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Vorrichtung zur direkten Brennstoffverbrennung in einer
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Wirbelschicht Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten
Verbrennung von vorzugsweise flüssigen und gasförmigen Brennstoffen in einer Wirbelschicht
zum Zwecke der Beheizung, wobei das zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes dienende
Medium durch die Verbrennung des Brennstoffes mit dem Sauerstoffträger erzeugt wird.
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In Erweiterung ihrer Funktion kann die erfindungsgemaß'e Vorrichtung
beispielsweise auch zum Versprühen eines flüssigen Mediums in der Wirbelschicht
eingesetzt werden.
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Zur direkten Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe in
einer Wirbelschicht sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, die aus einer Vielzahl,
gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilter ein- oder zweikanaliger Zuführungseinrichtungen
mit vertikalem oder horizontalem Austritt des Brennstoff-Luftgemisches in die Wirbelschicht
bestehen. Die einkanaligen Zuführungseinrichtungen wurden ausschließlich für die
Zuführung gasförmiger Brennstoffe entwickelt. Gas und Luft werden in nebeneinander
angeordneten ohren (Kanälen) der Wirbelschicht zugeführt. Nach vorzugsweise horizontalem
Austritt von Luft und Gas erfolgt die Vermischung und Verbrennung (viP 62921; WP
113622). Die Vermischungsintensität dieser Zuführungsmethode ist ausreichend, um
Gas und Luft so zu vermischen, daß mit einem aus mehreren Zuführungselementen bestehenden
sog. Brennerrost Verbrennungsleistungen von ca. 15 bis 25 . 106 kJ/m3 Wirbelschicht
erzielt werden können.
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Für flüssige Brennstoffe sind einkanalige Zuführungseinrichtungen
wenig oder bestenfalls als Zuführungsmethode für Zusatzbrennstoff geeignet. Infolge
mangelhafter Vermischung können keine selbständig brennenden Flammen erzeugt werden.
Es gelingt bestenfalls ein Aufsprühen des flüssigen Brennstoffes auf die festen
Beschickungsteilchen, von denen er dann abbrennt.
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Zweikanalige Zuführungseinrichtungen sind sowohl für gasförmige als
auch für flüssige Brennstoffe bekannt. Gas und Luft werden in ineinander angeordneten
Rohren (Kanälen) in die Wirbelschicht geleitet, wobei Luft und Gas wahlweise im
inneren oder im äußeren Rohr der Wirbelschicht zugeführt werden. Die Vermischung
der Medien erfolgt unmittelbar vor, unmittelbar nach oder bei Austritt in die Wirbelschicht,
der vertikal, horizontal oder in anderer Richtung erfolgt (AP 116300, OS 1906895).
Der Vorteil der zweikanaligen Zuführungsvorrichtungen besteht gegenüber den einkanaligen
in einer erhöhten Vermischungsintensitat von Brennstoff und Luft. Sie erreicht bei
gasförmigen Brennstoffen Werte, die über den technisch erforderlichen Maximalanforderungen
liegen (50...80 . 106 kJ/m3 Wirbelschicht). Demgegenüber entsprechen die für flüssige
Brennstoffe bekannten Lösungsvorschläge nicht überdurchschnittlichen Anforderungen.
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So sieht z. B. eine in der OS 1906895 beschriebene zweikanalige Ausführungsform
vor, daß der flüssige Brennstoff im Außenkanal durch vertRal in der ihn verschließenden
Deckplatte angeordnete Öffnungen austritt und von der Verbrennungsluft zerstäubt
wird.
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Diese tritt horizontal aus entsprechend über den Ölaustrittsöffnungen
angeordneten Öffnungen ein. Die Verschlußplatte des Innenrohres bildet mit der Verschlußplatte
des Außenrohres einen waagerechten oder nach unten geneigten Ringkanal, durch den
das LuSt-Brennstoff-Gemisch in die Wirbelschicht strömt. Von jedem Öffnungspaar
geht eine flächenförmige Flamme aus. Aufgrund des Abstandes der Bohrungspaare ist
es nicht möglich, rund um die gesamte Zuführungseinrichtung eine zusammenhängende
kreisflächenförmige Flamme zu erzeugen. Sie ist durch flammenfreie Zonen, die die
Verbrennungsleistung mindern, unterbrochen.
