Process and burner for the combustion of fuel.
Kind Code:
A2
Inventors:
Bilawa, Hans
Neumann, Eberhard Dipl-ing
Neumann, Eberhard Dipl-ing
Application Number:
EP19880106197
Publication Date:
11/09/1988
Filing Date:
04/19/1988
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Export Citation:
Assignee:
KRUPP POLYSIUS AG (DE)
International Classes:
F23D1/00; F23D1/00; F23D11/00; F23D11/00; F23D14/00; F23D14/26; F23D17/00; F23D17/00
European Classes:
F23D1/00; F23D11/00; F23D14/26; F23D17/00
Foreign References:
| DE3131962A1 | ||||
| GB2093979A | ||||
| 4208180 | Mixed-firing burners for use with pulverized coal and heavy oil | |||
| 4241673 | Direct ignition of pulverized coal |
Claims:
1. Verfahren zur Verfeuerung von festem, fl·ussigem oder gasf·ormigem Brennstoff, insbesondere f·ur Drehrohr·ofen, unter Verwendung eines Brenners, der mehrere koaxial zueinander angeordnete Kan·ale zur Zuf·uhrung von Brennstoff und Prim·arluft enth·alt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) ein Teil des Brennstoffes wird zusammen mit Prim·arluft durch einen ersten, ·ausseren Ringkanal (1) zugef·uhrt und am Austrittsende dieses Kanales auf eine Geschwindigkeit von 70 bis 120 m/s, vorzugsweise 80 bis 100m/s beschleunigt; b) ein weiterer Teil des Brennstoffes wird zusammen mit Prim·arluft durch einen innerhalb des ersten Ringkanales (1) liegenden zweiten Ringkanal (2) zugef·uhrt und am Austrittsende dieses Kanales unter Erzeugung einer permanenten Pilotflamme auf eine Geschwindigkeit von 5 bis 20 m/s, vorzugsweise 7 bis 10 m/s, verz·ogert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) durch den ersten Ringkanal (1) 50 bis 95 %, vorzugsweise 70 bis 85 %, b) und durch den zweiten Ringkanal (2) 5 bis 50 %, vorzugsweise 15 bis 30 % des gesamten Brennstoffes zugef·uhrt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Prim·arluft durch einen innerhalb des zweiten Ringkanales (2) liegenden dritten Ringkanal (3) zugef·uhrt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren Brennstoff durch einen Zentralkanal (4) zugef·uhrt wird.
5. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die ·uber den Brenner zugef·uhrte Prim·arluft 5 bis 30 %, vorzugsweise 5 bis 12 %, der gesamten Verbrennungsluft betr·agt.
6. Brenner zur Verfeuerung von festem, fl·ussigem oder gasf·ormigem Brennstoff, insbesondere f·ur Drehrohr·ofen, enthaltend mehrere koaxial zueinander angeordnete Kan·ale zur Zuf·uhrung von Brennstoff und Prim·arluft, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) ein erster, ·ausserer Ringkanal (1) ist am Austrittsende mit einer Querschnittsverengung in Form einer Ringd·use (1a) versehen; b) ein innerhalb des ersten Ringkanales (1) liegender zweiter Ringkanal (2) ist am Austrittsende mit einem sich erweiternden Diffusor (2a) versehen.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass c) innerhalb des zweiten Ringkanales (2) ein dritter Ringkanal (3) angeordnet ist, der am Austrittsende mit einem Drallk·orper (3a) versehen ist, d) und innerhalb des dritten Ringkanales (3) ein Zentralkanal (4)angeordnet ist.
8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die einzelnen Kan·ale (1, 2, 3, 4) Leitungen zur Zuf·uhrung von Brennstoff und/oder Prim·arluft angeschlossen sind, in denen Stellorgane zur Beeinflussung der zugef·uhrten Brennstoff und/oder Luftmenge vorgesehen sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) durch den ersten Ringkanal (1) 50 bis 95 %, vorzugsweise 70 bis 85 %, b) und durch den zweiten Ringkanal (2) 5 bis 50 %, vorzugsweise 15 bis 30 % des gesamten Brennstoffes zugef·uhrt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Prim·arluft durch einen innerhalb des zweiten Ringkanales (2) liegenden dritten Ringkanal (3) zugef·uhrt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren Brennstoff durch einen Zentralkanal (4) zugef·uhrt wird.
5. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die ·uber den Brenner zugef·uhrte Prim·arluft 5 bis 30 %, vorzugsweise 5 bis 12 %, der gesamten Verbrennungsluft betr·agt.
