DE3541616A1 - Brenner fuer pulverfoermigen brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für pulver­ förmigen Brennstoff sowie ein Verfahren zum Be­ trieb dieses Brenners.

Bei Brennern für pulverförmige Brennstoffe (insbe­ sondere Kohlenstaubbrennern) wurde früher der Brennstoff direkt am Brenner volumetrisch der Primärluft zugeteilt. Neuere Systeme bevorzugen demgegenüber eine gravimetrische Dosierung und einen pneumatischen Transport des Brennstoffes zum Brenner. Ein gewisser Teil der Primärluft gelangt hierbei als Brennstoff-Förderluft in den Brenner. Der Förderluftanteil ist dabei ab­ hängig von der Beladung. Um Schwankungen in der Brennstoffdosierung möglichst klein zu halten, muß die Beladung verringert werden. Die Förder­ luft bildet demgemäß einen verhältnismäßig großen Anteil der gesamten Primärluft. Damit verringert sich jedoch zugleich der Anteil der weiteren Primärluft, der dazu dient, den Brennstoff im Brennerkopf fein zu verteilen und der Flamme zu­ zuführen.

In konstruktiver Hinsicht sind Ein- und Mehrkanal­ brenner bekannt, letztere mit Mehrstrahl- und Ring­ strahldüsen. Die Düsen können dabei mit oder ohne Drall ausgebildet sein und eine axiale, konvergente oder divergente Strömungskomponente aufweisen.

Einkanalbrenner sind schlecht regelbar und haben meist einen für viele Anwendungsfälle (beispiels­ weise den Hauptbrenner eines Drehrohrofens) uner­ wünscht hohen Primärluftanteil. Die völlige Mischung von Brennstoff und Primärluft vor Düsenaustritt er­ folgt hier meist im hinteren Teil des Brennerrohres.

Bei den Mehrkanalbrennern kann der Primärluft­ anteil stark reduziert werden. Sie lassen sich auch verhältnismäßig gut regeln. Die Mischung der Primärluft mit dem Brennstoff findet im allge­ meinen vor der Düse, d.h. in der Flamme statt. Nachteilig ist bei bekannten Mehrkanalbrennern vielfach der verhältnismäßig komplizierte Auf­ bau sowie die aufwendige Wartung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für pulverförmige Brennstoffe zu entwickeln, der in Aufbau, Wartung und Bedienung einfach ist und sich trotz einer kleinen Primär­ luftmenge durch eine gute Feinverteilung des Brenn­ stoffes auszeichnet. Der erfindungsgemäße Brenner soll ferner eine zündstabile und in ihrer Form variable Flamme erzeugen. In der Bildung von Stickoxid, Kohlenoxid und anderen Schadstoffen soll - bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad (Aus­ brand) - ein Minimum erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Brenner erfolgt die Feinverteilung des Brennstoffes in der Gesamt­ primärluft (Förderluft und Brennerluft, d.h. weitere Primärluft) nicht rein pneumatisch, sondern teils pneumatisch, teils mechanisch über eine Prallfläche.

Der Brennstoff wird erfindungsgemäß durch die Förderluft mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 30 m/s und einer Beladung von 2 bis 10 kg/m³ in den Brennerkopf transportiert.

Die Brennerluft (weitere Primärluft) wird eben­ falls bis in den Brennerkopf geführt. Die gesamte Primärluft (Förderluft und Brennerluft) beträgt 5 bis 10% der Verbrennungsluft, ist damit äußerst gering.

Noch im Brennerkopf wird der Brennstoff durch die Prallfläche fein verteilt und mit der Brennerluft optimal gemischt. Das Brennstoff-Primärluftgemisch tritt dann über die Düsen aus, die ringförmig, in gleichmäßiger Umfangsteilung die Prallfläche umgeben. Durch die ringförmige Anordnung der Düsen ergibt sich eine große innere Versperrung am Brennermund, was eine hohe Zündstabilität gewährleistet.