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Außerdem ist die Brennstoffzuführung im Außenkanal nur bei Kühlung
möglich. Im Ausführungsbeispiel würde es aufgrund fehlender Kühlung zur Abspaltung
von Kohlenstoff aus dem flüssigen
Brennstoff und damit zur Verstopfung
des Kanals und der Austrittsòffnungen kommen.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel der OS 1906895 wird der Brennstoff
im Innen- und die Luft, die gleichzeitig zur Kühlung des Brennstoffes dient, im
Außenkanal zugeführt. Der Innenkanal endet bereits vor der Verschlußhaube des Außenkanals,
die mit drei Haltestegen am Außenrohr befestigt ist. Die Verschlußhaube ist so ausgebildet,
daß unter ihr, d. h. noch im Luftkanal die Vermischung des Brennstoffes mit der
Luft erfolgt und durch den von der Haube und den Außenrohr gebildeten waagerechten
Austrittskanal waagerecht in die Wirbelschicht eintritt und eine fächerförmige,
durch drei Haltestege der Verschlußhaube dreigeteilte Flamme bildet, deren Flache
nur etwa 60 bis 70 % der gesamten Ereisflache beträgt, die bei nicht vorhandenen
Stegen entstehen könnte. Zwischen den flächenförmigen Flammen entstehen tote, flammenfreie
Zonen, die die Verbrennungsleistung herabsetzen.
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Schwierigkeiten bereitet außerdem eine nach allen Seiten gleichmäßige
Verteilung des Brennstoffes, die nur bei exakter Zentrierung des Brennstoffrohres
gewährleistet ist. Die konstruktive Gestaltung dieser Variante kompliziert sich
mit Erhöhung der Zahl der ZuSúhrungselemente, d. h. Größe der Hostfläche eines Wirbelschicht
ofens. Ein weiterer nachteil einer nicht ausreichenden Brennstoff-Luft-Vermischung
ist eine geringe Anpassungsfähigkeit des Brennersystems an einen möglichst weiten
Bereich des Luftüberschusses und an die Stabilitat der Flamme bei Inbetriebnahme
des Ofens. Die Intensität der Durchmischung muß so gestaltet sein, daß bei Inbetriebnahme
des Ofens der Betinhalt kalt auf den Brennerrost aufgegeben werden kann, ohne daß
es zum Verlöschen der Flamme kommt.
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Ziel der Erfindung ist die Intensivierung der Durchmischung von Brennstoff,
insbesondere von flüssigem Brennstoff mit dem Verbrennungsmittel, um die spezifische
Verbrennungsleistung zu steigern, den Anpassungsbereich an unterschiedlichen Luftüberschußzahlen
und Verbrennungsleistungen zu erweitern und die Flammenstabilität z. B. für die
Bedingungen des Kaltstarts des Wirbelschichtofens zu verbessern. Außerdem ist die
konstruktive Gestaltung der Zuführungselemente zu vereinfachen, um den Einsatz gasförmiger,
insbesondere aber flüssiger Brennstoffe auch in Öfe
großer Dimensionen
effektiv zu ermöglichen. Desgleichen soll durch einfach durchzuführende Umrüstung
der Vorrichtung eine Anpassung an die unterschiedlichsten Durchsatzleistungen und
Stoffe möglich sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung
zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in der Wirbelschicht
bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, indem bei der zweikanaligen
Zuführung der Betriebsstoffe der Düsenstock starr oder lösbar durch Verschraubung
mit dem Brennstoffleitrohr verbunden ist und der Lanzenkopf mit der Austrittskante
des Mischkopf es einen waagerechten oder geneigten, allseitig freien Brennstoffgemischaustrittsspalt
bildet, wobei in bekannter Weise die beiden Kanäle mit einer Kammer bzw. einer Brennstoffkammer
oder -leitung verbunden sind.
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Der Austritt des Brennstoffes in den äußeren Luftkanal erfolgt durch
seitliche Brennstoffaustrittsdüsen im Düsenstock, die waagerecht oder geneigt angeordnet
sind. Anstelle der Düsenbohrungen kann erfindungsgemäß ein ringförmiger Brennstoffaustrittsspalt
vorgesehen werden.
