DE4200575C2 - Axialzyklon-Verbrennungsreaktor und Verfahren zum Betrieb eines Axialzyklon-Verbrennungsreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialzyklon-Verbrennungsreaktor zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Drehströmungsfeld mit einem im wesentlichen konischen Unterteil und einem zylindrischen Oberteil, einer Ascheabzugsöffnung am unteren Ende des Unterteils und einer mittigen Abgasabzugsöffnung in der Decke des Oberteils, sowie mindestens einer Brennstoffzuführung und mindestens einer Luftzuführung.

Aus der DD 2 57 280 A1 ist ein gattungsgemäßer Axialzyklon- Verbrennungsreaktor bekannt, bei dem zum Aufbau des Drehströmungsfeldes Verbrennungsluft über einen Drallerzeuger axial in das untere Ende des konischen Unterteiles eingeführt wird. Der Drallerzeuger stellt ein kompliziertes Bauelement dar. Eine Kühlung des konischen Unterteils ist nicht vorgesehen. Am unteren Ende erfolgt zusätzlich die Zufuhr von Fluidisierungsluft mittels eines kegelstumpfförmigen Düsenbodens und der Brennstoff wird dem zylindrischen Oberteil zugeführt.

Aus der DD 2 34 585 A3 ist ein Axialzyklon-Verbrennungsreaktor bekannt, bei dem zusätzlich das Trägerluft-Brennstoff-Gemisch ebenfalls über einen Drallerzeuger dem unteren Ende des konischen Unterteils zugeführt wird.

Aus der DE 36 36 071 A1 ist eine Einrichtung zum Verbrennung von reaktionsträgem Kohlenstaub bekannt, bei dem Kohlenstaub in eine Muffel eingeführt wird, in die ebenfalls vorverdrallte Luft flächig eingeführt wird. Zur Verdrallung der vorgewärmten Verbrennungsluft ist eine gesonderte Drallvorrichtung vorgesehen.

Aus Patents Abstracts of Japan, M-113, February 20,1982 Vol. 61No. 29 - Air Heating Furnace ist eine Anordnung zum Erwärmen von Luft bekannt, bei der zum Erwärmen von Luft über sich zum Inneren des Oberteils eines Axialzyklons hin öffnende außenliegende Brennern Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt werden. Durch die Zyklonanordnung soll die sich durch die Verbrennung bildende Asche infolge der Zyklonwirkung abgeführt werden und die vom Staub befreiten Rauchgase mit der zugeführten zu erwärmenden vermischt werden.

Aus der DE 38 39 381 A1 ist eine Anordnung mit einer vertikal rotierenden Wirbelschichtverbrennung bekannt, bei der in einem schwach konischen Unterteil eine Vielzahl von kreisförmig kaskadenartig angeordneten Primärluftdüsen vorgesehen sind, die radial auf einen mittigen Austragsschacht ausgerichtet sind. Über Düsen wird Primärluft in tangentialer Richtung zugegeben. Zum Austrag von Asche, die sich auf dem rostartigen Boden absetzen kann, sind Luftlanzen für das Aufbringen kurzer Luftstöße erforderlich.

Aus der DE 12 18 649 B ist eine Schmelzkammerfeuerung mit betriebsmäßig zugeordneten Brennern bekannt, die tangential auf einen um die Brennkammermittelachse gedachten Kreis ausgerichtet sind, so daß sich auf schraubengangförmigem Wege nach unten führende Flammen ausbilden. Eine Luftkühlung des konischen Unterteils ist nicht vorgesehen.

Aus der DE 35 03 603 A1 ist eine Pyrolyse- bzw. Schwelanordnung bekannt, bei der im unteren konischen Teil des Reaktors eine Pyrolyse- und Schwelkammer vorgesehen ist. Der konische Teil des Reaktors ist durch gekühlte Wände begrenzt, die jedoch nicht durch die der Pyrolyse zugeführten Luft gekühlt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axial- Verbrennungsreaktor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem keine gesonderten Drallerzeuger für den Aufbau des Drehströmungsfeldes erforderlich ist und bei dem auf einfache Weise eine Kühlung des Unterteils des Verbrennungsreaktors erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens eine tangentiale Luftzuführung am zylindrischen Oberteil und mindestens eine tangentiale Luftzuführung am unteren Ende des konischen Unterteils vorgesehen ist, daß das konische Unterteil von einem Luftkasten umgeben ist, aus dem Luft in das konische Unterteil eintritt, und daß im Luftkasten ein auf Abstand von der Außenfläche des konischen Unterteils angeordneter durchströmter Doppelmantel vorgesehen ist.

Durch die tangentiale Luftzufuhr am zylindrischen Oberteil und am unteren Ende des konischen Unterteils wird ohne gesondere Drallvorrichtung das gewünschte Drehströmungsfeld aufgebaut. Die Zufuhr am unteren Ende des konischen Unterteils stellt sicher, daß sich eine rotierende Partikelwolke vorwiegend im konischen Bereich ausbildetet.

