DE102007021925B4

DE102007021925B4 - Kompakt-Kohlenstaubbrenner

Info

Publication number: DE102007021925B4
Application number: DE102007021925.5A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Degenkolb; Christian Reuther; Dr. Schingnitz Manfred
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2027-05-11
Also published as: AU2008201688A1; CN101303123B; AU2008201688B2; CA2630778C; CA2630778A1; US8196531B2; CN101303123A; US20080276845A1; DE102007021925A1

Abstract

Kompakt-Staubbrenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter hohen Drücken von beispielsweise 80 bar (8 MPa) und Temperaturen von beispielsweise 1200 bis 1900°C in Reaktoren mit flüssigen Schlackeabzügen für die Oxidationsmittel-Vergasung, aufweisend • ein Gehäuse (5) mit einem in der Brennerachse angeordneten Ringkanal (2) zur Oxydationsmittelzuführung, • mehrere Zuführungselemente (4), die zur Brennerachse hin geneigt sind und am Austritt unmittelbar neben dem Ringkanal zur Oxydationsmittelzuführung enden, derart, dass die aus den Zuführungselementen austretenden Brennstäube in den Oxydationsmittelstrom eingesaugt und zu einem Brennstaub-Oxydationsmittelstrom vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass • in dem Gehäuse (5) ein Pilotbrenner (1) zur Inbetriebnahme der Kompaktbrennereinheit mit einer Gas- und Oxydationsmittelzuführung sowie einer integrierten Flammenüberwachung und Hochspannungszündung zentral angeordnet ist, • der Ringkanal (2) zur Oxydationsmittelzuführung um diesen Pilotbrenner angeordnet ist, • am Austritt des Ringkanals (2) zur Oxydationsmittelzuführung Dralleinrichtungen vorhanden sind, die den Oxydationsmittelstrom in starke Rotationsbewegung versetzen, • die Zuführungselemente (4) in sich gerade und vom Brennereintritt bis zum Austritt flächengleich ausgeführt sind und neben dem Ringkanal zur Oxydationsmittelzuführung enden, derart, dass die aus den Zuführungselementen austretenden Brennstäube in den Oxydationsmittelstrom eingesaugt werden und zu einem einzigen sich drehenden Brennstaub-Oxydationsmittelstrom vermischt werden, • neben dem Ringkanal zur Oxydationsmittelzuführung ausschließlich Zuführungselemente (4) für Brennstaub enden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kohlenstaubbrenner, der für die Sauerstoff-Vergasung von staubförmigen Brennstoffen (Braunkohle und/oder Steinkohle oder ähnliche staubförmige Brennstoffe) unter hohen Drücken und Temperaturen in Reaktoren mit flüssigen Schlackeabzügen eingesetzt wird.
Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Oxydationsmittel-Vergasung von staubförmigen Brennstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bekannt sind Kohlenstaubbrenner für die Partialoxydation staubförmiger Brennstoffe mit einem zylindrischen wassergekühlten Gehäuse und innen liegenden koaxial angeordneten Ringräumen für die Zuführung des staubförmigen Brennstoffes und des Oxydationsmittels.
Im Zentrum dieses Brenners befindet sich ein weiterer kleiner Gas-/Sauerstoffbrenner, der als Zünd-, oder Pilotbrenner dient und mit einer optischen Flammenüberwachung und Hochspannungszündeinrichtung ausgerüstet ist. Er dient zur Inbetriebnahme des o. g Kohlenstaubbrenners, wie in den Patentdokumenten DE 271038 A1 und DE 4306980 C2 gezeigt.
Die Zuführung des staubförmigen Brennstoffes erfolgt außerhalb und innerhalb des Brenners durch ein oder mehrere Rohre. Im Inneren des Brenners ist/sind das/die Zuführungsrohre zum Brenneraustritt so geführt, das sie mindestens ein volle Umdrehung um die Achse ausführen und dann in der Nähe des Brenneraustritts tangential angestellt enden. Am Ende des/der Staubrohre(s) tritt der Staub tangential in einen zylindrischen Ringraum ein.
Bei dem Übergang von der Rohrfläche in den Ringraum kommt schlagartig zu einer Flächenvergrößerung und damit zum Absinken der Staubgeschwindigkeit.
Durch Erhöhung der Anzahl der Staubrohre innerhalb des Ringraumes kann zwar der Flächensprung verringert, aber nicht aufgehoben werden.
Im Ergebnis dieser Tatsache kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Staubstromes innerhalb des Ringraumes. Hierdurch kann es zu einer unsymmetrischen Flammenausbildung mit einseitiger Reaktionsraumbelastung kommen.
Der bekannte Brenner hat folgende Nachteile:

1. komplizierte Ausführung der Rohre innerhalb des zylindrischen Ringraumes im Brenner
2. nach dem Austritt des Kohlenstaubes erfolgt ein unvermeidbarer Flächensprung der zum Absinken der Staubgeschwindigkeit führt.
3. durch diesen Flächensprung wird der nachfolgende Ringraum ungleichmäßig mit Kohlenstaub gefüllt, sodass die Mischung mit dem Oxydationsmittel unterschiedlich ist.