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Die Vermischung mit der Verbrennungsluft erfolgt im Mischraum, dessen
Strömungsführung durch die Ausbildung des Mischkopf es in Form eines Diffusors,
strömungsgünstig gestaltet ist. Danach erfolgt der Austritt des brennfreudigen Gemisches
in die Wirbelschicht, wobei die kinetische Energie des Brennstoffes und des Sauerstoffträgers
in der Mischungsebene gleich sein soll.
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Der Vermischungseffekt kann noch dadurch intensiviert werden und dadurch
ein absolut homogenes Luft-Brennstoff-Gemisch erzielt werden, wenn im äußeren Luftkanal
entsprechend der gewünschten Vermischungsintensität ein oder mehrere Turbulatoren
vor und/oder nach dem Brennstoffeintritt angeordnet werden. Besonders intensiviert
werden kann die Vermischung durch gegenläufige Flügelstellung der Turbulatoren.
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Das Flammenbild dieser Vorrichtung entspricht einer geschlossenen
Kreisfläche, die unmittelbar am Brennstoffgemischaustrittsspalt beginnt. Aufgrund
der intensiven Durchmischung arbeitet der Brenner
in einem breiten
Luftverhältnisbereich mit stabiler Flamme.
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Die Stabilität der Flamme ist so ausgeprägt, daß bei Inbetriebnahme
des Wirbelschichtofens nach erfolgter Zündung des Brennerrostes und kurzer Aufheizzeit
der kalte Feststoff rasch in den reaktor beschickt werden kann, ohne daß es zum
Flammenabriß kommt0 Die entstehende Wirbelschicht kann innerhalb weniger Minuten
auf Solltemperatur erhitzt werden. Bei Wirbelschichttemperaturen oberhalb 800 bis
850 °C können beliebige Luft über schußzahlen gefahren werden. Zur Anpassung des
Brenners an unterschiedliche Fluidisierungsbedingungen (z. B. Xediumsgeschwindigkeit)
ist der am Düsenstock befestigte Lanzenkopf höhenverstellbar. Dadurch verändert
sich die Fläche des Brennstoffgemischaustrittsspaltes und damit die freie Rostfläche.
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ine weitere Beeinflussung der Durchmischungsbedingungen ist durch
die Anordnung der Düsenbohrungen an einer beliebigen Stelle des Querschnittes des
als Diffusor ausgebildeten Mischkopfes eben. Ist eine weniger intensive Vermischung
erforderlich, so erfolgt der Brennstoffeintritt über dem kleinsten freien Querschnitt
des Mischkopfes. Wenn optimale Mischungsbedingungen ge-Irdert werden, muß der Brennstoffeintritt
im Bereich des kleinen Querschnitts erfolgen, Der Mischkopf ist zur Intensivierung
der Vermischung weiterhin so gestaltet, daß eine spontane Querschnittsverminderung
am uebergang des Luftkanals zum Mischkopf erfolgt, die dabei entstehenden Wirbel
intensivieren die Vermichung gleichfalls.
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;ftt dieser erfindungsgemäß vorgesehenen Anordnung ist die Verbmennungsvorrichtung
in einem breiten Leistungsbereich (ca. 15 bis 80 0 106 kJ/m3 Wirbelschicht) einsetzbar0
Durch die vorgesenene Möglichkeit, den diffusorartig ausgebildeten Mischkopf auszuwechbeln
unu ihn durch einen MiscEcopf mit größerem oder kleinerem freien Querschnitt zu
ersetzen, kann die Vorrichtung jeder Brennstoffqualität angepaßt werden. Desgleichen
kann damit die Durchsatzmenge und Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffträgers
in einem weiten Bereich variiert werden.
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Durch die zwangsläufige Verbindung der Brennstoffzuführung mit Düsenstock
und Lanzenkopf vereinfacht sich die konstruktive Ausführung eines aus vielen Einzelbrennern
bestehenden Wirbel schichtbrennerrostes, da hierbei die Probleme einer exakten Zentr
ierung der Vorrichtung entfallen.
