EP3267104A1 - Brenner und verfahren zur optimierten verbrennung grober, partikelförmiger brennstoffe, insbesondere biomasse - Google Patents

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EP3267104A1
EP3267104A1 EP16178687.6A EP16178687A EP3267104A1 EP 3267104 A1 EP3267104 A1 EP 3267104A1 EP 16178687 A EP16178687 A EP 16178687A EP 3267104 A1 EP3267104 A1 EP 3267104A1
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EP
European Patent Office
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burner
primary
tube
flame stabilizers
primary tube
Prior art date
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Application number
EP16178687.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3267104B1 (de
Inventor
Dr. Hans-Ulrich Thierbach
Paolo Schmidt-Holzmann
Dr. Stefan Hamel
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Steinmueller Engineering GmbH
Original Assignee
Steinmueller Engineering GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2201/00—Burners adapted for particulate solid or pulverulent fuels
    • F23D2201/20—Fuel flow guiding devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00003—Fuel or fuel-air mixtures flow distribution devices upstream of the outlet

Definitions

  • the invention relates to a burner for particulate fuel, which is particularly suitable in addition for biomass fuels, and methods for optimized combustion of coarse, particulate fuels from biomass.
  • Burners for the combustion of pulverized fuels, especially coal, in a combustion chamber have been known for a long time. This is also referred to as dust firing.
  • pulverized coal burners have a core air tube and are surrounded by a primary air tube concentrically surrounding the core air tube which in turn concentrically surrounds a secondary air tube and often a second secondary air tube (tertiary air tube) concentrically surrounding the secondary air tube.
  • the core tube which is perfused with air, a burner lance for igniting the particulate fuel and possibly other installations such as flame detector on.
  • the concentric with the core tube arranged primary tube forms with the core tube an annular gap which is connected at its rear end with a dust line.
  • a mixture of carbon particles and primary combustion agent (primary air) is fed to the burner.
  • the mixture of carbon particles and combustion agent is set in rotation via a swirl body arranged in the annular gap, so that the carbon particles concentrate in the outer region of the annular gap.
  • a secondary tube and usually a tertiary tube are additionally arranged concentrically around the primary tube, forming a secondary and a tertiary annular gap with the respective inner tube, through which secondary and tertiary combustion means (secondary air and tertiary air) flow.
  • secondary and tertiary combustion means secondary air and tertiary air
  • swirling bodies are also usually provided to give the combustion agent a spin.
  • the twist of the secondary air flow is adjustable, whereby the negative pressure and thus the remindströmmenge hot combustion gases are changeable. This allows the burner to be adapted to the respective pulverized coal to be burnt, in order to achieve reliable ignition.
  • the pulverized coal-carrying primary air tube is surrounded in its mouth region by an air guiding device arranged inside the secondary air tube. This results in the mouth region of the burner, a division of the secondary air flow into two concentric partial flows. One of these partial flows passes through the annular gap formed between the air guiding device and the outer wall of the primary air tube. This annular gap allows premature mixing of the "branched off” secondary air flow into the flame core, whereby the ignition of the pulverized coal is supported, independently or in addition to the spin effect of the secondary air flow.
  • radially inwardly directed flame stabilizers are arranged, which lead to a stall and turbulence of the carbon particles.
  • a flow directed into the combustion chamber with high turbulence and coal particle concentration is formed.
  • This flow is surrounded by the secondary air streams arranged concentrically from the outer.
  • the high turbulence of the particle-rich fuel stream rapidly expels the volatile components from the carbon particles. Due to the high particle concentration, the air ratio is strongly substoichiometric, resulting in less nitrogen oxides (NOx) being formed.
  • the burners of the construction mentioned above can be used not only for the combustion of coal but also for the combustion of other particulate fuels, for example biomass. Due to the generally fibrous and tough structure of the commonly used biomasses, and the high wear of the devices used for milling the biomass, biomass can not be as finely ground as coal.
  • the particle size is typically 90% smaller than 100 ⁇ m and for lignite 90% smaller than 200 ⁇ m.
  • an average particle size of about 1 mm is usually used for combustion, with 1 to 10% and even up to 15% of the particles being larger than 1 mm.
  • the technical object of the present invention was therefore to provide a burner for particulate fuel, in particular for fuels
  • Biomass is suitable, in which the ignition takes place as early as possible and as close to the burner muffle as possible and to stabilize the flame and to realize the required for the low-NOx operation controlled mixing of combustion air into the flames.
  • a plurality of deflection bodies are arranged, so that a plurality of the free flow paths are provided with a deflection body in the aforementioned manner.
  • at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 80% or 100% of the free flow paths are equipped with a diverting body.
  • a plurality of deflecting bodies are disposed within the primary tube gap upstream of the flame stabilizers is arranged so that at least one deflecting body intersects the axis of each fifth, preferably every fourth, more preferably every 3, even more preferably every third, more preferably every second and most preferably of each free flow path.
  • the burner according to the invention can burn conventional fuels such as coal dust.
  • the burner is particularly suitable for burning fuels from biomass.
  • the burner according to the invention can also be used to burn other fuels which contain large and / or non-reactive particles.
  • a plurality of deflecting bodies is arranged offset from the flame stabilizers within the primary tube gap upstream of the flame stabilizers.
  • a deflecting a free flow path that is, the gap or recess between each two adjacent flame stabilizers assigned. In this way, the respective free flow path between each two adjacent flame stabilizers seen in the flow direction is at least partially covered by at least one deflecting body.
  • a number of deflecting bodies corresponding to the number of free flow paths are arranged on the axes of the free flow paths within the primary tube gap upstream of the flame stabilizers.
  • the deflecting bodies in the primary pipe gap guiding the fuel particle / carrier gas mixture By means of the deflecting bodies in the primary pipe gap guiding the fuel particle / carrier gas mixture, a deflection of at least part of the larger fuel particles in the direction of the installed flame stabilizers ("teeth") takes place.
  • the largest portion of the larger or larger fuel particles is directed against the flame stabilizers and decelerated there first before the particles get back into the flow between two adjacent flame stabilizers or radially around the flame stabilizers around.
  • the larger fuel particles are only accelerated again by the flow have to. This measure prevents the larger particles from leaving the burner outlet at high speed in the direction of the combustion chamber and igniting it late in the combustion chamber.
  • a reduced particle velocity is achieved according to the invention, whereby the large fuel particles in the vicinity of the burner outlet and the burner degas and ignite.
  • the smaller fuel particles can follow the carrier gas through the deflection and are braked to a lesser extent by the flame stabilizers. Due to their small or smaller particle size, these particles also support the early burner-near ignition.
  • the baffles further support early ignition for increased turbulence generation by diverting a higher flow rate to the flame stabilizers.
  • the burner according to the invention with the properties proposed here is in particular designed to effectively burn particulate fuels which, in contrast to the generally used prior art, also contain considerably larger particles.
  • Significantly larger means that the physical particle dimensions (length, width, depth) are larger than, for example, typical coal dust burners.
  • fuels are understood here all convertible into a particulate state fuels.
  • this includes all residual and waste materials that can be converted into a particulate state.
  • the fuels do not necessarily have to be in completely solid state, but they must be able to be conveyed pneumatically.
  • the particles can be present in a wide variety of forms, such as, for example, chips, dust, wood shavings, breakage material, wood chips, etc. It would also be possible to use animal meal as fuel. Because meat and bone meal is high in fat, it is not strictly a solid fuel. However, animal meal is suitable as long as it is pneumatically conveyable.
  • the proposed measures not only allow the design of new optimized burners, but are also particularly suitable to improve existing burner with little effort.
  • a significant further advantage, in addition to the advantages mentioned, is that the burner can also be operated with conventional fuel. That is, the measures proposed by the present invention combine the advantages of burning "coarse” particles and also allow the combustion of "normal” particles. This is advantageous if the fuel band is to be expanded with the same burner, for example with biomasses etc., and nevertheless the known fuels should continue to be used.
  • the respective deflecting body is designed such that it deflects the flow of the fuel particle / carrier gas mixture on both sides of the deflecting body away from the axis of the free flow path to the flame stabilizers, in particular to the two flame stabilizers, the respective limit free flow path. Therefore, the deflecting body has a shape that widens along the longitudinal axis of the Anström Scheme beginning, with the maximum Width of the deflecting in the central region, located in the rear region or at the Anström Scheme opposite end of the deflecting body.
  • the respective deflecting body has at least two deflecting surfaces. These are connected to one another either by a vertex, namely in a rounded (part-circular or elliptical) inflow region, or by an edge (in the case of an angular inflow region, that is to say in the presence of an inflow edge). In the presence of a leading edge, the deflection surfaces are at an angle of preferably 10 ° to 60 ° to each other.
  • the deflecting body is arranged in the primary pipe gap, that the Anström Suite, i. the rounded inflow region or the inflow edge, which connects the at least two deflection surfaces, is oriented counter to the flow direction of the fuel particle / carrier gas mixture.
  • the angle between the at least two deflection surfaces is 10 ° to 45 °, more preferably 10 ° to 40 ° and even more preferably 10 ° to 30 °.
  • the angle depends, among other things, on the distance of the deflecting body to the flame stabilizers and the width of the flow path between two adjacent flame stabilizers, and is selected accordingly so that under operating conditions, the incident on the deflecting fuel particles are directed to the flame stabilizers.
  • the deflecting bodies can have any shape which is suitable for deflecting at least some of the larger fuel particles so that they strike the side of the flame stabilizer adjacent to the "blocked" flow path, which side faces away from the outlet.
  • the person skilled in the art will recognize that in the embodiment of the deflecting body, in particular, the area which opposes the direction of flow, that is to say that which is opposite to the direction of flow, arrives. the flown area.
  • the outline of the inflow region of the deflecting body (ie, the region opposite to the flow direction of the fuel particle / carrier gas mixture) has a triangular shape, wherein the angle of the apex of the triangular shape, which is opposite to the flow direction, is preferably 10 ° to 60 ° , preferably 10 ° to 45 °, more preferably 10 ° to 40 ° and even more preferably 10 ° to 30 °.
  • suitable and preferred two-dimensional shapes of the plan view of the respective deflecting body are equilateral triangle, isosceles triangle, rhombus, rhombus, kite quadrangle, arrow quadrangle, ellipse, circle and floor plans with a combination of a triangular, rounded, part-circular or elliptical (front) Anström Society and a each designed differently angular, rounded, part-circular or elliptical away from the flow (rear) area.
  • the inflow region may also deviate from the triangular shape, namely the two deflection surfaces or flanks of the deflection body may be concave.
  • At least the sides or surfaces of the deflecting body facing the particle-laden flow are provided with a more wear-resistant surface. This can be done in different ways State of the art are performed, such as by build-up welding, coating, covering with wear-resistant material such as ceramic, etc.
