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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Kohlenstaubbrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Beim Verbrennen von Kohlenstaub muss
die Bildung von Stickoxiden (worauf im Folgenden als NOx Bezug genommen
wird) auf eine kleine Menge unterdrückt werden. Der größte Teil
des während
der Verbrennung von Kohlenstaub erzeugten NOx wird durch Oxidation
von in der Kohle enthaltenem Stickstoff erzeugt. Um die während der
Verbrennung erzeugte NOx-Menge zu reduzieren, wurden bereits verschiedene
Konstruktionen von Kohlenstaubbrennern vorgeschlagen.
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Ein Kohlenstaubbrenner, der die beim
Verbrennen erzeugte NOx-Menge verringert, bildet eine reduzierende
Zone und eine oxidierende Zone, d. h. es handelt sich um einen so
genannten Brenner mit einer zweistufigen Verbrennung mit innenseitiger Flamme.
Der Stickstoff in der Kohle wird in die Gasphase als Cyanwasserstoff
(HCN) und Ammoniak (NH3) während der
thermischen Zersetzung des Kohlenstaubs in einem Anfangsstadium
der Verbrennung freigesetzt. Diese Stickstoffverbindungen werden
zu NOx oxidiert, während
sie die Wirkung haben, NOx in einem Bereich mit niedriger Sauerstoffkonzentration zu
reduzieren. Die zweistufige Verbrennung mit innenseitiger Flamme
verwirklicht die Innenflamme effektiv, eine Reaktion, die NOx mit
NOx-Vorläufern, wie
NH3, HCN, reduziert. Bei dieser Verbrennung breitet
sich eine reduzierende Zone durch Verbrennung eines Brennstoffüberschusses
mit Luftmangel um den Kohlenstaubbrenner herum in der Flamme aus,
und es wird eine oxidierende Zone durch die Verbrennung mit hoher
Sauerstoffkonzentration an einer Stromabseite der Flamme gebildet.
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Um den Effekt der zweistufigen Verbrennung mit
innenseitiger Flamme zu steigern, ist es erforderlich, eine Flamme
aus Kohlenstaub, der aus einer Brennstoffdüse zugeführt wird, stabil auszubilden. Man
hat deshalb versucht, die Zuführbedingung
des Kohlenstaubs und der Trägerluft
zu ändern.
Ein Kohlenstaubbrenner, in dem ein Element zum Einstellen der Teilchenkonzentration
angeordnet ist, ist in der JP A 63-21406, JP A 3-41571, JP A 3-110308 oder JP A
4-24404 als Beispiel offenbart.
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Bei einem Kohlenstaubbrenner in einer
Bauweise für
eine Denitrierung in der Flamme, der bei einem Kohlenstaub verbrennenden
Kessel eingesetzt wird, ist es wichtig, eine reduzierende Reaktion
in einer reduzierenden Flammenzone zu begünstigen, um die Konzentration
an emittiertem NOx zu verringern. Um dies zu erreichen, ist es wichtig,
dass man eine Verbrennung mit Überschussbrennstoff
erreicht und die Möglichkeit
der thermischen Zersetzung des Kohlenstaubs in der reduzierenden
Flammenzone steigert, indem nicht nur die Konstruktion für die Zuführung von
Verbrennungsluft, sondern auch die Konstruktion für die Zuführung von
Kohlenstaub verbessert wird.
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Um die Betriebsfähigkeit eines Kohlenstaub verbrennenden
Kessels zu erhöhen,
wird in kurzer Zeit die Last geändert.
Unter diesem Gesichtspunkt ist es von Bedeutung, die untere Grenze
des Betriebs des Kohlenstaubbrenners auf eine niedrige Last auszuweiten.
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Bei dem Kohlenstaubbrenner ist es
jedoch wesentlich, den Durchsatz von Kohlenstaubteilchen, die in
einem Kohlenstaubtransportrohr mit einer bestimmten Geschwindigkeit
oder weniger strömen,
zu reduzieren, so dass dieser in der Reduzierung des Durchsatzes
der Luft begrenzt ist, die dem Kohlenstaubtransportrohr zugeführt wird.
Wenn der Durchsatz von Kohlenstaubteilchen zu klein ist, ist ein
Absinken der Kohlenstaubteilchen in dem Transportrohr zu befürchten,
wodurch das Transportrohr verstopft und die Flamme im Ofen in das
Transportrohr zurückschlägt.
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Aus diesem Grund ist es erforderlich,
wenn der Durchsatz an Kohlenstaub und der Durchsatz an Luft verringert
werden, um die untere Grenze des Betriebs des Kohlenstaubbrenners
auf niedrige Last zu erweitern, den Durchsatz der Kohlenstaubzufuhr-(oder-träger-) Luft
auf einen bestimmten Pegel zu halten und den Durchsatz von Kohlenstaub
zu verringern, nachdem die Last auf einen bestimmten Lastpegel abgesenkt
worden ist.