Bei dem erfindungsgemäßen Brenner wird somit eine vollständige und gleichmäßige Vermischung von Brennstoff und Primärluft im Brenner, nicht erst in der Flamme, bei niedrigem Primärluftanteil erreicht, ohne daß die Gefahr einer Entmischung im hinteren Brennerrohr besteht.

Die Luftgeschwindigkeit in den Düsen kann er­ findungsgemäß 40 bis 160 m/s betragen. Die be­ reits bei Eintritt in die Flamme vorhandene hohe Geschwindigkeit von Primärluft und Brenn­ stoff gewährleistet eine gute Verbrennung.

Die Zwischenräume zwischen den Einzelstrahlen der Düsen gestatten den Zutritt von heißer Sekundärluft zum Flammeninneren, wobei die erwähnte innere Versperrung am Brennermund eine Zirkulation bewirkt, die eine intensive Zündung und anschließend Luftmangel im Flammen­ kern zur Folge hat. Die Einzelstrahlen ziehen durch Verwirbelung im weiteren Verlauf verstärkt Sekundärluft von außen in die Flamme, wodurch ein Langziehen der Flamme vermieden wird. Außerdem wird die Flammentemperatur gesenkt, was die Bildung von thermischem NO _x vermindert.

Die hohe Geschwindigkeit von Primärluft und Brenn­ stoff sowie die Vermeidung örtlicher Überkonzen­ trationen von Brennstoff ergeben einen hohen Aus­ brand und verhindern das Ausfallen von Brenn­ stoff aus der Flamme.

Einige Ausführungsbeispiele in der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Längsschnitt und Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispieles,

Fig. 3 bis 8 Längsschnitt und Stirnansicht von drei weiteren Ausführungsbeispielen,

Fig. 9 bis 11 schematische Darstellungen der aus unterschiedlichen Düsen aus­ tretenden Einzelstrahlen,

Fig. 12 bis 23 Längsschnitt und Querschnitt (bzw. Stirnansicht) von sechs weiteren Ausführungsformen,

Fig. 24 Schnitt durch eine Gußform zur Herstellung einer Düsenplatte.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brenner für pulverförmigen Brennstoff, insbesondere Kohlenstaub, enthält ein Rohr 1, das einen Kanal 2 zur Zuführung eines Gemisches von Brennstoff (Pfeil 3) und Förder­ luft (Pfeil 4) umschließt. Das Rohr 1 ist durch Führungsstege 5 in einem äußeren Brennerrohr 6 an­ geordnet, das im Bereich des in Fig. 1 veranschau­ lichten Brennerkopfes mit einer Auskleidung 7 ver­ sehen ist.

Im Brennerkopf ist mit Abstand vor dem brennraum­ seiten Ende des Kanales 2 eine Prallfläche 8 vorge­ sehen, die bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine aus Material hoher Verschleißfestigkeit bestehende Prallplatte 9 ge­ bildet wird.

Die Prallfläche 8 wird von einer Anzahl ringförmig in gleichmäßiger Umfangsteilung angeordneter Düsen 10 umgeben, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch einzelne Düsenkörper 11 gebildet werden und axial, d.h. parallel zur Längsachse des Brenners gerichtet sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist die Auskleidung 7 des Brennerkopfes und die Prall­ platte 9 einstückig ausgebildet und stellt zugleich die Halterung für die Düsenkörper 11 dar. Die Düsenkörper 11 sind zweckmäßig austauschbar. Es kann ferner auch die Möglichkeit vorgesehen werden, die Düsenkörper 11 einstellbar zu haltern, so daß die Achsrichtung der aus den Düsen 10 austretenden Strahlen des Brennstoff-Primärluft-Gemisches ver­ ändert werden kann.

