DE3837586A1 - Vergasungsbrenner fuer eine anlage fuer die vergasung von festen brennstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner für eine Anlage für die Vergasung von feinkörnigen bis staubförmigen festen Brennstoffen, die einen Vergasungsreaktor aufweist, - mit einem zentralen ersten Zufüh­ rungskanal für Primäroxidationsmittel, einem umgebenden Brennstoff- Ringkanal für die Brennstoffe die mit einem Trägergas eingeführt wer­ den, einem den Brennstoff-Ringkanal umgebenden zweiten ringförmigen Zuführungskanal für Sekundäroxidationsmittel, sowie mit Kühlkanälen und gegebenenfalls zumindest einem Moderatorgas-Ringkanal, wobei eine Mehrzahl der Vergasungsbrenner mit ihrem Brennstoff/Reaktions­ mittel-Strahl in den Vergasungsreaktor hineinbrennen und die Brenn­ stoff/Reaktionsmittel-Strahlen in dem Vergasungsreaktor eine Primärre­ aktionszone hoher Temperatur bilden sowie aus dem Vergasungsreaktor ein im wesentlichen kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltiges Rohgas ab­ gezogen wird. Der grundsätzliche Aufbau des Vergasungsbrenners ist symmetrisch. Die Vergasung wird als Druckvergasung durchgeführt. Die festen Brennstoffe sind insbesondere Kohle, Koks, Petrolkoks und dergleichen. Als Oxidationsmittel werden insbesondere Sauerstoff und/ oder Luft sowie gegebenenfalls Wasserdampf eingesetzt. Das Trägergas ist ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid, oder entstaubtes Rohgas. ln dem Ausdruck Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl bezeichnet Reaktionsmittel sowohl die Oxidationsmittel als auch bereits entstandene Reaktionsprodukte, gegebenenfalls auch Moderatorgas und Trägergas. Das den Reaktor verlassende Rohgas führt bekanntlich Flugstaub mit, der z. B. in einer Menge von bis zu 15 Gew.-% Brenn­ stoff mitführt. Der Flugstaub wird mit geeigneten Entstaubungseinrich­ tungen aus dem Rohgas entfernt. Seine Entsorgung ist aufwendig.

Um den Flugstaub zu entsorgen, ist es bekannt, den Flugstaub in den Vergasungsprozeß zurückzuführen. Sein Brennstoffanteil soll dabei ver­ brannt werden, im übrigen soll der Flugstaub eingeschmolzen werden. lm Rahmen von bekannten Maßnahmen (EP 00 72 457 B1, EP 01 09 109 Bl) wird der Flugstaub dem frischen Brennstoff beigemischt und zu­ sammen mit dem Brennstoff den Vergasungsbrennern zugeführt. Das ist aufwendig und erfordert eine besondere Aufbereitung der Flugasche, nämlich umfangreiche und komplizierte technische Einrichtungen mit großen Sicherheitsvorkehrungen. Der Porenraum oder Lückenraum des Flugstaubes ist mit dem kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltigen Roh­ gas gefüllt, welches erst durch mehrmaliges Beaufschlagen und Umpum­ pen mit lnertgas bis unter die Gefahrengrenze verdünnt oder entfernt werden muß. Auch die Beaufschlagung des aus dem Flugstaub abge­ trennten Rohgases ist umständlich und aufwendig, da es häufig schwe­ felhaltig ist und aus Gründen des Umweltschutzes weder abgefackelt noch sonstwie verbrannt und in die Atmosphäre entlassen werden kann. lm übrigen stört, daß der dem frischen Brennstoff beigemischte Flug­ staub den Heizwert des Brennstoffes reduziert, was die Thermodynamik und die Reaktionskinetik des Vergasungsprozesses beeinflußt. Es ist auch bekannt, den Flugstaub in den Vergasungsreaktor zurückzuführen (DE 29 09 000 C2), und zwar über besondere, von den Vergasungsbren­ nern getrennte Zuführungsdüsen. Das beeinträchtigt die Vergasungs­ reaktion und hat in die Praxis kaum Eingang gefunden. ln der Praxis ist es eher üblich (DE-AS 23 25 204), den Flugstaub in einem Reaktor auf die Schlacke aufzublasen, wobei im allgemeinen auch der Restkoh­ lenstoff in die Schlacke geht.