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Wenn nur der Kohlenstaubdurchsatz
abgesenkt wird, wird die Konzentration des Kohlenstaubs geringer,
der sich in der Kohlenstaubzuführluft
befindet. Aus diesem Grund wird die Kohlenstaubflamme weg vom Auslass
der Brennstoffdüse
gebildet. Dies bedeutet, dass der Kohlenstaub und das Verbrennungsgas
sich miteinander vermischen. Als Folge ist es schwierig, eine reduzierende
Zone für
NOx innerhalb der Flamme auszubilden.
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Die
EP 0 445 938 A1 offenbart einen Kohlenstaubbrenner
mit einer Brennstoffdüse
zum Zuführen eines
Gemisches aus Kohlenstaub und Luft und eine Verbrennungsluft-Zufuhrdüse, die
zum Zuführen
von Verbrennungsluft konzentrisch zur Brennstoffdüse auf der Außenseite
von ihr angeordnet ist. Die Brennstoffdüse hat einen verengten Einlauf
in Form einer Venturi-Düse
zum Glätten
des Stroms in der Brennstoffdüse
zur Homogenisierung der Verteilungscharakteristika der Kohle. Stromab
von der Venturi-Düse ist
eine Zerstäubungs-/Einstelleinrichtung
koaxial zur Brennstoffdüse
vorgesehen. Diese Einstelleinrichtung hat einen expandierenden Abschnitt,
der allmählich
von der Stromaufseite zur Stromabseite zunimmt, wonach ein zylindrischer
Rohrabschnitt und dann ein Konus folgen, der sich zur Verbrennungskammer
hin verengt. Dieser Brenner ist der gattungsgemäße Brenner.
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Die
EP 0 672 863 A2 offenbart einen Kohlenstaubbrenner
mit einer Brennstoffdüse
mit einem kreisförmigen
oder rechteckigen Querschnitt und Verbrennungsluft-Zuführdüsen, die
auf der Außenseite
der Brennstoffdüse
entweder konzentrisch, wenn die Brennstoffdüse einen kreisförmigen Querschnitt
hat, oder auf zwei gegenüberliegenden
Seiten angeordnet ist, wenn die Brennstoffdüse einen rechteckigen Querschnitt
hat. Die Mischung von Kohlenstaub und Luft strömt durch einen verengten Einlauf in
die Brennstoffdüse.
Stromab von diesem verengten Einlauf ist eine ringförmige Trennwand
angeordnet, die die Brennstoffdüse
in einen äußeren Ringkanal
und in einen inneren zylindrischen Kanal unterteilt. Die rohrförmige Trennwand
kann einen ersten Abschnitt, dessen Außendurchmesser allmählich längs des
Gemischstroms abnimmt, und einen zweiten Abschnitt aufweisen, der
mit dem ersten Abschnitt verbunden ist und dessen Außendurchmesser
konstant ist (
16). Die Trennwand verzögert ein
Gemisch, das durch einen äußeren Ringkanal strömt, und
beschleunigt das Gemisch, das durch den inneren zylindrischen Kanal
strömt.
Dies führt
zu einer Injektion des Gemisches aus dem Auslass der Brennstoffdüse mit einer
in Radialrichtung im Wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit, wodurch eine
radiale Teilchenbewegung in der Strömung vermieden wird. Deshalb
kann der feine Kohlenstaub aus dem zylindrischen inneren Kanal effektiv
in den reduzierenden Flammenbereich geführt werden. Aufgrund des großen Verhältnisses
von Oberfläche
zu Gewicht kann der feine Kohlenstaub leicht mit dem Kohlendioxid
oder Wasser auch in dem reduzierenden Flammenbereich reagieren gelassen
werden, was zu einer Konzentrationsverringerung von NO
x führt.
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Die
EP 0 409 102 A2 offenbart einen Kohlenstaubbrenner
mit einer Brennstoffdüse
zum Zuführen eines
Gemisches von Kohlenstaub und Luft und eine Luftdüse, die
koaxial zu und außerhalb
der Brennstoffdüse
zum Zuführen
von Verbrennungsluft angeordnet ist. Die Brennstoffdüse hat eine
Einlaufdüse (Venturi)
zum Kontrahieren des Gemischstroms zur zentralen Achse der Brennstoffdüse hin.
Die Einlaufdüse
hat einen stromaufseitigen konischen Abschnitt, der den Strömungsquerschnitt
verengt und in einem kurzen zylindrischen Abschnitt endet, auf den ein
konischer Abschnitt folgt, der den Strömungsquerschnitt erweitert
und axial in der Brennstoffdüse zwischen
zwei Endstellungen verschiebbar ist.
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In der Brennstoffdüse gibt
es eine koaxiale Anordnung, die drei in Stromabrichtung aufeinander folgende
Teile aufweist, nämlich
ein Leitelement, ein erstes Rohrstück und in einem Abstand davon
ein zweites Rohrstück.
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Das Leitelement hat einen stromaufseitigen Abschnitt,
der sich radial nach außen
zu einem Scheitel mit einem Winkel von weniger als 15° erweitert,
worauf ein stromabseitiger Abschnitt folgt, der sich von dem Scheitel
aus radial nach innen mit nahezu dem gleichen Winkel verengt. Das
erste Rohrstück
ist ein Hohlzylinder. Das zweite Rohrstück hat einen stromaufseitigen
Abschnitt, der sich in Stromabrichtung zu einem Hohlzylinder der
gleichen Größe wie das
erste Rohrstück
verengt. An dem stromabseitigen Ende des zweiten Rohrstücks ist
ein Flammenhalter angebracht, der sich radial nach außen erstreckt.
