DE4435640C2 - Brenner zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Bei der Verbrennung von Brennstoff, insbesondere staubförmiger Kohle, entstehen Stickoxide in erster Linie durch Oxidation des in der Kohle enthaltenden Brennstoffstickstoffs. Es kommt zunächst zur Bildung von Wasserstoffcyanid (HCN) oder Ammoniak (NH₃). Diese werden dann zu Stickoxiden oxidiert. Es wird daher eine mindestens zweistufige Verbrennung angestrebt, bei der zunächst eine Verbrennung unter unterstöchiometrische Bedingungen (Primärverbrennungszone) mit Primär- und Mantelluft durchgeführt wird, so daß verbleibende verbrennliche Komponenten in einer nachfolgenden sekundären Verbrennungszone verbrannt werden. Bei dieser gestuften Verbrennung muß bei kleiner Luftzahl in der Primärverbrennungszone die Zündstabilität gewährleistet bleiben, d. h. es muß für eine besonders gute Einmischung der als erstes zu zündenden Brennstoffanteile gesorgt werden.

Da in der Primärverbrennungszone unterstöchiometrisch verbrannt wird, muß ein relativ hoher Tertiär- bzw. Stufenluftanteil möglichst spät, jedoch besonders gut eingemischt werden. Gleichzeitig sollte die Möglichkeit, Rauchgas aus dem die Flamme umgebenden Feuerraum in die Flamme einzusaugen, gewährleistet sein.

Hieraus ergibt sich, daß für den Betrieb eines solchen Brenners eine möglichst hohe Zahl von Freiheitsgraden für eine Brenneroptimierung zur Verminderung der Bildung von Stickoxiden zur Verfügung stehen sollte.

Bei dem aus der DE 42 17 879 A1 bekannten Brenner wird zu diesem Zwecke die Tertiärluft in einem die verdrallte Mantelluft umgebenden Ringstrahl zugeführt, der aus dem Ringraum eines das Mantelluftrohr umgebenden Tertiärluftrohrs austritt. Mantelluftrohr und Tertiärluftrohr sind jeweils mit einem spiralförmigen Einlaufgehäuse und mit separaten Lufteintrittsleitungen verbunden. Darüber hinaus ist innerhalb des Primärluftrohres ein auf dem Kernluftrohr befestigter Dralleinsatz vorgesehen, der eine eine gleichmäßige Durchströmung des Primärluftrohres ergebende Rotationsströmung erzeugt. Gleichzeitig wird der Kohlenstaub innerhalb des Gemischstromes am äußeren Umfang des Primärluftrohres angereichert; bei Austritt aus dem Primärluftrohr wird durch einen dort angeordneten Ring die Kohlenstaubkonzentration im Randbereich aufgerissen, wodurch Rezirkulationswirbel erzeugt werden. Diese Rezirkulationswirbel sorgen für eine beschleunigte Aufheizung des Kohlenstaubes und eine ausreichende Durchmischung des Kohlenstaubes mit einem Teil der Mantelluft. Die Kohlenstaubkonzentration an einer definierten Stelle in der Brennermuffel bewirkt das Auftreten eines partiell sehr starken Luftmangels der örtlich und zeitlich mit der Ausgangsphase des Kohlenstaubs einhergeht. Dem Primärluftrohr ist ein rechtwinkliger Einlaufkrümmer vorgeschaltet. Nachteilig ist, daß für die Veränderung der Kohlenstaubverteilung im Primärluftrohr ein im Primärluftstrom angeordneter Dralleinsatzes erforderlich ist.

