EP0683219A2 - Process for air blast gasification of carbonaceous fuels - Google Patents

Abstract

Combustion of a richer-than-stoichiometric carbonaceous fuel mixture with air, yields a hot gas. Its heat drives an endothermic reaction, taking place between superheated steam and more fuel. The heat is transferred from the rich combustion process to the superheated steam and fuel, by radiative transfer, which may be direct or indirect. The hot gas flows as a hot core; the superheated steam/fuel mixture surrounds it in counterflow. Fuel gas is generated by the resulting reactions. In addition to this method, the gasifier to carry it out, is also claimed. <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1. It also relates to an apparatus for performing the method.

Stand der TechnikState of the art

Zur Vergasung von Kohle oder Rückstandsöl werden zur Zeit hauptsächlich sauerstoffgeblasene Prozesse, beispielsweise Shell-Kohlevergasungsprozess, verwendet. Durch diese Prozesse entsteht ein Gas mit relativ hohem Heizwert, 12-15 MJ/kg, das wegen seiner geringen Massenströme ohne grossen Enthalpieverlust entschwefelt und durch Wascheinrichtungen entstaubt werden kann. Dabei laufen die typischen Vergasungsreaktionen $$\text{CH4 + H2O → CO + 3H2}$$

$$\text{C + H2O → CO + H2}$$

endotherm ab.
Die benötigte Energie wird z.B. durch exotherme Reaktion $$\text{2C + O2 →2CO}$$

zur Verfügung gestellt.Oxygen-blown processes, for example Shell coal gasification processes, are currently mainly used to gasify coal or residual oil. These processes produce a gas with a relatively high calorific value, 12-15 MJ / kg, which, due to its low mass flows, can be desulphurized without great loss of enthalpy and can be dedusted by washing equipment. The typical gasification reactions run $$\text{CH4 + H2O → CO + 3H2}$$

$$\text{C + H2O → CO + H2}$$

endothermic.
The energy required is generated, for example, by an exothermic reaction $$\text{2C + O2 → 2CO}$$

made available.

Dabei wird etwa 22% des Heizwertes des Brennstoffes durch die exotherme Reaktion (3a) zunächst in Wärme und dann über die endotherme Reaktionen (1) und (2) wieder in Brennstoffenthalpie umgesetzt.
Bei einem luftgeblasenen Vergasungsprozess gemäss Stand der Technik würde die exotherme Reaktion (3a) zu: $$\text{2C + O2 + 4N2 → 2CO + 4N2}$$

und der Heizwert der Produktgase wird auf weniger als 50% im Vergleich zur sauerstoffgeblasenen Vergasung reduziert.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Prozesses ist die Tatsache, dass das Vergasungsprodukt mit Luftstickstoff verunreinigt wird.About 22% of the calorific value of the fuel is first converted into heat by the exothermic reaction (3a) and then again into fuel enthalpy via the endothermic reactions (1) and (2).
In an air-blown gasification process according to the prior art, the exothermic reaction (3a) would become: $$\text{2C + O2 + 4N2 → 2CO + 4N2}$$

and the calorific value of the product gases is reduced to less than 50% compared to oxygen-blown gasification.
A major disadvantage of this process is the fact that the gasification product is contaminated with atmospheric nitrogen.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einem Vergasungsbehälter der eingangs genannten Art die für die Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen benötigte Energie durch einen luftgeblasenen Vergasungsprozess zu erzeugen, ohne dass das Vergasungsprodukt mit Luftstickstoff verunrenigt ist.The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, is based on the object, in a method and a gasification tank of the type mentioned, to generate the energy required for the gasification of carbon-containing fuels by an air-blown gasification process without the gasification product being contaminated with atmospheric nitrogen .