  • the three-dimensional geometric shape of the respective deflection body is selected from the group consisting of wedge, tetrahedron, polyhedron, combination of wedge and tetrahedron or polyhedron, cylinder (circular cylinder), elliptical cylinder; Hemisphere, spherical segment.
  • the wedge is selected as a deflecting body as a geometric shape, then it is arranged with one of its triangular surfaces on the wall of the primary tube gap, the tip of the wedge opposing the direction of flow, i. represents the leading edge, and the two lateral surfaces (corresponding to the legs of the acute-angled triangle) represent the two deflection surfaces. If the tetrahedron is chosen as a deflection, then the tip of the tetrahedron points in the opposite direction of flow.
  • the wedge is disposed with one of its triangular faces on the wall of the primary tube gap, with the tip of the wedge facing the direction of flow, and on the other triangular face of the wedge is a suitably sized tetrahedron, i. the other triangular surface of the wedge and one of the triangular surfaces of the tetrahedron are congruent, so that the tetrahedron protrudes into the interior of the primary tube gap.
  • tetrahedral form but also corresponding polyhedra or rounded geometries can be used in combination with the wedge.
  • the person skilled in the art understands that, in particular in the case of the combination of geometric shapes mentioned here for the description of the complete deflecting body, it does not necessarily have to be separate constructional elements, but the deflecting body can also be designed in one piece.
  • the inflow region of the deflecting body is rounded.
  • a geometric shape of the deflecting such as cylinders (circular cylinder), elliptical cylinder; Hemisphere, spherical segment, so represents the one line of the deflecting, the farthest to the exit region of the burner is the apex line, which is the upstream of the two deflection surfaces of the deflecting body defined, or connects these two deflection surfaces together. It is understood that when using the elliptical cylinder, this is aligned with its longitudinal axis parallel to the flow direction. If a cylindrical shape is chosen as the base as the geometric shape of the deflecting body, then the free elliptical or circular planar surface (which projects into the interior of the primary tube gap) can be provided with a rounded geometry.
  • the diverting body can also consist only of two deflecting surfaces arranged at an acute angle to one another and optionally a side wall which faces the interior of the primary tube gap, i. the deflection body itself is hollow and possibly also has no back wall, i. is open on the side facing away from the flow.
  • the maximum width of the respective deflecting body i. the extent along the axis perpendicular to the longitudinal axis of the primary tube, greater than the distance or equal to the distance of the two adjacent flame stabilizers, which limit the corresponding flow path.
  • the maximum width of the respective deflection body is greater than the width or equal to the width of the respective flow path.
  • the maximum width of the respective deflecting body is smaller than the distance of the two adjacent flame stabilizers, which limit the corresponding flow path. The width of the deflecting hangs u.a. from the distance of the deflecting body to the flame stabilizers and the width of the flow path between two adjacent flame stabilizers.
  • the longitudinal axis of the deflecting body according to the invention runs parallel to the flow direction, i. parallel to the longitudinal axis of the primary pipe or of the primary pipe gap.
  • the height of the respective deflecting body ie the radial extent into the primary tube gap, is less than or equal to the height, ie the radial extent of the flame stabilizers.
  • the deflecting bodies are arranged upstream of the flame stabilizers at a distance therefrom.
  • the baffles are located upstream of the flame stabilizers, with the longitudinal extent of the baffles extending to the flame stabilizers, i. the outlet-side, flow-remote end of the deflecting body is in contact with the flame stabilizers.
  • the core tube cross-section in the direction of the combustion chamber decreases continuously or stepwise at the burner outlet, whereby the cross-section of the primary tube gap increases accordingly.
  • This reduction of the core tube cross-section is preferably achieved in that the core tube recedes relative to the primary tube and an inner core tube with a smaller diameter at the outlet end of the core tube is arranged, wherein the inner core tube protrudes toward the combustion chamber from the core tube.
  • the exit-side end of the core tube or, if present, of the inner core tube recedes relative to the corresponding end of the primary tube or is arranged shortened or sunk relative to this.
  • the shortening of the core air tube increases the distance to the flame stabilizers when they are arranged on the primary tube.
  • the flow rate of the fuel particle / carrier gas mixture is slowed down.
  • the "entrainment speed" of the gas for the coarse particles is significantly reduced. This prevents the coarse particles from leaving the burner outlet at full speed in the direction of the combustion chamber and only late in the combustion chamber, i. Ignite at a great distance to the burner outlet. Due to the reduced particle and gas velocity, the coarse particles can also degas and ignite near the burner.
  • the primary tube or the primary tube gap has no swirl body.
  • the attachment of swirlers in the primary tube gap, which leads the fuel particle / Traggas mixture would be similar to the action of an axial cyclone, wherein the fuel particles accumulate predominantly in the region of the outer circumference and deplete in the remaining cross-section.
  • the twisting device sets a rotating flow. An effect is, as described, that the particles move outward and accumulate there. As a result, the particles also have a movement that rotates in the primary gap. While it is possible to use the diverters, proper positioning and alignment is difficult. For this reason, an untwisted fuel particle flow moving only axially through the primary gap is preferred. Therefore, no swirl bodies are arranged in the primary tube gap. Consequently, in the burner according to the invention, the fuel particles are evenly distributed in the primary tube gap.
  • swirling bodies can be arranged in the first and / or second or possibly further secondary pipe (s).
  • the attachment of swirlers in the secondary pipe, the combustion air (secondary air) leads, has the consequence that the secondary air flow is imparted a twist, which widens the flame.
  • the impingement of the swirl on the secondary air flow can by swirling bodies, such as in the form of vanes or baffles, carried out, which may be inclined by 20 ° to 30 ° relative to the longitudinal direction of the secondary tube.
  • the fuel flame stabilizers (teeth) are mounted, which can generate a high turbulence.
  • These flame stabilizers serve the stable ignition of the fuel particle / carrier gas mixture.
  • the flame stabilizers serve to slow the fuel particles and create turbulence to accelerate the release of volatiles and to stabilize the ignition close to the exit of the burners.
  • the flame stabilizers are mounted at the outlet of the primary pipe gap and protrude into the cross section of the primary pipe gap.
  • the shape of the flame stabilizers is not limited.
  • the flame stabilizers may have a rounded, rectangular or square shape.
  • the different tooth shapes serve in principle the same purpose, namely by generating local turbulence to favor the ignition (flame holder).
  • the flame stabilizers are provided with a support rib or stiffening rib on the side facing away from the firebox.
  • This rib fulfills two main tasks, namely i) the stiffening of the flame stabilizer from a constructive point of view, and ii) the removal or dissipation of heat.
  • the flame stabilizer is exposed to large thermal radiation from the furnace. Although cooling takes place by the continuous flow of fuel particles / carrier gas mixture. Nevertheless, the rib provides better heat dissipation. This is particularly important when the burner is out of operation, so no cooling by the fuel / carrier gas mixture takes place. In the case where the burner is out of operation, then usually abandoned amounts of cooling air are comparatively small, so that the improved heat dissipation through the rib is required.
  • the flame stabilizers may be disposed along one or both of the two concentric edges of the primary tube gap formed of core tube and primary tube. It is particularly preferred that the flame stabilizers along the edge of the primary tube, i. the outer boundary of the primary pipe gap can be arranged.
  • the area obstructed by the flame stabilizers in relation to the free area of the primary pipe gap is largely determined by the fuel properties and the previous mill drying. For ignitable fuels less obstruction is possible. For ignitant fuels a larger obstruction is necessary.
  • the obstruction of the free cross-section of the primary tube gap is from 10% to 80%, preferably from 20% to 70% and more preferably from 50% to 65%, based on the free cross-section of the primary tube gap upstream of any tapering of the core tube. ie without taking into account the enlargement of the primary pipe gap by a possible taper of the core tube.
  • air a carrier gas
  • Combustion air containing less oxygen than air, or else a gas that is completely oxygen-free, can be used as the carrier gas, as long as the oxygen necessary for the combustion is otherwise provided.
  • the core tube can be traversed by an oxygen-containing gas or an oxygen-free gas, which may be useful in particular for cooling the core tube.
  • a burner lance for providing a support or pilot flame are additionally arranged in the core tube.
  • the invention further provides a furnace including one or more burners of the invention described above.
  • the invention provides a method for the combustion of particulate fuels, in particular from biomass, wherein preferably 1 to 15%, particularly preferably up to 10%, of the particles are greater than 1 mm, by means of the inventive burner described above and / or in the furnace containing the burners according to the invention, wherein the particulate fuels are conducted in a carrier gas through the primary tube gap of the burner, and at least a portion of the fuel particles are deflected from upstream of the flame stabilizer arranged deflecting bodies in the direction of the flame stabilizers are braked by the flame stabilizers, then back into the flow between two adjacent flame stabilizers or radially around the flame stabilizers around and are burned after leaving the burner.
  • the use of the deflecting bodies in the primary tube gap leading the fuel particle / carrier gas mixture leads to the deflection of at least part of the larger fuel particles in the direction of the installed flame stabilizers.
  • the largest portion of the larger or larger fuel particles is directed against the flame stabilizers and there first braked before the particles get back into the flow between two adjacent flame stabilizers or radially around the flame stabilizers around.
  • This deceleration results that the larger fuel particles must first be accelerated by the flow again. This procedure prevents the larger particles from leaving the burner outlet at high speed in the direction of the combustion chamber and igniting it late in the combustion chamber.
  • a reduced particle velocity is achieved according to the invention, whereby the large fuel particles in the vicinity of the burner outlet and the burner degas and ignite.
  • the smaller fuel particles can partially follow the carrier gas through the deflection and are braked to a lesser extent by the flame stabilizers. Support by their small or smaller particle size also these particles the early burner near ignition.
  • the baffles further support early ignition for increased turbulence generation by diverting a higher flow rate to the flame stabilizers.
  • fuels which consist wholly or partly of biomass, wherein 1 to 15%, preferably 1 to 10% of the particles are greater than 1 mm, wherein preferably the average particle size is 1 mm.
  • Another preferred method uses fuels containing at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 90%, at least 95%. and most preferably 100% biomass.
  • biomass pellets or wood pellets are again de-agglomerated and optionally further ground, grinding dust, wood shavings etc. are used as fuel.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a burner for particulate fuel, which is particularly suitable for the combustion of fuels from biomass, in longitudinal section.
  • the burner is arranged in the combustion chamber wall 2 and opens into the combustion chamber 1.
  • the burner has a core tube 5 and a primary tube 4 concentrically surrounding the core tube 5.
  • the core tube 5 is traversed by core air 10.
  • the primary tube 4 and the core tube 5 form a primary tube gap, through which the fuel particle / carrier gas mixture 9 is guided.
  • the primary pipe 4 is surrounded concentrically by a secondary pipe 3.
  • the secondary pipe 3 and the primary pipe 4 form a secondary pipe gap, which is traversed by air (secondary air 8).
  • a secondary pipe cone 7 is arranged at the outlet end of the primary pipe 4.
