DE69617954T2 - Kohlenstaubeinspritzdüse - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Düse zum Einbringen unter Druck von festen Brennstoffen wie pulverisierter Kohle in eine Verbrennungskammer, wobei die Düse insbesondere zum Einbau in einen Brenner geeignet sein soll, um eine Dreiphasenverbrennung zur Begrenzung des Anfalles an Stickstoffoxiden zu ermöglichen. Die Düse der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für Brenner ausgelegt, die entweder mit flüssigen oder festen Brennstoffen betrieben werden und entweder mit gasförmigen oder flüssigen oder festen Brennstoffen.
• Es ist eine bekannte Tatsache, dass Stickstoffoxide zu den am meisten umweltschädlichen Schadstoffen gehören, die während Verbrennungsprozessen anfallen, und sie finden sich in Abgasen, die bei Dampfgeneratoren, thermoelektrischen Kraftwerken und anderen industriellen Installationen anfallen, in denen fossile Brennstoffe verbrannt werden. Die Bildung von Stickstoffoxiden hat ihre Ursache teils im Vorhandensein von N-Verbindungen im Brennstoff (chemisches NOx) und teils in atmosphärischem Stickstoff in der Verbrennungsluft (thermisches NOx).
• Die Entstehung von NOx während des Verbrennungsprozesses ist von mehreren Parametern abhängig, von denen die wesentlichen die Flammentemperatur, die Verweildauer des Verbrennungsgemisches im Hochtemperaturbereich und der Luftüberschuß sind. Im einzelnen steigt die Stickstoffoxidbildung mit dem Ansteigen der Flammentemperatur und sie kann dadurch minimiert werden, dass die Spitzenwerte unter Kontrolle gehalten werden. Ein ähnlicher Effekt stellt sich ein, wenn der Brennstoff nur für kurze Zeit im Hochtemperaturbereich bleibt und im Entflammbereich der Luftüberschuß reduziert oder der Brennstoffüberschuß erhöht wird.
• Aus dem oben Festgestellten wird deutlich, dass eine kombinierte Regelung der oben genannten Betriebsparameter die Begrenzung der Stickstoffoxidbildung während der Verbrennung möglich macht.
• In Brennern, in denen die Verbrennung von festem Brennstoff in Pulverform, beispielsweise von Kohlenstaub, möglich ist, ist die Geometrie der Luft-Kohle-Gemisch-Düse für die Kontrolle der Verbrennung und demzufolge die Entstehung von NOx von primärer Bedeutung. Insbesondere ist die Bildung von Bereichen im Zündbereich notwendig, die arm an Sauerstoff und reich an Kohle sind, und darüberhinaus muß die Verweildauer des Brennstoffes in solchen Bereichen so gewählt werden, dass die Bildung von NOx und unverbrannten Substanzen minimiert wird. Schließlich muß die Rückströmung um das Ende der Düse herum so kontrolliert werden, dass exzessiv hohe Temperaturen und lokale Fusionsphenomene vermieden werden, die die Düse irreversibel zerstören würden. In einer Düse für feste Brennstoffe bekannter Bauart, die von der Foster Wheeler Energy Corporation gefertigt wird (vergl. EP-A-0554014), ist ein tangentialer Einlaß für das Luft-Kohle-Gemisch vorgesehen, um dieses Gemisch auf vier oder mehr Kanäle zu verteilen, deren Querschnitte zur Verbrennungskammer hin kleiner werden und die mit dem Auslaß in die Verbrennungskammer korrespondierend entlang einem zur Primärluftführung konzentrischen Kreisring angeordnet sind. Auf diese Weise werden energiereiche Strahlen aus einem Luft- Kohle-Gemisch gebildet, die reich an Kohlestaub sind. Zwischen jeder Gemischführung und ihrer benachbarten ist eine Führung mit divergierendem Querschnitt gebildet, durch die Luft in den Zündbereich geblasen wird, wobei die Luftaufnahme durch Schlitze erfolgt, die in der Außenwand der Düse ausgebildet sind. Das Einblasen von Luft durch diese Führungen ist notwendig, um die Entstehung extrem hoher Werte der Düsentemperatur zu verhindern, es wird jedoch auch der Sauerstoffgehalt im Zündbereich erhöht mit nachteiligem Effekt im Hinblick auf die NOx-Reduktion und demzufolge die Ausbildung der Düse.