Das Verfahren wird unter Zuhilfenahme eines Vergasungsbehälters durchgeführt, in welchem von der Verbrennung her eine Drallströmung erzeugt wird. Dabei wird in einem Drallbrenner auf der Achse ein unterstöchiometrisches Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt, wobei im wesentlichen die exotherme Reaktion (3b) abläuft. Im Gegenstrom wird im äusseren Radienbereich ebenfalls Brennstoff mit stark überhitztem Dampf von 700-1200°C nach den endothermen Reaktionen (1) und (2) vergast. Durch die stabile Schichtung im zylindrischen Reaktionsraum wird vermieden, dass sich der energielieferende Teilstrom im Zentrum, wo eine Verbrennungstemperatur von ca. 1800°C vorherrscht, mit dem zu vergasenden Brennstoff/Dampf-Gemisch im äusseren Radienbereich mischt. Die Wärmeübertragung vom energielieferenden Teilstrom an das zu vergasende Gemisch geschieht durch direkten Strahlungswärmeaustausch, durch indirekten Strahlungswärmeaustausch unter Beteiligung der Brennkammerwand und durch konvektive Wärmeübertragung zwischen der durch Strahlung erwärmten Brennkammerwand und dem Vergasungsgemisch. Im Anschluss an den Vergasungsreaktor wird durch Zugabe von Sekundärluft der zentrale Teilstrom, der bis anhin schon einen grossen Teil seiner fühlbaren Wärme an das zu vergasende Brennstoff/Dampf-Gemisch abgegeben hat, vollständig ausgebrannt.The method is carried out with the aid of a gasification container in which a swirl flow is generated from the combustion. In this case, a substoichiometric fuel / air mixture is burned in a swirl burner on the axis, the exothermic reaction (3b) essentially taking place. In counterflow, fuel is also gasified with strongly superheated steam at 700-1200 ° C in the outer radius area after endothermic reactions (1) and (2). The stable stratification in the cylindrical reaction chamber prevents the energy-supplying partial flow in the center, where a combustion temperature of approx. 1800 ° C prevails, with the fuel / steam mixture to be gasified in the outer radius area mixes. The heat transfer from the energy-supplying partial stream to the mixture to be gasified takes place by direct radiant heat exchange, by indirect radiant heat exchange with the participation of the combustion chamber wall and by convective heat transfer between the combustion chamber wall heated by radiation and the gasification mixture. Subsequent to the gasification reactor, the central partial flow, which up to now has already emitted a large part of its sensible heat to the fuel / steam mixture to be gasified, is completely burned out by adding secondary air.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die zweistufige Verbrennungsführung möglich ist, auch Brennstoffe mit brennstoffgebundenem Stickstoff einzusetzen, ohne im Abgas hohe Stickoxidwerte zu erhalten.An advantage of the invention can be seen in the fact that the two-stage combustion control also makes it possible to use fuels with fuel-bound nitrogen without obtaining high nitrogen oxide values in the exhaust gas.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Verfahren sich für sämtliche Brennstoffe, insbesondere für flüssige Brennstoffe, wie Schweröle, Rückstandsöle, Orimulsion, oder auch für Kohle in Form von Coal Water Slurry (CWS) oder in Form von Kohlenstaub eignet.Another advantage of the invention is that the method is suitable for all fuels, in particular for liquid fuels, such as heavy oils, residual oils, orimulsion, or also for coal in the form of coal water slurry (CWS) or in the form of coal dust.

Weitere Vorteile der Erfindung sind:

• Es wird keine Luftzerlegungsanlage mehr benötigt;
• Das Verfahren kann sowohl atmosphärisch als auch unter Druck betrieben werden;
• Es entsteht ein Vergasungsprodukt mit einem moderaten Heizwert ≈ 10 MJ/kg, das in einer Gasturbine schadstoffarm verbrannt werden kann.

Further advantages of the invention are:

• An air separation plant is no longer required;
• The process can be operated both atmospherically and under pressure;
• The result is a gasification product with a moderate calorific value ≈ 10 MJ / kg, which can be burned in a gas turbine with low emissions.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the task solution according to the invention are characterized in the further claims.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings. All elements not necessary for the immediate understanding of the invention have been omitted. The direction of flow of the media is indicated by arrows.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigt:

Fig. 1

einen zylindrischen Vergasungsbehälter, in welchem ein Vergasungsprodukt mit einem Heizwert ≈ 10 MJ/kg bereitgestellt wird,

Fig. 2

einen Vormischbrenner in der Ausführung als "Doppelkegelbrenner" in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten und

Fig. 3-5

Schnitte durch verschiedene Ebenen des Vormischbrenners gemäss Fig. 2.