  • the secondary air 8 which flows through the primary pipe gap, is divided by the secondary pipe cone 7 into two partial streams 11, 12 and deflected outward by the conical expansion of the secondary pipe cone 7 and the primary pipe 4 at the outlet end and moves away in the radial direction from the flame kernel of the primary combustion zone.
  • a secondary air separation layer is generated downstream of the exit of the primary pipe 4 between primary combustion and secondary air flow. This recirculation area is used for NOx reduction.
  • the end of the core tube 5 is shortened relative to the end of the primary tube 4. Furthermore, an inner core tube 6 is arranged at the outlet end of the core tube 5, wherein the inner core tube 6 protrudes toward the combustion chamber from the core tube 5.
  • the inner core tube 6 has a smaller cross section than the core tube 5. As a result, the core tube cross section in the direction of the combustion chamber, and the cross section of the primary tube gap, decreases at the burner outlet increases accordingly.
  • the end of the inner core tube 6 is shortened relative to the end of the primary tube 4. As a result of these measures, the flow velocity of the fuel particle / carrier gas flow 9 decreases.
  • the core tube 5 as well as the inner core tube 6 are flowed through by core air 10.
  • a plurality of flame stabilizers 13 is arranged, wherein in the embodiment shown, the flame stabilizers 13 are arranged on the primary tube 4 and protrude radially inwardly into the cross section of the primary tube gap.
  • the flame stabilizers could also be arranged on the core tube 5 and then protrude radially outwards into the cross section of the primary tube gap.
  • Another alternative would be an arrangement of the flame stabilizers 13 on the primary tube 4 and the core tube.
  • the flame stabilizers 13 define free flow paths whose axes extend between each two adjacent flame stabilizers 13 parallel to the longitudinal direction of the primary tube.
  • a plurality of deflecting bodies 15 are arranged within the primary tube gap, in the shown embodiment on the inner wall of the primary tube 4, upstream of the flame stabilizers 13 such that in each case a deflecting body 15 intersects or lies on the axis of a free flow path and along this Axis is aligned.
  • a deflecting body 15 intersects the axis of each free flow path means that the deflecting bodies 15 are arranged offset relative to the flame stabilizers 13 and when viewed in the direction of the firebox each deflecting body 15 a free flow path or a gap or gap between each two adjacent flame stabilizers 13 at least partially hidden.
  • This staggered arrangement of diverter body 15 and flame stabilizer is in the Figures 3 and 4 shown.
  • the deflecting body 15 By means of the deflecting body 15, a deflection of at least part of the larger fuel particles in the direction of the installed flame stabilizers 13 is achieved.
  • the largest proportion of the larger or larger fuel particles is directed against the flame stabilizers 13, there braked first before the Particles get back into the flow between two adjacent flame stabilizers 13 or radially around the flame stabilizers around.
  • the larger fuel particles must first be accelerated by the flow again. This measure prevents the larger particles from leaving the burner outlet at high speed in the direction of the combustion chamber 1 and igniting it late in the combustion chamber. Instead, a reduced particle velocity is achieved according to the invention, whereby the large fuel particles in the vicinity of the burner outlet and the burner degas and ignite.
  • the flame stabilizers 13 have a stiffening rib 14, which serve to stabilize the flame stabilizer 13 and heat dissipation.
  • FIG. 2 shows another embodiment of a burner according to the present invention in longitudinal section.
  • the FIG. 2 embodiment shown differs from FIG. 1 by the extensive or complete separation of the secondary air stream 11, 12, by instead of the attachment of a relatively short secondary pipe cone concentrically around the outlet-side end portion of the primary pipe, a complete first secondary pipe 7, which concentrically surrounds the primary pipe 4, is disposed within a second secondary pipe 3 ,
  • FIG. 3 shows a view of the development of the annular flame holder with an array of flame stabilizers and deflectors.
  • a multiplicity of flame stabilizers 13 are arranged, which protrude radially inwards into the cross section of the primary tube gap (in this case protrude out of the image plane in the direction of the observer).
  • the flame stabilizers 13 have a stiffening rib 14 on the side of the flame stabilizer facing away from the outlet.
  • the flame stabilizers 13 define free flow paths whose axes extend between each two adjacent flame stabilizers 13 parallel to the longitudinal direction of the primary tube. From the FIG.
  • the deflection bodies 15 are arranged offset to the latter upstream of the flame stabilizers 13, ie a deflecting body 15 lies on the axis of a free flow path.
  • a deflecting body 15 when viewed in the flow direction by a deflecting body 15, a free flow path or a gap or gap between each two adjacent flame stabilizers 13, at least partially obscured.
  • the deflecting elements 15 advantageously have a triangular shape in plan view, at least in the area of the deflecting body that flows towards it.
  • FIG. 3 One of the simplest floor plans for the deflecting body 15 is shown, namely an isosceles triangle, which corresponds three-dimensionally, for example, to a wedge or a tetrahedron.
  • the deflection body 15 has at least two deflection surfaces - shown here by the two long legs of the equilateral triangle.
  • the stream 9 of the fuel particle / carrier gas mixture impinges on the acute angle, or on the leading edge of the deflecting body 15 and the fuel particles are deflected by the deflecting surfaces of the deflecting body 15 in the direction of the flame stabilizers 13 which are closest to the deflecting body.
  • the larger or the larger fuel particles are directed against the flame stabilizers 13 and braked there. Thereafter, the fuel particles return to the flow either a free flow path between two adjacent flame stabilizers 13 or radially around the flame stabilizers around (here in the direction of the viewer).
  • FIG. 3 an embodiment is shown in which the width of the deflecting body 15 is smaller than that of the free flow path between two adjacent flame stabilizers.
  • FIG. 4 shows a view of the development of the annular flame holder with another arrangement of flame stabilizers and deflectors.
  • the embodiment shown differs from that in FIG. 3 shown by the width of the deflecting body 15 is greater than that of the free flow path between two adjacent flame stabilizers 13.
  • the extension of the flame stabilizers 13 and the deflecting body 15 overlaps in the direction transverse to the longitudinal axis of the primary tube.
  • FIG. 5 shows different geometries of the deflector, such as wedge (top left), dragon quadrangle as a base with polyhedra as a roof structure (top right) and wedge as a base with tetrahedra as a roof structure.
  • the wedge or the kite quadrilateral is arranged on the wall while the polyhedron or the tetrahedron projects radially into the interior of the primary tube gap.
  • the pointed end of the wedge or the kite quadrilateral points opposite to the flow direction of the fuel particle stream.
  • the small illustration on the far left shows the corresponding floor plans of the three-dimensional representation of the deflection bodies.
  • FIG. 6 shows various rounded geometries of the deflecting body, such as circular cylinder or elliptical cylinder.
  • one of the circular surfaces or elliptical surfaces is arranged on the wall of the primary tube gap while the respective other circular surface or elliptical surface protrudes into the interior of the primary tube gap.
  • This free circular area or elliptical area can be covered by a further geometric shape, such as by a hemisphere or a spherical segment in the circular cylinder

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Abstract

Brenner (16) für partikelförmigen Brennstoff, der insbesondere zur Verbrennung von Brennstoffen aus Biomasse geeignet ist, enthaltend: - ein Primärrohr (4); - ein im Primärrohr (4) angeordnetes Kernrohr (5); - wobei das Primärrohr (4) und das Kernrohr (5) einen Primärrohrspalt bilden und wobei der Primärrohrspalt zum Ausstoßen eines Fluidgemisches aus einem partikelförmigen Brennstoff und einem Traggas (9) ausgebildet ist; - ein das Primärrohr (4) konzentrisch umgebendes erstes Sekundärrohr (3); - gegebenenfalls ein das erste Sekundärrohr (3) konzentrisch umgebendes zweites Sekundärrohr und optional ein oder mehrere weitere Sekundärrohre, die das jeweils innere Rohr konzentrisch umgeben; - eine Vielzahl von Flammenstabilisatoren (13), die an der Austrittsöffnung des Primärrohrspaltes radial in den Querschnitt des Primärrohrspaltes hinein ragen, wobei die Flammenstabilisatoren (13) freie Strömungspfade definieren, deren Achsen zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren (13) hindurch parallel zur Längsrichtung des Primärrohrs (4) verlaufen, wobei innerhalb des Primärrohrspaltes stromaufwärts der Flammenstabilisatoren (13) ein oder mehrere Umlenkkörper (15) so angeordnet ist bzw. sind, dass der jeweilige Umlenkkörper (15) die Achse eines freien Strömungspfades schneidet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Feuerungsanlage enthaltend die erfindungsgemäßen Brenner und ein Verfahren, welches auf einen derartigen Brenner angewandt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für partikelförmigen Brennstoff, der insbesondere zusätzlich auch für Brennstoffe aus Biomasse geeignet ist, und Verfahren zur optimierten Verbrennung grober, partikelförmiger Brennstoffe aus Biomasse.
    • Technischer Hintergrund der Erfindung
  • Brenner für die Verbrennung staubförmiger Brennstoffe, wie insbesondere Kohle, in einem Feuerraum sind seit langer Zeit bekannt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Staubfeuerungen.
  • Bei der im Stand der Technik bekannten grundsätzlichen Konstruktionsweise weisen Kohlenstaubbrenner ein Kernluftrohr auf und sind von einem das Kernluftrohr konzentrisch umgebenden Kohlenstaub führenden Primärluftrohr, welches seinerseits konzentrisch von einem Sekundärluftrohr sowie oftmals einem das Sekundärluftrohr konzentrisch umgebenden zweiten Sekundärluftrohr (Tertiärluftrohr) umgeben.
  • Weiterhin weist das Kernrohr, das luftdurchströmt ist, eine Brennerlanze zur Zündung des partikelförmigen Brennstoffs und ggf. weitere Einbauten wie zum Beispiel Flammenwächter auf. Das konzentrisch zu dem Kernrohr angeordnete Primärrohr bildet mit dem Kernrohr einen Ringspalt, der an seinem rückwärtigen Ende mit einer Staubleitung verbunden ist. Über die Staubleitung wird dem Brenner eine Mischung aus Kohlepartikeln und primärem Verbrennungsmittel (Primärluft) zugeführt. Vorteilhafterweise wird das Gemisch aus Kohlepartikeln und Verbrennungsmittel über einen im Ringspalt angeordneten Drallkörper in Rotation versetzt, so dass die Kohlepartikel sich im äußeren Bereich des Ringspalts aufkonzentrieren.
  • Um das Primärrohr sind weiterhin zusätzlich ein Sekundärrohr und meist ein Tertiärrohr konzentrisch angeordnet, die einen sekundären und einen tertiären Ringspalt mit dem jeweils inneren Rohr ausbilden, die von sekundären und tertiären Verbrennungsmitteln (Sekundärluft und Tertiärluft) durchströmt werden. In den sekundären und dem tertiären Ringspalten sind in der Regel ebenfalls Drallkörper vorgesehen, um dem Verbrennungsmittel einen Drall zu geben.