Das erste und das zweite Rohrstück
wirken miteinander so zusammen, dass der Strömungsweg des Gemisches in der
Brennstoffdüse
unterteilt wird, um einen radial äußeren Teilkanal und einen radial
inneren Teilkanal zu bilden.
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Bei einem Betrieb des Brenners mit
hoher und niedriger Last wird ein großer Teil der Luft in dem in
dem radial inneren Teilkanal strömenden
Gemisch davon abgetrennt und in den radial äußeren Teilkanal gesaugt und
mit dem Gemisch vermischt, das in dem radial äußeren Teilkanal strömt. Dies
bedeutet, dass der große
Teil der in dem inneren Teilkanal strömenden Luft in den äußeren Teilkanal
durch den axialen Schlitz oder den Abstand zwischen dem ersten Rohrstück und dem
zweiten Rohrstück
gesaugt wird.
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In ihrer stromauseitigen Position
für den
Betrieb mit hoher Last befindet sich die Einlaufdüse stromauf
von dem Leitelement. Das Brennstoffgemisch geht durch den radial
nach außen
geneigten ringförmigen
Kanal zwischen Einlaufdüse
und dem Leitelement hindurch. Aufgrund der Trägheit wird der Kohlenstaub
aus der Mischung abgetrennt und zu dem radial äußeren Teilkanal geführt. Deshalb
strömt durch
den radial äußeren Teilkanal
ein kohlereiches Gemisch, während
durch das erste Rohrstück
und das zweite Rohrstück
und durch den Schlitz zwischen den beiden Rohrstücken ein kohlearmes Gemisch
nach außen
in das kohlereiche Gemisch strömt.
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In ihrer stromabseitigen Position
für den
Betrieb des Brenners mit sehr niedriger Last befindet sich die Einlaufdüse der Brennstoffdüse in einer
Position, in der sich das stromaufseitige Ende ihres zylindrischen
Abschnitts stromab von dem Leitelement befindet, während das
stromabseitige Ende das stromaufseitige Ende des ersten Rohrstücks kontaktiert.
Das Brennstoffgemisch wird zwischen dem stromaufseitigen Abschnitt
des Leitelements und der Innenwand der Brennstoffdüse und dann
weiterhin zwischen dem stromabseitigen Abschnitt des Leitelements
und dem stromaufseitigen Teil der Einlaufdüse eingeschnürt. Das
eingeschnürte
Gemisch geht vollständig
durch das erste Rohrstück
hindurch und wird in das zweite Rohrstück geführt. Aufgrund des axialen Schlitzes
zwischen den beiden Rohrstücken
kann ein kleiner Teil des kohlereichen Gemisches des radial inneren
Teilkanals nach außen
als sehr mageres Kohlegemisch zum radial äußeren Teilkanal strömen.
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An Zwischenstellungen der Einlaufdüse kann
ein kohlereicheres oder kohleärmeres
Gemisch jeweils durch den äußeren bzw.
inneren Teilkanal hindurchgeführt
werden.
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Das Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines
Kohlenstaubbrenners der gattungsgemäßen Art, der eine Verbesserung
des Verbrennungswirkungsgrades und eine Absenkung des aus der Verbrennung
stammenden NOx ermöglicht.
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Dieses Ziel wird mit dem Kohlenstaubbrenner
von Anspruch 1 erreicht, von dem Ausgestaltungen in den Unteransprüche 2 bis
6 beschrieben sind.
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Der Strömungswegteiler nach der Erfindung sorgt
für eine
Gleichrichtung der Kohlenstaubströme in dem äußeren und inneren Strömungsweg
und zur Verringerung eines Geschwindigkeitsgradienten in Radialrichtung,
wodurch ein Mischen der Brennstoffströme in der Radialrichtung auch
nach dem Eindüsen
in den Ofen unterdrückt
werden kann. Dies begünstigt
die NOx-reduzierende Reaktion.
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Mit dem Kohlenstaubbrenner nach der
Erfindung wird die Stabilität
der Flamme in einem Betrieb mit niedriger Last gesteigert und der
Verbrennungswirkungsgrad des Kohlenstaubs verbessert, indem die
Möglichkeit
der thermischen Zersetzung des Kohlenstaubs in einer reduzierenden
Flammenzone gesteigert wird, wodurch die Zone der reduzierenden Flamme
vergrößert und
das Auftreten von NOx unterdrückt wird.
Außerdem
kann die Einsatzmenge von stabilisierenden Brennstoffen, wie Brennstofföl, klein gehalten
werden, indem der Brennerlastbereich erweitert wird, in welchem
die Verbrennung nur mit Kohlenstaub als Brennstoff bewirkt werden
kann.