Vergasungsbrenner sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. lnsbesondere kennt die Praxis solche des eingangs beschriebenen Auf­ baus. Es ist üblich, solche Vergasungsbrenner und Zündbrenner zu in­ tegrieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vergasungsbrenner des eingangs beschriebenen Aufbaus sowie der eingangs beschriebenen Zweckbestimmung zu schaffen, mit dem Flugstaub, insbesondere der in der Anlage zur Vergasung der festen Brennstoffe anfallende Flugstaub, ohne Störung des Vergasungsprozesses in diesen zurückgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß in dem ersten Zu­ führungskanal eine rohrförmige Injektionslanze angeordnet ist, die von Oxidationsmittel umströmt ist, und daß durch die Injektionslanze ein Flugstaub/Trägergas-Strom in den Kern des Brennstoff/Reaktionsmittel- Strahles injizierbar ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der rück­ geführte Flugstaub in die Primärreaktionszone, die eine Temperatur von über 2000°C aufweist, gelangt und dort eingeschmolzen wird, während seine brennbaren Bestandteile vergasen. Vorzugsweise ist die Injektionslanze axial in den ersten Zuführungskanal eingesetzt. Das führt zu einem symmetrischen, kreisförmigen Brennstoff-Reaktionsmittel Strahl. Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß ein aus einem Verga­ sungsbrenner austretender Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl, insbesond­ dere ein rotationssymmetrischer Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl, in gasdynamischer Hinsicht sehr stabil ist und einen Flugaschenmengen­ strom in die Primärreaktionszone hineintragen kann. Die Vergasungs­ reaktion beginnt bereits in dem Brennstoff/Reaktionsmittel-Strom und wird hier so wie in der Primärreaktionszone durch den Flugstaub nicht gestört, wozu beiträgt, daß auch deren Restkohlenstoff vergast wird. Der Mengenstrom an Flugstaub darf allerdings nicht zu groß gewählt werden. Überraschenderweise wird aus der Primärreaktionszone der Flugstaub kaum stärker ausgetragen als üblich und ohne die be­ schriebene Rückführung. Er reichert sich nicht an. Eine besondere Flugstaubentsorgung ist nicht mehr erforderlich, wenn mit erfindungs­ gemäßen Vergasungsbrennern gearbeitet wird, der Flugstaub wird viel­ mehr zu Schlacke aufgeschmolzen.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. lm allgemeinen wird man die Anordnung so treffen, daß die Injektionslanze im Bereich der Mündung des ersten Zuführungskanals, des Brennstoffkanals sowie des zweiten Zuführungskanals in der Brennerfront mündet. Eine bevorzugte Aus­ führungsform der Erfindung, die eine Einstellung auf unterschiedliche Betriebsverhältnisse zuläßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die In­ jektionslanze und damit ihre Mündung in axialer Richtung verstellbar sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Vergasungsbrenner kann die Injektionslan­ ze von dem Primäroxidationsmittel umströmt sein. Je nach den Strö­ mungsgeschwindigkeiten ist auch bei dieser Ausführungsform sicherge­ stellt, daß der Flugstaub in die Primärreaktionszone gelangt und den Vergasungsvorgang nicht stört. Stabiler sind die Verhältnisse, wenn die Injektionslanze von einem Oxidationsmittelkanal und dieser von dem ersten Zuführungskanal umgeben ist. Dabei empfiehlt es sich, die Auslegung so zu treffen, daß der Oxidationsmittelkanal eine parallel zur Achse des Vergasungsbrenners verlaufende Mündung, der erste Zu­ führungskanal eine nach außen gerichtete Mündung sowie der zweite Zuführungskanal eine nach innen gerichtete Mündung aufweisen. lm Rahmen der Erfindung liegt es, den zweiten Zuführungskanal mit einer Mehrzahl von äquidistant über den Umfang verteilten Mündungsbohrun­ gen zu versehen. Die Mündung kann auch als Ringspalt ausgeführt sein. Wie auch im Rahmen der bekannten Maßnahmen empfiehlt es sich, zwischen dem ersten Zuführungskanal und dem Brennstoff-Ringkanal einen Kühlkanal anzuordnen.

Im Rahmen der Erfindung darf, wie bereits erwähnt, nicht ein zu großer Flugstaubmengenstrom in den Vergasungsbrenner eingeführt werden. Nichtsdestoweniger sind insoweit im großen Bereich Einstellun­ gen möglich. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in diesem Zusammen­ hang dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionslanze für die Zufüh­ rung eines Flugstaubmengenstromes eingerichtet ist, der um einen Fak­ tor von 0,01 bis 0,15 kleiner ist als der Brennstoffmengenstrom. In diesem Bereich kann im allgemeinen der gesamte bei einer Anlage für die Vergasung von feinkörnigen bis staubförmigen festen Brennstoffen anfallende Flugstaub, mit seinem Anteil an Brennstoff, zurückgeführt werden.

Im folgenden werden die beschriebenen und weiteren Merkmale der Er­ fingung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen in schematischer Darstel­ lung

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vergasungs­ brenner,

Fig. 2 eine Ansicht des Gegenstandes der Fig. 1, ausschnittsweise.