It shows:

Fig. 1

a cylindrical gasification container in which a gasification product with a calorific value ≈ 10 MJ / kg is provided,

Fig. 2

a premix burner in the version as a "double cone burner" in perspective, cut open accordingly and

Fig. 3-5

Sections through different levels of the premix burner according to FIG. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwertbarkeitWays of carrying out the invention, commercial usability

Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Vergasungsbehälter 1, der aus einem Brenner 100, einem Reaktionsraum 2, in Strömungsrichtung der Heissgase einem nachgeschalteten Durchflussraum 3, und dazwischengeschaltet einem Zwischenrohr 4. Der Brenner 100 wird vorzugsweise als Vormischbrenner ausgelegt: Hierzu wird auf die Ausführungen unter Fig. 2-5 verwiesen. Kopfseitig und im Zentrum des Reaktionsraumes 2 wirkt der genannte Vormischbrenner 100, der eine stabile Heissgas-Strömung 5 im Kern oder Zentrum 6 des Reaktionsraumes 2 erzeugt. Diese Heissgase 5 durchströmen sozusagen gebündelt und unter Drall den Reaktionsraum 2. Dieser Strom durch das Zentrum des Reaktionsraumes 2 ist der eigentliche Energielieferant, dessen Verbrennungstemperatur ca. 1800°C. beträgt. Das Zwischenrohr 4 weist eine Anzahl in Umfangsrichtung des Durchflussquerschnittes angeordneter Oeffnungen 7 auf, durch welche eine Sekundärluft 8 der dort durchströmenden unterstöchiometrischen Heissgase 5 zugemischt wird, deren Temperatur durch die dann stattfindende Reaktion erhöht wird, bevor diese neue Heissgase 5a den nachgeschalteten Durchflussraum 3 durchströmen. Dieser Durchflussraum 3 erfüllt zugleich die Funktion eines Wärmetauschers: In Gegenstromrichtung zu den Heissgasen 5a wird ringförmig zum Durchflussraum 3 ein Dampfstrom 9 eingeleitet, deren Anfangstemperatur ca. 150°C beträgt. Dieser Dampf 9 wird entlang der Wärmetauschstrecke überhitzt, bevor er durch das Zwischenrohr 4 strömt. Im Gegenzug erkalten die Heissgase 5a zu Abgasen 14 mit einer Temperatur von 500°C, wofür sie sich für die Erzeugung eines Dampfes zum Betreiben einer Dampfturbine bestens eignen. Benachbart zum stromauf gelegenen Reaktionsraum 2 weist die ringförmige Oeffnung des Zwischenrohres 4 eine Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten Drallkörpern 10 mit Brennstoffeindüsung auf, welche ein Gemisch aus Brennstoff und überhitztem Dampf erzeugen, im folgenden Vergasungsgemisch 11 genannt, dem eine rotierende Bewegung aufzwungen wird. Diese rotierende Bewegung ummantelt im Reaktionsraum 2 in Gegenstromrichtung die zentrische Strömung der Heissgase 5, dergestalt, dass zwischen den beiden Medien ein Wärmetransport ohne einen gegenseitigen Austausch und ohne physikalische Trennung, wie dies bei Wärmetauschern der Fall ist. Dieses Vergasungsgemisch 11 verlässt den Reaktionsraum 2 als Brennstoff 15 mit einem Heizwert < 10 MJ/kg und mit einer Temperatur von ca. 650°C, wobei die nach wie vor vorhandene rotierende Bewegung durch endseitig des Reaktionsraumes 2 plazierte weitere Drallkörper 12 aufgehoben wird, bevor dieses Brennstoffes 15 seinem Einsatzbereich zugeführt wird. Die Wärmeübertragung von energieliefernden Heissgasen 5 an das Vergasungsgemisch 11 kann nicht nur durch direkten Strahlungswärmeaustausch geschehen, sondern wahlweise auch durch indirekten Strahlungswärmeaustausch unter Beteiligung der Wand des Reaktionsraumes 2, oder durch konvektive Wärmeübertragung zwischen der durch Strahlung erwähmten Reaktionsraumwand und dem Vergasungsgemisch 11. Dieses gibt einen Teil seiner Wärme in Wärmetauschverfahren einer Primärluft 13, deren Durchflussströmung ringförmig zum Vergasungsgemisch 11 verläuft. Diese erhitzte Primärluft 12 mit einer Temperatur > 500°C bildet dann die Verbrennungsluft für den Vormischbrenner 100. Demnach werden folgende Grundprinzipien benutzt:

• Radial geschichtete Drallströmung mit heissem Kern geringerer Dichte und kälterer Aussenströmung hoher Dichte.
• Gestufte Verbrennungsführung zur Minimierung der NOx-Emissionen.
• Strahlungswärmeaustausch zwischen unterstöchiometrischem heissem Kern und Reaktionsraumwand bzw. direkter Strahlungswärmeaustausch zwischen heissem Kern und Vergasungs-Gemisch.

Dieses Verfahren, d.h. der bereitgestellte Brennstoff 15, eignet sich vorzüglich als Brennstoffaufbereitungssystem für Gasturbinen, Kombianlagen oder Heizkraftwerke mit Schweröl als Brennstoff, beispielsweise auch unter Zugabe von Klärschlamm. Auch zur Erzeugung eines Synthesegas in der chemischen Grundstoffindustrie ist das Verfahren geeignet. Gegenüber den sauerstoffgeblasenen Vergasungsprozessen hat es den weiteren Vorteil, dass wesentlich geringere Investionen und Betriebskosten anfallen.1 shows a cylindrical gasification container 1, which consists of a burner 100, a reaction chamber 2, a downstream flow chamber 3 in the direction of flow of the hot gases, and an intermediate pipe 4 connected in between. The burner 100 is preferably designed as a premix burner 2-5 referenced. The above-mentioned premix burner 100, which generates a stable hot gas flow 5 in the core or center 6 of the reaction chamber 2, acts on the head side and in the center of the reaction chamber 2. These hot gases 5 flow, as it were, in a bundle and with swirl through the reaction space 2. This flow through the center of the reaction space 2 is the actual energy supplier, whose combustion temperature is approximately 1800 ° C. is. The intermediate pipe 4 has a number of openings 7 arranged in the circumferential direction of the flow cross-section, through which a secondary air 8 of the substoichiometric hot gases 5 flowing through there is admixed, the temperature of which is increased by the reaction that then takes place before these new hot gases 5a flow through the downstream flow chamber 3. This flow space 3 also fulfills the function of a heat exchanger: in the counterflow direction to the hot gases 5a, a steam flow 9 is introduced in a ring shape to the flow space 3, the initial temperature of which is approximately 150 ° C. This steam 9 is superheated along the heat exchange path before it flows through the intermediate pipe 4. In return, the hot gases 5a cool down to exhaust gases 14 with a temperature of 500 ° C., for which they are ideally suited for generating steam for operating a steam turbine. Adjacent to the upstream reaction chamber 2, the annular opening of the intermediate tube 4 has a series of swirl bodies 10 arranged in the circumferential direction with fuel injection, which produce a mixture of fuel and superheated steam, hereinafter referred to as gasification mixture 11, which is forced to rotate. This rotating movement encases the central flow of the hot gases 5 in the counterflow direction in such a way that heat is transported between the two media without mutual exchange and without physical separation, as is the case with heat exchangers. This gasification mixture 11 leaves the reaction chamber 2 as fuel 15 with a calorific value <10 MJ / kg and at a temperature of approx. 650 ° C., the still existing rotating movement being canceled by further swirl bodies 12 placed at the end of the reaction chamber 2 before this fuel 15 is supplied to its area of application. The heat transfer from energy-supplying hot gases 5 to the gasification mixture 11 can be done not only by direct radiant heat exchange, but alternatively also by indirect radiant heat exchange involving the wall of the reaction chamber 2, or by convective heat transfer between the reaction chamber wall mentioned by radiation and the gasification mixture 11. This gives part of its heat in heat exchange processes of a primary air 13, the flow of which flows in a ring shape to the gasification mixture 11. This heated primary air 12 with a temperature> 500 ° C then forms the combustion air for the premix burner 100. Accordingly, the following basic principles are used:

• Radially stratified swirl flow with a hot core of lower density and a colder outer flow of high density.
• Staged combustion control to minimize NOx emissions.
• Radiant heat exchange between the substoichiometric hot core and the reaction chamber wall or direct radiant heat exchange between the hot core and the gasification mixture.

