DE69520526T2

DE69520526T2 - Kohlenstaubbrenner

Info

Publication number: DE69520526T2
Application number: DE69520526T
Authority: DE
Inventors: Hironobu Kobayashi; Tsuyoshi Kouno; Shigeki Morita; Kiyoshi Narato; Hirofumi Okazaki; Masayuki Taniguchi; Toshikazu Tsumura
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2015-06-28
Also published as: JP3140299B2; CN1137340C; JPH0814510A; US5806443A; EP0690264A2; EP0690264A3; EP0690264B1; DE69520526D1; CN1127865A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner, der geeignet auf einen Kessel mit Kohlenstaubfeuerung, der Kohlenstaub verfeuert, um Dampf zu erzeugen, angewendet wird.
Ein Kohlenstaubbrenner enthält ein oder zwei Luftdüsen, die um den äußeren Umfang einer Brennstoffdüse, die Kohlenstaub im Luftstrom transportiert, konzentrisch angeordnet sind, sowie eine Einrichtung zur Erzeugung einer Wirbelströmung zum Verwirbeln der Verbrennungsluft in den Luftdüsen.
Bei der Verbrennung von Kohlenstaub ist es erforderlich, die Menge der erzeugten Stickstoffoxide (NOx) zu steuern. Der Großteil des während der Verbrennung des Kohlenstaubs erzeugten NOx ist NOx, das durch die Oxidation des in der Kohle enthaltenen Stickstoffs erzeugt wird. Um die Menge des erzeugten NOx zu reduzieren, wurden verschiedene Strukturen des Brenners und verschiedene Verbrennungsverfahren entwickelt.
Als ein Verfahren zum Reduzieren der Menge des erzeugten NOx kann ein Verfahren erwähnt werden, bei dem in einer Brennerflamme ein Oxidationsbereich der Flamme und ein Reduktionsbereich der Flamme gebildet werden, ein sogenanntes in der Flamme stattfindendes zweistufiges Verbrennungsverfahren. Dieses in der Flamme stattfindende zweistufige Verbrennungsverfahren nutzt die Tatsache, daß in der Kohle enthaltener Stickstoff über Wasserstoffzyanid (HCN) oder Ammonium (Nil) zerlegt wird, die während der thermischen Zerlegung in der anfänglichen Verbrennungsstufe in eine Gasphase freigesetzt werden, und diese Stickstoffverbindungen werden oxidiert und werden zu NOx, wobei diese Stickstoffverbindungen Vorläufer des NOx sind und wirksam sind, unter der Bedingung einer geringen Sauerstoffkonzentration NOx zu reduzieren. Das heißt, der Brenner ist so aufgebaut, daß er mit einer Luftdüse versehen ist, die die Verbrennungsluft mit einer Wirbelströmung ausstößt und am äußeren Umfang der Brennstoffdüse, die Kohlenstaub in der Luftströmung transportiert, konzentrisch angeordnet ist, so daß die von der Luftdüse ausgestoßene Luft durch die Wirkung der Wirbelströmung mit einer Flamme im hinteren Abschnitt der Flamme vermischt wird, wobei der Reduktionsbereich der Flamme in der Flamme nahe am Brenner gebildet wird, indem eine brennstoffintensive Verbrennung unter Luftmangel ausgeführt wird, und der oxidierende Flammenbereich durch Ausführung einer Verbrennung bei hoher Sauerstoffkonzentration im hinteren Abschnitt der Flamme gebildet wird. Die Brenner dieses Typs sind in JP-A-60-226609, JP-A-61-22105 und JP-A-61-280302 offenbart.
Während gegenwärtig eine Leistungserzeugung durch Atomkraft eine Grundlast für die Elektroversorgung darstellt, ist andererseits für ein Kraftwerk mit Kohlenstaubfeuerung, das bisher mit konstanter Last betrieben wurde, ein Betrieb mit großen Laständerungen erforderlich. Bei der Kohlenstaubverbrennung mit dem Brenner wird die Flamme instabil, wenn die Menge des Kohlenstaubs reduziert wird. Es gibt somit Grenzen, in denen die alleinige Kohlenstaubverbrennung allen Belastungen des Kessels mit Kohlenstaubfeuerung entspricht. Deswegen ist im Kohlenstaubbrenner eine Hilfsbrennstoffdüse, die meist eine Ölspritze ist, enthalten, um bei geringer Last mit Hilfe der Ölspritze eine Hilfsverbrennung auszuführen. Ein Beispiel des Brenners, der wie obenstehend aufgebaut ist, ist in JP-A-61-252412 offenbart.
In JP-A-58 224 207 ist ein Kohlenstaubbrenner zur Ausführung einer geeigneten Verbrennung bei reduziertem NOx durch gleichförmiges Einspritzen des Kohlenstaubs und Steuerung der Menge der zugeführten Luft offenbart. Im Einlaßbereich eines Sekundärluftkanals ist ein erster Wirbelgenerator mit mehreren einstellbaren Leitschaufeln angeordnet und im Auslaßbereich des Luftkanals ist ein zweiter Wirbelgenerator installiert, so daß der gesamte Sekundärluftstrom in der gleichen Weise verwirbelt wird.
Ferner offenbart US-A-2 911 034 einen Brenner für Öl, Gas oder pulverförmigen Festbrennstoff, der ein enges und langes Brennerrohr umfaßt, das in eine Innenhülse eingesetzt ist, die von einer verschiebbaren Außenhülse zum Steuern des Einlasses eines Luftstroms durch mehrere Schlitze in der Innenhülse umgeben ist. Ein zylindrisches Gehäuse ist an der Außenhülse befestigt, um mit der Außenhülse einen ringförmigen Raum für die Strömung der Sekundärluft zum Brenner zu bilden. Am vorderen Ende des Gehäuses ist eine äußere Reihe einstellbarer Leitschaufeln vorgesehen, die aus einem flexiblen Werkstoff hergestellt sind, um den Hauptstrom der Sekundärluft zu steuern. Innerhalb dieser äußeren Reihe von Leitschaufeln sind unmittelbar neben der Innenhülse eine feststehende Reihe von radial angeordneten Leitschaufeln angebracht, um neben der Öffnung des Brennerrohrs unter den Bedingungen einer geringen Last eine kräftige Turbulenz zu erzeugen.
Beim Kessel mit Kohlenstaubfeuerung ist ferner ein Verfahren zum Abschalten des Brenners bekannt, bei dem von den mehreren Brennern, die an der Brennkammerwand des Kessels vorgesehen sind, einige Brenner unterbrochen werden, damit aufgrund der reinen Kohlenstaubverbrennung einer Laständerung im Betriebsbereich entsprochen wird. Zusätzlich kann während einer geringen Last ein Verfahren zum Reduzieren der Strömungsrate des Kohlenstaubs und der Luft, die dem Brenner zugeführt werden, betrachtet werden.
Um die Betriebsfähigkeit des Kessels mit Kohlenstaubfeuerung zu erhöhen ist es erforderlich, die Last innerhalb kurzer Zeit zu ändern. Wenn die Menge sowohl des Kohlenstaubs als auch der Luft geändert wird, ist zwischen einem Verfahren, bei dem die untere Betriebsgrenze des Kohlenstaubbrenners auf die geringe Last erweitert wird, und einem Verfahren zum Abschalten des Brenners zu unterscheiden, wobei das Verfahren mit der niedrigeren Betriebsgrenze des Kohlenstaubbrenners die Last schneller ändern kann als das Verfahren zum Abschalten des Brenners, das für das Anlaufen und das Anhalten des Kohlenmahlwerks eine Zeit benötigt.
In dem Kohlenstaubbrenner kann jedoch die Strömungsgeschwindigkeit der Kohlenstaubpartikel, die in einem den Kohlenstaub transportierenden Rohr strömen, nicht unter eine bestimmte Geschwindigkeit reduziert werden und es gibt somit Grenzwerte, auf die eine Strömungsrate der Luft, die dem den Kohlenstaub transportierenden Rohr zugeführt wird, reduziert wird. Wenn die Geschwindigkeit der Kohlenstaubpartikel zu langsam ist, setzen sich die Kohlenstaubpartikel im Transportrohr ab und verursachen ein Blockieren des Transportrohrs und einen Rückschlag der Flamme der Brennkammer zum Kohlenstaubtransportrohr.
Gemäß dem Verfahren zum Erweitern der unteren Betriebsgrenze des Kohlenstaubbrenners sollte somit die Strömungsrate der den Kohlenstaub transportierenden Luft bei einem gewissen Grad der Last stabilisiert sein, um die Strömungsrate der Luft, die der Luftdüse zuzuführen ist, zu reduzieren, wenn die Strömungsrate der Luft zusammen mit der des Kohlenstaubs reduziert wird.