• In EP-A-0153423 ist eine Düse erläutert, die aus einem äußeren und einem inneren rohrförmigen Glied besteht, wobei zwischen äußerem und innerem rohrförmigen Glied ein Ringkanal ausgebildet ist. Zwischen innerem und äußerem rohrförmigen Glied erstreckt sich ein Trennkonus. Im Auslaßbereich der Düse sind zwischen dem äußeren rohrförmigen Glied und dem Trennkonus in Umfangsrichtung voneinander beabstandet mehrere V-förmige Spalteinrichtungen angeordnet, die Kanäle für kohlestaubreiche Luftströme bilden. Oberhalb der Spalteinrichtungen durchsetzen das äußere rohrförmige Glied speziell geformte Öffnungen, ausgebildet um in den Ringraum zwischen dem Trennkonus und das äußere Rohrglied Sekundärluft einbringen zu können. Am Ende des inneren Rohrgliedes ist eine axial verstellbare Spitze ausgebildet, um die Menge der Luftströmung durch die zwischen Spitze und Konus definierte Öffnung regulieren zu können. Wie in EP-A-0554014 wird ein kohlestaubarmer Luftstrom, der noch Kohle enthält, der Kombinationskammer im Bereich der Flamme zugeführt und eine zentrale Flamme wird zusätzlich gebildet, die nicht nur die Flammenstabilität erhöht, sondern auch das Risiko des Verbrennens des Düsenendes. Um diese unerwünschte Wirkung zu vermeiden, wird Sekundärluft durch die in besonderer Weise konturierten Öffnungen angesaugt, sodass die Temperatur reduziert wird, was jedoch die Menge der verfügbaren Verbrennungsluft vergrößert und den NOx-Anfall vergrößert. Die axial verstellbare Spitze ergibt zwar eine Trennung zwischen kohlestaubreichen und kohlestaubarmen Luftströmen und eine Kontrolle der Menge von im kohlestaubreichen Luftstrom enthaltenen Kohlestaub, auf jeden Fall werden aber alle diese Ströme in den Flammenbereich geführt.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Düse zum Einbringen unter Druck von Gemischen aus festen Brennstoffen und Luft vorzuschlagen, wobei der feste Brennstoff Kohlestaub oder dergleichen und die Düse in der Lage sein soll, im Verhältnis zu bekannten Vorrichtungen dieser Art verbesserte Verbrennungsbedingungen zu ergeben.
• Dieses Ziel wird mit einer Düse gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, deren Hauptmerkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben sind.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Einspritzdüse für pulverisierte Kohle gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung klar, die jedoch gleichwohl als ein Beispiel anzusehen ist, und in der auf die zugehörigen Zeichnungen bezuggenommen wird, in denen
• Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Düse für Kohle/Luftgemische gemäß der vorliegenden Erfindung und
• Fig. 2 die Darstellung eines Schnittes der Düse entlang der Linie II-II in Fig. 1 ist.
• Die Düse gemäß der Erfindung ist so ausgebildet, dass sie dem Auslaßende eines Brenners in koaxialer Zuordnung zur Primärluftführung in üblicher Weise zugeordnet werden kann.
• Gemäß Figen. 1 und 2 weist die Düse gemäß der Erfindung einen festen Teil 1 auf, der dem Zweck der Konzentration von Kohlenstaub in physisch voneinander getrennten Strömen dient, und ein bewegliches Glied 2, das dem Zweck dient, das Ausströmen von Primärluft und Verbrennungsluft so einander zuzuordnen, dass der gewollte Verbrennungsprozeß durchgeführt werden kann.
• Der feste Teil 1 besteht aus einer Gruppe aus zumindest drei Führungen 3 in der Form von sich zu einer Brennkammer hin verjüngenden Kegelstümpfen, wobei die Brennkammer nicht dargestellt ist. Die Führungen sind auf einem achsgleich die Primärluftführung des Brenners und eine Öllanze aufnehmenden zentralen Rohr 4 umgebenden Kreis angeordnet derart, dass, wenn der Kreis am Einlaß 100% umschließt, der Kreis am Auslaßende nur noch 40% umschließt. Als ein Beispiel ist in Fig. 1 eine Anordnung mit vier Führungen gezeigt. Auf diese Weise wird Kohlestaub, der durch eine Verwirbelungseinrichtung (nicht dargestellt) in der Anordnung in der genannten Führung stromaufwärts der Düse bereits im Bereich der Wand der Primärluftführung konzentriert ist, in verschiedene Ströme unterteilt, die durch ein niedriges Luft/Kohle-Verhältnis gekennzeichnet sind. Zwischen Kohleführungen 3 sind Luftführungen 5 ausgebildet, von denen jede einen Querschnitt hat, der zur Brennkammer hin größer wird und mit einer inneren Führung 6 in Verbindung steht, die von darumherum angeordneten Führungen 3 gegeneinander abgegrenzt sind. Demzufolge wechseln am Düsenauslaß die Auslaßöffnungen der Luftführungen 5 mit denen der Luftführungen 3 ab.