  • Die Konstruktion dieser Kohlenstaubbrenner ermöglicht eine Aufteilung der Verbrennungsluft in mehrere, konzentrische Teilströme, wodurch aufgrund der daraus resultierenden gestuften Luftzuführung die Bildung von Stickoxiden vermindert werden kann. Sie zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sowohl der Sekundärluftstrom als auch der Ausbrandluftstrom (Tertiärluft) einzeln regelbar ist.
  • Durch die Verdrallung des Sekundärluftstromes werden der Strömung Zentrifugalkräfte aufgezwungen, die im Kern des Wirbelfeldes einen Unterdruck hervorrufen. Dies bewirkt, dass sich im Kern der Flamme eine Rückströmung heißer Verbrennungsgase zur Flammenwurzel ausbildet, welche die erforderliche Kohlekornaufheizung und damit die Zündung des über den Brenner eingeblasenen Kohlenstaubs wirksam unterstützt. Der Drall des Sekundärluftstroms ist einstellbar, wodurch der Unterdruck und damit die Rückströmmenge heißer Verbrennungsgase veränderbar sind. Dies ermöglicht eine Anpassung des Brenners an den jeweils zu verbrennenden Kohlenstaub, um eine sichere Zündung zu erreichen.
  • In der DE 43 25 643 A1 ist eine Weiterbildung des oben beschriebenen Kohlenstaubbrenners offenbart. Bei diesem Brenner ist das Kohlenstaub führende Primärluftrohr in seinem Mündungsbereich von einer innerhalb des Sekundärluftrohres angeordneten Luftleiteinrichtung umgeben. Dadurch erfolgt im Mündungsbereich des Brenners eine Aufteilung des Sekundärluftstroms in zwei konzentrische Teilströme. Einer dieser Teilströme durchsetzt den zwischen der Luftleiteinrichtung und der Außenwand des Primärluftrohrs gebildeten Ringspalt. Dieser Ringspalt ermöglicht ein frühzeitiges Einmischen des "abgezweigten" Sekundärluftstroms in den Flammenkern, wodurch die Zündung des Kohlenstaubs unterstützt wird, und zwar unabhängig bzw. zusätzlich zur Drallwirkung des Sekundärluftstroms.
  • Am Austritt des Primärrohrs zum Feuerraum sind radial nach innen gerichtete Flammenstabilisatoren angeordnet, die zu einem Strömungsabriss und zur Verwirbelung der Kohlepartikel führen. Auf diese Weise wird eine in den Feuerraum hinein gerichtete Strömung mit hoher Turbulenz und Kohlepartikelkonzentration ausgebildet. Diese Strömung wird durch die aus den äußeren konzentrisch angeordneten Sekundärluftströmen umgeben. Die hohe Turbulenz des partikelreichen Brennstoffsstroms treibt die flüchtigen Komponenten schnell aus den Kohlepartikeln aus. Aufgrund der hohen Partikelkonzentration ist das Luftverhältnis stark unterstöchiometrisch, wodurch weniger Stickoxide (NOx) gebildet werden.
  • Die Brenner der genannten Bauweise können prinzipiell außer zur Verbrennung von Kohle auch zur Verbrennung von anderen partikelförmigen Brennstoffen, beispielweise Biomasse, eingesetzt werden. Aufgrund der in der Regel faserigen und zähen Struktur der üblich verwendeten Biomassen, und des hohen Verschleiß der für das Mahlen der Biomassen verwendeten Vorrichtungen, können Biomassen nicht so fein gemahlen werden wie Kohle. Bei Steinkohle ist die Partikelgröße typischerweise zu 90% kleiner als 100 µm und bei Braunkohle zu 90% kleiner als 200 µm. Bei Biomasse wird in der Regel eine mittlere Partikelgröße von etwa 1 mm zur Verbrennung verwendet, wobei 1 bis 10% und sogar bis 15% der Partikel größer als 1 mm sind.
  • Aufgrund der Partikelgröße bei Biomassen werden, im Vergleich zu Kohle, die flüchtigen Komponenten der Biomassepartikel bei unveränderten Strömungsbedingungen langsamer freigesetzt, was zu einer verzögerten Zündung führen kann. Die Flamme bildet sich erst in einiger Entfernung zur Brennermuffel wodurch die Stabilität der Verbrennung der Biomasse beeinträchtigt wird.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, einen Brenner für partikelförmigen Brennstoff bereitzustellen, der insbesondere für Brennstoffe aus
  • Biomasse geeignet ist, bei dem die Zündung so früh wie möglich und so nah an der Brennermuffel wie möglich stattfindet und die Flamme zu stabilisieren und die für den NOx-armen Betrieb erforderliche kontrollierte Zumischung von Verbrennungsluft in die Flammen realisieren zu können.
  • Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch einen Brenner für partikelförmigen Brennstoff enthaltend:
    • ein Primärrohr;
    • einem im Primärrohr angeordneten Kernrohr,
    wobei das Primärrohr und das Kernrohr einen Primärrohrspalt bilden und wobei der Primärrohrspalt zum Ausstoßen eines Fluidgemisches aus einem partikelförmigen Brennstoff und einem Traggas ausgebildet ist,
    • ein das Primärrohr konzentrisch umgebendes erstes Sekundärrohr;
    • gegebenenfalls ein das erste Sekundärrohr konzentrisch umgebendes zweites Sekundärrohr und optional ein oder mehrere weitere Sekundärrohre, die das jeweils innere Rohr konzentrisch umgeben;
    • eine Vielzahl von Flammenstabilisatoren, die an der Austrittsöffnung des Primärrohrspaltes radial in den Querschnitt des Primärrohrspaltes hinein ragen, wobei die Flammenstabilisatoren freie Strömungspfade definieren, deren Achsen zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren hindurch parallel zur Längsrichtung des Primärrohrs verlaufen,
    wobei erfindungsgemäß innerhalb des Primärrohrspaltes stromaufwärts der Flammenstabilisatoren ein oder mehrere Umlenkkörper so angeordnet ist bzw. sind, dass der jeweilige Umlenkkörper die Achse eines freien Strömungspfades schneidet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Umlenkkörper angeordnet, so dass mehrere der freien Strömungspfade mit einem Umlenkkörper in genannter Weise versehen sind. Vorzugsweise sind mindestens 10%, mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 60%, mindestens 80% oder 100% der freien Strömungspfade mit einem Umlenkkörper ausgestattet.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden innerhalb des Primärrohrspaltes stromaufwärts der Flammenstabilisatoren eine Vielzahl von Umlenkkörpern so angeordnet ist, dass mindestens jeweils ein Umlenkkörper die Achse jedes fünften, vorzugsweise jedes vierten, weiter bevorzugt jedes 3, noch weiter bevorzugt jedes dritten, insbesondere bevorzugt jedes zweiten und am meisten bevorzugt eines jeden freien Strömungspfades schneidet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Brenner lassen sich herkömmliche Brennstoffe wie Kohlenstaub verbrennen. Gemäß der Erfindung ist der Brenner insbesondere geeignet, um Brennstoffe aus Biomasse zu verbrennen. Grundsätzlich können mit dem erfindungsgemäßen Brenner auch andere Brennstoffe verbrannt werden, die große und/oder nichtreaktive Partikel enthalten.
  • In dem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung ist innerhalb des Primärrohrspaltes stromaufwärts der Flammenstabilisatoren eine Vielzahl von Umlenkkörpern versetzt zu den Flammenstabilisatoren angeordnet. Dabei ist ein Umlenkkörper einem freien Strömungspfad, das heißt der Lücke bzw. Aussparung zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren, zugeordnet. Auf diese Weise wird der jeweilige freie Strömungspfad zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren in Strömungsrichtung gesehen zumindest teilweise von mindestens einem Umlenkkörper verdeckt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners sind innerhalb des Primärrohrspaltes stromaufwärts der Flammenstabilisatoren eine der Anzahl der freien Strömungspfade entsprechende Anzahl von Umlenkkörpern auf den Achsen der freien Strömungspfade angeordnet.
  • Mittels der Umlenkkörper in dem das Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisch führenden Primärrohrspalt findet eine Umlenkung zumindest eines Teils der größeren Brennstoffpartikel in Richtung der installierten Flammenstabilisatoren ("Zähne") statt. Dadurch wird der größte Anteil der größeren bzw. großen Brennstoffpartikel gegen die Flammenstabilisatoren geleitet und dort zunächst abgebremst bevor die Partikel wieder in die Strömung zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren oder radial um die Flammenstabilisatoren herum gelangen. Daraus ergibt sich, dass die größeren Brennstoffpartikel erst wieder von der Strömung beschleunigt werden müssen. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, dass die größeren Partikel mit hoher Geschwindigkeit den Brenneraustritt in Richtung Feuerraum verlassen und erst spät im Feuerraum zünden. Stattdessen wird gemäß der Erfindung eine verringerte Partikelgeschwindigkeit erreicht, wodurch die großen Brennstoffpartikel in der Nähe des Brenneraustritts bzw. des Brenners entgasen und zünden. Die kleineren Brennstoffpartikel können dem Traggas durch die Umlenkung folgen und werden zu einem geringeren Anteil durch die Flammenstabilisatoren abgebremst. Durch ihre geringe bzw. geringere Partikelgröße unterstützen auch diese Partikel die frühe brennernahe Zündung. Die Umlenkkörper unterstützen die frühe Zündung weiterhin im Hinblick auf eine verstärkte Turbulenzerzeugung, durch die Umlenkung eines höheren Strömungsanteils auf die Flammenstabilisatoren.
  • Der erfindungsgemäße Brenner mit den hier vorgeschlagenen Eigenschaften ist insbesondere darauf ausgelegt partikelförmige Brennstoffe effektiv zu verbrennen, die im Unterschied zum allgemein angewendeten Stand der Technik auch erheblich größere Partikel enthalten. Erheblich größer bedeutet, dass die physikalischen Partikelabmessungen (Länge, Breite, Tiefe) größer sind als zum Beispiel bei typischen Kohlestaubbrennern. Als Brennstoffe werden hier alle in einen partikelförmigen Zustand überführbare Brennstoffe verstanden. Insbesondere auch alle Formen von Biomassen, die in einem partikelförmigen Zustand vorliegen, oder durch geeignete Aufbereitungsschritte in einen partikelförmigen Zustand überführt werden können. Darüber hinaus werden darunter auch alle Rest- und Abfallstoffe verstanden, die in einen partikelförmigen Zustand überführt werden können. Die Brennstoffe müssen nicht zwingend in vollständig festem Aggregatzustand vorliegen, sie müssen jedoch pneumatisch förderbar sein. Die Partikel können in unterschiedlichsten Formen vorliegen, wie zum Beispiel als Späne, Staub, Hobelspäne, Bruchmaterial, Hackgut usw. Auch ließe sich Tiermehl als Brennstoff verwenden. Da Tiermehl einen hohen Fettanteil aufweist, handelt es sich streng genommen nicht um einen vollständig festen Brennstoff. Tiermehl ist jedoch geeignet, solange es pneumatisch förderbar ist.