Wenn die Strömungsrate der Luft, die der Luftdüse zuzuführen ist, reduziert wird, wird die Intensität der Luftverwirbelung verringert und die Luft wird mit der Flamme nicht am hinteren Abschnitt der Flamme gemischt sondern an der Position nahe am Brenner. Es wird folglich schwierig, den Reduktionsbereich des NOx in der Flamme zu bilden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kohlenstaubbrenner zu schaffen, der eine Luftdüse enthält, die Verbrennungsluft mit einer verwirbelten Strömung zuführt und am äußeren Umfang einer Brennstoffdüse, die Kohlenstaub in der Luftströmung transportiert, konzentrisch positioniert ist, wobei im Brenner ein Reduktionsbereich für NOx selbst im Zustand einer geringen Last hervorragend gebildet wird und der Effekt der Reduzierung des NOx zum Zeitpunkt der geringen Last verbessert ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kohlenstaubbrenner zu schaffen, der mit einer Hilfsbrennstoffdüse, etwa einer Ölspritze, versehen ist und bei dem die Erzeugung von Umweltinhibitoren, etwa Ruß und dergleichen, zum Zeitpunkt einer Hilfsverbrennung gesteuert werden kann.
Die Lösung der Aufgaben ist im Anspruch 1 definiert.
Der erfindungsgemäße Kohlenstaubbrenner enthält wenigstens eine Verbrennungsluft zuführende Luftdüse, die an einem äußeren Umfang einer Brennstoffdüse, die in der Luftströmung Kohlenstaub transportiert, konzentrisch positioniert ist, und wenigstens eine Luftdüse ist mit mehreren Einrichtungen zum Erzeugen einer Wirbelströmung, die mit einer Strömung der Verbrennungsluft gleichgerichtet ist, versehen, die die Intensität der Verwirbelung steuern können.
Bei Bedarf können zwei Luftdüsen konzentrisch am äußeren Umfang der Brennstoffdüse vorgesehen sein und jede von diesen kann bei Bedarf mit mehreren, vorzugsweise zwei Einrichtungen zum Erzeugen einer Wirbelströmung, die der Strömung der Verbrennungsluft gleichgerichtet ist, versehen sein.
Eine Einrichtung zum Steuern der Luftströmungsrate, die den Öffnungswinkel der Düse steuert, um die Strömungsrate der Verbrennungsluft zu steuern, kann bei Bedarf am Einlaß der Luftdüse vorgesehen sein, um den Öffnungswinkel der Düse gemäß einer Laständerung zu steuern.
Die obenbeschriebene Einrichtung zum Erzeugen einer Wirbelströmung kann durch zwei Leitschaufelregister gebildet sein, die integral an einem Haltestab mit veränderlichen Winkeln angebracht sind. Wenn der Drehwinkel des Haltestabs gesteuert werden kann, kann auch die Wirbelstärke gesteuert werden. In diesem Fall kann durch Steuerung des Drehwinkels des Haltestabs die Luftströmungsrate gesteuert werden oder das Einströmen der Luft kann unterbrochen werden. Dies hat den Vorteil der Eliminierung der Notwendigkeit, zusätzlich eine Einrichtung zum Steuern der Strömungsrate vorzusehen. Es ist erwünscht, eine Trennplatte zwischen zwei Leitschaufelregistern vorzusehen, um einen Zwischenraum abzudichten, der zwischen ihnen gebildet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei Bedarf eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die die Verwirbelungsintensität der obenbeschriebenen zwei Einrichtungen zum Erzeugen einer Wirbelströmung und die Öffnungswinkel der Luftdüse gemäß Lastanweisungen steuert.
Gemäß der Erfindung ist es außerdem erwünscht, eine Hilfsbrennstoffdüse, wie etwa eine Ölspritze oder dergleichen, innerhalb oder außerhalb der Brennstoffdüse vorzusehen. Wenn die Ölspritze außerhalb der Brennstoffdüse vorgesehen ist, können sechs oder acht Ölspritzen bei ungefähr gleichen Abständen vorgesehen sein.
Um eine stabile Flamme zu bilden und um die Konzentration von NOx bei geringer Last zu reduzieren, ist es in einem Kessel mit Kohlenstaubfeuerung wichtig, eine Wirbelzahl (das Verhältnis der Wirbelkomponenten der Geschwindigkeit zu den Geschwindigkeitskomponenten in der Strömungsrichtung der von einem Brenner gelieferten Strahlen) der Verbrennungsluft zu erhöhen, um die Wirbelzahl des gesamten Brenners den Betriebsbedingungen bei Vollast anzunähern oder um die Wirbelzahl größer zu machen als sie bei Vollast ist.
In einem Kohlenstaubbrenner, der die Verbrennungsluft am äußeren Umfang des Kohlenstaubstrahls ausstößt und die Luft als Wirbelströmung transportiert, ist es wichtig, in einer Flamme selbst im Betriebszustand einer geringen Last eine heiße Umlaufströmung zu bilden, um den Kohlenstaub in der Umlaufströmung anzusammeln. Zu diesem Zweck ist es wichtig zu ermöglichen, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Wirbelströmung selbst im Zustand der geringen Strömungsrate der Verbrennungsluft mit einem Mechanismus zum Erhöhen der Geschwindigkeit der Wirbelströmung versehen wird.
Um in einem Kessel mit Kohlenstaubfeuerung die Erzeugung von Umweltinhibitatoren, wie etwa Ruß und dergleichen, zu verhindern, wenn die Hilfsölverbrennung zum Zeitpunkt einer geringen Last ausgeführt wird, die die Ausführung der Kohlenstaubverbrennung unmöglich macht, ist es wichtig die Wirbelzahl der Verbrennungsluft zu vermindern, um die Mischung eines Brennstoffnebels und der Verbrennungsluft in der Nähe des Brenners zu beschleunigen. Wenn die minimale Last der Kohlefeuerung, bei der Kohlenstaub verbrannt wird, zu einer Last der Hilfsölfeuerung umgeschaltet wird, es ist deswegen wichtig, die Verwirbelungsstärke unabhängig von der Luftströmungsrate zu reduzieren, um die Mischung eines Ölstrahls und der Verbrennungsluft in der Nähe des Brenners zu beschleunigen. Das selbe gilt für den Fall, bei dem die Kohlefeuerung zu einer Mischfeuerung von Kohlenstaub und Öl umgeschaltet wird sowie ferner für einen Fall, bei dem in einem Feuerungsverfahren zum Umschalten von der Hilfsölfeuerung zur Ölfeuerung von der Hilfsölfeuerung zu einer Ölfeuerung umgestellt wird.
Das heißt, bei einem Zustand nahe der minimalen Last, die ein einfaches Brennen durch einen Pulverbrenner ausführen kann, wird es wichtig, die Wirbelzahl der Verbrennungslufidüse auf einen größeren Wert als die des Zustands der Vollast zu erhöhen, da ein Verteilungsverhältnis der Luft, die von der Verbrennungslufidüse zugeführt wird, relativ vermindert wird. Wenn das zusätzliche Öl verbrennt, wird es ferner wichtig, daß die Verbrennungsluft zugeführt wird, indem deren Strömungsrate bei einer geringen Wirbelzahl reduziert wird.
Um die widersprüchlichen Anforderungen, die oben beschrieben wurden, zu erfüllen, wird z. B. dann, wenn die Geschwindigkeit der Kohlenstaub/Luft- Mischung reduziert ist, der von der Kohlenstaubdüse zugeführte Kohlenstaub durch Verbrennungsluft mit Wirbelströmung radial verteilt. Folglich erhöht sich der Anteil der Kohlenstaubfeuerung im äußeren Abschnitt der Flamme in einer an Verbrennungsluft reichen Atmosphäre und die Kohlenstaubfeuerung im NOx-Reduktionsbereich wird verhältnismäßig reduziert. Somit steigt die NOx-Konzentration am Ausgang der Brennkammer an.
Bei Kohlefeuerung mit geringer Luftströmungsrate kann die Wirbelströmung, die zum Erzeugen des NOx-Reduktionsbereichs und der stabilen Flamme erforderlich ist, erreicht werden, indem mehrere zur Luftströmung gleichgerichtete Wirbelströmungsgeneratoren in der Verbrennungslufidüse geschaffen werden, d. h. die Wirbelströmungsgeneratoren entsprechen jeweils der einzelnen Teilluft und führen von einer Luftdüse die Luft, die von den mehreren Wirbelströmungsgeneratoren geleitet wird, als die Verbrennungsluft zu, und indem die Luftströmungsrate eines der Wirbelströmungsgeneratoren auf null gebracht wird.
Bei Vollast des Kohlenstaubbrenners wird die Verwirbelungsstärke des Wirbelströmungsgenerator in einem Zustand betrieben, der für die Bildung einer NOx-reduzierenden Atmosphäre in der Flamme geeignet ist. Bei dieser Wirbelströmung strömt heiße Verbrennungsluft zum Brenner, eine sogenannte Umlaufströmung wird in der Nähe des Brenners gebildet und der Kohlenstaub wird in diesem Bereich gehalten, damit er schnell entzündet wird. Durch das Erreichen einer solchen Zündbedingung wird der Sauerstoff in einem Kohlenstaubstrahl schnell verbraucht und der NOx-Reduktionsbereich wird ausgebildet.
Da die Einrichtung zum Eliminieren der Strömungsrate der in einem Wirbelströmungsgenerator strömenden Luft vorhanden ist, kann bei einer geringen Last der Kohlenstaubfeuerung andererseits die Geschwindigkeit der durch die Wirbelleitschaufeln des Wirbelströmungsgenerators durchlaufenden Verbrennungsluft so gesteuert werden, daß sie gleich der Wirbelzahl des Strahls des gesamten Brenners zum Zeitpunkt der Vollast ist.
