme 6 ansetzt.
Die Primärflamme
zündet innerhalb
von Sekundenbruchteilen nach dem Zünden der Hauptflamme von selbst.
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Der
nicht zur Rückströmung umkehrende
Anteil der wandnahen, brennenden Strömung tritt in die Flammbeschleunigungsdüse 1b ein.
Dabei entsteht zwischen der nach innen umkehrenden Rückströmung 7 und
der in die Flammbeschleunigungsdüse 1b eintretenden
Strömung 10 ein
Staupunkt 11 in der Achse des Brenners, der gegenüber der
von dem größten Durchmesser
D bestimmten Ebene um etwa ¼ bis ½ des größten Durchmessers
D in Richtung auf den Austritt 9 der Flammbeschleunigungsdüse 1b versetzt
ist.
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Durch
ein im Bereich des Schaufelgitters 1c angeordnetes Schauglas 12 kann
man in der schon erwähnten
Weise die Schaufelgitter ansetzende Hauptflamme beobachten.
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3 zeigt
schematisch die sieben Zonen unterschiedlich gefärbter und strukturierter Ablagerungen von
Verbrennungsrückständen entlang
des Einblasrohrs 2. Die mit a bezeichnete erste Zone schließt sich
unmittelbar an den Austritt des Ringspalts 4 an. Sie ist
relativ schmal und metallisch blank, d. h. es sind dort keinerlei
Niederschläge
auf dem Einblasrohr 2 vorhanden. Daran schließt sich
die zweite Zone b an, die gelb-ocker-farben ist. Diese Zone ist
breiter als die erste Zone a. Darauf folgt eine etwa dreimal so
lange, dritte Zone c, auf der schwarzer, trockener Ruß abgeschieden
ist. An diese schließt
sich die vierte Zone d an, die einen schwarzen Belag zeigt, der
in Richtung auf das Schaufelgitter 1c zunehmend fettig
aussieht. Hieran schließt
sich eine bis in den Bereich des Schaufelgitters 1c reichende
fünfte
Zone e an, die etwas kürzer
als die vierte Zone ist und so aussieht, als wenn auf ihr Teer aufgebracht
worden wäre.
Die sechste Zone liegt im Bereich des Schaufelgitters 1c und
ist gelb-ocker-farben. Jenseits des Schaufelgitters 1c,
wo keine Verbrennungsvorgänge
mehr stattfinden, ist das Rohr 2 sauber, oder besser gesagt
in seinem Ursprungszustand.
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4 zeigt
im Längsschnitt
eine praktische Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie
besteht aus einem doppelkonischen Brenner vergleichbar mit der schematischen
Darstellung von 1, weshalb an dieser Stelle
auf diese Bezug genommen werden soll. Die Brennluft tritt bei 13 in
einen Sammelraum 14 ein und wird durch radiale Leitschaufeln 15 am
Ende kleineren Durchmessers der Brenermuffel 16 in Rotation
versetzt. In deren Folge durchströmt die Brennluft die Brennermuffel 16,
an die sich die Flammbeschleunigungsdüse 17 anschließt.
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Kohlenstaub
und Förderluft
werden durch ein Einblasrohr 18, das an seinem freien Ende
eine Umlenkhaube 19 trägt,
zugeführt.
Ihre Ausführung
und Betriebsweise entsprechen der Beschreibung zu den 1 und 2.
Damit stabilisiert sich erfindungsgemäß am Austritt der Umlenkhaube 19 die
hier nicht gezeichnete Primärflamme,
wodurch es möglich
ist, den Austrittsdurchmesser 20 der Flammbeschleunigungsdüse 17 so weit
zu verringern, daß eine
Flammstrahlgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s entsteht.