Der zwischen dem Rohr 1 und dem äußeren Brennerrohr 6 befindliche Kanal 12 dient zur Zuführung von Brennerluft bzw. weiterer Primärluft (Pfeil 13). Dieser Kanal 12 mündet ebenso wie der zentrale Kanal 2 in einen Mischraum 14, der brennraumseitig durch die Prallfläche 8 und die Düsen 10 abge­ schlossen wird. In diesem Mischraum 14 erfolgt eine mechanisch-pneumatische Verteilung des Brenn­ stoffes, eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der gesamten Primärluft und eine Aufteilung auf die durch die Düsen 10 austretenden Einzel­ strahlen.

In dem zur Zuführung eines Gemisches von Brennstoff und Förderluft dienenden Kanal 2 ist noch ein Hilfs­ und/oder Zündbrenner 15 angeordnet, der zentral durch die Prallplatte 9 hindurchgeführt ist. Die brennraumseitige Stirnfläche des Brennerkopfes ist mit einer feuerfesten Schutzfläche 16 ver­ sehen.

Bei den im folgenden beschriebenen weiteren Aus­ führungsbeispielen sind für gleiche Bauteile je­ weils dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Erläutert werden lediglich die von der beschriebenen Ausführung abweichenden Einzelheiten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 sind die Düsen 10 divergent gerichtet. Ein Hilfs- und/oder Zündbrenner 15 ist hierbei nicht vorge­ sehen.

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen ein Ausführungs­ beispiel, bei dem die Düsen 10 - bezogen auf die Längsachse des Brenners - konvergent gerichtet sind.

Bei der in den Fig. 7 und 8 veranschaulichten Aus­ führungsform weisen die Düsen 10 eine tangentiale Neigung auf. Die Richtung der aus den Düsen 10 austretenden Einzelstrahlen ist in Fig. 7 (ebenso wie in den Fig. 3 und 5) durch Pfeile angedeutet.

Die Fig. 9 bis 11 veranschaulichen schematisch die aus den Düsen 10 in den Brennraum 17 austretenden Strahlen des Primärluft-Brennstoff-Gemisches. Dabei ist in Fig. 9 eine axiale Richtung der Düsen (evtl. mit einer tangentialen bzw. Drallkomponente) angenommen. Fig. 10 veranschaulicht eine divergente Düsenanordnung und Fig. 11 eine kon­ vergente Richtung der Düsen. Es ergeben sich hierbei zwischen benachbarten Einzelstrahlen unterschiedlich große Zwischenräume 18 zum Ein­ strömen der Sekundärluft.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 12 und 13 wird die Prallfläche 8 durch Brennstoff 19 ge­ bildet, der sich in einer Vertiefung 20 a einer die Düsen 10 enthaltenden Platte 20 aufstaut. Die Düsen 10 sind bei diesem Ausführungsbeispiel axial (parallel zur Längsachse des Brenners) aus­ gerichtet. Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 12 und 13 ist vor allem geeignet, wenn die Förderluftmenge gering, die Beladung demgemäß groß und die Menge der weiteren Primärluft (Brenner­ luft bzw. Reinprimärluft) groß ist.

Die Fig. 14 bis 21 zeigen demgegenüber Brenner­ ausführungen, die bevorzugt Anwendung finden, wenn die Förderluftmenge, die Beladung und die Rein­ primärluftmenge jeweils mittlere Werte besitzen.

Bei der Ausführung gemäß den Fig. 14 und 15 wird die Prallfläche 8 (wie gemäß den Fig. 12 und 13) durch Brennstoff 19 gebildet, der sich in der Vertiefung 20 a der Düsen 10 enthaltenden Platte 20 aufstaut. Die Platte 20 ist hier mit einer zusätzlichen Armierung 21 versehen.