Außerdem können durch das Zuführen der in mehreren Wirbelströmungsgeneratoren erzeugten Wirbelströmungen von einer Luftdüse die neu herzustellenden Kanalwände eliminiert werden, indem ermöglicht wird, daß die einzelnen Wirbelströmungsgeneratoren einer Luftdüse entsprechen. Da die Kanalwände als Widerstand der Strömung wirken, verschwindet durch die Eliminierung der Kanalwände die Dämpfung der Wirbelströmung und die Stärke der Wirbelströmung am Ausgang der Luftdüse wird vergrößert.
Da die Wirbelströmung durch ihre Zentrifugalkraft Luft an der äußeren Wand der Luftdüse entlang leitet, kann die Strömungsrate der Luft, die in einem Abstand vom Kohlenstaubstrahl strömt, erhöht werden, indem mehrere Wirbelströmungen von einer Luftdüse zugeführt werden. Da der Anteil der in einem radialen Abstand strömenden Wirbelströmungen sich erhöht, erhöht sich die Wirbelzahl des Strahls des gesamten Brenners. Somit kann die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs verbessert werden, indem die heiße Umlaufströmung weiter verstärkt wird, die für die Zündung äußerst wichtig ist, und die Reduktion von NOx kann beschleunigt werden, indem der Reduktionsbereich von NOx schneller ausgebildet wird.
Wie in der Erfindung, die in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 60-226609 des Standes der Technik offenbart ist, werden keine Probleme verursacht, wie etwa der instabile Zündzustand, der durch die Verkleinerung der Wirbelzahl des gesamten Brenners bei geringer Last verursacht wird, und die Erhöhung der NOx-Konzentration infolge der fehlenden Ausbildung des NOx-Reduktionsbereichs, wobei diese Probleme einem Brenner gemein sind, der einen Dämpfer zum Steuern einer Luftströmungsrate, der an der Eingangsseite der Luftdüse vorgesehen ist, sowie Wirbelleitschaufeln zum Steuern der Verwirbelungsstärke, die an der Ausgangsseite des Dämpfers vorgesehen sind, aufweist. Die Einstellwinkel der Wirbelleitschaufeln des Wirbelströmungsgenerators können derart eingestellt werden, daß bei geringer Last die Wirbelströmung mit höchster Effizienz durch die Luftströmungsrate erzeugt werden kann. Dadurch kann die Instabilität eines Steuersystems infolge einer schmalen Steuerungsbreite des Winkels der Wirbelleitschaufeln des Wirbelströmungsgenerators, die im obenbeschriebenen Stand der Technik wahrscheinlich beobachtet werden kann, eliminiert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Instabilität der Flamme zu eliminieren und den Umfang der Erzeugung von NOx bei geringer Last durch Kohlenstaubfeuerung zu vermindern, kann erreicht werden, indem mehrere der Wirbelströmungsgeneratoren, die in der Verbrennungsluftdüse gleichgerichtet mit der Luftströmung angeordnet sind, geschaffen werden, d. h. die Wirbelströmungsgeneratoren entsprechen jeweils der einzelnen Teilluft und führen von einer Luftdüse die Luft, die von den mehreren Wirbelströmungsgeneratoren geleitet wird, als die Verbrennungsluft zu, und indem eine Einrichtung zum Zuführen der Wirbelströmungen, die mit unterschiedlicher Stärke durch die mehreren Wirbelströmungsgeneratoren geleitet werden, geschaffen wird.
Das am meisten bevorzugte Beispiel der Änderung der Verwirbelungsstärke des Wirbelströmungsgenerators besteht darin, die Verwirbelungsstärke desjenigen Wirbelströmungsgenerators zu erhöhen, der an einem kürzeren Luftströmungsweg vom Wirbelströmungsgenerator zur Brennkammer positioniert ist, d. h. der Wirbelströmungsgenerator nahe an der äußeren Wand der Luftdüse. Dies kann bewirken, daß die Wirbelströmung nahe an der äußeren Wand der ringförmigen Luftdüse schneller strömt als der nahe an der inneren Wand. Dadurch erhöht sich die Geschwindigkeitskomponente in der Wirbelrichtung der Luft, die in der Luftdüse strömt, wenn sie sich vom Kohlenstaubstrahl weg bewegt. Da die Geschwindigkeitsverteilung dieser Wirbelströmung hydrodynamisch die Strömung des kleinsten Druckverlustes ist, ist die Wirbelzahl des gesamten Brenners größer als in dem Fall, bei dem die Luft vom Wirbelströmungsgenerator bei einer konstanten Geschwindigkeit zugeführt wird. Dadurch kann die heiße Umlaufströmung nahe am Brenner stabiler erzeugt werden. Somit kann die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs verbessert werden und der NOx-Reduktionsbereich kann von der Vollast bis zur geringen Last stabil erzeugt werden.
Wenn die Hilfsfeuerung durch Öl ausgeführt wird, kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erzeugung von Umweltinhibitatoren, wie etwa Ruß und dergleichen, zu steuern, erreicht werden, indem mehrere Wirbelströmungsgeneratoren, die in der Verbrennungsluftdüse gleichgerichtet mit der Luftströmung angeordnet sind, geschaffen werden, d. h., die Wirbelströmungsgeneratoren entsprechen jeweils der einzelnen Teilluft und führen von einer Luftdüse die Luft, die von den mehreren Wirbelströmungsgeneratoren geleitet wird, als die Verbrennungsluft zu, und indem eine Einrichtung geschaffen wird, die die Wirbelrichtung der beiden Wirbelströmungsgeneratoren in zueinander entgegengesetzte Richtungen einstellt.
Die Wirbelströmungen, die zueinander entgegengesetzt zugeführt werden, löschen ihre Wirbelkomponente im Inneren einer Luftdüse aus, die an der Ausgangsseite des Wirbelströmungsgenerators positioniert ist. Der Druckverlust des Wirbelströmungsgenerators ist ebenso wie die Verwirbelungsstärke des Wirbelströmungsgenerators erhöht. Somit kann die Strömungsrate der Verbrennungsluft bei einer geradlinigen Strömung ohne Wirbelströmung gesteuert werden, wenn die Verwirbelungsstärke bei zueinander entgegengesetzten Wirbelrichtungen gesteuert wird.
Wenn beispielsweise bei einem Brenner, der über zwei Luftdüsen Luft von einem Windkasten zur Brennkammer liefert, der Wirbelströmungsgenerator einer der Luftdüsen in den obenbeschriebenen Zustand gesteuert wird, kann im Gegensatz zum Stand der Technik eine geringe Luftmenge mit geringer Verwirbelungsstärke von dieser Luftdüse zugeführt werden und eine größere Luftmenge kann von der anderen Luftdüse zugeführt werden. Durch das Bewirken des obengenannten Betriebs kann bei der Hilfsfeuerung durch die Ölspritze das Vermischen der Verbrennungsluft und des Ölnebels beschleunigt werden. Somit kann die Erzeugung der Umweltinhibitatoren gesteuert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Kohlenstaubbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Ansteuerungsverfahren der Tertiärluftströmungsrate, des Strömungsratensteuerventils und des Registeröffnungswinkels zeigt, wenn mit dem Brenner der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefeuert wird;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das bei der Feuerung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Charakteristiken der NOx-Konzentration und der CO-Konzentration zeigt;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die die Tertiärluftdüse und den Wirbelströmungsgenerator im Brenner der zweiten Ausführungsform zeigt;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI des Brenners der zweiten Ausführungsform;
Fig. 7 ist eine Ansicht aus der Vogelperspektive, die den Aufbau der Registerleitschaufel in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht des Brenners der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Sekundärluftströmungsrate und der Wirbelkomponente der Luftgeschwindigkeit der Sekundärlufidüse zeigt, wenn der Brenner der dritten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht des Brenners der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 11 ist eine Ansicht aus der Vogelperspektive, die den Aufbau der Registerleitschaufel, die in der vierten Ausführungsform verwendet wird, zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein erfindungsgemäßer Brenner für Kohlenstaubfeuerung, der Wirbelströmungsgeneratoren enthält, wird nun beschrieben.