6. Brenner zur Verfeuerung von festem, fl·ussigem oder gasf·ormigem Brennstoff, insbesondere f·ur Drehrohr·ofen, enthaltend mehrere koaxial zueinander angeordnete Kan·ale zur Zuf·uhrung von Brennstoff und Prim·arluft, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) ein erster, ·ausserer Ringkanal (1) ist am Austrittsende mit einer Querschnittsverengung in Form einer Ringd·use (1a) versehen; b) ein innerhalb des ersten Ringkanales (1) liegender zweiter Ringkanal (2) ist am Austrittsende mit einem sich erweiternden Diffusor (2a) versehen.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass c) innerhalb des zweiten Ringkanales (2) ein dritter Ringkanal (3) angeordnet ist, der am Austrittsende mit einem Drallk·orper (3a) versehen ist, d) und innerhalb des dritten Ringkanales (3) ein Zentralkanal (4)angeordnet ist.
8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die einzelnen Kan·ale (1, 2, 3, 4) Leitungen zur Zuf·uhrung von Brennstoff und/oder Prim·arluft angeschlossen sind, in denen Stellorgane zur Beeinflussung der zugef·uhrten Brennstoff und/oder Luftmenge vorgesehen sind.
Description:
Verfahren und Brenner zur Verfeuerung von Brennstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1) sowie einen Brenner (gem·ass dem Gattungsbegriff des Anspruches 6) zur Verfeuerung von festem, fl·ussigem oder gasf·ormigem Brennstoff, insbesondere f·ur Drehrohr·ofen.
Verfahren und Brenner dieser Art sind beispielsweise durch die DE-A- 29 05 746 und 30 27 587 bekannt.
Da in Drehrohr·ofen der Hauptanteil der W·armeenergie durch Strahlung auf das zu behandelnde Gut ·ubertragen werden muss, werden an das durch den Brenner in Richtung der Ofenl·angsachse erzeugte Temperaturprofil strenge Anforderungen gestellt. Erschwerend ist hierbei der Umstand, dass aus w·armewirtschaftlichen Gr·unden ein m·oglichst hoher Anteil der Verbrennungsluft dem Ofensystem in Form von vorgew·armter Sekund·arluft aus der K·uhlung des erbrannten Gutes zugef·uhrt werden soll. Diese Sekund·arluft kann im allgemeinen nicht ·uber den Brenner gef·uhrt werden.
Die bisher bekannten Brenner f·ur Drehrohr·ofen sind daher so konstruiert, dass unter Zuhilfenahme eines m·oglichst geringen Prim·arluftanteiles, der ·ublicherweise aus der Umgebungsluft entnommen wird, der Brennstoff mit der Sekund·arluft vermischt wird. Zur Flammenstabilisierung wird ·ublicherweise mit Hilfe von Drall- oder Versperrungsk·orpern eine in nere R·uckstr·omung erzeugt.
Bei diesen bekannten Ausf·uhrungen werden den aus Brennstoff und Luft bestehenden Freistrahlen rotierende oder divergierende Bewegungen bestimmter St·arke aufgezwungen, die die Vermischung mit der Sekund·arluft bestimmen. Auf diese Weise erzeugte Flammen sind durchweg mit dem Nachteil behaftet, dass je nach der Intensit·at der Rotation bzw. Divergenz ein mehr oder weniger grosser Anteil des Brennstoffes aus der eigentlichen Flamme herausgeschleudert wird und im Sekund·arluftstrom verbrennt, was eine Absenkung der Flammenenergiedichte bzw. einer Erh·ohung des spezifischen Flammenvolumens zur Folge hat.
Der Erzeugung kurzer Flammen sind bei den bisher bekannten Ausf·uhrungen enge Grenzen gezogen, da die hierzu erforderliche Intensivierung von Rotation bzw. Divergenz zwangsweise eine Erh·ohung der inneren R·uckstr·omung nach sich zieht. Diese innere R·uckstr·omung nimmt einen bestimmten Raum ein, ohne jedoch die Anzahl der ablaufenden Verbrennungsreaktionen pro Volumeneinheit zu vergr·ossern. In Verbindung mit der Erh·ohung des aus der Flamme herausgeschleuderten Brennstoffanteils f·uhrt dies sehr rasch zu einer unerw·unschten Zunahme des Flammendurchmessers, was die Gefahr mit sich bringt, dass die Flamme die feuerfeste Auskleidung des Brennraumes und das Brenngut ber·uhrt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenner zur Verfeuerung von festem, fl·ussigem oder gasf·ormigem Brennstoff, insbesondere f·ur Drehrohr·ofen, so auszubilden, dass ein Herausschleudern von Brennstoffteilchen in die Sekund·arluft vermieden, eine rasche und gleichm·assige Vermischung des Brennstoff-Prim·arluft-Freistrahles mit der Sekund·arluft erzielt und damit ein fr·uher Beginn und schneller Ablauf der Verbrennung und auf diese Weise eine kurze Flamme erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgem·ass durch die kennzeichnenden Merkmale der Anspr·uche 1 und 6 gel·ost. Zweckm·assige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspr·uche.