Aus der EP 0 489 928 A1 ist ein Brenner der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem in dem Gemisch aus Luft und Brennstoff (Primärluft) bei Umlenkung mittels des Eintrittskrümmers in das Primärluftrohr eine Aufkonzentrierung des Brennstoffs an der dem Feuerraum zugewandten Seite des Umlenkkrümmers erzwungen wird. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Beaufschlagung des Primärluftrohrs und damit der Flamme mit Brennstoff. Der Brenner kann somit hinsichtlich der Bildung von NOX nicht optimiert werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem die Brenneroptimierung hinsichtlich der Verminderung der Bildung von Stickoxiden weiter verbessert wird, indem eine einfache gleichmäßige Beaufschlagung des Primärluftrohrs mit dem Brennstoff-Luftgemisch angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zusätzlich ein Umlenkkrümmer vorgesehen ist und daß zwischen dem Umlenkkrümmer und dem Eintrittskrümmer ein in seinem Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Umlenkkrümmers erweiterter Verzögerungskanal angeordnet ist und am Ende des Verzögerungskanals im Bereich der sich im Umlenkkrümmer bildenden und durch den Verzögerungskanal geführten Brennstoffstaubsträhne ein Strähnenbrecher angeordnet ist und die den Verzögerungskanal durchsetzende Gasströmung im Eintrittskrümmer so umgelenkt wird, daß die Gasströmung unter einem vorgegebenen Winkel auf die zumindest in Teilsträhnen gebrochene Brennstoffstaubsträhne auftrifft und Luft und Kohlenstaub in gleichmäßiger Verteilung in das Primärluftrohr eintreten.

Die Unteransprüche 2-4 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Brenners nach Anspruch 1.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners, wobei am Kohlenstaubaustritt eine Einziehung am äußeren Umfang vorgesehen ist,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Brennerkopf gemäß Fig. 1 zur Darstellung der sich ausbildenden Kohlenstaubsträhne und der Gasströmung, wobei die Anströmung von unten erfolgt,

Fig. 3 eine Darstellung vergleichbar Fig. 2, wobei die Anströmung von oben erfolgt und

Fig. 4 eine perspektivische Teildarstellung des Brennerkopfes zur Erläuterung der Anordnung eines am Eintrittsende des Primärluftrohrs angeordneten Strahlenbrechers in "gläserner Darstellung",

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners. In der Brennerlängsachse ist eine Ölzündlanze 1 vorgesehen, die innerhalb eines Kernluftrohres 2 angeordnet ist. In der Figur ist schematisch der Flammenkegel 3 der Ölzündflamme angedeutet. Das Kernluftrohr ist an seinem hinteren Ende durch eine Platte 2a verschlossen, die von der Öllanze durchsetzt ist, und weist in der Nähe seines hinteren Endes eine seitliche Öffnung 2b auf. Weiterhin ist das Kernluftrohr axial verschieblich - wie durch den Pfeil P angedeutet - in einem Führungsrohr 4 gelagert. Rechtwinklig zum Führungsrohr 4 ist mit diesem ein Kernluftzuführungsrohr 5 verbunden. Der Austrittsöffnung des Kernluftzuführungsrohres 5 ist die seitliche Öffnung 2b des Kernluftrohres 2 zugeordnet und mit einer entsprechenden axialen Öffnungsweite versehen derart, daß bei Verschiebung des Kernluftrohres die über das Kernluftzuführungsrohr herangeführte Luft ungehindert in das Kernluftrohr eintreten kann.

Der vordere Abschnitt des Kernluftrohres ist unter Bildung eines zylindrischen Ringkanals von einem Primärluftrohr 6 umgeben, dessen Austrittsöffnung gegenüber der Austrittsöffnung des Kernluftrohres zurückversetzt ist.

Das Kernluftrohr wird auf folgende Weise mit einem Kohlenstaub-Gas-Gemisch beaufschlagt. Das von einer nicht gezeigten Kohlenmahlanlage oder Kohlenstaubquelle herangeführte Kohlenstaub-Gas-Gemisch wird einem dem Brenner vorgeschalteten Umlenkkrümmer 7 zugeführt, in dem eine Aufkonzentrierung des Kohlenstaubs K an der dem Feuerraum zugewandten Seite des Umlenkkrümmers erzwungen wird. Der Umlenkkrümmer 7 ist vorzugsweise ein stetig gekrümmter Umlenkkrümmer. Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, erfolgt diese zwangsweise Aufkonzentration unabhängig davon, ob die Anströmung von unten (Fig. 2) oder von oben (Fig. 3) erfolgt. Auf den Umlenkkrümmer 7 folgt ein Verzögerungskanal 8 in Form einer Kanalerweiterung, die bei der gezeigten Ausführungsform ein Kanal mit rechteckigem Querschnitt ist, d. h. es erfolgt hier ein erweiternder Übergang von einer Leitung mit rundem Querschnitt auf eine Leitung mit rechteckigem Querschnitt. In dem Verzögerungskanal wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases von z. B. 23 m/s auf 12 m/s reduziert, wodurch sich die Kohlenstaubgeschwindigkeit ebenfalls verringert. Neben der Verlangsamung der Strömung wird in dem Verzögerungskanal 8 eine zumindest teilweise Entmischung des Kohlenstaub-Gas-Gemisches erreicht, wie dies in den Fig. 2 und 3 durch den Kohlenstaub K und die Gasströmung G schematisch dargestellt ist. Bei senkrechter Anströmung von unten oder oben kann die Ausbildung der Staubsträhne K durch eine entsprechende geometrische Gestaltung des Eintritts der Kohlenstaubleitung in den Verzögerungskanal festgelegt werden.