Ausführungsform 1

Ein in Fig. 1 gezeigter Brenner für Kohlenstaubfeuerung, der Generatoren für Wirbelströmungen enthält, wird nun beschrieben. Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Kohlenstaubbrenners, die dessen Mittelachse enthält. Der Kohlenstaubbrenner dieser Ausführungsform enthält eine Brennstoffdüse 102, die im Mittelabschnitt des Brenners angebracht ist, eine Sekundärlufidüse 103, die zum Zuführen der Sekundärluft um die Brennstoffdüse 102 konzentrisch angeordnet ist, und eine Tertiärluftdüse 104, die zum Zuführen der Tertiärluft am äußeren Umfang der Sekundärlufidüse 103 angebracht ist. Die Brennstoffdüse 102 liefert ein Gasgemisch 137 aus der Primärluft und dem Kohlenstaub. Die Sekundärlufidüse 103 und die Tertiärluftdüse 104 sind Kanäle zum Zuführen einer Verbrennungsluft, die in einen Luftkasten 102 an einer Brennkammer 100 geleitet wurde.
Die Brennstoffdüse 102 ist ein röhrenförmiger Kanal mit einem Primärdurchlaß 108 als eine äußere Wand. Beim Kohlenstaubbrenner dieser Ausführungsform ist eine Ölspritze 105 für eine Hilfsfeuerung, wie etwa zum Vorheizen von Wasserrohren 111, die an der inneren Wand der Brennkammer 100 angebracht sind, am Mittelabschnitt der Brennstoffdüse 102 mit Hilfe einer Halterung 106 angebracht. Ein Luftrichter 107, der an der Ausgangsseite der Brennstoffdüse 102 angeordnet ist, spielt bei der Steuerung einer Konzentrationsverteilung des Kohlenstaubs, der von einer Kohlenstaubzuführeinrichtung (in Fig. 1 nicht gezeigt) zugeführt wird, eine Rolle.
Die Sekundärlufidüse 103 ist ein ringförmiger Kanal, der den Primärdurchlaß 108 als eine innere Umfangswand und einen Sekundärdurchlaß 109 als eine äußere Umfangswand besitzt. Die Sekundärlufidüse 103 enthält zur Ausgangsseite der Brennkammer 100 hin einen Wirbelströmungsgenerator 112 und ein Strömungssteuerventil 127.
Der Wirbelströmungsgenerator 112 versieht die Sekundärluft 138 mit einer Wirbelströmung. Der Wirbelströmungsgenerator 112 ist vom Typ der axialen Strömung und enthält mehrere fächerförmige Lamellen, die in einer Umfangsrichtung des Kanals vorgesehen sind, und einen Halterungsstab, der integral mit diesen Lamellen angebracht ist. Die Stärke der Wirbelströmung des Wirbelströmungsgenerators 112 wird durch Änderung der Winkel der Lamellen mit einer Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert. Das Strömungssteuerventil 127 steuert eine Strömungsrate der Sekundärluft. Das Strömungssteuerventil 127 besitzt eine zylindrische Form und ist an der Position angebracht, die eine Mündung einer Einströmöffnung 126 bedeckt, die den Windkasten 101 mit dem Sekundäreinlaß 109 verbindet. Wenn sich das Strömungssteuerventil 127 durch einen Verbindungsstab 128 zur Mittelachse des Brenners bewegt, wird eine Öffnungsfläche der Einströmöffnung 126 verändert. Durch diesen Vorgang wird die Strömungsrate der Sekundärluft 138 gesteuert.
Die Tertiärluftdüse 104 ist ein ringförmiger Kanal, der den Sekundäreinlaß 109 als eine innere Umfangswand und einen Tertiäreinlaß 110 als eine äußere Umfangswand besitzt. Die Tertiärluftdüse 104 ist über einen Wirbelströmungsgenerator (A) 113 und über einen Wirbelströmungsgenerator (B) 114 mit dem Windkasten 101 verbunden.
Der Wirbelströmungsgenerator (A) 113 und der Wirbelströmungsgenerator (B) 114 sind parallel zur Luftströmung angeordnet. Dadurch ist die Tertiärluft aufgeteilt und wird dem Wirbelströmungsgenerator (A) 113 bzw. dem Wirbelströmungsgenerator (B) 114 zugeführt. Die Tertiärluft 139 wird dem Wirbelströmungsgenerator (A) 113 zugeführt und die Tertiärluft 140 wird dem Wirbelströmungsgenerator (B) zugeführt.
Ferner ist ein zylinderförmiges Strömungsratensteuerventil 124 an einer Eingangsseite der Einströmöffnung des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 angebracht. Das Strömungsratensteuerventil 124 empfängt Anweisungen von der Steuereinheit 135 der Tertiärluftströmung über einen Verbindungsstab 131 und bewegt sich zur Achse des Brenners. Da diese Bewegung den Eingangsdruckverlust am Eingang des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 ändert, wird die Strömungsrate der Tertiärluft 140, die in den Wirbelströmungsgenerator (B) strömt, durch das Strömungsratensteuerventil 124 geändert.
Ein Beispiel des Wirbelströmungsgenerators (B) dieser Ausführungsform ist in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs einer Linie II-II von Fig. 1 und zeigt den Aufbau des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 von der Seite des Windkastens 101 gesehen.
Der Wirbelströmungsgenerator (B) 114 enthält rechtwinklige Registerleitschaufeln 120, die jeweils die Dicke einer dünnen Platte aufweisen, zylindrische Haltestäbe 121, die integral mit den Registerleitschaufeln 120 angebracht sind, ringförmige Halteplatten 123, die an beiden Enden der Haltestäbe 121 vorgesehen sind, eine Halteplatte 119, Verbindungsstäbe 125, die die Registerleitschaufeln 120 verbinden, und Verbindungsmechanismen 122, die so vorgesehen sind, daß die Wirkung einer der Registerleitschaufeln 120 vollkommen und gleichmäßig übertragen wird.
Einer der Haltestäbe 121 ist über den Verbindungsstab 129 mit der Steuereinheit 133 der Wirbelstärke des Wirbelströmungsgenerators (B) verbunden. Die Steuereinheit 133 der Wirbelstärke steuert die Winkel der Registerleitschaufeln, d. h. die Wirbelstärke des Wirbelströmungsgenerators (B) durch das Ändern des Drehwinkels des Verbindungsstabs 129.
Der Wirbelströmungsgenerator (A) 113 besitzt den gleichen Aufbau wie der Wirbelströmungsgenerator (B) 114 und enthält Registerleitschaufeln 117, Haltestäbe 118, Verbindungsmechanismen 115, Halteplatten 116, eine Steuereinheit 134 der Wirbelstärke und einen Verbindungsstab 130, der die Verbindungsmechanismen und die Steuereinheit 134 der Wirbelstärke verbindet.
Eine Steuereinrichtung 136 gibt Anweisungen aus, die die Steuereinheit 132 der Sekundärluftströmungsrate, die Steuereinheit 133 der Wirbelstärke des Wirbelströmungsgenerators (B), die Steuereinheit 134 der Wirbelstärke des Wirbelströmungsgenerators (A) und die Steuereinheit 135 der Tertiärluftströmungsrate betreffen, um die Luftströmungsrate und die Wirbelstärke zu steuern.
Die Steuereinheit 132 der Sekundärluftströmungsrate steuert das Strömungsratensteuerventil 127 über den Verbindungsstab 128 an, um die Strömungsrate der Sekundärluft zu steuern.