Der in den Figuren dargestellte Vergasungsbrenner ist für eine nicht gezeichnete Anlage für die Vergasung von feinkörnigen bis staubförmi­ gen festen Brennstoffen bestimmt. Die Anlage weist einen Vergasungs­ reaktor auf. Eine Mehrzahl der Vergasungsbrenner brennen mit ihrem Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl in den Vergasungsreaktor hinein und sind dazu im allgemeinen auf gleicher Höhe äquidistant um den Um­ fang des Vergasungsreaktors verteilt. Die Brennstoff/Reaktionsmittel- Strahlen bilden in dem Vergasungsreaktor eine Primärreaktionszone hoher Temperatur. Es versteht sich, daß aus dem Vergasungsreaktor ein Rohgas abgezogen wird.

Zum grundsätzlichen Aufbau des Vergasungsbrenners gehören ein erster Zuführungskanal 1 für die Primäroxidationsmittel, ein umgeben­ der Brennstoff-Ringkanal 2 für die Brennstoffe, die mit einem Träger­ gas eingeführt werden, ein den Brennstoff-Ringkanal 2 umgebender zweiter ringförmiger Zuführungskanal 3 für Sekundäroxidationsmittel und Kühlkanäle 4, sowie gegebenenfalls zumindest ein Moderatorgas- Ringkanal 5.

In dem ersten Zuführungskanal 1 befindet sich eine rohrförmige Injek­ tionslanze 6, die von Oxidationsmittel umströmt ist. Durch die Injek­ tionslanze 6 ist ein Flugstaub/Trägergasstrom in den Kern des Brenn­ stoff/Reaktionsmittel-Strahles injizierbar. Das Trägergas ist beispiels­ weise Rohgas. Im Ausführungsbeispiel mündet die Injektionslanze 6 im Bereich der Mündungen des ersten Zuführungskanals 1, des Brennstoff- Ringkanals 2 sowie des zweiten Zuführungskanals 3 und damit gleich­ sam in der Front des Vergasungsbrenners. Eine trichterförmige Aus­ bildung schließt sich an. Die Injektionslanze 6 verläuft in der Achse des Vergasungsbrenners. Sie kann in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeils axial verstellbar sein, was eine Anpassung an unter­ schiedliche Betriebsverhältnisse zuläßt.

Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Er­ findung ist die Injektionslanze 6 von einem Oxidationsmittelkanal 7 und dieser von dem ersten Zuführungskanal 1 umgeben. Dabei besitzt der Oxidationsmittelkanal 7 eine Mündung 8, die parallel zur Achse des Vergasungsbrenners gerichtet ist und entsprechend tritt das Oxi­ dationsmittel aus einem Oxidationskanal, den Flugstaubmengenstrom umhüllend aus. Der erste Zuführungskanal 1 besitzt demgegenüber eine nach außen gerichtete Mündung 9. Die Mündung 10 des zweiten Zuführungskanals 3 ist demgegenüber nach innen gerichtet, wie es auch bei den eingangs beschriebenen Vergasungsbrennern üblich ist. Im Rahmen der Erfindung liegt es, den zweiten Zuführungskanal 3 mit einer Mehrzahl von äquidistant über den Umfang verteilten Mündungs­ bohrungen 11 zu versehen, wie es in Fig. 2 angedeutet wurde. lm übrigen sind alle Mündungen als Ringspalte ausgeführt. Zwischen dem ersten Zuführungskanal 1 und dem Brennstoff-Ringkanal 2 befindet sich ein ringförmiger Kühlkanal 4. Angedeutet wurde ein Flammenüber­ wacher 12, mit dem der Vergasungsbrenner auf bekannte Weise über­ wacht werden kann. Ein äußerer Kühlmantel 13 mit weiteren Kühlkanä­ len 4 schließt sich an. Im Rahmen der Erfindung liegt es, in der In­ jektionslanze 6 eine isolierte Zündelektrode 14 anzuordnen, wie es an der Mündung der Injektionslanze 6 strichpunktiert angedeutet wurde.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befinden sich die Injektionslanze 6, der Oxidationsmittelkanal 7, der erste Zuführungs­ kanal 1 und der Kühlkanal 4 in einem bzw. an einem einheitlichen Bauteil, welches durch enge Schraffur verdeutlicht und in axialer Richtung verstellbar ist. Insoweit besteht der erfindungsgemäße Verga­ sungsbrenner gleichsam aus zwei selbständigen Baugruppen, die auch austauschbar sind. Durch das Austauschen ist eine Anpassung an un­ terschiedliche Betriebsverhältnisse möglich.