Die bereits verlangsamte Kohlenstaubsträhne K trifft am Ende des Verzögerungskanals 8 auf einen Strähnenbrecher 9. Der Strähnenbrecher 9 besteht aus einer Vielzahl von stabförmigen Brechelementen 10, die längs eines vorgegebenen Kreissektors der Eintrittsöffnung 11a einer venturiartigen Eintrittsbaugruppe 11 vorgeschaltet sind und sich im wesentlichen parallel zur Brennerachse erstrecken. Bei der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform bestehen die Brecherelemente aus auf Abstand angeordneten Quadern. Bei Verschleiß können die Brechelemente leicht ausgetauscht werden.

Die Eintrittsbaugruppe 11 umgibt das dem Feuerraum zugewandte Ende des Führungsrohres 4 unter Ausbildung eines Ringkanals. Die an der Rückwand des Verzögerungskanals anliegende Gasströmung wird durch eine sich vorzugsweise unter einem Winkel von 45° erstreckende und von dem Führungsrohr 4 durchsetzte Schließplatte 12 in die kreisringsartige Eintrittsöffnung der Eintrittsbaugruppe 11 umgelenkt und trifft im Winkel von nahezu 90° auf die verzögerte und durch den Strähnenbrecher aufgelöste Staubströmung. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des Kohlenstaubs über den Ringquerschnitt erreicht. Durch die venturiartige Ausgestaltung der Eintrittsbaugruppe 11 wird eine Beschleunigung der Gasströmung parallel zur Brennerachse erreicht. Durch die am Austritt der Venturibaugruppe entstehende Wirbelbildung werden am Umfang eventuell vorhandene lokale Kohlenstaubsträhnen aufgelöst, wodurch Kohlenstaub und Gas gemischt werden. Die Einschnürung des freien Querschnitts in der Eintrittsbaugruppe kann zwischen 10-70% liegen. Gleichzeitig wird die Gasströmung gestaut, wodurch eine weitere Vergleichmäßigung erzielt wird.

Wie insbesondere aus den Fig. 1-4 ersichtlich ist, stellen die Schließplatte 12 zusammen mit den zugeordneten Seitenwänden 13 und 14, sowie der die Brechelemente 10 tragende Stirnwand 15 zusammen mit der Eintrittsbaugruppe 11 eine Baueinheit dar, die mit der vom Feuerraum abgewandten Seitenwand 16a eines Luftkastens 16 durch eine Schraubverbindung 17 verbunden ist. Die Bauteile 12, 13, 14 und 15 bilden einen Eintrittskrümmer. Nach Aufbau der Verbindung ragt die Eintrittsbaugruppe 11 in das Primärluftrohr 6 hinein, das mit der Seitenwand 16a verschweißt ist. Das Kernluftrohr 2 ist an seinem vorderen Ende von einem Mantelluftrohr 18 umgeben.

Dem Austrittsende des Primärluftrohrs 6 ist ein Flammenhalter 19 zugeordnet. Der Flammenhalter 19 übergreift mit einem geradzylindrischen Ende die freie Kante des Primärluftrohres und ist auf dem Ende des Kernluftrohres 2 abgestützt, so daß sich bei Verschiebung des Kernluftrohres 2 der Flammenhalter 19 in entsprechender Weise verschiebt (vergl. Fig. 1).

In einem zum Einströmende hin sich erweiternden Abschnitt des Mantelluftrohrs 18 ist eine Einrichtung zur Beeinflussung des Dralls in Form von drehbar gelagerten axialen Drallklappen 25 angeordnet, die über ein Gestänge 26 und einen Stellantrieb von außen verstellbar sind. Durch diese axialen Drallklappen wird der Mantelluft ein Drall von einstellbarer Größe aufgezwungen.