Die Steuereinheit 133 der Wirbelstärke steuert die Verbindungsmechanismen 122 über den Verbindungsstab 129 an, um den Öffnungswinkel θ&sub1; der Registerleitschaufel des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 zu steuern.
Die Steuereinheit 134 der Wirbelstärke steuert den Öffnungswinkel der Registerleitschaufel des Wirbelströmungsgenerators (A) 113 über den Verbindungsstab 130.
Die Steuereinheit 135 der Tertiärluftströmungsrate steuert das Strömungsratensteuerventil 124 an, um die Strömungsrate der Tertiärluft 140 zu steuern.
Ein Verfahren zum Zuführen von Wirbelströmungen, die durch die Wirbelströmungsgeneratoren (A) und (B) der Tertiärluftdüse 104 erzeugt werden, kann den durch die Wände der Kanäle erzeugten Strömungswiderstand eliminieren, da es keine Wandflächen benötigt, die den Kanal in der Tertiärluftdüse 104 teilen.
Ferner kann die Geschwindigkeit der Wirbelströmung in der Tertiärluftdüse 104 durch die Vergrößerung der Wirbelstärke des Wirbelströmungsgenerators (A) 113 auf einen höheren Wert als die des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 vergrößert werden, wenn die Wirbelströmung sich dem Tertiäreinlaß 110 nähert. Durch diesen Vorgang kann die Effektivität der Erzeugung der Wirbel- Strömung der Tertiärluft schnell erhöht werden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel des Ansteuerverfahrens, das den Brenner dieser Ausführungsform verwendet. Der Brenner dieser Ausführungsform verbrennt bei einer Brennerlast von 30% oder weniger nur Öl, indem er das Öl als einen Hilfsbrennstoff verwendet, und verbrennt in dem Lastbereich, der größer als der obige Prozentsatz ist, nur Kohlenstaub. Ein Registeröffnungswinkel ist ein Winkel 91, der durch die Registerleitschaufel 120 und die Linie, die die Mittelachse des Brenners und die Mittelachse des Haltestabs 121 verbindet, gebildet wird. Je größer der Winkel ist desto größer ist die Wirbelzahl des Wirbelströmungsgenerators. Der Ausdruck "geschlossen" des Strömungsratensteuerventils zeigt einen Zustand, in dem das Strömungsratensteuerventil 124 sich zur Brennkammer bewegt, um dem Wirbelströmungsgenerator (A) 113 mehr Tertiärluft zuzuführen. Die Tertiärluftströmungsrate bedeutet die Strömungsrate der Luft, die dem Wirbelströmungsgenerator (A) 113 und dem Wirbelströmungsgenerator (B) 114 zugeführt wird.
Bei der Hilfsölfeuerung stellt der Brenner dieser Ausführungsform bei geringer Ölzufuhr den Öffnungswinkel 150 des Wirbelströmungsgenerators (A) auf +70º, den Öffnungswinkel 151 des Wirbelströmungsgenerators (B) auf -70º und den Öffnungswinkel 152 des Strömungsratensteuerventils auf einen geöffneten Zustand ein. Durch diesen Vorgang rotiert die Tertiärluft, die in den Wirbelströmungsgenerator (A) 113 strömt, und diejenige, die in den Wirbelströmungsgenerator (B) 114 strömt, in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Dadurch wird die Wirbelzahl der Tertiärluftdüse 104 ungefähr null und die Tertiärluft wird als eine geradlinige Strömung zugeführt. Da die Registeröffnungswinkel der Wirbelströmungsgeneratoren (A) und (B) groß sind, ist der Druckverlust beim Durchlaufen dieser Wirbelströmungsgeneratoren erhöht. Dadurch strömt mehr Verbrennungsluft, die vom Windkasten 101 zuzuführen ist, zur Sekundärlufidüse 103 mit geringem Druckverlust.
Wenn sich die Ölmenge der Hilfsfeuerung erhöht, wird der Öffnungswinkel 151 des Wirbelströmungsgenerators (B) auf nahezu null reduziert, während der Öffnungswinkel 152 des Strömungsratensteuerventils konstant gehalten wird. Dadurch erhöht sich die Wirbelzahl der Tertiärluftdüse 104, da die Wirbelströmung, die durch den Wirbelströmungsgenerator (B) erzeugt wird, abgeschwächt wird, und die Tertiärluft strömt nach und nach als eine Wirbelströmung. Da sich der Druckverlust des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 vermindert, erhöht sich die Tertiärluftströmungsrate 153.
Wenn die Brennerlast, die zum Zustand der Kohlefeuerung übergeht, 30% beträgt, wird das Strömungsratensteuerventil 152 geschlossen und daraufhin wird der Öffnungswinkel 151 des Wirbelströmungsgenerators (B) gleich dem Öffnungswinkel 152 des Wirbelströmungsgenerators (A). Wenn die Brennerlast ansteigt und der Öffnungswinkel 152 des Strömungsratensteuerventils in der Öffnungsrichtung betrieben wird, kann übereinstimmend mit dem Ansteigen der Brennstoffzufuhr Luft zugeführt werden.
Fig. 4 zeigt die NOx-Konzentration und die CO-Konzentration, wenn der Brenner in der in Fig. 3 gezeigten Weise betrieben wird. Eine Kurve 160 zeigt die NOx-Konzentration, wenn mit dem herkömmlichen Brenner, der lediglich einen Wirbelströmungsgenerator besitzt, gefeuert wird, und eine Kurve 161 zeigt die NOx-Konzentration, wenn mit dem Brenner dieser Ausführungsform gefeuert wird. Eine Kurve 162 zeigt die CO-Konzentration, wenn der herkömmliche Brenner verwendet wird, und eine Kurve 163 zeigt die CO- Konzentration, wenn der Brenner dieser Ausführungsform verwendet wird.
Im Fall der Hilfsölfeuerung dieser Ausführungsform kann der Sekundärluftdüse 103 mehr Verbrennungsluft zugeführt werden und die Tertiärluft wird nahezu eine geradlinige Strömung. Dadurch kann das Vermischen des Ölnebels und der Verbrennungsluft in der Nähe des Brenners zur Feuerung besser als sonst erfolgen. Somit kann die Erzeugung von CO infolge der Verbrennung unter Luftmangel abgeschwächt werden.
Da das Vermischen der Tertiärluft und des Ölnebels träger als sonst erfolgt, wird die NOx-Konzentration durch eine plötzliche Vermischung der Verbrennungsluft nicht erhöht.
Wenn die Brennerlast bei der Kohlenstaubfeuerung dieser Ausführungsform zwischen 30 und 50% liegt, führt das Strömungsratensteuerventil 124 dem Wirbelströmungsgenerator (A) 133 mehr Tertiärluft zu. Dadurch strömt die Luftströmung schneller als sonst in den Wirbelströmungsgenerator (A) 133. Somit erhöht sich die Geschwindigkeit der Wirbelkomponente der Tertiärluft. Dadurch vergrößert sich die Wirbelzahl des gesamten Brenners auf einen höheren Wert als sonst. Somit ist eine große heiße Umlaufströmung in der Nähe des Brenners gebildet und die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs wird rasch verbessert. Durch die Tatsache, daß der Kohlenstaub leicht entzündet werden kann, wird die Atmosphäre zur NOx-Reduktion in der Nähe des Brenners besser als sonst ausgebildet und die NOx-Konzentration wird kleiner als sonst.