Das für die Vergasung des feinkörnigen bis staubförmigen Brennstoffes erforderliche Oxidationsmittel Sauerstoff wird in zwei Ströme aufge­ teilt, den primären und den sekundären Vergasungssauerstoff, deren Massenverhältnisse primär zu sekundär 1:1,15 bis 1,3 betragen kön­ nen. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Sauerstoffstrom aus dem ersten Zuführungskanal unter einem Einströmwinkel von 0 bis 20° zur Mittelachse des Vergasungsbrenners auf den Brennstoffstrom trifft. Die Austrittsgeschwindigkeit von 60 bis 120 m/s des primären Sauerstoffs dient neben einer innigen Vermischung der Stoffe auch dazu, den Brennstoff von einer niedrigen Anfangsgeschwindigkeit auf die Ge­ schwindigkeit zu beschleunigen, die der Axialgeschwindigkeit des se­ kundären Sauerstoffs entspricht bzw. nahekommt. Dieser tritt unter einem Winkel von 20 bis 50° zur Mittelachse des Vergasungsbrenners mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 100 m/s aus.

Von besonderer Bedeutung ist der Flammenüberwacher 12. Er erlaubt es, festzustellen, ob sich Verbackungen von Flugstaubteilchen gebildet haben.

Der erfindungsgemäße Vergasungsbrenner kann auch als Zündbrenner eingesetzt werden, und zwar insbesondere bei Kohlevergasungsanlagen.

Claims (11)

1. Vergasungsbrenner für eine Anlage für die Vergasung von feinkör­ nigen bis staubförmigen festen Brennstoffen, die einen Vergasungs­ reaktor aufweist, - mit
einem zentralen ersten Zuführungskanal für Primäroxida­ tionsmittel,
einem umgebenden Brennstoff-Ringkanal für die Brennstoffe, die mit einem Trägergas eingeführt werden,
einem den Brennstoff-Ringkanal umgebenden zweiten ring­ förmigen Zuführungskanal für Sekundäroxidationsmittel,
sowie mit Kühlkanälen und gegebenenfalls zumindest einem Moderator­ gas-Ringkanal, wobei eine Mehrzahl der Vergasungsbrenner mit ihrem Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl in den Vergasungsreaktor hineinbren­ nen und die Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahlen in dem Vergasungsre­ aktor eine Primärreaktionszone hoher Temperatur bilden sowie aus dem Vergasungsreaktor ein Rohgas abgezogen wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem ersten Zuführungskanal (1) eine rohrförmige Injektionslanze (6) angeordnet ist, die von Oxidations­ mittel umströmt ist, und daß durch die Injektionslanze (6) ein Flug­ staub/Trägergas-Strom in den Kern des Brennstoff/Reaktionsmittel- Strahles injizierbar ist.

2. Vergasungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionslanze (6) axial in den ersten Zuführungskanal (1) ein­ gesetzt ist.

3. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Injektionslanze (6) im Bereich der Mündungen des ersten Zuführungskanals (1), des Brennstoffkanals (2) sowie des zweiten Zuführungskanals (3) in der Brennerfront mündet.

4. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Injektionslanze (6) und damit deren Mündung in axialer Richtung verstellbar sind.

5. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Injektionslanze (6) von dem Primäroxidations­ mittel umströmt ist.

6. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Injektionslanze (6) von einem Oxidationsmittel­ kanal (7) und dieser von dem ersten Zuführungskanal (1) für das Oxidationsmittel umgeben ist.

7. Vergasungsbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsmittelkanal (7) eine parallel zur Achse des Vergasungs­ brenners verlaufende Mündung, der erste Zuführungskanal (1) eine nach außen gerichtete Mündung (9) sowie der zweite Zuführungskanal (3) eine nach innen gerichtete Mündung (10) aufweisen.

8. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Zuführungskanal (3) eine Mehrzahl von äquidistant über den Umfang verteilten Mündungsbohrungen (11) auf­ weist.

9. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem ersten Zuführungskanal (1) und dem Brennstoff-Ringkanal (2) ein ringförmiger Kühlkanal (4) angeordnet ist.

10. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Injektionslanze (6), der Oxidationskanal (7), der erste Zuführungskanal (1) und der Kühlkanal (4) ein einheitliches Bauteil bilden, welches durch den Kühlkanal (4) von den übrigen Bauteilen des Vergasungsbrenners getrennt ist, und daß dieses ein­ heitliche Bauteil in axialer Richtung verstellbar ist.

11. Vergasungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionslanze (6) für die Zuführung eines Flugstaubmengenstromes eingerichtet ist, der um einen Faktor von 0,01 bis 0,15 kleiner ist als der Brennstoffmengenstrom.