Aus der DE 43 17 732 B4 ist ein Brenner zum Oxidieren eines pulverförmigen Brennstoffs, also dessen vollständiger Verbrennung, bekannt, bei dem der Brennstoff über mehrere zur Brennerachse geneigte, röhrenförmige Konzentratkanäle zugeführt wird, die an ihren Biegungen mit speziellen Taschen versehen sind. Die Konzentratkanäle treten am Brennermund in stetem Wechsel mit Luftkanälen aus. Zusätzlich tritt ein starker Sauerstoffgasstrahl zentral aus dem Brennermund aus. Es wird ein nach innen gerichteter Konzentrat/Luft-Vorhang gebildet, wobei der Konzentratgehalt in dem Ring fluktuiert in einer wellenartigen Weise. Die in alle Richtungen gerichtete Verwirbelung bzw. Turbulenz des Sauerstoffstrahles soll so stark sein, dass eine ausreichend hohe Geschwindigkeit für die Reaktion erreicht wird.
Aus der US 5,347,937 ist ein Brenner für die vollständige Verbrennung von pulverisiertem Brennstoff bekannt, bei dem die Flammentemperatur und das gebildete Stickoxid reduziert werden sollen. Dieser Brenner weist mehrere Kanäle auf, die eine Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel führen und zum Ende zu sich verjüngen. Der elliptische Auslass jedes Kanals ist kleiner als dessen Einlass.
Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen Kohlenstaubbrenners, der unter den Bedingungen der Kohlenstaubvergasung unter Druck zuverlässig arbeitet. Der Kohlenstaubbrenner soll durch konstruktive Maßnahmen so ausgebildet werden, dass zum einen bei der Druckvergasung von staubförmigen Produkten ein sicherer Betrieb mit gleichmäßiger Flammenausbildung gewährleistet ist und zum anderen der Brenner technologisch einfach herzustellen ist.
Das Problem wird bei einem durch die Merkmale des Oberbegriffs umrissenen Gegenstand durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Ausführung der Staubzuführungselemente bis zum Brennermund und dem sofortigen Eintritt des Kohlenstaubes in den rotierenden Sauerstoffstrom gibt es keinen Flächensprung am Staubaustritt mehr, da hier sofort der Staubstrom in den Oxydationsmittelstrom eingesaugt wird. Am Austritt der Medien vermischen sich die einzelnen Kohlenstaubströme zu einem einzigen sich drehendem Staub-/Sauerstoffstrom. Dadurch wird eine gleichmäßige Flammenausbildung und -stabilisierung erreicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann durch eine unterschiedliche Anstellung der Drallschaufeln die Flammenausbildung in ihren Breite und Länge beeinflusst werden.
Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Kompaktbrenners mit drei Zuführungsrohren und
2 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Kompaktbrenners.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Der erfindungsgemäße Kohlenstaubbrenner umfasst einen zentral angeordneten Pilotbrennerteil 1 mit Brenngas und Oxydationsmittelzuführung, eine Flammenüberwachungseinrichtung und eine elektrischen Hochspannungszündung. Um diese Baugruppe ist ein Ringraum 2 zur Zuführung des Oxydationsmittels für den Kohlenstaubbrenner angeordnet. An der ringförmigen Austrittsöffnung sind Drallschaufeln 3 zur Verwirbelung des Sauerstoffstromes vorgesehen. Beide Baugruppen (Pilotbrennerteil und Oxydationsmittelzuführung) sind in einer weiteren Baugruppe, der Brennerhalterung 5 integriert. Die gesamte Baugruppe Brennerhalterung ist mit einem Wasserkühlsystem in Form einer gewickelten Rohrschlange ausgeführt, um die auf diese Baugruppe einwirkende Wärme abzuführen. Zusätzlich sind auch die im Zentrum der Brennerhalterung angeordneten Baugruppen, Pilotbrennerteil und die weitere Oxydationsmittelzuführung, mit separaten Wasserkühlsystemen ausgerüstet.
Die Zuführung des staubförmigen Brennstoffes ist erfindungsgemäß so vorgesehen, dass sich zwischen der Gehäusewand der Brennerhalterung und der zentralen Oxydationsmittelzufuhr mehrere (n = 2, 3, ...) gerade Kohlenstaubzuführungselemente befinden. Die Staubzuführungselemente sind sie konzentrisch um die Zentralachse des Brenners mit gleichem Winkelversatz angeordnet. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform mit drei Staubzuführungselementen sind sie konzentrisch um die Zentralachse des Brenners mit einem Winkelversatz von 120 Grad angeordnet. Die Staubzuführungselemente sind in sich gerade ausgeführt und in Richtung des Brennermundes zur Brennerachse geneigt und enden am Brennermund neben dem Oxydationsmittelaustritt.
Durch die Ausführung der Oxydationsmittelzuführung mit Drallschaufeln wird der austretende Sauerstoffstrom stark in Rotation versetzt, in den die über die geraden Zuführungselemente austretenden Staubstrahlen eingesaugt werden.
Die Erfindung umfasst einen Kompakt-Kohlenstaubbrenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter hohen Drücken von beispielsweise 80 bar (8 MPa) und Temperaturen von beispielsweise 1200 bis 1900°C in Reaktoren mit flüssigen Schlackeabzügen für die Sauerstoff-Vergasung, aufweisend ein Gehäuse (5) zur Aufnahme eines zentral angeordneten Pilotbrenners (1) zur Inbetriebnahme der Kompaktbrennereinheit mit einer Gas und Oxydationsmittelzuführung sowie einer integrierten Flammenüberwachung und Hochspannungszündung, einen um diesen Pilotbrenner angeordneten Ringkanal (2) zur Zuführung des Oxydationsmittels und geraden, zur Brennerachse geneigten Zuführungselementen (4), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuführungselemente (4) vorhanden sind und diese Zuführungselemente (4) in sich gerade und zur Brennerachse hin geneigt und vom Brennereintritt bis zum Austritt flächengleich ausgeführt sind und am Austritt unmittelbar neben den Ringkanal zur Oxydationsmittelzuführung enden, an dessen Austritt Dralleinrichtungen vorhanden sind, die den Oxydationsmittelstrom in starke Rotationsbewegung versetzen und damit durch die entsprechende Gestaltung eine Beeinflussung der Flammengeometrie zulassen.
Bezugszeichenliste