Ausführungsform 2

Nun wird die zweite Ausführungsform beschrieben. Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Wirbelströmungsgenerators der Tertiärluft gemäß dieser Ausführungsform und Fig. 6 ist eine Seitenansicht des Wirbelströmungsgenerators. Die Wirbelströmungsgeneratoren (A) und (B) besitzen einen nahezu gleichen Aufbau. Der Aufbau des Brenners der zweiten Ausführungsform ist der gleiche wie der der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, daß der Aufbau des Wirbelströmungsgenerators der Tertiärluft geändert ist.
Der Wirbelströmungsgenerator der zweiten Ausführungsform enthält einen zylindrischen Haltestab 121, Registerleitschaufeln 120a und 120b, die mit dem Haltestab 121 integral angebracht sind, einen Verbindungsmechanismus 122 mit der Funktion, über den Verbindungsstab 125 an den mehreren Haltestäben 121 gleiche Drehwinkel herzustellen, die Halteplatte 116, die Halteplatte 119 und die Halteplatte 123. Der Haltestab 121 verläuft durch die Löcher, die in den Halteplatten 116, 119 und 123 ausgebildet sind. Die Registerleitschaufel 120a ist zwischen der Halteplatte 116 und der Halteplatte 119 positioniert und die Registerleitschaufel 120b ist zwischen der Halteplatte 119 und der Halteplatte 123 positioniert. Diese Anordnung der Halteplatten kann einen Schwund der Tertiärluft durch einen Raum zwischen zwei Registerleitschaufeln 120a und 120b verhindern.
Die Registerleitschaufeln 120a und 120b sind an dem Haltestab 121 unter verschiedenen Winkeln angebracht. Das heißt, ein Winkel, der durch eine virtuelle Linie gebildet wird, die die Brennerachse und die Mittelachse des Haltestabs 121 verbindet, ist an der Registerleitschaufel 120a auf 92 bzw. an der Registerleitschaufel 120b auf θ&sub3; eingestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Winkel 92 um 15º größer als θ&sub3;, somit kann die Registerleitschaufel 120a Luft mit einer stärkeren Wirbelströmung zuführen.
Die unterschiedlichen Winkel der zwei Registerleitschaufeln erzeugen die folgenden beiden Wirkungen.
Der erste Wirkung ist die Erhöhung der Effektivität der Erzeugung der Wirbelströmung an der Tertiärluftdüse 104. Da die Luft durch die Zentrifugalkraft der Wirbelströmung entgegen der äußeren Umfangsrichtung gepreßt wird, ist die Wirbelkomponente der Strömungsgeschwindigkeit an der Tertiärluftdüse 104 bei Annäherung an den Tertiäreinlaß 110, der die äußere Umfangswand der Düse darstellt, erhöht. Andererseits strömt die Luft, die von der Registerleitschaufel 120a zugeführt wird, hauptsächlich nahe am Tertiäreinlaß 110 und die Luft, die von der Registerleitschaufel 120b zugeführt wird, strömt nahe am Sekundärlufteinlaß 109.
Wegen der Beziehung zwischen der Stellung der Registerleitschaufeln, die der Geschwindigkeitsverteilung der Tertiärluftdüse 104 entspricht sowie in bezug auf die Einstellung der beiden Registerleitschaufeln kann der Winkel θ&sub2; der Registerleitschaufel, die die Luft der äußeren Umfangsseite der Tertiärluftdüse 104 zuführt, vergrößert, und der Winkel θ&sub3; der Registerleitschaufel, die die Luft der inneren Umfangsseite der Tertiärluftdüse 104 zuführt, verkleinert werden. Dadurch kann ein Druckverlust, der durch die Störung der Wirbelströmung an der. Tertiärluftdüse 104 erzeugt wird, eliminiert werden, und die Wirbelströmung, die von den Registerleitschaufeln zugeführt wird, kann ohne Störung der Wirbelströmung der Brennkammer 100 zugeführt werden.
Die zweite Wirkung ist das Erreichen einer guten Zündung des Kohlenstaubs, um einen stabilen NOx-Reduktionsbereich in der Flamme zu bilden, um die NOx-Konzentration zu reduzieren, indem bei einer geringen Last des Brenners die Wirbelströmung der Tertiärluft beschleunigt wird. Da der Winkel θ&sub2; größer ist als der Winkel θ&sub3;, wird dann, wenn der Verbindungsstab 129 über den Verbindungsmechanismus 122 der Haltestab 121 dreht, die Registerleitschaufel 120a früher als die Registerleitschaufel 120b vollständig geschlossen und die Tertiärluft wird von einer Seite der Registerleitschaufel 120b zugeführt. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Luft, die die Registerleitschaufeln passiert, höher als die Geschwindigkeit in dem Fall, bei dem die Registerleitschaufeln des Wirbelströmungsgenerators der Tertiärluft nacheinander angeordnet sind, und die Geschwindigkeit der Wirbelströmung kann erhöht werden.
Wenn die Geschwindigkeit der Wirbelströmung der Tertiärluft erhöht ist, erhöht sich die Wirbelzahl des gesamten Brenners. Deswegen kann die heiße Umlaufströmung des Verbrennungsgases in der Nähe des Brenners stabiler ausgebildet werden. Die Umlaufströmung des Verbrennungsgases kommt mit einem Strahl des Kohlenstaubs in Kontakt und entzündet den Kohlenstaub sofort. Somit wird die Flamme des Kohlenstaubs nahe am Brenner stabilisiert. Andererseits wird die Tertiärluft, die eine große Wirbelzahl aufweist, nicht in der Nähe des Brenners mit dem Kohlenstaubstrahl vermischt.
Durch die Beschleunigung der Zündung in der Nähe des Brenners und durch die Steuerung der Luft/Brennstoff-Vermischung verbrennt der Kohlenstaub unter Luftmangel. Somit kann in der Flamme ein NOx-Reduktionsbereich ausgebildet werden. In dem NOx-Reduktionsbereich sind Gase, wie etwa Ammoniak, Zyan- und Kohlenwasserstoff an der mittleren Phase der Verbrennung beteiligt, um das NOx zu reduzieren.
Wenn die Registerleitschaufel 120a vollständig geschlossen ist, ist der Druckverlust an der Registerleitschaufel 120b kleiner als der an der Registerleitschaufel 120a, der Halteplatte 116 und der Halteplatte 119. Ein Großteil der Tertiärluft strömt aus der Richtung des Registerleitschaufel 120b. Deswegen ist es kein Problem, die Wirbelzahl zu reduzieren, wenn die Registerleitschaufel nahezu vollständig geschlossen ist, wobei das Problem wahrscheinlich in der herkömmlichen Wirbeleinrichtung, die nacheinander angeordnete Registerleitschaufeln aufweist, auftritt.
Fig. 7 zeigt eine Modifikation der Registerleitschaufel der zweiten Ausführungsform. Fig. 7 erläutert zwei Gruppen von Registerleitschaufeln und den Aufbau der Registerleitschaufel, wobei andere Teile außer diesen die gleichen sind wie die des in Fig. 5 gezeigten Wirbelströmungsgenerators. Die Registerleitschaufel enthält den Haltestab 121, die Registerleitschaufeln 120a und 120b, die mit dem Haltestab integral angebracht sind, und eine Trennplatte 172, die in der Form vorgesehen ist, daß sie die Stirnflächen der Kontaktseite der Registerleitschaufeln 120a und 120b miteinander verbindet. Die Registerleitschaufeln 120a und 120b sind in der gleichen Weise wie die zweite Ausführungsform unter verschiedenen Winkeln angebracht. Die Stärke der Wirbelströmung der Registerleitschaufel 120a ist so eingestellt, daß sie stärker ist als die der Registerleitschaufel 120b.
Die Trennplatte 172 beseitigt eine Lücke, die in Richtung der Brennerachse gebildet ist, wenn die Registerleitschaufel 120a vollständig geschlossen ist, und stößt lediglich die Luft von der Registerleitschaufel 120b aus. Dadurch besitzt die Trennplatte 172 eine Funktion, die gleich der der in Fig. 5 gezeigten Halteplatte 119 ist.