An das dem Feuerraum zugewandte Ende des Mantelluftrohres 18 schließt sich eine aus einer Keramikmasse aufgebaute Muffel 27 an, die sich mit einer S-förmigen Gestaltung ihrer Innenfläche zum Feuerraum hin erweitert. Diese Muffelform kombiniert mit der entsprechenden Gestaltung des Kohlenstaubaustritts und einer starken Verdrallung der Mantelluft mit Hilfe der Drallklappen 25 garantiert eine schnelle intensive Zündung. Durch eine hohe Umfangsgeschwindigkeit der Mantelluft und einer entsprechende Gestaltung des Staubaustrittsquerschnittes wird eine schnelle Einmischung von Feinstaub in die Mantelluft realisiert. Die insbesondere aus der Fig. 1 ersichtliche S-Form der Muffel verhindert auch bei hoher Drallintensität der Mantelluft ein Aufreißen der Primärflamme. Die S-Form läuft zum Feuerraum so aus, daß eine Abströmung der Mantelluft mit einer nahezu zur Brennerachse parallelen Strömungskomponente erfolgen kann. Damit werden eine kompakte Primärflamme, eine kleinere, aber intensivere (höhere Rückströmgeschwindigkeit) interne Rezirkulationszone und eine stärkere äußere Rezirkulation des Rauchgases durch Gassen zwischen Stufenluftdüsen 28 für Sekundärverbrennung erreicht, die in einem Kranz um die Brennermuffel 27 herum angeordnet sind. Wie bereits erwähnt, sind zur Steuerung des Ablaufs der Verbrennung in der Primärflamme das Kernluftrohr 6 und der Flammenhalter 19 und damit der Staubaustrittsquerschnitt axial verschiebbar. Über die Verschiebung des inneren Austrittsquerschnitts können bei entsprechender Gestaltung des Kohlenstaubaustrittsquerschnitts die Austrittsgeschwindigkeit der Mantelluft sowie Ort und Geschwindigkeit der Einmischung des Kohlenstaubs in die Mantelluft beeinflußt werden. Damit sind Ort und Intenstität der Zündung, sowie der Stufung des Brennstoffes innerhalb der Primärflamme einstellbar. Neben der Möglichkeit, einen bestimmten Verbrennungsverlauf in der Primärflamme zu steuern, kann mit der Verschiebung des Kohlenstaubaustrittsquerschnitts sehr gut auf verschiedenste Kohlequalitäten bezüglich Zündung und Abbrandverhalten reagiert werden.

Es ist selbstverständlich, daß die Menge an Primärluft, Kernluft, Mantelluft und Stufenluft geregelt werden kann.

Claims (4)

1. Brenner zum Verbrennen von staubförmigem Brennstoff mindestens mit einem ein Gemisch aus Luft und Brennstoff (Primärluft) führenden Primärluftrohr und mit einem dem Primärluftrohr vorgeschalteten Eintrittskrümmer, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Umlenkkrümmer (7) vorgesehen ist und daß zwischen dem Umlenkkrümmer (7) und dem Eintrittskrümmer (12, 13, 14, 15) ein in seinem Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Umlenkkrümmers erweiterter Verzögerungskanal (8) angeordnet ist und am Ende des Verzögerungskanals (8) im Bereich der sich im Umlenkkrümmer bildenden und durch den Verzögerungskanal geführten Brennstoffstaubsträhne (K) ein Strähnenbrecher (9; 10) angeordnet ist und die den Verzögerungskanal durchsetzende Gasströmung (G) im Eintrittskrümmer so umgelenkt wird, daß die Gasströmung (G) unter einem vorgegebenen Winkel auf die zumindest in Teilsträhnen gebrochene Brennstoffstaubsträhtle (K) auftrifft und Luft und Kohlenstaub in gleichmäßiger Verteilung in das Primärluftrohr (6) eintreten.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eintritt in das Primärluftrohr (6) eine Versperrung (11) vorgeschaltet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versperrung (11) venturiartig ausgebildet ist.

4. Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strähnenbrecher (9) aus einer Vielzahl von auf Abstand und vorzugsweise auf einem Kreissektor angeordneten stabförmigen Brechelementen (10) besteht.