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Bei dem Brenner, bei dem die Brennstoffdüse einen
verengten Einlauf, einen Aufpralldiffusor mit einem expandierenden
Abschnitt und einen Strömungswegteiler
hat, der einen enger werdenden zylindrischen Teil hat und den Strömungsweg
koaxial unterteilt, reduziert der verengte Einlauf den Querschnitt
des Strömungswegs
auf der Stromaufseite der Brennstoffdüse, so dass Kohlenstaub in
der Nähe der
Wandoberfläche
der Brennstoffdüse auf
einen Strömungseinlass
des verengten Einlaufs prallt und dadurch die Konzentration des
Kohlenstaubs erhöht wird.
Der Aufpralldiffusor mit einem sich erweiternden Abschnitt, der
auf der Stromabseite des verengten Einlaufs angeordnet ist, lässt den
Kohlenstaub eines zentralen Teils der Brennstoffdüse zur Erhöhung der Konzentration
und die durch den sich verengenden Teil konzentrierten Kohlenstaubteilchen
darauf prallen. Das bedeutet, dass Brennstoff auf der Außenseite
und Innenseite in der Brennstoffdüse auf eine Außenfläche des
expandierenden Abschnitts des Aufpralldiffusors aufprallt, wodurch
die Konzentration erhöht
wird. Dadurch wird die Strömungsrichtung
der Teilchen in der Brennstoffdüse
zur Außenseite
hin verschoben und dort die Kohlenstaubkonzentration ebenfalls erhöht.
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Kohlenstaubteilchen, deren Strömungsrichtung
durch den sich erweiternden Abschnitt des Aufpralldiffusors verändert und
der in der Konzentration gesteigert wird, halten vorübergehend
ihre Strömungsrichtung
aufgrund ihrer Trägheit
bei, wodurch Kohlenstaub mit relativ großen Teilchen an einem Öffnungsrandabschnitt
der Brennstoffdüse
angesammelt wird. Der Strömungsteiler
an der Stromabseite des Aufpralldiffusors unterteilt den Strömungsweg
der Brennstoffdüse
koaxial und richtet die Kohlenstaubströme in dem äußeren und inneren Strömungsweg
gleich. Das bedeutet, dass durch Anordnung des Strömungswegteilers
die Trägerluftströme an dem äußeren und
inneren Strömungsweg
zueinander gleich werden und ein radialer Geschwindigkeitsgradient
verringert wird.
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Da die Brennstoffkonzentration auf
der von dem Strömungswegteiler
geteilten Außenseite
hoch wird, ist es möglich,
eine stabile Flamme auch zum Zeitpunkt eines Betriebs mit niedriger
Last, zu dem die Brennstoffkonzentration niedrig ist, und auch bei niedriggashaltiger
Kohle stabil zu halten. Dadurch, dass sich der Kohlenstaub insbesondere
in der reduzierenden Flammenzone thermisch zersetzen kann, wird
die Stabilität
der Flamme zum Zeitpunkt des Betriebs mit niedriger Last erhöht und das
Auftreten von NOx unterdrückt.
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Der Brenner, bei dem der Aufpralldiffusor den
parallelen Abschnitt, der sich von dem expandierenden Abschnitt
aus erstreckt und parallel zur zentralen Achse ist, und den sich
verengenden Abschnitt hat, der sich von dem parallelen Abschnitt
aus erstreckt und sich allmählich
längs der
zentralen Achse verengt, ändert
die Gemischstromrichtung in eine Richtung längs der zentralen Achse der
Brennstoffdüse
durch den parallelen Abschnitt zusätzlich zu dem Betrieb jedes
zuvor erwähnten
Brenners, wodurch relativ feine Teilchen in der Nähe der Außenfläche des
parallelen Abschnitts strömen
und die Teilchenkonzentration mager wird. Der sich verengende Abschnitt
wirkt so, dass das Gemisch längs
der Außenfläche des
sich verengenden Abschnitts strömt, und
da die relativ feinen, in der Nähe
des parallelen Abschnitts strömenden
Teilchen dem an der Außenfläche des
sich verengenden Abschnitts strömenden Gas
folgen, wird der Konzentrationsgradient in Radialrichtung der Brennstoffdüse weiter
gesteigert (Kohlenstaub mit relativ feinen Teilchen wird dem Ofen aus
einem zentralen Abschnitt im Auslass der Brennstoffdüse zugeführt, während Kohlenstaub
mit relativ großen
Teilchen von einer Außenseite
des Auslasses des Brennstoffbrenners zugeführt wird).
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In dem Fall, in dem sich der Scheitelwinkel des
expandierenden Abschnitts des Aufpralldiffusors in einem Bereich
von 15° bis
40° befindet,
wird zusätzlich
zum Betrieb der oben erwähnten
Kohlenstaubbrenner die Teilchenklassierung durch den Aufpralldiffusor äußerst wirksam
ausgeführt.
Wenn der Scheitelwinkel des expandierenden Abschnitts 15° oder weniger
beträgt,
ist die Änderung
der Strömungsrichtung
an dem expandierenden Abschnitt gering, so dass die Geschwindigkeitskomponente
in Durchmesserrichtung der Brennstoffdüse klein wird und die Klassierung
der Teilchen sehr schwach ist. Wenn andererseits der Scheitelwinkel
des expandierenden Abschnitts 40° oder
größer wird,
verschleißt die
Oberfläche
des expandierenden Abschnitts sehr wahrscheinlich durch das Aufprallen
der Teilchen, und der Druckverlust in der Brennstoffdüse nimmt
zu.