This method, ie the fuel 15 provided, is particularly suitable as a fuel processing system for gas turbines, combination plants or combined heat and power plants with heavy oil as fuel, for example also with the addition of sewage sludge. The process is also suitable for generating a synthesis gas in the basic chemical industry. Compared to the oxygen-blown gasification processes, it has the further advantage that significantly lower investments and operating costs are incurred.

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 3 die einzelnen Schnitte nach den Figuren 4-6 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 3 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figuren 4-6 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die restlichen Figuren 4-6 hingewiesen.In order to better understand the structure of the burner 100, it is advantageous if the individual sections according to FIGS. 4-6 are used simultaneously with FIG. 3. Furthermore, in order not to make FIG. 3 unnecessarily confusing, the guide plates 121a, 121b shown schematically according to FIGS. 4-6 have only been hinted at in it. In the description of FIG. 3, reference is made below to the remaining FIGS. 4-6 as required.

Der Brenner 100 nach Fig. 3 ist ein Vormischbrenner und besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 119, 120 frei (Fig. 4-6), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Tronpete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraum 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, dass Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Oeffnungsdüsen 117 eingebracht, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zustande kommt. Bei der Eindüsung des Brennstoffes 112 uber die Düse 103 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 106 am Ende des Brenners 100, die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkel und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Strömungszone 106 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, dass die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann.The burner 100 according to FIG. 3 is a premix burner and consists of two hollow, conical partial bodies 101, 102 which are nested one inside the other in a staggered manner. The offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axes 201b, 202b of the conical partial bodies 101, 102 to one another creates a tangential air inlet slot 119, 120 on both sides, in a mirror-image arrangement (FIGS. 4-6), through which the combustion air 115 enters the interior of the Burner 100, ie flows into the cone cavity 114. The conical shape of the partial bodies 101, 102 shown in the flow direction has a specific fixed angle. Of course, depending on the operational use, the partial bodies 101, 102 can have an increasing or decreasing cone inclination in the flow direction, similar to a trumpet or Tulip. The last two forms are not included in the drawing, since they can be easily understood by a person skilled in the art. The two tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical starting part 101a, 102a, which likewise, similarly to the tapered partial bodies 101, 102, are offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 are present over the entire length of the burner 100. In the area of the cylindrical initial part, a nozzle 103 is accommodated, the injection 104 of which coincides approximately with the narrowest cross section of the conical cavity 114 formed by the conical partial bodies 101, 102. The injection capacity and the type of this nozzle 103 depend on the specified parameters of the respective burner 100. Of course, the burner can be designed purely conical, that is to say without cylindrical starting parts 101a, 102a. The conical sub-bodies 101, 102 further each have a fuel line 108, 109, which are arranged along the tangential inlet slots 119, 120 and are provided with injection openings 117, through which a gaseous fuel 113 is preferably injected into the combustion air 115 flowing through there, such as this is symbolized by arrows 116 want. These fuel lines 108, 109 are preferably placed at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 114, in order to obtain an optimal air / fuel mixture. On the combustion chamber side 122, the outlet opening of the burner 100 merges into a front wall 110, in which a number of bores 110a are provided. The latter come into operation when necessary and ensure that dilution air or cooling air 110b is supplied to the front part of the combustion chamber 122. In addition, this air supply ensures flame stabilization at the outlet of the burner 100. This flame stabilization becomes important when it comes to supporting the compactness of the flame due to a radial flattening. The fuel brought in through the nozzle 103 is a liquid fuel 112, which can be enriched with a recirculated exhaust gas at most. This fuel 112 is injected into the cone cavity 114 at an acute angle. A conical fuel profile 105 is thus formed from the nozzle 103 and is enclosed by the rotating combustion air 115 flowing in tangentially. In the axial direction, the concentration of the fuel 112 is continuously reduced to an optimal mixing by the incoming combustion air 115. If the burner 100 is operated with a gaseous fuel 113, this is preferably introduced via opening nozzles 117, the formation of this fuel / air mixture taking place directly at the end of the air inlet slots 119, 120. When the fuel 112 is injected via the nozzle 103, the optimal, homogeneous fuel concentration across the cross section is achieved in the region of the vortex burst, that is to say in the region of the backflow zone 106 at the end of the burner 100. The ignition takes place at the tip of the backflow zone 106. Only at this point can a stable flame front 107 arise. A flashback of the flame into the interior of the burner 100, as is latently the case with known premixing sections, is remedied there, however, with complicated flame holders is not to be feared here. If the combustion air 115 is additionally preheated or enriched with a recirculated exhaust gas, this supports the evaporation of the liquid fuel 112 before the combustion zone is reached. The same considerations also apply if, instead of gaseous, liquid fuels are supplied via the lines 108, 109. When designing the conical partial bodies 101, 102 with regard to the cone angle and width of the tangential air inlet slots 119, 120, narrow limits must be observed so that the desired flow field of the combustion air 115 with the flow zone 106 at the outlet of the burner can be set. In general, it can be said that a reduction in the tangential air inlet slots 119, 120 shifts the backflow zone 106 further upstream, but this then causes the mixture to ignite earlier. At least it must be determined that the backflow zone 106, once fixed, is positionally stable, because the swirl number increases in the direction of flow in the region of the cone shape of the burner 100. The axial speed within the burner 100 can be changed by a corresponding supply, not shown, of an axial combustion air flow. The design of the burner 100 is furthermore particularly suitable for changing the size of the tangential air inlet slots 119, 120, with which a relatively large operating bandwidth can be recorded without changing the overall length of the burner 100.