Bei dem erfindungsgem·assen Verfahren wird ein Teil des Brennstoffes zusammen mit Prim·arluft durch den zweiten Ringkanal unter Verz·ogerung auf eine Geschwindigkeit von 5 bis 20 m/s,vorzugsweise 7 bis 10 m/s, so zugef·uhrt, dass die Z·undung dieses Brennstoff-Teilstromes noch vor seinem Austritt aus dem Brenner erfolgt. Auf diese Weise wird die Wurzel der Hauptflamme durch eine permanente Pilotflamme gebildet, die durch diesen Brennstoff-Teilstrom erzeugt wird. Die der permanenten Pilotflamme zugef·uhrten Brennstoff- und Luftmengen sind dabei unabh·angig von den f·ur die Erzeugung der Hauptflamme zugef·uhrten Brennstoff- und Luftmengen regelbar.
Der Brennstoff f·ur die Hauptflamme wird nun erfin dungsgem·ass ·uber den ersten, ·ausseren Ringkanal zugef·uhrt und umgibt damit die permanente Pilotflamme. Die Einf·uhrung dieses Teiles des Brennstoffes und der zugeh·origen Prim·arluft in den Brennraum erfolgt mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von 70 bis 120 m/s, vorzugsweise 80 bis 100 m/s, was m·oglich ist, da ein Abheben der Flamme durch die bei der Verbrennung des Brennstoff-Teilstromes in der Flammenwurzel, d. h. in der permanenten Pilotflamme, freiwerdende Energie verhindert wird. Dem Bernoulli'schen Str·omungsgesetz folgend sinkt der statische Druck im Brennstoff-Ringstrahl proportional dem Quadrat der Geschwindigkeitszunahme.
Wird die Geschwindigkeit des durch den ersten, ·ausseren Ringkanal in den Brennraum eingef·uhrten Brennstoff-Luft-Strahles gen·ugend hoch gew·ahlt, so wird dieser statische Druck negativ, und der Strahl beginnt, Sekund·arluft aus der Umgebung anzusaugen.
Die Geometrie des Ringspaltes am Austrittsende des ersten, ·ausseren Ringkanales wird so gew·ahlt, dass der austretende Ring-Freistrahl eine Wanddicke von etwa 5 bis 20 mm erh·alt, was von den Brennerabmessungen und den erreichbaren Fertigungstoleranzen abh·angt. Die grosse Aussenoberfl·ache und die geringe Dicke des Ringstrahles erleichtern und beg·unstigen das Eindringen und Einmischen der Sekund·arluft, wodurch die Verbrennungsreaktionen sehr fr·uh beginnen und sehr schnell ablaufen.
Die Sekund·arluft-Einmischrate und der Ablauf der Verbrennungsreaktionen sind ·uber den durch die permanente Pilotflamme erzeugten Gegendruck im Innern der Hauptflamme und durch die von der Pilotflamme eingebrachte W·armemenge steuerbar.
Das erfindungsgem·asse Verfahren ist auch zur gemeinsamen Verfeuerung verschiedenartiger Brennstoffe, beispielsweise Kohlenstaub- und Pyrolysegas, sehr geeignet. Die Hauptflamme und die permanente Pilotflamme k·onnen dabei jeweils von einer der Brennstoffkomponenten erzeugt werden.
Durch Aufteilung der verschiedenen Brennstoff- und Luftstr·ome ist das Verfahren ferner besonders gut f·ur die Zuf·uhrung von rezirkulierten Abgasen zur Verminderung der NOx-Bildung geeignet.