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In dem Fall, in dem der Scheitelwinkel
des sich verengenden Abschnitts des Aufpralidiffusors in einem Bereich
von 5° bis
20° liegt,
wird zusätzlich zum
Betrieb eines der oben erwähnten
Kohlenstaubbrenner mit dem oben erwähnten sich verengenden Abschnitt
der Strom an der Außenfläche des
sich verengenden Abschnitts nicht getrennt, und die Klassierung
von Teilchen wird beibehalten. Wenn der Scheitelwinkel des sich
verengenden Abschnitts 5° oder weniger
wird, wird der Aufpralldiffusor zu groß für die Aufnahme in die Brennstoffdüse. Wenn
der Scheitelwinkel des sich verengenden Abschnitts 20° oder mehr
wird, wird der Strom an der Außenfläche des sich
verengenden Abschnitts getrennt, so dass die Klassierung von Teilchen
extrem abnimmt.
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In dem Fall, in dem bei dem Strömungswegteiler
der parallele zylindrische Teil sich von dem sich verengenden Teil
aus erstreckt und parallel zur zentralen Achse ist, können zusätzlich zu
dem Betrieb eines der oben erwähnten
Kohlenstaubbrenner die Zuführgeschwindigkeitsrichtungen
an der Außenseite und
der Innenseite des parallelen zylindrischen Teils die gleichen sein,
da beide Brennstoffströme
an der Innen- und Außenseite
des parallelen zylindrischen Teils längs des parallelen Strömungsteils
strömen,
so dass auch nach dem Ausdüsen
in den Ofen eine Vermischung des Brennstoffstrahlstroms in Radialrichtung
unterdrückt
werden kann. Da ein größerer Teil Brennstoff
mit Teilchen mit kleinem Durchmesser der NOx-reduzierenden Zone
zugeführt
werden kann, kann dadurch die NOx-reduzierende Reaktion begünstigt und
die Konzentration von NOx abgesenkt werden, das aus dem Koh lenstaubbrenner
emittiert wird. Da ein zum Ofen vorstehender Bereich des parallelen
zylindrischen Teils ein Teil ist, der der Dicke der Platte entspricht
und sehr klein gemacht werden kann, wird die Abstrahlung vom Ofen
gering und der Verbrennungsschaden an dem Kohlenstaubbrenner zum
Zeitpunkt der Ölverbrennung
und der Stillstandszeit kann verhindert werden. Da die Luftmenge,
die zum Kühlen
erforderlich ist, klein gehalten werden kann, wird die Überschussluftmenge
verringert, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Ofens erhöht werden
kann.
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In dem Fall, in dem der Winkel zwischen
der Außenfläche des
sich verengenden Teils und der zentralen Achse des Brennstoffbrenners
10° oder mehr
beträgt,
wird der Strom des Gemisches von der Außenfläche des sich verengenden zylindrischen Teils
getrennt und kann eine Strömungsverteilung
auf der Stromabseite nicht glätten.
Wenn der Winkel zwischen der Außenfläche des
sich verengenden Teils und der zentralen Achse des Brennstoffbrenners
weniger als 2° beträgt, ist
der sich verengende zylindrische Teil langgestreckt, so dass er
nicht in der Brennstoffdüse
aufgenommen werden kann, und die Glättungsfunktion für die Strömungsverteilung
auf der Stromabseite wird extrem klein. Deshalb soll der Winkel
in einem Bereich von 2° bis
10° liegen.
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Der Brenner mit dem verengten Einlauf
für ein
solches Einschnüren
des Gemischstroms, dass er zu einer Annäherung von der einen Seitenwand zur
anderen Seitenwand gebracht wird, mit dem Aufpralldiffusor, der
die Strömung
von einer Seitenwand zur anderen Seitenwand allmählich annähert und das Gemisch zum Aufprallen
für die
Diffusion bringt, und mit dem Strömungswegteiler, der den Strömungsweg teilt,
hat die gleiche Arbeitsweise wie der vorher erwähnte Kohlenstaubbrenner, der
mit Luftdüsen
versehen ist, die die Verbrennungsluft auf beiden Seiten der Brennstoffdüse zuführen, und
kann eine stabile Flamme in der Nähe des Kohlenstaubbrenners
bilden, so dass die thermische Zersetzung des Kohlenstaubs begünstigt und
die Konzentration von NOx reduziert wird.
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Bei dem Brenner, der mit der Ablenkplatte und
den Aufprallplatten an dem Endteil der Brennstoffdüse versehen
ist, lenkt zusätzlich
zu der Arbeitsweise jedes der vorstehend erwähnten Kohlensstaubbrenner die
Ablenkplatte den Verbrennungsluftstrom von dem Endabschnitt des
Brenners nach außen.
Außerdem
verursachen die Aufprallplatten Wirbel oder Vortices am Endteil
der Verbrennungsdüse und
vergrößern eine
Rückstromzone
der Mischung, die auf der Stromabseite des Brennstoffdüsenendes ausgebildet
wird, während
sich eine Zündposition
für den
Kohlenstaub dem Kohlenstaubbrenner annähert und den Verbrennungswirkungsgrad
des Kohlenstaubs erhöht.