1: Pilotbrenner mit Gas- und Sauerstoffzuführung und integrierter Flammenüberwachung sowie Hochspannungszündeinrichtung
2: Oxydationsmittelzuführung für staubförmigen Brennstoff
3: Drallschaufeln zur Verwirbelung des Oxydationsmittels
4: Zuführungsrohr für staubförmigen Brennstoff
5: Brennerhalterung

Claims

Kompakt-Staubbrenner für die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter hohen Drücken von beispielsweise 80 bar (8 MPa) und Temperaturen von beispielsweise 1200 bis 1900°C in Reaktoren mit flüssigen Schlackeabzügen für die Oxidationsmittel-Vergasung, aufweisend • ein Gehäuse (5) mit einem in der Brennerachse angeordneten Ringkanal (2) zur Oxydationsmittelzuführung, • mehrere Zuführungselemente (4), die zur Brennerachse hin geneigt sind und am Austritt unmittelbar neben dem Ringkanal zur Oxydationsmittelzuführung enden, derart, dass die aus den Zuführungselementen austretenden Brennstäube in den Oxydationsmittelstrom eingesaugt und zu einem Brennstaub-Oxydationsmittelstrom vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass • in dem Gehäuse (5) ein Pilotbrenner (1) zur Inbetriebnahme der Kompaktbrennereinheit mit einer Gas- und Oxydationsmittelzuführung sowie einer integrierten Flammenüberwachung und Hochspannungszündung zentral angeordnet ist, • der Ringkanal (2) zur Oxydationsmittelzuführung um diesen Pilotbrenner angeordnet ist, • am Austritt des Ringkanals (2) zur Oxydationsmittelzuführung Dralleinrichtungen vorhanden sind, die den Oxydationsmittelstrom in starke Rotationsbewegung versetzen, • die Zuführungselemente (4) in sich gerade und vom Brennereintritt bis zum Austritt flächengleich ausgeführt sind und neben dem Ringkanal zur Oxydationsmittelzuführung enden, derart, dass die aus den Zuführungselementen austretenden Brennstäube in den Oxydationsmittelstrom eingesaugt werden und zu einem einzigen sich drehenden Brennstaub-Oxydationsmittelstrom vermischt werden, • neben dem Ringkanal zur Oxydationsmittelzuführung ausschließlich Zuführungselemente (4) für Brennstaub enden.
Kompakt-Staubbrenner dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Anstellung der Dralleinrichtungen eine Beeinflussung der Flammengeometrie gegeben ist.