• Das mobile Glied 2, das gleichachsig zur Öllanze angeordnet ist, ist konisch tassenförmig und kann zwischen zwei Endstellungen und mehreren Zwischenstellungen verstellt werden, weil es translatorisch beweglich auf dem Zentralrohr 4 gelagert ist und mittels einer Stange (nicht gezeigt) entlang der inneren Führung 6 verstellbar ist.
• Die den Kohlestaub mitführende Primärluft erreicht die Düse, wie oben beschrieben, als am Umfang der Luftführung kohlestaubreiche Strömung, die im Innenbereich kohlestaubarm ist. Der kohlestaubreiche Strömungsteil tritt in die Kohleführungen 3 des festen Teils 1 der Düse ein, während der kohlestaubarme Strömungsanteil, der durch den zentralen Abschnitt der Primärluftführung strömt, in die innere Führung 6 eintritt und dabei abhängig von der Stellung des mobilen Gliedes 2 der Düse in zwei Teilströmungen unterteilt wird. Eine erste Teilströmung gelangt durch die Luftführung 5 und die zweite Teilströmung ist zum Auslaß der inneren Führung 6 gerichtet und wird durch den vom Auslaßende der inneren Führung 6 und das zu ihre koaxiale mobile Glied 2 gebildeten Kanal in die Brennkammer eingeführt. Am Düsenauslaß sind mit den Auslässen der Luftführungen 5 übereinstimmend schräge Platten 7 angeordnet.
• Die schrägen Platten 7 haben die Aufgabe, den kohlestaubarmen Luftstrom aus Primärluft radial nach außen abzulenken, um die Mischung mit der Sekundärluft zu begünstigen; ihr Neigungswinkel liegt zwischen 0 und 45º; falls als zweckmäßig erachtet, kann der Neigungswinkel in bekannter Weise veränderbar sein, was jedoch nicht dargestellt ist.
• Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2, die als Beispiel gezeigt ist, sind Führungen 3 für das Luft-Kohle-Gemisch rohrförmige Sektionen eines Ringes mit einem Querschnitt, der vom Einlaß zum Auslaß hin abnimmt; die rohrförmigen Sektionen sind an ihren Einlaßenden mit einer Stütze 8 verschweißt, die aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Ringgliedern besteht, die ihrerseits mittels radialer Arme (nicht dargestellt) miteinander verbunden sind, während die Führungen 3 an ihren Auslaßenden mittels in Umfangsrichtung verlaufender Zugstangen 9 miteinander verbunden sind, die thermisch bedingte Maßveränderungen zulassen.
• Die Zusammensetzung des Zweiphasengemisches am Brennerauslaß ist abhängig vom Prozeß des Mischens von kohlestaubarmem und kohlestaubreichem Luftstrom, wobei diese Zusammensetzung ein grundlegender Parameter für die Regelung des Ausstoßes von NOx unverbranntem Brennstoff und der Flammenstabilität ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es durch das Zusammenwirken der Stellung des mobilen Gliedes 2 mit dem Einfluß des stationären Teils 1 möglich, abhängig von den unterschiedlichen Erfordernissen verschiedener Installationen eine jeweils optimale Lösung zu definieren.
• Ist das mobile Glied 2 weit zurückgezogen, so ist die Flamme länger, der Verbrennungsprozeß läuft langsamer ab, so dass der NOx-Anfall seinen Minimalwert hat, der Co-Gehalt und unverbrannter Brennstoff jedoch ihre Maximalwerte haben.
• Ist das mobile Glied 2 jedoch weit nach vorn verstellt, so ist infolge des intensiven an Kohlestaub/Luft-Mischens die Verbrennung intensiviert und lokalisiert, der NOx-Anfall ist sehr hoch, der Anfall an CO und unverbrannt bleibendem Brennstoff ist dagegen sehr gering.
• Die Düse gemäß der Erfindung wurde in einen Brenner eingebaut und der Brenner wurde im gesamten Betriebsbereich getestet und es ergaben sich folgende Ergebnisse.
• - eine NOx-Redudktion in der Größenordnung von 50% gegenüber traditionellen Brennern vom "CIRCULAR"-Typ;
• - während der Kohleverbrennung eine Reduktion des unverbrannt bleibenden Anteils in der Größenordnung von 50% gegenüber der ersten Generation von "Low-NOx"-Brennern (Brennern der Kennzeichnung "geringer NOx"-Anfall).
• Zahlreiche Veränderungen und/oder Modifikationen der erfindungsgemäßen Düse zum Einspritzen von pulverisierter Kohle als Brennstoff können vorgenommen werden, ohne den Grundgedanken zu verlassen, wie er Gegenstand der angefügten Ansprüche ist.