Zusätzlich
wird die Temperatur an einer Stelle nahe dem Kohlenstaubbrenner
hoch und der Sauerstoffverbrauch nimmt zu, so dass die reduzierende
Flammenzone groß und
das Auftreten von NOx unterdrückt
wird.
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Im Folgenden werden im Einzelnen
Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Kohlenstaubbrenners einer ersten Ausführungsform
nach der Erfindung,
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2 ist
eine Ansicht in Richtung des Pfeils I,
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3 ist
eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform ähnlich 1, wobei Teile weggelassen sind,
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4 ist
eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform ähnlich 1,
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5 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie II-II von 4,
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6 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie III-III von 4,
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7 ist
eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform ähnlich 1,
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8 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie IV-IV von 7,
und
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9 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie V-V von 7.
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Der Kohlenstaubbrenner 1 der
ersten Ausführungsform
ist für
einen Kessel geeignet, der Kohlenstaub verbrennt und Dampf erzeugt.
Der Brenner hat eine Brennstoffdüse 2,
die an einer Stelle einer zentralen Achse vorgesehen ist, um ein
Gemisch 62 aus Kohlenstaub und Primärluft zuzuführen. Außerhalb der Brennstoffdüse 2 und
koaxial zu ihr sind außerdem eine Sekundärluftdüse 27 und eine dritte Luftdüse 33 zum
Zuführen
von Sekundärluft 63 und dritter
Luft 64 als Verbrennungsluft im Zustand eines Verwirbelungsstroms
vorgesehen. Die beiden Luftdüsen 27 und 33 bilden
Strömungswege
zum Zuführen der
Verbrennungsluft von einem Windkasten 42 in einen Ofen 43.
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Die Brennstoffdüse 2 hat hier einen
rohrförmigen
Strömungsweg,
dessen Außenwand
ein Primäreinlauf 23 ist,
sowie eine Ölspritze 22 zum
Zuführen
eines stabilisierenden Brenn stoffs, die auf der zentralen Achse 3 der
Brennstoffdüse 2 angeordnet ist,
um Wasserrohre 41 vorzuerhitzen, die an der Innenwand des
Ofens 43 angeordnet sind. Die Brennstoffdüse 2 hat
ferner eine Venturi-Düse 4,
die einen verengten Einlauf bildet, der den Strom des Gemisches 62 von
einer Stromauseite zu der Seite der zentralen Achse 3 der
Brennstoffdüse 2 verengt,
eine Spindel 9, die ein Aufpralldiffusor ist, der koaxial
zur zentralen Achse der Brennstoffdüse auf der Stromabseite der
Venturi-Düse 4 angeordnet
ist, sich allmählich
von der Stromauseite aus zu einer Stromabseite hin erweitert und
die Mischung 62 darauf aufprallen lässt und diffundiert, sowie
einen Verteiler 14, der ein Strömungswegteiler ist, der den
Strömungsweg
koaxial unterteilt, koaxial zur zentralen Achse der Brennstoffdüse auf der
Stromabseite der Spindel 9 vorgesehen ist und einen Konus 15 hat,
der ein sich verengender zylindrischer Teil ist, der sich allmählich von der
Stromauseite zur Stromabseite hin verengt.
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Die Brennstoffdüse 2 hat weiterhin
einen Stabilisator 19 an ihrem Ende. Der Stabilisator 19 hat eine
Ablenkplatte 20, die einen Strom von Sekundärluft 63 an
der Sekundärluftdüse ablenkt,
und Aufprallplatten 21, um die Mischung 62 darauf
aufprallen zu lassen. Wie in 2 gezeigt
ist, ist eine Vielzahl von Auftreffplatten 21 in der Umfangsrichtung
angebracht.
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Die Venturi-Düse 4 dient zur Erhöhung der Konzentration
des Kohlenstaubs, der von einer Kohlenstaubzuführvorrichtung, die in 1 nicht gezeigt ist, transportiert
wird, und zum Zuführen
des Kohlenstaubs, wobei ihre Fläche
des minimalen Strömungswegquerschnitts 30 bis
70% der Strömungswegquerschnittsfläche der
Brennstoffdüse 2 ist,
wodurch ein Abdriften von Teilchen durch einen gebogenen Rohrabschnitt
usw. an der Stromauseite der Brennstoffdüse 2 unterdrückt werden
kann.
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Die Spindel hat einen Konus 10,
der ein expandierender Abschnitt ist, eine Säule 11, der ein paralleler
Abschnitt ist, der sich von dem Konus 10 koaxial und parallel
zur zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse 2 aus erstreckt,
und einen Konus 12, der ein sich verengender Abschnitt
ist, sich von der Säule 11 aus
erstreckt, koaxial zur zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse vorgesehen
ist und sich allmählich von
der Stromauseite zur Stromabseite hin verengt. Der Scheitelwinkel
des Konus 10 beträgt
15 bis 40°, während der
Scheitelwinkel des Konus 12 des sich verengenden Abschnitts
5 bis 20° beträgt.