Ausführungsform 3

Nun wird die dritte Ausführungsform beschrieben. Fig. 8 ist eine Schnittansicht des Kohlenstaubbrenners, die dessen Mittelachse enthält.
Der Kohlenstaubbrenner dieser Ausführungsform enthält die Brennstoffdüse 102, die am Mittelabschnitt des Brenners angebracht ist, die Sekundärlufidüse 103, die konzentrisch um die Brennstoffdüse 102 angeordnet ist, und die Tertiärluftdüse 104, die am äußeren Umfang der Sekundärlufidüse 103 angebracht ist. Die Brennstoffdüse 102 liefert ein Gasgemisch 137 aus der Primärluft und dem Kohlenstaub. Die Sekundärlufidüse 103 und die Tertiärluftdüse 104 sind Kanäle zum Zuführen einer in den Windkasten 101 eingeleiteten Verbrennungsluft zur Brennkammer 100.
Die Brennstoffdüse 102 ist ein röhrenförmiger Kanal, der den Primäreinlaß 108 als eine äußere Wand besitzt, und ein Kanaldurchmesser des Primäreinlasses 108 wird zur Brennkammer 100 hin kleiner.
Die Sekundärlufidüse 103 ist ein ringförmiger Kanal, der des Primäreinlaß 108 als eine innere Umfangswand und einen Sekundäreinlaß 109 aus eine äußere Umfangswand besitzt. Die Stirnseite des Sekundäreinlasses 109 ist näher an der Brennkammerseite positioniert als die Stirnseite des Primäreinlasses 108. Die Sekundärlufidüse 103 enthält zwei Wirbelströmungsgeneratoren 205 und 206, die gleichgerichtet mit der Strömung der Sekundärluft eingangsseitig von der Brennkammer 100 vorgesehen sind und enthält außerdem eingangsseitig von diesen Wirbelströmungsgeneratoren einen Wirbelströmungsgenerator 204. Beide Wirbelströmungsgeneratoren 205 und 206 enthalten Registerleitschaufeln und leiten die Sekundärluft mit einer Wirbelströmung. Jeder dieser Wirbelströmungsgeneratoren 205 und 206 besitzt unabhängig die Funktion, daß er seine Wirbelstärke steuern kann. Die durch den Wirbelströmungsgenerator 205 erzeugte Wirbelstärke ist größer eingestellt als diejenige, die durch den Wirbelströmungsgenerator 206 erzeugt wird. Außerdem ist der Wirbelgenerator 205 bei einer geringen Sekundärluftströmungsrate in einer vollkommen geschlossenen Stellung und die Sekundärluft wird lediglich vom Wirbelströmungsgenerator zugeführt.
Die Tertiärluftdüse 104 ist ein ringförmiger Kanal, der den Sekundäreinlaß 109 als eine innere Umfangswand und den Tertiäreinlaß 110 als eine äußere Umfangswand besitzt. Die Tertiärluftdüse 104 enthält den Wirbelströmungsgenerator 204 und an der Eingangsseite eine bewegliche Hülse 201 und ist mit dem Windkasten 101 verbunden. Außerdem ist das zylinderförmige Strömungsratensteuerventil 124 an einer eingangsseitigen Lufteinströmöffnung des Wirbelströmungsgenerators 204 angebracht. Der Wirbelströmungsgenerator 204 ist ein Wirbelströmungsgenerator, der Registerleitschaufeln enthält. Ein Teil der Luft, die durch den Wirbelströmungsgenerator 204 geleitet wird, wird durch eine Platte 207, die eingangsseitig am Sekundäreinlaß 109 angebracht ist, in zwei Teile geteilt, wobei ein Teil vom Tertiäreinlaß 104 als Tertiärluft einschießt, und der andere Teil als Sekundärluft durch die Wirbelströmungsgeneratoren 204 und 205 einschießt. Das Strömungsratensteuerventil 124 enthält die zylinderförmige bewegliche Hülse 201, eine Steuereinheit 202 zum Bewegen der beweglichen Hülse 201 zur Brennerachse und einen Haltestab 203, der die Position der Steuereinheit 202 bestimmt.
Die bewegliche Hülse 201 wirkt, um die Menge der Luft zwischen den Brennern genau abzugleichen. Der Wirbelströmungsgenerator 204 steuert die Geschwindigkeit der Tertiärluft in der axialen Richtung und in der Wirbelrichtung. Die Wirbelströmung der Tertiärluft erzeugt eine äußere Umlaufströmung, die eine Gegenströmung darstellt, die das heiße Verbrennungsgas zur Brennerseite in die Nähe des Brenners der Brennkammer 100 führt.
Durch Betätigen der beweglichen Hülse 201 strömt ein Teil der Luft, die in die Lufteinströmöffnung geströmt ist, zur Sekundärluftdüse 103 und deren Geschwindigkeit in axialer Richtung und in Wirbelrichtung wird durch die Wirbelströmungsgeneratoren 205 und 206 gesteuert. Die Wirbelströmung der Sekundärluft bildet eine innere Umlaufströmung als eine Gegenströmung im Sekundäreinlaß 109, der sich zur Brennkammer erstreckt. Die innere Umlaufströmung hält den von der Brennstoffdüse zugeführten Kohlenstaub in stabiler Lage. Die Wirbelstärke der Sekundärluftdüse 103 ist erhöht und je mehr die innere Umlaufströmung stabilisiert ist, desto größer ist die Stabilität der Flamme des Kohlenstaubs.
Fig. 9 zeigt eine Beziehung zwischen der Strömungsrate der Sekundärluft und den Wirbelkomponenten der Luftgeschwindigkeit der Sekundärlufidüse 103, wenn ein statischer Druck der Sekundärluft am Eingang der Registerleitschaufeln des Wirbelströmungsgenerators konstant eingestellt ist.
Gemäß einer Kurve 221, die die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, kann bei einem großen Betrag der Luftströmung die Wirbelstärke des Wirbelströmungsgenerators 205 größer eingestellt werden als die des Wirbelströmungsgenerators 206. Somit kann die Wirbelkomponente der Luftgeschwindigkeit der Sekundärlufidüse im Vergleich zur herkömmlichen Sekundärlufidüse, die mit lediglich einem Wirbelströmungsgenerator versehen ist, unter der Bedingung, daß die selbe Menge Sekundärluft strömt, erhöht werden. Eine Kurve 220 zeigt den Stand der Technik. Bei einem geringen Betrag der Sekundärluftströmung kann die Sekundärluft ferner durch das vollkommene Schließen eines der Wirbelströmungsgeneratoren 205 oder 206 durch den anderen Wirbelströmungsgenerator verteilt werden. Deswegen kann die Wirbelkomponente der Luftgeschwindigkeit der Sekundärlufidüse erhöht werden.
Auf diese Weise kann bei jeder Strömungsrate die Wirbelstärke der Sekundärluft stärker als zuvor gemacht werden, wobei die obenerwähnte innere Umlaufströmung stabilisiert ist und die mitgerissene Menge und die Verweildauer des Kohlenstaubs erhöht sind. Deswegen wird die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs rasch erhöht und die Stabilität der Flamme des Kohlenstaubbrenners kann vergrößert werden.
Da die Luft zur Tertiärluftdüse verteilt wird, um die Kohlenstaubflamme zu erhalten, entsteht deshalb daraus, daß die Sekundärlufidüse das Brennen verursacht, kein Problem.