Claims (6)

1. Düse zum Einblasen von festem Brennstoff in Staubform in eine Brennkammer zum Einbau am Auslaß eines Brenners in koaxialer Zuordnung zu diesem mit einem ortsfest einzubauenden ringförmigen Gehäuse (1), das aufweist

mehrere Kanäle (3) für kohlenstaubreiche Luftströme in einer Umfangsweite die zum Brennerauslaßende hin abnimmt und

einen zentralen Kanal (6) für einen kohlenstaubarmen Luftstrom, der von den Kanälen für kohlenstaubreiche Luftströme umgeben ist und in dem ein zentrales Stellglied (2) angeordnet und axial verstellbar ist, um den Querschnitt des zentralen Kanals für den kohlenstaubarmen Luftstrom im Bereich des Auslaßendes verändern zu können,

dadurch gekennzeichnet, dass je einer von mehreren zusätzlichen Führungskanälen (5) für zusätzliche kohlenstaubarme Luft zwischen je zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Kanälen (3) für kohlenstoffreiche Luft in dem ringförmigen Gehäuse (1) angeordnet ist, wobei diese zusätzliche Führungskanäle für zusätzliche kohlenstoffarme Luft mit dem zentralen Kanal (6) in Verbindung stehen und eine zum Auslaß hin zunehmende Umfangsweite haben, wobei Ablenkmittel (7) vorgesehen sind, um jeden der an den Auslässen der zusätzlichen Kanäle für kohlenstoffarme Luft angelangten zusätzlichen kohlenstoffarmen Luftströme in eine Richtung zu lenken, die von der des zentralen Kanals radial abweicht.

2. Düse nach Anspruch 1, bei der die Schrägstellung der Ablenkmittel (7) in einem Bereich zwischen 45º und 80º bezüglich einer Längsachse des zentralen Kanals (6) einstellbar ist.

3. Düse nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Gesamtquerschnitt der Kanäle (3) für kohlenstaubreiche Luft an ihrem Einlaß im wesentlichen hundertprozentig dem Schnitt am Einlaßende des ringförmigen, ortsfest einzubauenden Gehäuses entspricht, während der Gesamtquerschnitt dieser Kanäle (3) für kohlenstaubreiche Luft am Auslaßende des ringförmigen, ortsfest einzubauenden Gehäuses (1) 40% bis 60% des Schnitts am Auslaßende entspricht.

4. Düse nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Kanäle (3) für kohlenstaubreiche Luft an ihren inneren Enden an einer Stütze (8) axial festgelegt sind, die aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Ringelementen (8a, 8b) gebildet ist, die ihrerseits miteinander verbunden und unter Einhaltung eines Abstandes voneinander beabstandet sind, der im wesentlichen der radialen Breite der Kanäle für kohlenstaubreiche Luft entspricht, wobei diese Kanäle für kohlenstaubreiche Luft an ihren Auslaßenden mittels in Umfangsrichtung verlaufender Befestigungsstangen (9) miteinander verbunden sind.

5. Düse nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Verstellglied (2) ein tassenförmiges Hohlteil ist, das mit seinem offenen Ende zur Brennkammer hin gerichtet ist.

6. Düse nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein rohrförmiges Gehäuse (4) in dem zentralen Kanal (6) angeordnet ist, um in sich eine Öllanze aufzunehmen.