Der zur Zuführung der weiteren Primärluft ( Reinprimärluft) dienende Kanal 12 mündet beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 14 und 15 über Düsen 22 in den Mischraum 14. Die Düsen 22 sind in einem Ring 23 angeordnet, der zwischen dem Rohr 1 und der Auskleidung 7 des äußeren Brennerrohres 6 angeordnet ist. Durch diese Düsen 22 wird erreicht, daß die Reinprimärluft (deren Menge hier gegenüber dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 12 und 13 verringert ist) mit der für eine gute Einmischung des Brennstoffes erforderlichen hohen Geschwindigkeit in den Mischraum 14 eintritt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 16 und 17 sind die Düsen 10 divergent gerichtet. Bei der Variante entsprechend den Fig. 18 und 19 weisen die Düsen 10 eine konvergente Richtung auf. Gemäß den Fig. 20 und 21 besitzen die Düsen 10 eine tangentiale Anstellung. Im übrigen entsprechen die Ausführungen nach den Fig. 16 bis 21 der Anordnung entsprechend den Fig. 14 und 15.

Die Fig. 22 und 23 zeigen eine Brennerausführung, die besonders geeignet ist, wenn die Förderluft­ menge groß und die Beladung klein ist und keine weitere Primärluft (Reinprimärluft) zugeführt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Rohr 1 an seinem brennraumseitigen Ende durch eine ge­ schlossene Platte 24 gehalten. Die gesamte Primär­ luft wird zusammen mit dem Brennstoff durch den Kanal 2 zugeführt. Die übrige Ausgestaltung des Brennerkopfes entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 14 und 15. Es versteht sich, daß auch hier die Düsen 10 gewünschtenfalls mit konvergenter, divergenter und/oder tangentialer Richtung ausgeführt werden können.

Fig. 24 veranschaulicht die Herstellung einer Düsenplatte 25 aus Gießkeramik in einer Gußform 26. Zur Formung der Düsen dienen dabei Kerne 27.

Claims (12)

1. Brenner für pulverförmige Brennstoffe, ent­ haltend einen Kanal (2) zur Zuführung eines Gemisches von Brennstoff und Förderluft, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Im Brennerkopf ist mit Abstand vor dem brennraumseitigen Ende des Kanales (2) eine Prallfläche (8) angeordnet;
• b) die Prallfläche (8) wird von ringförmig, in gleichmäßiger Umfangsteilung angeordneten Düsen (10) umgeben, durch die das Brennstoff- Luft-Gemisch aus dem Brennerkopf in den Brenn­ raum (17) austritt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Zuführung eines Gemisches von Brenn­ stoff und Förderluft dienende Kanal (2) zentral angeordnet und von einem zur Zuführung von weiterer Primärluft bestimmten ringförmigen Kanal (12) umgeben ist, der in einen brenn­ raumseitig durch die Prallfläche (8) und die Düsen (10) abgeschlossenen Mischraum (14) mündet.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Prallfläche (8) durch eine aus Material hoher Verschleißfestigkeit bestehen­ de Prallplatte (9) gebildet wird.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche (8) durch in einer Ver­ tiefung (20 a) aufgestauten Brennstoff (19) gebildet wird.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Düsen (10) durch einzelne Düsen­ körper (11) gebildet werden, die in einer Halterung einstellbar und/oder austauschbar angeordnet sind.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Düsen (10) durch eine einstückig aus metallischem oder keramischem Werkstoff hergestellte Düsenplatte (20) gebildet werden.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (10) - bezogen auf die Längsachse des Brenners - parallel, divergent oder kon­ vergent gerichtet sind.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (10) zusätzlich eine tangentiale Neigung aufweisen.

9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zur Zuführung eines Gemisches von Brennstoff und Förderluft dienenden Kanal (2) ein zentral durch die Prallfläche (8) hindurch­ geführter Hilfs- und/oder Zündbrenner (15) angeordnet ist.

10. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch die Förderluft mit einer Ge­ schwindigkeit von 20 bis 30 m/s und einer Beladung von 2 bis 10 kg/m³ in den Brenner­ kopf transportiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gesamte Primärluft (Förder­ luft und etwaige weitere Primärluft) 5 bis 10% der Verbrennungsluft beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Luftgeschwindigkeit in den Düsen (10) 40 bis 160 m/s beträgt.