Aus Fig. 4-6 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verändert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.4-6 now shows the geometric configuration of the guide plates 121a, 121b. They have a flow introduction function, which, depending on their length, extend the respective end of the tapered partial bodies 101, 102 in the direction of flow relative to the combustion air 115. The channeling of the combustion air 115 into the cone cavity 114 can be optimized by opening or closing the guide plates 121a, 121b about a pivot point 123 located in the region of the entry of this channel into the cone cavity 114, This is particularly necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 119, 120 is changed. Of course, these dynamic arrangements can also be provided statically, in that guide baffles as required form a fixed component with the tapered partial bodies 101, 102. Burner 100 can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.

BezugszeichenlisteReference list

11

VergasungsbehälterGasification tank

22nd

ReaktionsraumReaction space

33rd

DurchflussraumFlow space

44th

ZwischenrohrIntermediate tube

55

Heissgase, Heissgas-SchichtungHot gases, hot gas stratification

5a5a

Neue HeissgaseNew hot gases

66

Zentrum, KernCenter, core

77

OeffnungenOpenings

88th

SekundärluftSecondary air

99

Dampfsteam

1010th

DrallkörperSwirl body

1111

VergasungsgemischGasification mixture

1212th

DrallkörperSwirl body

1313

PrimärluftPrimary air

1414

AbgasenExhaust

1515

Brennstofffuel

100100

VormischbrennerPremix burner

101, 102101, 102

TeilkörperPartial body

101a, 102a101a, 102a

Zylindrische AngangsteileCylindrical starting parts

101b, 102b101b, 102b

LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes

103103

BrennstoffdüseFuel nozzle

104104

BrennstoffeindüsungFuel injection

105105

BrennstoffeindüsungsprofilFuel injection profile

106106

Rückströmzone (Vortex Breakdown)Reverse flow zone (vortex breakdown)