  • Die Zündung von Partikeln wird durch dessen Aufheizung und durch die daraus resultierende thermische Zersetzung und in Konsequenz durch dessen Flüchtigenfreisetzung dominiert. Je größer ein Partikel ist, desto langsamer steigt unter gleichen Bedingungen die Partikeltemperatur und damit verzögert sich die Flüchtigenfreisetzung. Dazu ist zu berücksichtigen, dass unterschiedliche Brennstoffe unterschiedliche Reaktivitäten bezüglich deren thermischen Zersetzung aufweisen. Beispielsweise ist holzartige Biomasse im Allgemeinen wesentlich reaktiver, also Flüchtige werden bei niedrigeren Temperaturen und meist auch noch schneller freigesetzt als beispielsweise bei üblichen Steinkohlen. Dieser Vorteil aus Sicht der Zündung, wird oftmals durch große Partikelgrößen aufgehoben, die dann eine wesentlich längere Partikelaufheizzeit benötigen. Das heißt, die hier vorgeschlagene Verbesserung gilt für Brennstoffe die auch physikalisch größere Partikel enthalten, ist aber ebenso einsetzbar für Brennstoffe, die "unreaktivere" Eigenschaften haben. Diese "unreaktive" Eigenschaft kann durch die Partikelgröße (Aufheizverhalten) und Reaktivität (thermische Zersetzungseigenschaft) bestimmt werden, oder aus einer Kombination daraus.
  • Insbesondere erlauben die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht nur die Gestaltung von neuen optimierten Brennern, sondern sind insbesondere auch geeignet bestehende Brenner mit einem geringen Aufwand zu verbessern. Ein wesentlicher weiterer Vorteil, über die genannten Vorteile hinaus, ist dabei, dass der Brenner auch mit herkömmlichem Brennstoff betrieben werden kann. Das heißt, die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen vereinen die Vorteile bei Verbrennung "grober" Partikel und erlauben ebenso die Verbrennung "normale" Partikel. Das ist vorteilhaft, falls mit dem gleichen Brenner das Brennstoffband erweitert werden soll, beispielsweise mit Biomassen usw., und trotzdem die bekannten Brennstoffe weiter eingesetzt werden sollen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners ist der jeweilige Umlenkkörper so ausgestaltet, dass dieser den Strom des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches zu beiden Seiten des Umlenkkörpers weg von der Achse des freien Strömungspfades auf die Flammenstabilisatoren umlenkt, insbesondere auf die beiden Flammenstabilisatoren, die den jeweiligen freien Strömungspfad begrenzen. Daher weist der Umlenkkörper eine Gestalt auf, die sich entlang der Längsachse vom Anströmbereich beginnend verbreitert, wobei sich die maximale Breite des Umlenkkörpers im mittleren Bereich, im hinteren Bereich oder am dem Anströmbereich entgegengesetzten Ende des Umlenkkörpers befindet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der jeweilige Umlenkkörper mindestens zwei Ablenkflächen auf. Hierbei sind die folgenden unterschiedlichen Bauweisen weiter bevorzugt,
    1. a) wobei die zwei Ablenkflächen bei Umlenkkörpern mit eckigem Anströmbereich vorzugsweise in einem Winkel von 10° bis 60 zueinander stehen, wobei der Umlenkkörper so in dem Primärrohrspalt angeordnet ist, dass die Kante (Anströmkante), die die mindestens zwei Ablenkflächen miteinander verbindet, entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches ausgerichtet ist; oder
    2. b) wobei bei Umlenkkörpern mit abgerundetem Anströmbereich diejenige Linie des Umlenkkörpers, die dem Austrittsbereich des Brenners am fernsten liegt, die Scheitellinie darstellt, die die den anströmseitigen Beginn der beiden Ablenkflächen des Umlenkkörpers definiert, bzw. diese beiden Ablenkflächen miteinander verbindet.
  • Wie oben erwähnt weist in einer bevorzugten Ausführungsform der jeweilige Umlenkkörper mindestens zwei Ablenkflächen auf. Diese sind entweder durch einen Scheitelpunkt, nämlich bei einem abgerundeten (teilkreisförmigen oder elliptischen) Anströmbereich, miteinander verbunden oder durch eine Kante (bei einem eckigen Anströmbereich, d.h. bei Vorhandensein einer Anströmkante) miteinander verbunden. Bei Vorhandensein einer Anströmkante stehen die Ablenkflächen in einem Winkel von vorzugsweise 10° bis 60° zueinander. Dabei ist der Umlenkkörper so in dem Primärrohrspalt angeordnet, dass der Anströmbereich, d.h. der abgerundete Anströmbereich oder die Anströmkante, der bzw. die die mindestens zwei Ablenkflächen miteinander verbindet, entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches ausgerichtet ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den mindestens zwei Ablenkflächen 10° bis 45°, weiter bevorzugt 10° bis 40° und noch weiter bevorzugt 10° bis 30°. Der Winkel hängt u.a. von der Entfernung des Umlenkkörpers zu den Flammenstabilisatoren und der Breite des Strömungspfades zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren ab, und wird entsprechend so ausgewählt, dass unter Betriebsbedingungen die auf den Umlenkkörper auftreffenden Brennstoffpartikel auf die Flammenstabilisatoren gelenkt werden.
  • Die Umlenkkörper können jede Form aufweisen, die geeignet ist zumindest ein Teil der größeren Brennstoffpartikel so abzulenken, dass sie auf die dem Austritt abgewandte Seite des jeweilig dem "versperrten" Strömungspfad benachbarten Flammenstabilisators treffen. Der Fachmann erkennt, dass es bei der Ausgestaltung des Umlenkkörpers insbesondere auf den Bereich ankommt, der der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist, d.h. den angeströmten Bereich. Besonders bevorzugt weist der Grundriss des Anströmbereiches des Umlenkkörpers (d.h. der Bereich, der der Strömungsrichtung des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches entgegengesetzt ist) eine Dreiecksform auf, wobei der Winkel der Spitze der Dreiecksform, die der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist, vorzugsweise 10° bis 60°, bevorzugt 10° bis 45°, weiter bevorzugt 10° bis 40° und noch weiter bevorzugt 10° bis 30° beträgt. Weiterhin sind wie oben erwähnt auch abgerundete Anströmbereiche geeignet.
  • Dabei sind geeignete und bevorzugte zweidimensionale Formen des Grundrisses des jeweiligen Umlenkkörpers: gleichseitiges Dreieck, gleichschenkliges Dreieck, Rhombus, Raute, Drachenviereck, Pfeilviereck, Ellipse, Kreis und Grundrisse mit einer Kombination aus einem dreieckförmigen, abgerundeten, teilkreisförmigen oder elliptischen (vorderen) Anströmbereich und einem jeweils anders gestalteten eckigen, abgerundeten, teilkreisförmigen oder elliptischen der Strömung abgewandten (hinteren) Bereich.
  • In weiteren Ausgestaltungen kann der Anströmbereich auch von der Dreiecksform abweichen, nämlich die beiden Ablenkflächen bzw. Flanken des Umlenkkörpers können konkav gestaltet sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden mindestens die der partikelbeladenen Strömung zugewandten Seiten bzw. Flächen des Umlenkkörpers mit einer verschleißfesteren Oberfläche versehen. Dies kann auf verschiedene Weisen nach Stand der Technik durchgeführt werden, wie zum Beispiel durch Auftragsschweißen, Beschichten, Belegen mit verschleißfesten Material wie z.B. Keramik, usw.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brenners ist die dreidimensionale geometrische Form des jeweiligen Umlenkkörpers ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Keil, Tetraeder, Polyeder, Kombination aus Keil und Tetraeder bzw. Polyeder, Zylinder (Kreiszylinder), elliptischer Zylinder; Halbkugel, Kugelsegment.
  • Wird als geometrische Form der Keil als Umlenkkörper ausgewählt, dann ist dieser mit einer seiner Dreiecksflächen auf der Wand des Primärrohrspalts angeordnet, wobei die Spitze des Keils der Strömungsrichtung entgegensteht, d.h. die Anströmkante darstellt, und die beiden seitlichen Flächen (entsprechend den Schenkeln des spitzwinkligen Dreiecks) die beiden Ablenkflächen darstellen. Wird der Tetraeder als Umlenkform gewählt, dann weist die Spitze des Tetraeders entgegen der Strömungsrichtung. Bei der Kombination aus Keil und Tetraeder ist der Keil mit einer seiner Dreiecksflächen auf der Wand des Primärrohrspalts angeordnet, wobei die Spitze des Keils gegen die Strömungsrichtung weist, und auf der anderen Dreiecksfläche des Keils ist ein entsprechend dimensionierter Tetraeder angebracht, d.h. die andere Dreiecksfläche des Keils und eine der Dreiecksflächen des Tetraeders sind deckungsgleich, so dass der Tetraeder in den Innenraum des Primärrohrspaltes ragt. Statt der Tetraederform können aber auch entsprechende Polyeder oder abgerundete Geometrien in Kombination mit dem Keil verwendet werden. Der Fachmann versteht, dass es sich insbesondere bei der hier erwähnten Kombination von geometrischen Formen zur Beschreibung des vollständigen Umlenkkörpers nicht notwendigerweise um getrennte bauliche Elemente handeln muss, sondern der Umlenkkörper auch einstückig ausgebildet sein kann.
  • In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Anströmbereich des Umlenkkörpers abgerundet. Wird als geometrische Form des Umlenkkörpers eine solche mit abgerundetem Anströmbereich gewählt, wie etwa Zylinder (Kreiszylinder), elliptischer Zylinder; Halbkugel, Kugelsegment, so stellt diejenige Linie des Umlenkkörpers, die dem Austrittsbereich des Brenners am fernsten liegt die Scheitellinie dar, die die den anströmseitigen Beginn der beiden Ablenkflächen des Umlenkkörpers definiert, bzw. diese beiden Ablenkflächen miteinander verbindet. Es versteht sich, dass bei Verwendung des elliptischen Zylinders dieser mit seiner Längsachse parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Wird als geometrische Form des Umlenkkörpers eine Zylinderform als Basis gewählt, dann kann die freie elliptische oder kreisförmige ebene Fläche (welche in das Innere des Primärrohrspaltes hineinragt) mit einer abgerundeten Geometrie versehen sein.