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Um eine vorzeitige Entzündung des Brennstoffgemisches zu verhindern,
ist der Lanzenkopf so gestaltet, daß eine merkliche Aufheizung durch die Flamme
nicht erfolgen kann. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Lanzenkopf
mit einer ringförmigen Ausdrehung zum Zwecke der Vergrößerung der Kühlfläche versehen
wird. Die Kühlung erfolgt direkt durch das Brennstoffgemisch. Lose auf einen tTetallstift
aufgehängt, ist darüber ein kegel- oder kugelförmiger Körper aus feuerfestem werkstoff
angebracht. Dieser Körper dient als Hitzeschild fur den Lanzenkopf und übernimmt
gleichzeitig die Funktion eines Abweisers für die in der Wirbelschicht zirkulierenden
Feststoffpartikel.
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Die gelenkige Aufhängung des Körpers verhindert außerdem die Ubertragung
von Warme spannungen auf Lanzenkopf und Düsenstock.
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Ausführungsbeispiel: In der Zeichnung 1 ist eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen zweikanaligen Zuführung im vertikalen Schnitt schematisch dargestellt.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus dem Luft
leitrohr (3), das den Luftkanal (2) umschließt und gleichzeitig als Halteelement
dient. Zentrisch angeordnet tritt das Brennstoffleitrohr (14) ein, auf dem höhenverstellbar
der Düsenstock (10) mit dem auf ihm angebrachten Lanzenkopf (15) angeordnet ist.
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Auf dem Lanzenkopf (15) ist der kugel- oder kegelförmig ausgebildete
Hitzeschild (16) gelenkig befestigt. Das Luftleitrohr (3) dient als Halterung für
den aufsitzenden auswechselbar gestalteten Mischkopf (9). Durch Justierung der Schraubverbindung
(13) läßt sich die lichte Weite des Brennstoffgemischaustrittsspaltes (12) auf jeden
gewünschten Wert im vorzugsweisen Bereich von 0,3 bis 10 mm einstellen. Damit ist
gewährleistet, daß ein allseitig freier Brennstoffgemischaustrittsspalt (12) vorhanden
ist. Durch Formgebung der Begrenzungsflächen sowohl des Lanzenkopfes (15) als auch
des Mischkopf es (9) kann die Austrittsrichtung des Brennstoffgemisches geneigt,
steigend oder horizontal vorbestimmt werden.
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Die Brennstoffaustrittsdüsen (7) sind im Düsenstock (10) angebracht
und münden in ihrer Austrittsrichtung in einem Winkel von vorzugsweise 15 bis 450
nach unten oder oben bezogen auf die Horizontale in den Mischraum (5).
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Die Brennstoffaustrittsdüsen (7) können im Düsenstock (10) vor, zwischen
ode nach den am Düsenstock (10) angebrachten Turbulatoren (8) angeordnet werden.
Das Luftleitrohr (3) ist mit der Luftkammer (1) fest oder lösbar verbunden. Desgleichen
ist die zentral anebrachte Brennstoffzuführung (4) mit der Brennstoffar!rner (6)
fest oder lösbar angeordnet. Die erfindungsgemaße Vorrichtung wird in bekannter
Weise mit einem Schutzmantel (11) aus keramischem werkstoff versehen. Der Sauerstoffträger
wird der Luftkammer (1) zugeführt und zwar mit einem von den jeweiligen Erfordernissen
abhängigen Druck. Er gelangt von hier in den Luftkanal (2), der nach außen durch
das Luftleitrohr (3) begrenzt wird, von hier aus strömt er entsprechend den gewählten
Bedingungen hinsichtlich Volumen und Druck in den im Mischkopf (9) befindlichen
mischraum (5). Die Zuführung des Brennstoffes erfolgt Über die Brennstoffkammer
(6) oder über ein zugeordnetes Rohrsystem in die Brennstoffzuführung (4), von dort
zum Düsenstock (10) und tritt durch horizontale oder zur Horizontalachse winklig
angeordneten Brennstoffaustrittsdüsen (7) in den Mischraum (5) ein. Der Vermischungseffekt
kann durch Einbau von Turbulatoren (8) sowie ihre Zahl und die Geometrie der Anordnung
weitestgehend beeinflußt und gesteuert werden. sinne weitere Korrektur kann durch
richtungsbedingte und höhenmäßig variable Anordnung der Brennstoffaustrittsdüsen
entsprechend den für die jeweilige Wirbelschicht geforderten Bedingungen vorgenomrLen
werden.