107107

FlammenfrontFlame front

108, 109108, 109

BrennstoffleitungenFuel lines

110110

FrontwandFront wall

110a110a

LuftbohrungenAir holes

110b110b

KühlluftCooling air

112112

Flüssiger BrennstoffLiquid fuel

113113

Gasförmiger BrennstoffGaseous fuel

114114

KegelhohlraumCone cavity

115115

VerbrennungsluftCombustion air

116116

Brennstoff-EindüsungFuel injection

117117

BrennstoffdüsenFuel nozzles

119, 120119, 120

Tangentiale LufteintrittsschlitzeTangential air inlet slots

121a, 121b121a, 121b

LeitblecheBaffles

122122

BrennraumCombustion chamber

123123

Drehpunkt der LeitblechePivot point of the guide plates

Claims (8)

Verfahren zur luftgeblasenen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, wobei die benötigte Energie für die Vergasung durch Wärmeaustausch zwischen einer endothermen und einer exothermen Reaktion bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die exotherme Reaktion aus einer Verbrennung eines unterstöchiometrischen Brennstoff/Luft-Gemisches ein Heissgas entsteht, dass durch die endotherme Reaktion aus einem Vergasungsprozess zwischen Brennstoff und überhitztem Dampf ein Vergasungsgemisch entsteht, dass der Wärmeaustausch durch einen direkten oder indirekten Strahlungswärmeaustausch zwischen Heissgas und Vergasungsgemisch zustande kommt.Method for air-blown gasification of carbon-containing fuels, the energy required for the gasification being provided by heat exchange between an endothermic and an exothermic reaction, characterized in that the exothermic reaction produces a hot gas from the combustion of a substoichiometric fuel / air mixture The endothermic reaction from a gasification process between fuel and superheated steam results in a gasification mixture that the heat exchange takes place through a direct or indirect radiant heat exchange between hot gas and gasification mixture. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heissgas als heissen Kern in einer Richtung strömt, dass das Vergasungsgemisch das Heissgas ummantelt und in Gegenrichtung strömt, dass dem Heissgas nach dem Wärmetauschverfahren eine Sekundärluft zugemischt wird, dass dieses neue Heissgas im Wärmetauschverfahren den überhitzten Dampf aufbereitet und als Abgas abströmt, und dass das Vergasungsgemisch im Wärmetauschverfahren eine Primärluft aufwärmt und anschliessend als Brennstoff abströmt.A method according to claim 1, characterized in that the hot gas flows as a hot core in one direction, that the gasification mixture surrounds the hot gas and flows in the opposite direction, that secondary air is mixed into the hot gas after the heat exchange process, that this new hot gas in the heat exchange process the superheated steam processed and discharged as exhaust gas, and that the gasification mixture heats up a primary air in the heat exchange process and then flows off as fuel. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die Vorrichtung aus einem unterteilten Vergasungsbehälter besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsbehälter aus einem Reaktionsraum, einem Zwischenrohr und einem Durchflussraum besteht, und dass der Reaktionsraum 1 anströmungsseitig mit einem Brenner bestückt ist.Device for carrying out the method according to claims 1 and 2, wherein the device consists of a divided Gasification tank consists, characterized in that the gasification tank consists of a reaction chamber, an intermediate tube and a flow chamber, and that the reaction chamber 1 is equipped with a burner on the inflow side. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) gegeneinander versetzt verlaufen, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115) bilden, dass im von den Teilkörpern (101, 102) gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that the burner (100) consists of at least two hollow, conical partial bodies (101, 102) nested one inside the other in the direction of flow, the respective longitudinal axes of symmetry (101b, 102b) of which are offset with respect to one another such that the adjacent walls of the partial bodies (101, 102) in their longitudinal extent form tangential channels (119, 120) for a combustion air flow (115) that at least one fuel nozzle (103) is present in the cone cavity (114) formed by the partial bodies (101, 102). Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.Apparatus according to claim 4, characterized in that further fuel nozzles (117) are arranged in the region of the tangential channels (119, 120) in their longitudinal extent. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung Unter einem festen Winkel kegelig erweitern.Apparatus according to claim 4, characterized in that the partial bodies (101, 102) expand conically in the flow direction at a fixed angle. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.Device according to claim 4, characterized in that the partial bodies (101, 102) have an increasing taper in the direction of flow. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.Device according to claim 4, characterized in that the partial bodies (101, 102) have a decreasing taper in the direction of flow.

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