  • Weiterhin kann der Umlenkkörper auch lediglich aus zwei spitzwinkelig zueinander angeordneten Ablenkflächen und ggf. einer Seitenwand, die dem Innenraum des Primärrohrspaltes zugewandt ist, bestehen, d.h. der Umlenkkörper selbst ist hohl und weist ggf. auch keine Rückwand auf, d.h. ist auf der der Strömung abgewandten Seite offen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brenners ist die maximale Breite des jeweiligen Umlenkkörpers, d.h. die Ausdehnung entlang der Achse senkrecht zur Längsachse des Primärrohrs, größer als der Abstand oder gleich dem Abstand der zwei benachbarten Flammenstabilisatoren, die den entsprechenden Strömungspfad begrenzen. Dies bedeutet, dass die maximale Breite des jeweiligen Umlenkkörpers größer als die Breite oder gleich der Breite des jeweiligen Strömungspfades ist. In eine alternativen Ausführungsform ist die maximale Breite des jeweiligen Umlenkkörpers kleiner als der Abstand der zwei benachbarten Flammenstabilisatoren, die den entsprechenden Strömungspfad begrenzen. Die Breite des Umlenkkörpers hängt u.a. von der Entfernung des Umlenkkörpers zu den Flammenstabilisatoren und der Breite des Strömungspfades zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren ab.
  • Die Längsachse der Umlenkkörper verläuft erfindungsgemäß parallel zur Strömungsrichtung, d.h. parallel zur Längsachse des Primärrohrs bzw. des Primärrohrspalts.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Brenners ist die Höhe des jeweiligen Umlenkkörpers, d.h. die radiale Ausdehnung in den Primärrohrspalt hinein, kleiner oder gleich der Höhe, d.h. der radialen Ausdehnung der Flammenstabilisatoren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Umlenkkörper stromaufwärts der Flammenstabilisatoren beabstandet zu diesen angeordnet. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind die Umlenkkörper stromaufwärts der Flammenstabilisatoren angeordnet, wobei die Längsausdehnung der Umlenkkörper bis zu den Flammenstabilisatoren reicht, d.h. das austrittseitige, strömungsabgewandte Ende der Umlenkkörper in Kontakt mit den Flammenstabilisatoren steht.
  • Wie bereits oben erläutert, sind die Umlenkkörper stromaufwärts der Flammenstabilisatoren versetzt zu diesen, d.h. auf Lücke zu den Flammenstabilisatoren, innerhalb des Primärrohrspaltes angeordnet. Dabei sind unterschiedliche Positionierungen möglich. So können die Umlenkkörper wie folgt angeordnet sein:
    1. a) auf der Innenseite des Primärrohrs, d.h. auf der Innenseite des Außenrohrs des Primärrohrspaltes;
    2. b) auf dem Kernrohr, d.h. auf der Außenseite des Kernrohrs; oder
    3. c) a) und b), d.h. sowohl auf der Innenseite des Primärrohrs als auch auf dem Kernrohr.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners verringert sich an dem Brenneraustritt der Kernrohr-Querschnitt in Richtung Feuerraum stetig oder stufenweise, wobei sich somit der Querschnitt des Primärrohrspaltes entsprechend vergrößert. Diese Verringerung des Kernrohr-Querschnittes wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Kernrohr gegenüber dem Primärrohr zurücktritt und ein Innen-Kernrohr mit geringerem Durchmesser am austrittseitigen Ende des Kernrohrs angeordnet wird, wobei das Innen-Kernrohr in Richtung Feuerraum aus dem Kernrohr herausragt.
  • In einer anderen weiter bevorzugten Ausführungsform des Brenners tritt das austrittseitige Ende des Kernrohrs bzw., wenn vorhanden, des Innen-Kernrohrs gegenüber dem entsprechenden Ende des Primärrohrs zurück bzw. ist gegenüber diesem verkürzt oder versenkt angeordnet. Die Verkürzung des Kernluftrohres vergrößert den Abstand zu den Flammenstabilisatoren, wenn diese am Primärrohr angeordnet sind.
  • Durch die beiden Maßnahmen, einzeln oder in Kombination, wonach i) das Kernrohr bzw. das Innen-Kernrohr gegenüber dem Primärrohr verkürzt wird, und dabei der Abstand zu den dann an der Primärrohrwand angeordneten Flammenstabilisatoren vergrößert wird, und/oder ii) der Kernrohrquerschnitt stetig oder stufenweise verringert wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches verlangsamt. Dadurch ist die "Mitnahmegeschwindigkeit" des Gases für die groben Partikel deutlich reduziert. So wird verhindert, dass die groben Partikel mit voller Geschwindigkeit den Brenneraustritt in Richtung Feuerraum verlassen und erst spät im Feuerraum, d.h. in großem Abstand zum Brenneraustritt zünden. Durch die reduzierte Partikel- und Gasgeschwindigkeit können auch die groben Partikel brennernah entgasen und zünden.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Primärrohr bzw. der Primärrohrspalt keine Drallkörper auf. Die Anbringung von Drallkörpern im Primärrohrspalt, der das Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisch führt, wäre der Wirkung eines Axialzyklons ähnlich, wobei die Brennstoffpartikel überwiegend im Bereich des äußeren Umfangs anreichern und sich im restlichen Querschnitt abreichern. Durch die Drallvorrichtung stellt sich eine rotierende Strömung ein. Ein Effekt ist, wie beschrieben, dass die Partikel sich nach außen bewegen und dort anreichern. Die Partikel haben dadurch aber auch eine im Primärspalt drehende Bewegung. Die Anwendung der Umlenkkörper ist zwar möglich, aber die richtige Positionierung und Ausrichtung ist schwierig. Aus dem Grund wird eine unverdrallte Brennstoffpartikelströmung, die sich nur axial durch den Primärspalt bewegt, bevorzugt. Daher sind in dem Primärrohrspalt keine Drallkörper angeordnet. Folglich verteilen sich im erfindungsgemäßen Brenner die Brennstoffpartikel im Primärrohrspalt gleichmäßig.
  • Dagegen können in weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenners Drallkörper im ersten und/oder zweiten oder ggf. weiteren Sekundärrohr(en) angeordnet sein. Die Anbringung von Drallkörpern im Sekundärrohr, das Verbrennungsluft (Sekundärluft) führt, hat zur Folge, dass der Sekundärluftströmung ein Drall aufgeprägt wird, der die Flamme aufweitet. Das Aufprägen des Dralls auf die Sekundärluftströmung kann durch Drallkörper, etwa in Form von Leitschaufeln bzw. Leitblechen, erfolgen, die um 20° bis 30° gegenüber der Längsrichtung des Sekundärrohrs geneigt sein können.
    • Flammenstabilisatoren
  • Wie oben bereits erläutert, sind am Austritt des Primärrohrspaltes des Brenners zur Zündung des Brennstoffs Flammenstabilisatoren (Zähne) angebracht, die eine hohe Turbulenz erzeugen können. Diese Flammenstabilisatoren dienen der stabilen Zündung des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches. Die Flammenstabilisatoren dienen dazu die Brennstoffpartikel zu verlangsamen und eine Turbulenz zu erzeugen, um die Freigabe von flüchtigen Stoffen zu beschleunigen und die Zündung nah am Ausgang der Brenner zu stabilisieren. Die Flammenstabilisatoren sind dabei am Austritt des Primärrohrspaltes angebracht und ragen in den Querschnitt des Primärrohrspaltes hinein.
  • Die Form der Flammenstabilisatoren ist nicht begrenzt. So können die Flammenstabilisatoren eine abgerundete, rechteckige oder quadratische Form aufweisen. Die unterschiedlichen Zahnformen dienen prinzipiell demselben Zweck, nämlich durch Erzeugung örtlicher Turbulenz die Zündung zu begünstigen (Flammenhalter).
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Flammenstabilisatoren mit einer Stützrippe bzw. Versteifungsrippe an der feuerraumabgewandten Seite versehen. Diese Rippe erfüllt zwei Hauptaufgaben, nämlich i) der Versteifung des Flammenstabilisators aus konstruktiver Sicht, und ii) der Abfuhr bzw. Ableitung von Wärme.
  • Der Flammenstabilisator ist aus dem Feuerraum heraus einer großen thermischen Strahlung ausgesetzt. Zwar findet durch die kontinuierliche Anströmung von Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisch eine Kühlung statt. Dennoch erfolgt durch die Rippe eine bessere Wärmeableitung. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Brenner außer Betrieb ist, also keine Kühlung durch das Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisch erfolgt. Die im Fall, dass der Brenner außer Betrieb ist, dann üblicherweise aufgegebenen Kühlluftmengen sind vergleichsweise gering, so dass die verbesserte Wärmeableitung durch die Rippe erforderlich ist.
  • Die Flammenstabilisatoren können entlang einem oder beiden der zwei konzentrischen Kanten des aus Kernrohr und Primärrohr gebildeten Primärrohrspaltes angeordnet werden. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Flammenstabilisatoren entlang der Kante des Primärrohrs, d.h. der äußeren Begrenzung des Primärrohrspaltes, angeordnet werden.
  • Die von den Flammenstabilisatoren bezogen auf die freie Fläche des Primärrohrspaltes versperrte Fläche wird maßgeblich durch die Brennstoffeigenschaften und die vorangegangene Mahltrocknung bestimmt. Bei zündwilligen Brennstoffen ist eine geringere Versperrung möglich. Bei zündunwilligeren Brennstoffen ist eine größere Versperrung notwendig. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Versperrung des freien Querschnitts des Primärrohrspaltes von 10% bis 80%, vorzugsweise von 20% bis 70% und weiter bevorzugt von 50% bis 65% bezogen auf den freien Querschnitt des Primärrohrspaltes stromaufwärts einer eventuellen Verjüngung des Kernrohrs, d.h. ohne Berücksichtigung der Vergrößerung des Primärrohrspaltes durch eine eventuelle Verjüngung des Kernrohres.
  • Es ist nicht erforderlich die Brennstoffpartikel mit Hilfe von Luft als Traggas durch den Primärrohrspalt zu transportieren. Statt Luft kann auch ein anderes an sich bekanntes Verbrennungsmittel verwendet werden. Als Traggas kann Verbrennungsabluft, welches weniger Sauerstoff als Luft enthält, oder auch ein völlig sauerstofffreies Gas verwendet werden, solange der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff anderweitig bereitgestellt wird. Das Traggas besteht üblicherweise aus Luft, die zum Trocknen in der Mühle zugegeben wurde, und während der Mahltrocknung verdampftem Wasser (= Brüden). Grundsätzlich kann aber jedes gasförmige Medium als Traggas verwendet werden wie etwa Luft, N2, CO2, Dampf, und Mischungen daraus.
  • Das Kernrohr kann durch ein Sauerstoff aufweisendes Gas oder ein sauerstofffreies Gas durchströmt werden, was insbesondere zur Kühlung des Kernrohrs zweckmäßig sein kann. In bevorzugter Weise sind im Kernrohr zusätzlich eine Brennerlanze zur Bereitstellung einer Stütz- oder Zündflamme angeordnet.