Ausführungsform 4

Nun wird die vierte Ausführungsform beschrieben. Fig. 10 ist eine Schnittansicht des Kohlenstaubbrenners, die dessen Mittelachse enthält. Der Kohlenstaubbrenner dieser Ausführungsform enthält die Brennstoffdüse 102, die im Mittelabschnitt des Brenners angebracht ist, die Sekundärlufidüse 103, die konzentrisch um die Brennstoffdüse 102 angeordnet ist, und die Tertiärluftdüse 104, die am äußeren Umfang der Sekundärlufidüse 103 angebracht ist. Die Brennstoffdüse 102 liefert ein Gasgemisch 137 aus der Primärluft und dem Kohlenstaub. Die Sekundärlufidüse 103 und die Tertiärluftdüse 104 sind Kanäle zum Zuführen einer in den Windkasten 101 eingeleiteten Verbrennungsluft zur Brennkammer 100.
Die Brennstoffdüse 102 ist ein röhrenförmiger Kanal, der den Primäreinlaß 108 als eine äußere Wand besitzt, und an der Stirnseite der Brennkammer ist auf der Seite des Primäreinlasses 108 ein Flammenstabilisator angebracht. Ein Querschnitt des Flammenstabilisators mit seiner Mittelachse ist L-förmig. Eine Stirnseite des Flammenstabilisators 251 reicht von der inneren Umfangsfläche des Primäreinlasses 108 ins Innere des Kanals. Die andere Stirnseite des Flammenstabilisators 251 erreicht das Innere der Sekundärlufidüse 103.
Die Sekundärluftdüse 103 ist ein ringförmiger Kanal, der den Primäreinlaß 108 als eine innere Umfangsfläche und einen Sekundäreinlaß 109 als eine äußere Umfangswand besitzt. Die Ausgangsseite der Sekundärlufidüse 103 ist mit der Brennkammer 100 verbunden. Die Sekundärlufidüse 103 ist mit dem Wirbelströmungsgenerator 112 versehen. Der Wirbelströmungsgenerator 112 enthält mehrere halbkreisförmige Registerleitschaufeln, die in einer Umfangsrichtung vorgesehen sind, wobei jede halbkreisförmige Leitschaufel durch die Verbindung eines Bogens mit gegenüberliegenden geraden Linien definiert ist. Es ist ein Haltestab zum Drehen der Registerleitschaufel am Mittelteil des Bogens der Registerleitschaufel vorhanden. Die Registerleitschaufel bestimmt ihren Winkel durch Anweisungen der Steuereinheit 136, indem sie den obenerwähnten Haltestab mittig einstellt. Das Strömungsratensteuerventil 127 ändert die Strömungsrate der Luft, die durch die Sekundärluftdüse 103 und durch die Tertiärluftdüse 104 strömt durch Steuerung des Druckverlusts durch Reduzieren der Querschnittfläche der Einströmöffnung.
Die Tertiärluftdüse 104 ist ein ringförmiger Kanal, der den Sekundäreinlaß 109 als eine innere Umfangswand und den Tertiäreinlaß 109 als eine äußere Umfangswand besitzt. Die Ausgangsseite der Tertiärluftdüse 104 ist mit der Brennkammer 100 verbunden. In der Tertiärluftdüse 104 sind eine Führungshülse 252, der Wirbelströmungsgenerator (A) 113 und der Wirbelströmungsgenerator (B) 114 sowie eine feststehende Leitschaufel 250 vorgesehen. Ein ausgangsseitiges Ende der Führungshülse 252 ist an die Stirnfläche der Brennkammerseite des Sekundäreinlasses 109 gekoppelt und das andere Ende zeigt zur Brennkammer 100. Die Führungshülse 252 reduziert ihren Durchmesser zu ihrer Eingangsseite hin und besitzt die Funktion, die Tertiärluft radial auszustoßen, um das Vermischen der Primärluft und der Tertiärluft nahe am Kohlenstaubbrenner zu steuern.
Der Aufhau der Registerleitschaufel, die Bestandteil der Wirbelströmungsgeneratoren (A) und (B) sind, ist in Fig. 11 gezeigt. Die Registerleitschaufel enthält den halbmondförmigen Wirbelströmungsgenerator (A) 113, den rechteckigen Wirbelströmungsgenerator (B) 114, die Trennplatte 172, die jeweils die Enden der Wirbelströmungsgeneratoren (A) und (B) miteinander verbindet, und den Haltestab 121, wobei einer an den Bogen des Wirbelströmungsgenerators (A) 133 gekoppelt ist. Der Wirbelströmungsgenerator (B) 114 ist so angebracht, daß er mit einem Winkel, der vom Haltestab 121 mit dem Wirbelströmungsgenerator (A) 113 gebildet ist, positioniert ist.
Der Wirbelströmungsgenerator 112, die Wirbelströmungsgeneratoren (A) und (B) und das Strömungsratensteuerventil 127 werden von einer Steuereinheit 136 gesteuert, so daß deren Positionen vorgegebene Einstellwerte einnehmen.
Der Winkel, den die Wirbelleitschaufel des Wirbelströmungsgenerators (A) 113 mit der Mittelachse des Brenners bildet, ist so eingestellt, daß er größer ist als der Winkel, der durch den Wirbelströmungsgenerator (B) 114 gebildet ist. Das zeigt an, daß die Wirbelkomponente der Wirbelströmung des Wirbelströmungsgenerators (A) 113 im Vergleich mit der des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 vergrößert werden kann. Die Wirbelkomponente der Tertiärluftdüse 104 erhöht sich bei Annäherung an den Tertiäreinlaß 110 nach und nach. Somit erfolgt in der Tertiärluftdüse 104 keine Störungsdämpfung der Wirbelströmung.
Die Wirbelzahl der Tertiärluft erhöht sich deswegen gegenüber vorher, wenn dabei der gleiche Druckverlust verwendet wird. Da das Vermischen der Verbrennungsluft und des Kohlenstaubstrahls nahe am Brenner weiterhin gesteuert werden kann, kann dadurch der NOx-Reduktionsbereich in der Flamme stabilisiert werden, um eine Verbrennung bei einem geringen NOx- Wert zu erreichen.
Wenn der Kohlenstaubbrenner bei geringer Last betrieben wird, kann die Tertiärluft hauptsächlich vom Wirbelströmungsgenerator (A) 113 zugeführt werden, indem die Wirbelleitschaufeln des Wirbelströmungsgenerators (B) 114 vollständig geschlossen werden. Dadurch kann die Wirbelzahl der Tertiärluft bei geringer Last erhöht werden und das heiße Verbrennungsgas, das für die Zündung des Kohlenstaubs benötigt wird, kann näher an den Brenner gezogen werden. Da das heiße Verbrennungsgas den Kohlenstaub entzündet, wird die Flammenstabilität bei geringer Last rasch erhöht. Da die Kohlenstaubfeuerung sogar in einer Lastzone erreicht wird, für die herkömmlich die Hilfsölfeuerung erforderlich ist, kann dadurch die Verwendung von Öl reduziert werden.
Da ferner die Wirbelstärke der Tertiärluft bei geringer Last erhöht werden kann, kann im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren das Vermischen des Kohlenstaubs und der Verbrennungsluft nahe am Brenner gesteuert werden, und die NOx-Konzentration kann reduziert werden, indem in der Flamme der NOx-Reduktionsbereich ausgebildet wird.

Vorteil der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Kohlenstaubbrenner, der die NOx-Konzentration im gesamten Steuerlastbereich reduzieren kann, geschaffen werden. Außerdem kann bei der Hilfsölfeuerung die Erzeugung von Umweltinhibitatoren, wie etwa Ruß und dergleichen, gesteuert werden. Ferner kann durch die Anwendung des Kohlenstaubbrenners der vorliegenden Erfindung bei einer Kohlenstaub-Energieerzeugungsanlage die Menge des Ammoniaks, das in einer in der Energieerzeugungsanlage vorgesehenen Einrichtung zur NOx-Entfernung verwendet wird, reduziert werden.

Claims

1. Kohlenstaubbrenner, der umfaßt:

eine mittig angeordnete Brennstoffdüse (102), die mit Luft vemischten Kohlenstaub transportiert;

wenigstens eine Luftdüse (103, 104), die konzentrisch um die Brennstoffdüse (102) angeordnet ist;

Wirbelgeneratoren (112; 113, 114), die in den Luftdüsen (103, 104) angebracht sind, um die Verbrennungsluft in den Luftdüsen zu verwirbeln;

Steuereinrichtungen (115; 122; 127), um die Wirbelgeneratoren (113, 114) und dadurch ihre Wirbelstärke und die Luftströmungsrate in den Luftdüsen (103, 104) zu steuern; und

wenigstens zwei Wirbelgeneratoren (113, 114), die in wenigstens einer der Luftdüsen (104) parallel angeordnet sind, so daß die Verbrennungsluftströmung in der Luftdüse (104) durch diese Wirbelgeneratoren (113, 114) in einzelne Wirbelströmungen geteilt wird, die daraufhin in der Luftdüse (104) wiedervereinigt werden und über den Einlaß (110) der Luftdüse (104) eingespritzt werden.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelgeneratoren (113, 114) einen Satz Wirbelleitschaufeln (117, 120) umfassen und daß wenigstens eine Steuereinrichtung (133; 134) zum Steuern der Winkel (61) der Wirbelregisterleitschaufeln (117, 120) vorgesehen ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Wirbelgeneratoren (113, 114) einen Satz mechanisch verbundener Registerleitschaufeln (177, 120) besitzt, die an einem Haltestab (121) einteilig angebracht sind.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Registerleitschaufeln (120a, 120b) der ersten und zweiten Wirbelgeneratoren am gemeinsamen Haltestab (121) mit unterschiedlichen Winkeln θ&sub2; und θ&sub3; angebracht sind, wobei der Winkel θ&sub2; vorzugsweise größer als der Winkel θ&sub3; ist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelgeneratoren (113, 114) in der Luftdüse (104) durch getrennte Wirbelstärkesteuereinrichtungen (133, 134) einzeln gesteuert werden, so daß die Luftströmungen in den Wirbelgeneratoren (113, 114) zueinander entgegengesetzte Richtungen aufweisen können (Seite 16, Zeilen 10-12).

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zwei Wirbelgeneratoren (113, 114) eine Trennplatte (119) angebracht ist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der eine die Brennstoffdüse (102) umgebende Sekundärlufidüse (103) und eine die Sekundärlufidüse (103) umgebende Tertiärluftdüse (104) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sekundärlufidüse (103) ein Wirbelgenerator (112) des Axialströmungstyps und in der Tertiärluftdüse (104) die zwei Wirbelgeneratoren (113, 114) in paralleler Anordnung angebracht sind.

8. Brenner nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Steuereinrichtungen (127; 132 und 124, 135) zum Steuern der Öffnungsgrade (126; 140) der Sekundärluftdüse (103) und der Tertiärluftdüse (104).

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (136) Anweisungen ausgibt, die eine Steuereinheit (132) der Sekundärluftströmungsrate, eine Steuereinheit (133) der Wirbelstärke des Wirbelgenerators (114), eine Steuereinheit (133) der Wirbelstärke des Wirbelgenerators (113) und eine Steuereinheit (135) der Tertiärluftströmungsrate betreffen, um die Luftströmungsrate und die Wirbelstärke lastgemäß zu steuern.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffdüse (102) eine Ölspritze (106) vorgesehen ist.