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Der Verteiler 14 hat einen
Zylinder 18, der ein paralleler zylindrischer Teil ist,
der sich von dem Konus 15 erstreckt und koaxial sowie parallel
zur zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse ist. Der Winkel zwischen
der Außenfläche des
Konus 15 und der zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse beträgt 2 bis 10°.
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Die Sekundärluftdüse 27 ist ein ringförmiger Strömungsweg,
dessen Innenwand der primäre
Einlauf 23 ist und dessen Außenwand ein sekundärer Einlauf 28 ist.
Der ringförmige
Strömungsweg
ist mit Sekundärluft-Verwirbelungsschaufeln 31 und
einer Drossel 36 auf dem Strömungsweg vom Ofen 43 zur Stromaufseite
versehen. Die Sekundärluft-Verwirbelungsschaufeln 31 führen Sekundärluft 63 zu,
während
sie diese verwirbeln. Die Sekundärluft-Verwirbelungsschaufeln 31 sind
eine verwirbelnde Strömung erzeugende
Einrichtung in Axialstrombauweise und haben eine Vielzahl von Schaufeln,
die in dem Strömungsweg
in Umfangsrichtung angeordnet sind, sowie eine Trägerstange,
die die Schaufeln integriert. Die Stärke des Verwirbelungsstroms,
der durch die Sekundärluft-Verwirbelungsschaufeln 31 hindurchgeht,
wird dadurch eingestellt, dass der Winkel der Schaufeln durch eine
nicht gezeigte Antriebsvorrichtung eingestellt wird.
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Die Drossel 36, die den
Durchsatz der Sekundärluft 63 einstellt
und eine zylindrische Form hat, ist an der Stelle angeordnet, die
eine Öffnung überdeckt,
die mit dem Sekundäreinlauf 28 und
dem Windkasten 42 in Verbindung steht, und wird in eine Richtung
parallel zur zentralen Achse des Brenners durch eine in 1 gezeigte Einstelleinrichtung
bewegt, um die Fläche
der oben erwähnten Öffnungen zu
verändern.
Durch diesen Vorgang wird das Aufteilungsverhältnis der Sekundärluft 63 zur
dritten Luft 64 eingestellt.
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Die dritte Luftdüse 33 ist ein ringförmiger Strömungsweg,
dessen Innenwand ein dritter Einlauf 34 und dessen Außenwand
ein Brennereinlauf 38 ist. Die dritte Luft 64 aus
dem Windkasten 42 wird verwirbelt und in den Ofen 43 durch
dritte Luftverwirbelungsschaufeln 35 zugeführt.
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Der sekundäre Einlauf 28 und
der dritte Einlauf 34 sind in Radialrichtung voneinander
getrennt, wobei der trennende Teil einen Teil 29 mit einem
derart vergrößerten Durchmesser
hat, dass eine ofenseitige Stirnfläche des sekundären Einlaufs 28 sich axial
erstreckt, während
sie in Radialrichtung vergrößert ist,
und eine Trennwand 30 hat, die eine senkrechte ringförmige Wandfläche ist,
die dem Ofen 43 zugewandt ist.
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Der Kohlenstaubbrenner 1 der
ersten Ausführungsform
hat den oben erwähnten
Aufbau, d. h. der Brenner 1, bei welchem die Brennstoffdüse das Venturi-Rohr 4,
die Spindel 9 mit dem Konus 10 und den Verteiler 14 aufweist,
der den Konus 15 hat und den Strömungsweg koaxial unterteilt,
arbeitet wie folgt. Der Kohlenstaub, der in die Nähe der Wand
der Brennstoffdüse 2 fließt, trifft
auf die Wandfläche
der Venturi-Düse 4 auf
der Stromseite auf, wodurch seine Konzentration erhöht wird.
Die stromab von der Venturi-Düse 4 angeordnete Spindel 9 lässt den
in der Konzentration erhöhten
Kohlenstaub auf die Außenfläche des
Konus 10 aufprallen, wodurch die Strömungsrichtung zur Innenwandfläche der
Brennstoffdüse 2 gerichtet
wird. Dadurch kann in dem parallelen Abschnitt der Spindel 9 Kohlenstaub
mit hoher Konzentration in die Nähe
der Innenwand der Brennstoffdüse 2 strömen.
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Bei dem Brenner, in welchem die Spindel 9 die
Säule 11,
die sich von dem Konus 10 aus erstreckt und parallel zur
zentralen Achse 3 ist, und den Konus 12 aufweist,
der sich allmählich
auf der zentralen Achse 2 verengt, wird die Strömungsrichtung
des Gemisches 62 in eine Richtung längs der zentralen Achse der
Brennstoffdüse 2 durch
die Säule 11 geändert, so
dass relativ feine Teilchen in die Nähe der Außenfläche der Säule 11 strömen und
die Konzentration dort abgesenkt wird. Der Konus 12 wirkt
auf das Gemisch 62 so ein, dass es längs der Außenfläche des Konus 12 strömt und relativ
feine Teilchen, die in der Nähe
der Säule 11 strömen, dem
Gas folgen, das auf die Außenfläche des
Konus 12 strömt, so
dass der Konzentrationsgradient in der Radialrichtung der Brennstoffdüse 2 weiter
gesteigert wird.