  • Die Erfindung stellt weiterhin eine Feuerungsanlage bereit enthaltend einen oder mehrere der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Brenner.
  • Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur Verbrennung von partikelförmigen Brennstoffen, insbesondere aus Biomasse, wobei vorzugsweise 1 bis 15%, insbesondere bevorzugt bis 10%, der Partikel größer als 1 mm sind, mittels der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Brenner und/oder in der Feuerungsanlage enthaltend die erfindungsgemäßen Brenner, wobei die partikelförmigen Brennstoffe in einem Traggas durch den Primärrohrspalt des Brenners geführt wird, und zumindest ein Teil der Brennstoffpartikel von stromaufwärts der Flammenstabilisatoren angeordneten Umlenkkörpern in Richtung der Flammenstabilisatoren umgelenkt werden, von den Flammenstabilisatoren abgebremst werden, anschließend wieder in die Strömung zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren oder radial um die Flammenstabilisatoren herum gelangen und nach Austritt aus dem Brenner verbrannt werden.
  • Die Verwendung der Umlenkkörper in dem das Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisch führenden Primärrohrspalt führt zur Umlenkung zumindest eines Teils der größeren Brennstoffpartikel in Richtung der installierten Flammenstabilisatoren. Durch diese Verfahrensweise wird der größte Anteil der größeren bzw. großen Brennstoffpartikel gegen die Flammenstabilisatoren geleitet und dort zunächst abgebremst bevor die Partikel wieder in die Strömung zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren oder radial um die Flammenstabilisatoren herum gelangen. Durch diese Abbremsung ergibt sich, dass die größeren Brennstoffpartikel erst wieder von der Strömung beschleunigt werden müssen. Mit diesem Verfahren wird verhindert, dass die größeren Partikel mit hoher Geschwindigkeit den Brenneraustritt in Richtung Feuerraum verlassen und erst spät im Feuerraum zünden. Stattdessen wird gemäß der Erfindung eine verringerte Partikelgeschwindigkeit erreicht, wodurch die großen Brennstoffpartikel in der Nähe des Brenneraustritts bzw. des Brenners entgasen und zünden. Die kleineren Brennstoffpartikel können teilweise dem Traggas durch die Umlenkung folgen und werden zu einem geringeren Anteil durch die Flammenstabilisatoren abgebremst. Durch ihre geringe bzw. geringere Partikelgröße unterstützen auch diese Partikel die frühe brennernahe Zündung. Die Umlenkkörper unterstützen die frühe Zündung weiterhin im Hinblick auf eine verstärkte Turbulenzerzeugung, durch die Umlenkung eines höheren Strömungsanteils auf die Flammenstabilisatoren.
  • Bei einem bevorzugten Verfahren werden Brennstoffe verwendet, die ganz oder teilweise aus Biomasse bestehen, wobei 1 bis 15%, vorzugsweise 1 bis 10% der Partikel größer als 1 mm sind, wobei vorzugsweise die mittlere Partikelgröße 1 mm beträgt.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden Brennstoffe verwendet, die zu mindestens 10%, mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 90%, mindestens 95% und besonders bevorzugt zu 100% aus Biomasse bestehen.
  • Vorzugsweise werden Biomassepellets bzw. Holzpellets wieder de-agglomeriert und ggf. weiter gemahlen, Schleifstaub, Hobelspäne usw. als Brennstoff eingesetzt.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren beispielhaft erläutert, die jedoch nicht einschränkend sind.
    • Figuren
    • Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 3 zeigt eine Ansicht der Abwicklung des ringförmigen Flammenhalters mit einer Anordnung von Flammenstabilisatoren und Umlenkkörpern.
    • Figur 4 zeigt eine Ansicht der Abwicklung des ringförmigen Flammenhalters mit einer anderen Anordnung von Flammenstabilisatoren und Umlenkkörpern.
    • Figur 5 zeigt verschiedene eckige Geometrien der Umlenkkörper.
    • Figur 6 zeigt verschiedene abgerundete Geometrien der Umlenkkörper.
  • Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Brenners für partikelförmigen Brennstoff, der insbesondere zur Verbrennung von Brennstoffen aus Biomasse geeignet ist, im Längsschnitt. Der Brenner ist in der Feuerraumwand 2 angeordnet und mündet in den Feuerraum 1. Der Brenner weist ein Kernrohr 5 und ein das Kernrohr 5 konzentrisch umgebendes Primärrohr 4 auf. Das Kernrohr 5 wird von Kernluft 10 durchströmt. Das Primärrohr 4 und das Kernrohr 5 bilden einen Primärrohrspalt aus, durch den das Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisch 9 geführt wird. Das Primärrohr 4 ist konzentrisch von einem Sekundärrohr 3 umgeben. Das Sekundärrohr 3 und das Primärrohr 4 bilden einen Sekundärrohrspalt aus, das von Luft (Sekundärluft 8) durchströmt wird. Innerhalb des Sekundärrohrspaltes ist am austrittseitigen Ende des Primärrohrs 4 ein Sekundärrohr-Konus 7 angeordnet. Die Sekundärluft 8, die durch den Primärrohrspalt strömt, wird von dem Sekundärrohr-Konus 7 in zwei Teilströme 11, 12 geteilt und durch die konische Erweiterung des Sekundärrohr-Konus 7 und des Primärrohrs 4 am austrittseitigen Ende nach außen abgelenkt und entfernt sich in radialer Richtung vom Flammenkern der Primärverbrennungszone. So wird eine Sekundärluft-Trennschicht stromab des Austritts des Primärrohres 4 zwischen Primärverbrennung und Sekundärluftströmung erzeugt. Dieses Rezirkulationsgebiet dient der NOx-Reduktion.
  • Das Ende des Kernrohrs 5 ist gegenüber dem Ende des Primärrohrs 4 verkürzt. Weiterhin ist ein Innen-Kernrohr 6 am austrittseitigen Ende des Kernrohrs 5 angeordnet, wobei das Innen-Kernrohr 6 in Richtung Feuerraum aus dem Kernrohr 5 herausragt. Das Innen-Kernrohr 6 weist einen geringeren Querschnitt als das Kernrohr 5 auf. Dadurch verringert sich an dem Brenneraustritt der Kernrohr-Querschnitt in Richtung Feuerraum, und der Querschnitt des Primärrohrspaltes vergrößert sich entsprechend. Zusätzlich ist in der gezeigten Ausführungsform auch das Ende des Innen-Kernrohrs 6 gegenüber dem Ende des Primärrohr 4 verkürzt. Durch diese Maßnahmen verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffpartikel/Traggas-Stroms 9. Das Kernrohr 5 wie auch das Innen-Kernrohr 6 wird von Kernluft 10 durchströmt.
  • An dem Austritt des Primärohrspaltes ist eine Vielzahl von Flammenstabilisatoren 13 angeordnet, wobei in der gezeigten Ausführungsform die Flammenstabilisatoren 13 am Primärrohr 4 angeordnet sind und radial nach innen in den Querschnitt des Primärrohrspaltes hinein ragen. Alternativ dazu könnten die Flammenstabilisatoren auch am Kernrohr 5 angeordnet sein und dann radial nach außen in den Querschnitt des Primärrohrspaltes hinein ragen. Eine weitere Alternative wäre eine Anordnung der Flammenstabilisatoren 13 am Primärrohr 4 und am Kernrohr. Die Flammenstabilisatoren 13 definieren freie Strömungspfade, deren Achsen zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren 13 hindurch parallel zur Längsrichtung des Primärrohrs verlaufen. Gemäß der Erfindung ist innerhalb des Primärrohrspaltes, in der gezeigten Ausführungsform an der Innenwand des Primärrohrs 4, stromaufwärts der Flammenstabilisatoren 13 eine Vielzahl von Umlenkkörpern 15 so angeordnet, dass jeweils ein Umlenkkörper 15 die Achse eines freien Strömungspfades schneidet bzw. auf dieser liegt und entlang dieser Achse ausgerichtet ist.
  • Das Merkmal, wonach jeweils ein Umlenkkörper 15 die Achse eines jeden freien Strömungspfades schneidet, bedeutet, dass die Umlenkkörper 15 versetzt zu den Flammenstabilisatoren 13 angeordnet sind und bei Betrachtung in Richtung Feuerraum jeweils ein Umlenkkörper 15 einen freien Strömungspfad bzw. eine Lücke oder Aussparung zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren 13 zumindest teilweise verdeckt. Diese versetzte Anordnung von Umlenkkörper 15 und Flammenstabilisator wird in den Figuren 3 und 4 dargestellt.
  • Mittels der Umlenkkörper 15 wird eine Umlenkung zumindest von einem Teil der größeren Brennstoffpartikel in Richtung der installierten Flammenstabilisatoren 13 erreicht. Dadurch wird der größte Anteil der größeren bzw. großen Brennstoffpartikel gegen die Flammenstabilisatoren 13 geleitet, dort zunächst abgebremst bevor die Partikel wieder in die Strömung zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren 13 oder radial um die Flammenstabilisatoren herum gelangen. Resultierend daraus müssen die größeren Brennstoffpartikel erst wieder von der Strömung beschleunigt werden. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, dass die größeren Partikel mit hoher Geschwindigkeit den Brenneraustritt in Richtung Feuerraum 1 verlassen und erst spät im Feuerraum zünden. Stattdessen wird gemäß der Erfindung eine verringerte Partikelgeschwindigkeit erreicht, wodurch die großen Brennstoffpartikel in der Nähe des Brenneraustritts bzw. des Brenners entgasen und zünden.
  • Wie in Figur 1 gezeigt, weisen die Flammenstabilisatoren 13 eine Versteifungsrippe 14 auf, die der Stabilisierung des Flammenstabilisators 13 und der Wärmeableitung dienen.
  • Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt. Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von Figur 1 durch die weitgehende bzw. vollständige Trennung des Sekundärluftstroms 11, 12, indem anstatt der Anbringung eines relativ kurzen Sekundärrohr-Konus konzentrisch um den austrittseitigen Endbereich des Primärrohrs ein vollständiges erstes Sekundärrohr 7, welches das Primärrohr 4 konzentrisch umgibt, innerhalb eines zweiten Sekundärrohrs 3 angeordnet ist.