Da sich eine rotierende Partikelwolke höherer Dichte vorwiegend im konischen Bereich einstellt und dort eine höhere Wärmeerzeugung zu erwarten ist, wird durch den von der zugeführten Luft durchströmten Doppelmantel in besonders geschickter Weise eine gute Kühlung des konischen Unterteils erreicht. Durch die Kühlung wird die der Verbrennung zugeführte Luft gleichzeitig vorgewärmt.

Vorzugsweise erfolgt die Luftzufuhr am zylindrischen Oberteil mehrstufig über axial und/oder in Umfangsrichtung auf Abstand angeordnete Luftzuführungen. Es ist auch zweckmäßig, daß neben einer tangentialen Luftzuführung auch mindestens eine axiale Luftzuführung, vorzugsweise in Form eines Düsenbodens für die Zufuhr von Fluidisierungsluft, vorgesehen ist.

Die Brennstoffzuführung erfolgt vorzugsweise ebenfalls tangential und kann in axialer und/oder Umfangsrichtung mehrstufig erfolgen.

Es erscheint auch zweckmäßig, wenn zumindest das zylindrische Oberteil ausgemauert ist. Zusätzlich zur Ausmauerung kann eine außenliegende ein- oder mehrschichtige Isolierung vorgesehen sein. Die Isolierung kann durch ein Isoliermaterial und/oder durch einen zwangsdurchströmten Kühlmantel aufgebaut werden, wobei der Kühlmantel bezüglich des Isoliermaterials innenliegend oder außenliegend angeordnet sein kann.

Um die Verbrennung zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, daß der Austrittsöffnung eine im Durchmesser gegenüber der Austrittsöffnung erweiterte Nachbrennkammer mit seitlichem Abgasaustritt nachgeschaltet ist.

Der Brennraum des Reaktors dient zum Abbrand des Grobkorns bis hin zu einem Grenzkorndurchmesser der Zyklonströmung. In der Nachbrennkammer erfolgt durch weitere Turbulenz ein weiterer Abbrand des Unterkorns und der aus dem Feuerraum austretenden CO-Strähnen.

Die Nachbrennkammer kann als gesonderte Baugruppe auf dem Reaktor angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, in den Reaktor eine Einziehung des Feuerraumquerschnitts vorzunehmen, so daß der Feuerraum selbst durch die Einziehung in eine Haupt- und in eine Nachbrennkammer unterteilt wird.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines Axialzyklon-Verbrennungsreaktors zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Drehströmungsfeld, insbesondere in einem vorstehend beschriebenen Axialzyklon-Verbrennungsreaktor.

Zur Verbesserung des Ausbrandverhaltens ist erfindungsgemäß vorgesehen, neben dem Brennstoff in den Reaktor ein körniges Inertmaterial einzuführen.

Dieses kann getrennt oder zusammen mit dem Brennstoff erfolgen. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Inertmaterial im wesentlichen gleiche Eigenschaften wie der Brennstoff aufweist, insbesondere gleiches spezifisches Gewicht. Auch ist es zweckmäßig, wenn das Inertmaterial hinsichtlich seines Körnungsspektrums auf die Brennstoffkörnung abgestimmt ist. Die erscheint besonders wichtig, wenn in den Reaktor Fluidisierungsluft zum Aufbau einer Wirbelschicht eingeführt wird.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialzyklon- Verbrennungsreaktors mit tangentialer Luftzuführung von Primärluft zum Konus, einem Kühlmantel für den Konus und einer mehrstufigen Zufuhr von Sekundärluft, sowie einer auf der Decke des Verbrennungsreaktor angeordneten Nachbrennkammer soll nun anhand der beigefügten Figur in einer Ausführungsform näher erläutert werden.

Der in der Figur gezeigte Reaktor 25 weist ein zylindrisches Oberteil 26 mit einer Ausmauerung 27 und ein konisches Unterteil 28 auf. Unter "Ausmauerung" wird in der Beschreibung und in den Ansprüchen sowohl eine aus einzelnen Bausteinen aufgebaute Ausmauerung, eine gegossene Ausmauerung oder eine keramische Auskleidung des Reaktorinneren, z. B. in Form einer bestampften Membranwand, verstanden. Die Ausmauerung 27 kann mehrschichtig aufgebaut sein. Das konische Unterteil 28 ist in einem Luftkasten 29 angeordnet, dem über einen Anschlußstutzen 30 Primärluft zugeführt wird, die über eine Luftzuführung 31 in einen geradzylindrischen Abschnitt 28a des konischen Unterteils tangential eintreten kann. Der rein konisch ausgebildete Abschnitt 28b ist mit einem auf Abstand angeordneten Doppelmantel 28b′ versehen. In den Raum zwischen konischem Abschnitt 28b und Doppelmantel 28b′ tritt über einen den Luftkasten 29 durchsetzenden Anschluß 32 Kühlluft ein, die am unteren Ende des Doppelmantels durch einen Ringspalt 33 ebenfalls in den Luftkasten eintritt.