Durch den zur Erzeugung der Hauptflamme dienenden ersten, ·ausseren Ringkanal kann 50 bis 95 %, vorzugsweise 70 bis 85 % des gesamten Brennstoffes zugef·uhrt werden, w·ahrend durch den zur Erzeugung der permanenten Pilotflamme dienenden zweiten Ringkanal 5 bis 50 %, vorzugsweise 15 bis 30 % des gesamten Brennstoffes zugef·uhrt werden.
Die ·uber den Brenner zugef·uhrte Prim·arluft betr·agt zweckm·assig 5 bis 30 %, vorzugsweise 5 bis 12 % der gesamten Verbrennungsluft. Im ·ubrigen wird die Verbrennungsluft (Sekund·arluft) nicht ·uber den Brenner gef·uhrt.
Die an die einzelnen Kan·ale des Brenners angeschlossenen Leitungen zur Zuf·uhrung von Brennstoff und/oder Prim·arluft sind zweckm·assig mit Stellorganen versehen, die zur Beeinflussung der zugef·uhrten Brennstoff- und/oder Luftmengen dienen.
Ein Ausf·uhrungsbeispiel eines erfindungsgem·assen Brenners ist in der Zeichnung in einem Teilschnitt schematisch veranschaulicht.
Der dargestellte Brenner enth·alt einen ersten, ·ausseren Ringkanal 1, der an seinem Austrittsende mit einer Querschnittsverengung in Form einer Ringd·use 1a versehen ist.
Innerhalb des ersten Ringkanales 1 ist ein zweiter Ringkanal 2 angeordnet, der am Austrittsende mit einem sich unter einem Winkel von ca. 7 DEG erweiternden Diffusor 2a versehen ist, an den sich ein pr·azis gefertigtes zylindrisches Endst·uck 2b anschliesst.
Innerhalb des zweiten Ringkanales 2 ist ein dritter Ringkanal 3 angeordnet, der am Austrittsende mit einem Drallk·orper 3a versehen ist.
Der dritte Ringkanal 3 umschliesst einen Zentralkanal 4. Die Kan·ale 1, 2, 3 und 4 sind koaxial zur Brennerachse 5 angeordnet.
Durch den ersten Ringkanal 1 wird der zur Erzeu gung der Hauptflamme dienende Teil des Brennstoffes zusammen mit Prim·arluft zugef·uhrt und mittels der Ringd·use 1a auf eine hohe Geschwindigkeit von 70 bis 120 m/s beschleunigt.
Durch den zweiten Ringkanal 2 wird der zur Erzeugung der permanenten Pilotflamme dienende Teil des Brennstoffes zusammen mit Prim·arluft zugef·uhrt und mittels des Diffusors 2a auf eine niedrige Geschwindigkeit von 5 bis 20 m/s verz·ogert. Die Verbrennung setzt daher noch im Diffusor 2a bzw. im Endst·uck 2b ein. Die Wurzel der Hauptflamme wird auf diese Weise durch die permanente Pilotflamme gebildet.
Durch den dritten Ringkanal 3 wird Prim·arluft zugef·uhrt, die beim Austritt aus diesem Ringkanal durch den Drallk·orper 3a verdrallt wird.
·Uber den Zentralkanal 4 wird beim Anfahren Anfahrbrennstoff zugef·uhrt und mittels der ·uber den dritten Ringkanal zugef·uhrten Prim·arluft verbrannt.
Die an die Kan·ale 1 bis 4 angeschlossenen Leitungen zur Zuf·uhrung von Brennstoff und/oder Luft sowie die in diesen Leitungen angeordneten Stellorgane zur Beeinflussung der Brennstoff- bzw. Luftmenge sind in der Zeichnung nicht veranschaulicht. Es versteht sich, dass beispielsweise auch Einrichtungen zur Teilung eines Brennstoffstromes (z. B. Aufteilung auf die Kan·ale 1 und 2) vorgese hen werden k·onnen.
Erfindungsgem·ass wird der Brennstoff ·uber die Ringkan·ale 1 und 2 so in den Brennraum eingef·uhrt, dass ein ganz oder nahezu drallfreier Freistrahl aus Brennstoff und Prim·arluft erzeugt wird. Die Stabilisierung der durch den ·ausseren Ringkanal 1 erzeugten Flamme erfolgt durch Zufuhr von W·armeenergie in die Flammenwurzel, n·amlich durch Erzeugung einer unmittelbar am Brennerende ansetzenden permanenten Pilotflamme.
Der Ablauf der Verbrennungsreaktionen und damit das Temperaturprofil wird durch Ver·anderung der inneren W·armezufuhr und des statischen Druckes im Freistrahl gesteuert.