  • Figur 3 zeigt eine Ansicht der Abwicklung des ringförmigen Flammenhalters mit einer Anordnung von Flammenstabilisatoren und Umlenkkörpern. An dem Austritt bzw. der Kante des Primärohrspaltes ist eine Vielzahl von Flammenstabilisatoren 13 angeordnet, die radial nach innen in den Querschnitt des Primärrohrspaltes hinein ragen (hier aus der Bildebene in Richtung Betrachter herausragen). Die Flammenstabilisatoren 13 weisen auf der dem Austritt abgewandten Seite des Flammenstabilisators eine Versteifungsrippe 14 auf. Die Flammenstabilisatoren 13 definieren freie Strömungspfade, deren Achsen zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren 13 hindurch parallel zur Längsrichtung des Primärrohrs verlaufen. Aus der Figur 3 ist ersichtlich, dass gemäß der Erfindung die Umlenkkörper 15 stromaufwärts der Flammenstabilisatoren 13 versetzt zu diesen angeordnet sind, d.h. ein Umlenkkörper 15 liegt auf der Achse eines freien Strömungspfades. Damit wird bei Betrachtung in Strömungsrichtung durch jeweils einen Umlenkkörper 15 ein freier Strömungspfad bzw. eine Lücke oder Aussparung zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren 13, zumindest teilweise verdeckt.
  • Die Umlenkkörper 15 weisen vorteilhafterweise zumindest im angeströmten Bereich des Umlenkkörpers im Grundriss eine dreieckige Form auf. In Figur 3 wird eine der einfachsten Grundrisse für den Umlenkkörper 15 gezeigt, nämlich ein gleichschenkeliges Dreieck, welches dreidimensional beispielsweise einem Keil oder einem Tetraeder entspricht. Aus Figur 3 wird deutlich, dass der Umlenkkörper 15 mindestens zwei Ablenkflächen aufweist - hier durch die zwei langen Schenkel des gleichseitigen Dreiecks dargestellt. Der Strom 9 des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches trifft auf den spitzen Winkel, bzw. auf die Anströmkante des Umlenkkörpers 15 und die Brennstoffpartikel werden von den Ablenkflächen des Umlenkkörpers 15 in Richtung der Flammenstabilisatoren 13 abgelenkt, die dem Umlenkkörper am nächsten liegen. Dadurch werden die größeren bzw. die großen Brennstoffpartikel gegen die Flammenstabilisatoren 13 geleitet und dort abgebremst. Danach gelangen die Brennstoffpartikel wieder in die Strömung entweder einen freien Strömungspfad zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren 13 oder radial um die Flammenstabilisatoren herum (hier in Richtung Betrachter).
  • In Figur 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der die Breite der Umlenkkörper 15 kleiner ist als die des freien Strömungspfades zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren.
  • Figur 4 zeigt eine Ansicht der Abwicklung des ringförmigen Flammenhalters mit einer anderen Anordnung von Flammenstabilisatoren und Umlenkkörpern. Die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen in Figur 3 gezeigten, indem die Breite der Umlenkkörper 15 größer ist als die des freien Strömungspfades zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren 13. Somit überlappt die Ausdehnung der Flammenstabilisatoren 13 und der Umlenkkörper 15 in Richtung quer zur Längsachse des Primärrohrs.
  • Figur 5 zeigt verschiedene Geometrien der Umlenkkörper, wie etwa Keil (links oben), Drachenviereck als Basis mit Polyeder als Dachaufbau (rechts oben) und Keil als Basis mit Tetraeder als Dachaufbau. Hierbei ist der Keil bzw. das Drachenviereck auf der Wand angeordnet während der Polyeder bzw. der Tetraeder in das Innere des Primärrohrspaltes radial hinein ragt. Das spitze Ende des Keils bzw. des Drachenvierecks weist entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffpartikelstroms. Die kleine Darstellung ganz links zeigt die entsprechenden Grundrisse der dreidimensionalen Darstellung der Umlenkkörper.
  • Figur 6 zeigt verschiedene abgerundete Geometrien der Umlenkkörper, wie Kreiszylinder oder elliptischer Zylinder. Hierbei wird eine der Kreisflächen bzw. elliptischen Flächen auf der Wand des Primärrohrspaltes angeordnet während die jeweils andere Kreisfläche bzw. elliptische Fläche in das Innere des Primärrohrspaltes hineinragt. Diese freie Kreisfläche bzw. elliptische Fläche kann durch eine weitere geometrische Form abgedeckt sein, wie etwa durch eine Halbkugel oder ein Kugelsegment beim Kreiszylinder
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Feuerraum
    2
    Feuerraumwand
    3
    Sekundärrohr
    4
    Primärrohr
    5
    Kernrohr
    6
    Innen-Kernrohr
    7
    Sekundärrohr-Konus bzw. inneres/erstes Sekundärrohr
    8
    Sekundärluft
    9
    Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisch
    10
    Kernluft
    11
    Sekundärluft 1-Strom
    12
    Sekundärluft 2-Strom
    13
    Flammenstabilisator
    14
    Versteifungsrippe
    15
    Umlenkkörper
    16
    Brenner

Claims (15)

  1. Brenner (16) für partikelförmigen Brennstoff, der insbesondere zur Verbrennung von Brennstoffen aus Biomasse geeignet ist, enthaltend:
    - ein Primärrohr (4);
    - einem im Primärrohr (4) angeordneten Kernrohr (5);
    wobei das Primärrohr (4) und das Kernrohr (5) einen Primärrohrspalt bilden und wobei der Primärrohrspalt zum Ausstoßen eines Fluidgemisches aus einem partikelförmigen Brennstoff und einem Traggas (9) ausgebildet ist;
    - ein das Primärrohr (4) konzentrisch umgebendes erstes Sekundärrohr (3);
    - gegebenenfalls ein das erste Sekundärrohr (3) konzentrisch umgebendes zweites Sekundärrohr und optional ein oder mehrere weitere Sekundärrohre, die das jeweils innere Rohr konzentrisch umgeben;
    - eine Vielzahl von Flammenstabilisatoren (13), die an der Austrittsöffnung des Primärrohrspaltes radial in den Querschnitt des Primärrohrspaltes hinein ragen, wobei die Flammenstabilisatoren (13) freie Strömungspfade definieren, deren Achsen zwischen jeweils zwei benachbarten Flammenstabilisatoren (13) hindurch parallel zur Längsrichtung des Primärrohrs (4) verlaufen,
    dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Primärrohrspaltes stromaufwärts der Flammenstabilisatoren (13) ein oder mehrere Umlenkkörper (15) so angeordnet ist bzw. sind, dass der jeweilige Umlenkkörper (15) die Achse eines freien Strömungspfades schneidet.
  2. Brenner (16) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Umlenkkörper (15) so ausgestaltet ist, dass dieser den Strom des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches (9) zu beiden Seiten des Umlenkkörpers (15) weg von der Achse des freien Strömungspfades auf die Flammenstabilisatoren (13) umlenkt, insbesondere auf die beiden Flammenstabilisatoren (13), die den jeweiligen freien Strömungspfad begrenzen.
  3. Brenner (16) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Umlenkkörper (15) mindestens zwei Ablenkflächen aufweist,
    a) wobei die zwei Ablenkflächen bei Umlenkkörpern (15) mit eckigem Anströmbereich vorzugsweise in einem Winkel von 10° bis 60 zueinander stehen, wobei der Umlenkkörper (15) so in dem Primärrohrspalt angeordnet ist, dass die Kante, die die mindestens zwei Ablenkflächen miteinander verbindet, entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffpartikel/Traggas-Gemisches ausgerichtet ist; oder
    b) wobei bei Umlenkkörpern (15) mit abgerundetem Anströmbereich diejenige Linie des Umlenkkörpers (15), die dem Austrittsbereich des Brenners am fernsten liegt, die Scheitellinie darstellt, die die den anströmseitigen Beginn der beiden Ablenkflächen des Umlenkkörpers (15) definiert, bzw. diese beiden Ablenkflächen miteinander verbindet.
  4. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die (zweidimensionale) Form des Grundrisses des jeweiligen Umlenkkörpers (15) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gleichseitigem Dreieck, gleichschenkligem Dreieck, Rhombus, Raute, Drachenviereck, Pfeilviereck, Ellipse, Kreis und Grundrisse mit einer Kombination aus einem dreieckförmigen, abgerundeten, teilkreisförmigen oder elliptischen Anströmbereich und einem jeweils anders gestalteten eckigen, abgerundeten, teilkreisförmigen oder elliptischen der Strömung abgewandten Bereich.
  5. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die (dreidimensionale geometrische) Form des jeweiligen Umlenkkörpers (15) ausgewählt ist aus der Gruppe Keil, Tetraeder, Kombination aus Keil und Tetraeder oder Polyeder, Zylinder (Kreiszylinder), elliptischer Zylinder; Halbkugel, Kugelsegment.
  6. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Breite des jeweiligen Umlenkkörpers (15) größer als der Abstand oder gleich dem Abstand der zwei benachbarten Flammenstabilisatoren (13) ist, die den entsprechenden Strömungspfad begrenzen.
  7. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Breite des jeweiligen Umlenkkörpers (15) kleiner als der Abstand der zwei benachbarten Flammenstabilisatoren (13) ist, die den entsprechenden Strömungspfad begrenzen.
  8. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des jeweiligen Umlenkkörpers (15) kleiner oder gleich der Höhe der Flammenstabilisatoren (13) ist.
  9. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkörper (15) angeordnet sind:
    a) auf der Innenseite des Primärrohrs (4);
    b) auf dem Kernrohr (5); oder
    c) a) und b).
  10. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Brenneraustritt sich der Kernrohr-Querschnitt in Richtung Feuerraum (1) stetig oder stufenweise verringert, und somit sich der Querschnitt des Primärrohrspaltes entsprechend vergrößert.
  11. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das austrittseitige Ende des Kernrohrs (5) gegenüber dem entsprechenden Ende des Primärrohrs (4) zurücktritt.
  12. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärrohr (4) keine Drallkörper aufweist.
  13. Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Versperrung des freien Querschnitts des Primärrohrspaltes von 10% bis 80%, vorzugsweise von 20% bis 70% und weiter bevorzugt von 50% bis 65% beträgt, bezogen auf den freien Querschnitt des Primärrohrspaltes stromaufwärts einer eventuellen Verjüngung des Kernrohrs (5).
  14. Feuerungsanlage enthaltend einen oder mehrere der Brenner (16) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13.
  15. Verfahren zur Verbrennung von partikelförmigen Brennstoffen, insbesondere aus Biomasse, wobei vorzugsweise 1 bis 15%, vorzugsweise 1 bis 10% der Partikel größer als 1 mm sind, mittels Brenner gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder in der Feuerungsanlage gemäß Anspruch 14, wobei die partikelförmigen Brennstoffe in einem Traggas durch den Primärrohrspalt des Brenners (16) geführt wird, und zumindest ein Teil der Brennstoffpartikel von stromaufwärts der Flammenstabilisatoren (13) angeordneten Umlenkkörpern (15) in Richtung der Flammenstabilisatoren (13) umgelenkt werden, von den Flammenstabilisatoren (13) abgebremst werden, anschließend wieder in die Strömung zwischen zwei benachbarten Flammenstabilisatoren (13) oder radial um die Flammenstabilisatoren (13) herum gelangen und nach Austritt aus dem Brenner (16) verbrannt werden.
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