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Sin Vorteil der erfindun';sgemäßen Vorrichtung ist es weiterhin, daß
ihr Einsatz gemäß ihrer konstruktiven I¢erkmale vornehmlich für die Beheizung einer
Wirbelschicht vorgesehen werden kann. Für die bekannten Wirbelschicht-Sprühgranulierungsverfahren,
bei denen durch Flüssigeinspritzung eine kontinuierliche KornvergrößerunD angestrebt
wird, läßt sich die Vorrichtung ohne Änderung einsetzen, indem die Brennstoffzuführung
(4) lediglich mit dem zum Granulataufbau notwendigen flüssigen Medium beschickt
wird.
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Gegenüber der bisher bekannten FlüssigReitseinspeisung von oben, ist
bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den Flüssikeitseintrag von
unten eine Gutbehandlung im Gleichstrom möglich. Dadurch wird vermieden, daß wie
bei einem Flüssigeintrag von oben ein Teil des Flüssigkeitsnebels von dem aufsteigenden
Wirbelgas wieder mitgerissen und ausgetragen wird. Die Durchmischwung
in
senkrechter Richtung wird außer dem beim Einsprühen der Flüssigkeit von oben erheblich
herabgesetzt, da eine Verteilung der FlüssiCkeit lediglich auf der Bettoberfläche
erfolgt.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für diesen Zweck bringt
also erhebliche Vorteile mit sich.
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zinke weitere Ausfdhrungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist in
Fig. 2 schematisch dargestellt. Gegenüber der im ersten Beispiel beschriebenen Ausführung
besitzt diese einen kreisförmigen Brennstoffaustrittsspalt (18), der vor, nach oder
zwischen den Turbulatoren (8) in den Luftkanal (2) mündet. Der aus der Brennstoffkammer
(5) in den Brennstoffaustrittsspalt (18) eintretende Brennstoff ird kreisflächenförmig
in den Luftkanal (2) eingesprüht, wo er sich mit der Verbrennungsluft vermischt.
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Zusammenfassung Die rfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten
Verbrennung von vorzugsweise flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in einer Wirbelschicht,
wobei das zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes dienende Medium durch die Verbrennung
des Brennstoffes mit dem Sauerstoffträger erzeugt wird. Ziel der Erz in dung ist
die Intensivierung der Durchmischung von Brennstoff mit dem Verbrennungsmittel,
um die spezifische Verbrennungsleistung zu steigern, den Anpassungsbereich an unterschiedliche
Luftüberschußzahlen und Verbrennungsleistungen zu erweitern und die Flammenstabilität
z. B. für die Bedinj,ungen des Kaltstart zu verbessern. Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigen oder
gasförmigen Brennstoffen in der Wirbelschicht bereitzustellen. Die Erfindung ist
beispielsweise auch für die Zuführung sonstiger Flüssigkeiten in eine Wirbelschicht
anwendbar.
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Erfindungsgemaß wird diese Aufhabe dadurch gelöst, indem bei der zweikanaligen
Zuführung der Betriebsstoffe der Düsenstock (10) starr oder lösbar durch die Schraubverbindung
(13) mit dem Brennstoffleitrohr (14) verbunden ist und der Lanzenkopf (15) mit der
Austrittskante des t;Iischkopfes (9) einen waagerechten oder geneijDten, allseitig
freien Brennstoffgemischaustrittsspalt (12) bildet.
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Aufstellung der verwendeten Bezugsz eichen (1) Luftkammer (2) Luftkanal
(3) Luftleitrohr (4) Brennstoffzuführung (5) Mischraum (6) BreTiIstoffkamner (7)
Brennstoffaustrittsdüsen (8) Turbulatoren (9) Mischkopf (10) Düsenstock (11) keramische
Schutzschicht (12) Brennstoffgemischaustrittsspalt (13) Schraubverbindung (14) Brennstoffleitrohr
(15) Lanzenkopf (16) Hitzeschild (17) Kühlkanal (18) Brennstoffaustrittsspalt
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