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Für eine Feuerungsleistung
von 22 MW ergeben sich damit. für
die Verfeuerung von Kohlenstaub gleichgültig welcher Sorte folgende
Daten, wie sie aus
4 entnommen werden können:
Zugeführte Brennluftmenge: | 20642
mn 3/h |
Zugeführte Förderluftmenge: | 1125
mn 3/h |
Zugeführte Kohlenstaubmenge: | 3653
kg/h |
Flammstrahl: | 31797
kg/h |
Flammstrahlgeschwindigkeit: | 107
m/s |
Eintrittsdurchmesser
der Brennermuffel 16: | 818
mm |
Länge der
Brennermuffel 16: | 3350
mm |
Größter Durchmesser
der Brennermuffel 16: | 1610
mm |
Länge der
Flammbeschleunigungsdüse 17: | 1655
mm |
Austrittsdurchmesser
der Flammbeschleunigungsdüse 17: | 668
mm |
Einblasrohrdurchmesser: | 180 × 25 mm |
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Mit
dieser Konstruktion und den angegebenen Durchsatzmengen werden die
Emissions grenzen nach der TA Luft eingehalten. Zwar könnte dieser
Brenner auch mit höheren
Leistungen betrieben werden, dann steigt jedoch der NOx-Gehalt über die
Grenzwerte der TA Luft an, was nicht zulässig ist. Aus diesem Grunde ist
im Betrieb die Leistung auf 22 MW zu begrenzen. Für andere
Leistungen bei Verfeuerung von Braunkohlenstaub können die
linearen Abmessungen proportional mit der Wurzel aus dem Leistungsverhältnis verändert werden.
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In 4 ist
der Brenner wassergekühlt
dargestellt. Die Wasserkühlung
ist Teil des befeuerten Kessels. Der Brenner kann aber auch ungekühlt ausgeführt werden,
zum Beispiel wenn er ausgemauert ist. Das hat auf die Vorgänge im Brenner
nur einen geringen Einfluß und
ist nur eine Frage der Praxis.
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Die
Flammenlänge,
gerechnet ab dem Eintrittsdurchmesser der Muffel 16, ist
in grober Näherung
umgekehrt proportional dem Luftverhältnis λ. Bei den vorstehend und in 4 angegebenen
Daten ist die Länge des
brennenden Flammstrahls etwa 6,5 m ab Austrittsdurchmesser der Flammbeschleunigungsdüse 17 oder etwa
12,9 m ab Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel 16.
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Mit
steigendem Luftverhältnis λ wird die
Flamme kürzer.
Bei λ =
2,0 bis 2,3 tritt die Flamme kaum noch aus dem Austrittsdurchmesser
der Flammbeschleunigungsdüse 17 heraus,
brennt also fast vollständig
innerhalb des Brenners. Bei einem λ von etwa 2,8 erstreckt sich
die Flamme nur bis zum größten Durchmesser
D der Muffel, und bei einem λ von
5 reicht sie nur bis zur halben Muffellänge.
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Bei
einem λ von
20, also 5% der Nennleistung, brennt nur noch die Primärflamme.
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Die
aus dem Austrittsdurchmesser der Flammbeschleunigungsdüse austretenden
heißen
Gase sind in jedem Falle jedoch sehr gleichmäßig ausgemischt.
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5 zeigt
schematisch ein Beispiel eines Heißgaserzeugers. Er entspricht
in seinen wesentlichen Teilen der Konstruktion nach 4,
jedoch fehlt die Flammbeschleunigungsdüse. Die Brennluft tritt bei 13a in einem
Verteilerkasten 14 ein. Bei 13b wird eine kleinere
Zusatzluftmenge zur Kühlung
der Brennermuffel 16 eingeführt. Die Brennermuffel besteht
hier aus warmfestem Blech. Die Bezeichnungen sind im übrigen die
gleichen, wie sie in Fig. verwendet wurden. Dieser Heißgaserzeuger
kann heiße
Gase mit Temperaturen zwischen 200°C und 900°C erzeugen. Bei 900°C fühlt die
Flamme die Brennermuffel 16 bis auf eine dünne, wandnahe Kaltluftschicht
vollständig
aus. Die Flamme endet ungefähr
am größten Durchmesser
der Muffel 16.