Die Beaufschlagung der Leitungen 30 und 32 erfolgt geregelt und getrennt, so daß die Temperatur der in den Konus 28 eingeführten Luft geregelt werden kann.

Dem unteren Ende des zyklindrischen Abschnittes 28a ist ein Düsenboden 34 zugeordnet, durch den axial Luft aus dem Luftkasten 29 als Fluidisierungsluft in das konische Unterteil 28 eintritt. Zum Abzug der Asche ist ein den Düsenboden durchsetzendes und sich zum zylindrischen Abschnitt 28b hin öffnendes Abzugsrohr 35 vorgesehen.

Dem zylindrischen Abschnitt 26 wird über Sekundärluftzuführungen 36a und 36b Sekundärluft tangential zugeführt, während Brennstoff über die Leitung 37 zugeführt wird. In dem Oberteil des Reaktors ist ein verschließbarer Durchlaß 38 für einen in den Reaktorraum vorschiebbaren und aus diesem zurückziehbaren in der Figur nicht dargestellten Zündbrenner vorgesehen.

Der Auslaßöffnung 39 des oberen Teils 26 des Reaktors ist eine gegebenenfalls entsprechend der strichpunktierten Linie in der Figur isolierte Nachbrennkammer 40 größeren Durchmessers nachgeschaltet, aus der das Abgas durch eine seitliche Abgasleitung 41 abgezogen wird. Die Nachbrennkammer 40 verlängert die Aufenthaltszeit der Brennstoffkörner im System und nimmt außerdem zumindest teilweise den Drall aus der Strömung. Das Material für die Erstellung des Konus kann bei allen Ausführungsformen hochtemperaturfester Stahl sein.

Dem zylindrischen Oberteil 26 kann ein außenliegender mit Kühlluft beaufschlagter Kühlmantel zugeordnet sein, dem über einen Stutzen Kühlluft zugeführt und aus dem über einen Stutzen Kühlluft abgezogen wird. Die zur Kühlung des zylindrischen Oberteils herangezogene Kühlluft kann unter Umständen auch als vorgewärmte Primär- und/oder Sekundärluft eingesetzt werden. Neben dem Brennstoff kann Inertmaterial zur Stabilisierung der Verbrennung und zur kontinuierlichen Abreinigung eingesetzt werden. Das Inertmaterial sollte im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie der Brennstoff aufweisen, z. B. spezifisches Gewicht, Schüttgewicht und/oder Körnung.

Claims (12)

1. Axialzyklon-Verbrennungsreaktor zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Drehströmungsfeld mit einem im wesentlichen konischen Unterteil und einem zylindrischen Oberteil, einer Ascheabzugsöffnung am unteren Ende des Unterteils und einer mittigen Abgasabzugsöffnung in der Decke des Oberteils, sowie mindestens einer Brennstoffzuführung und mindestens einer Luftzuführung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine tangentiale Luftzuführung (36a-36b) am zylindrischen Oberteil (26) und mindestens eine tangentiale Luftzuführung (31) am unteren Ende des konischen Unterteiles (28) vorgesehen ist, daß das konische Unterteil (28) von einem Luftkasten (29) umgeben ist, aus dem Luft in das konische Unterteil eintritt und daß im Luftkasten (29) ein auf Abstand von der Außenfläche des konischen Unterteils (28) angeordneter durchströmter Doppelmantel (28b′) vorgesehen ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr am zylindrischen Oberteil mehrstufig über axial und/oder in Umfangsrichtung auf Abstand angeordnete Luftzuführungen (36a-36b) erfolgt.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer tangentialen Luftzuführung auch mindestens eine axiale Luftzuführung (34), vorzugsweise in Form eines Düsenbodens für die Zufuhr von Fluidisierungsluft, vorgesehen ist.

4. Reaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr (37) in dem zylindrischen Oberteil (26) erfolgt.

5. Reaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr tangential erfolgt.

6. Reaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr mehrstufig in axialer und/oder Umfangsrichtung erfolgt.

7. Reaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das zylindrische Oberteil (26) ausgemauert ist.

8. Reaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Ausmauerung eine außenliegende ein- oder mehrschichtige Isolierung vorgesehen ist.

9. Reaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor einen zwangsdurchströmten Kühlmantel aufweist.

10. Reaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsöffnung (39) eine im Durchmesser gegenüber der Austrittsöffnung erweiterte Nachbrennkammer (40) mit seitlichem Abgasaustritt (41) nachgeschaltet ist.

11. Verfahren zum Betrieb eines Axialzyklon-Verbrennungsreaktors zum Verbrennen von festen Brennstoffen in einem Drehströmungsfeld, insbesondere in einem Axialzyklon-Verbrennungsreaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Brennstoff in den Reaktor ein körniges Inertmaterial eingeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertmaterial im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie der Brennstoff aufweist.