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Wegen
ihrer Einfachheit haben sich solche Heißgaserzeuger gut bewährt. Sie
hatten bislang aber den Nachteil, daß man sie kaum unter ein Gesamt-λ von etwa
3,0 herunterregeln konnte, entsprechend einer Heißgastemperatur
am Austritt der Muffel von 750 bis 800°C. Wenn niedrigere Temperaturen
gebraucht wurden, hat man einfach die Zusatzluftmenge bei 13b erhöht. Dieses
hatte aber den Nachteil schlechterer Temperaturverteilung. In der
Mitte war die Strömung
nämlich
zu heiß,
und außen
war sie zu kalt.
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Gerade
bei temperaturempfindlichen Produkten, die mit einem solchen Heißgas behandelt
werden sollten, führte
dieses zu Problemen und erforderte häufig zusätzliche Heißgasmischeinrichtungen.
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Diese
Probleme sind durch die Erfindung durch den Einsatz einer Primärflamme
behoben, die entsprechend der 1 und 2 an
der Umlenkhaube ansetzt, die in den 1 und 2 mit 3 und
in den 4 und 5 mit 19 bezeichnet
ist. Damit läßt sich
die Flamme viel weiter herunterregeln, nämlich im Grenzfall bis auf
ein λ von
etwa 20, wenn nur noch die Primärflamme
brennt. Dieses entspricht einer Heißgastemperatur von nur noch
100 bis 130°C.
Das aus der Muffel 16 austretende Heißgas ist auch in diesem Falle
sehr homogen, so daß zusätzliche
Heißgasmischvorrichtungen
nicht mehr erforderlich sind.
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Die
Wirkung der Erfindung ist nicht auf die vorstehend unter Bezugnahme
auf die 1 bis 5 beschriebenen
Brenner beschränkt,
sondern löst
auch Probleme bei konventionellen Brennern. So benötigen auch
heute noch Braunkohlenstaubbrenner bekannter Fabrikate eine Zufeuerung
von 5 bis 10% Heizöl
EL oder Gas, um überhaupt
eine stabile Flamme zu erzielen. Die Ursache hierfür ist eine
unzureichende Aufbereitung des Kohlenstaubs vor Eintritt in die
Flamme.
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Auch
hierfür
bringt die vorliegende Erfindung eine Lösung. 6 zeigt
einen konventionel len Brenner. Ihm wird Brennluft bei 13 über axiale
Leitschaufeln 15 zugeführt,
die in der trichterartigen Muffel 16 einen Toruswirbel 21 erzeugen,
der die Flammstabilisierung bewirken soll. Auch hier ist ein Staupunkt 11 sichtbar,
der die vorwärtsgerichtete
Strömung
und die Rückströmung von
einander trennt.
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Der
Braunkohlenstaub wurde in einen solchen Brenner bislang auf verschiedene
Weise eingeblasen:
- – vom Umfang der Muffel 16 zu
deren Achse hin,
- – oft
auch aus dem Zentrum des Leitschaufelsystems 15,
ähnlich wie
es auch bei konventionellen Gas- oder Ölbrennern üblich ist.
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An
den vorstehend beschriebenen Nachteilen haben die beschriebenen
Maßnahmen
nichts ändern können. Hier
schafft aber die Erfindung Abhilfe. Dazu wird gemäß 6 ein
Einblasrohr 18 mit Umlenkhaube 19 entlang der
Achse des Brenners bis in den Bereich des Staupunktes 11 eingebracht.
Diesem Brenner ist eine, wenn auch sehr begrenzte, Rückströmung vorhanden,
in die der aus der Umlenkhaube 19 austretende Kohlenstaub
eingeblasen wird. Zwar ist die Rückströmung und
damit die Verweilzeit des Kohlenstaubs aufgrund der axialen Kürze des
Brenners bei weitem nicht so lang, wie bei dem Brenner nach den 1 bis 5, aber
immer noch wesentlich länger
als zuvor.
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So
gelingt es erfindungsgemäß, eine
wenn auch begrenzte Aufbereitung des Kohlenstaubs zu erzielen, so
daß wenigstens
mittlere und größere Kohlenstaubbrenner
dieses Typs ohne Zufeuerung von Heizöl oder Gas stabil brennen können.