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In dem Brenner, in dem der Scheitelwinkel des
Konus 10 der Spindel 9 15° bis 40° beträgt, wird eine Teilchenklassierung
durch die Spindel 9 wirksam ausgeführt. Wenn der Scheitelwinkel
des Konus 9 15° oder
weniger beträgt,
ist die Änderung
der Strömungsrichtung
am Konus 10 klein, und wird die Geschwindigkeitskomponente
der Radialrichtung der Brennstoffdüse 2 klein, und die
Teilchenklassierung an der Säule 11 wird äußerst gering.
Wenn andererseits der Scheitelwinkel des Konus 10 40° oder mehr beträgt, verschleißt die Außenfläche des
Konus 10 leicht durch das Aufprallen der Teilchen, und
der Druckverlust der Brennstoffdüse 2 nimmt
zu.
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Wenn der Scheitelwinkel des Konus 12 der Spindel
5° oder
weniger beträgt,
wird die Spindel größer, so
dass sie nicht mehr in der Brennstoffdüse 2 aufgenommen werden
kann. Wenn der Scheitelwinkel des Konus 12 20° oder mehr
wird, wird, da die Strömung
an der Außenfläche des
Konus 12 abgetrennt wird, die Teilchenklassierung sehr
stark abgesenkt. Der Scheitelwinkel des Konus 12 an der Stromabseite
soll ferner kleiner sein als der Scheitelwinkel des Konus 10 an
der Stromauseite. Die Kohlenstaubteilchen, deren Strömungsrichtung
durch die Spindel 9 verändert
wird und die eine hohe Konzentration haben, behalten vorübergehend
ihre Strömungsrichtung
durch ihre Trägheit
bei, wodurch Kohlenstaubteilchen mit relativ großem Durchmesser an einem Öffnungsrandteil
der Brennstoffdüse 2 gesammelt
werden. Der Öffnungsrandabschnitt
ist ein außenseitiger
Abschnitt im Auslass der Brennstoffdüse, der Stabilisatorplatten 19 aufweist.
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Der Strömungsweg der Brennstoffdüse 2 ist koaxial
durch das Vorsehen des Verteilers 14 auf der Stromabseite
der Spindel 9 unterteilt, die Ströme des Kohlenstaubs in dem äußeren Strömungsweg
und in dem inneren Strömungsweg
werden gleichgerichtet. Das bedeutet, dass durch Anordnung des Verteilers 14 Trägerluft
in der Außenseite
und der Innenseite zueinander gleich werden und ein Geschwindigkeitsgradient
in der Radialrichtung verringert ist.
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Da die Konzentration des Kohlenstaubs
in der Außenseite
des Verteilers 14, aufgeteilt durch den Verteiler 14,
hoch wird, kann die Flamme auch bei niedergashaltiger Kohle und
auch zum Zeitpunkt eines Niederlastbetriebs stabil gehalten werden,
bei dem eine geringe Kohlenstaubkonzentration zum Einsatz kommt,
während
Kohlenstaub insbesondere in der reduzierenden Flammenzone sich thermisch zersetzen
kann, die Stabilität
der Flamme bei Niederlast gesteigert ist und das Auftreten von NOx
unterdrückt
wird.
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Der Brenner, bei dem der Verteiler 14 den Zylinder 17,
der sich von dem Konus 15 aus erstreckt und parallel zur
zentralen Achse ist, kann Brennstoff innerhalb und außerhalb
des Zylinders 17 jeweils in der gleichen Richtung eindüsen, so
dass auch nach dem Einführen
in den Ofen das Vermischen der Brennstoffstrahlströme in Radialrichtung
unterdrückt werden
kann. Dadurch kann ein größerer Betrag
an Brennstoff mit kleinem Durchmesser in die NOx-reduzierende Zone
zugeführt
werden, die NOx-Reduktion kann gefördert werden und die Konzentration von
aus dem Kohlenstaubbrenner abgeführten
NOx ist verringert.
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Ein Projektionsbereich des Zylinders 17 in Richtung
des Ofens ist nur ein Bereich, der der Dicke einer Platte entspricht,
und kann sehr klein sein, so dass die Strahlung aus dem Ofen klein
ist und Verbrennungsschäden
an dem Kohlenstaubbrenner zum Zeitpunkt der Ölverbrennung und bei einer
Stillstandszeit verhindert werden können. Da die zum Kühlen erforderliche
Luftmenge eingehalten werden kann, ist es möglich, die Überschussluft zu verringern und
den thermischen Wirkungsgrad des Ofens zu erhöhen.
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Wenn ein Winkel zwischen der Außenfläche des
Konus 15 und der zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse 10° überschreitet,
wird der Strom des Gemisches 62 von der Außenfläche des
Konus 15 abgetrennt und es ist nicht möglich, eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
auf der Stromabseite auszugleichen. Wenn der Winkel zwischen der
Außenfläche des
Konus 15 und der zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse weniger
als 2° beträgt, wird
die Länge des
Konus 15 groß,
so dass er nicht mehr in der Brennstoffdüse aufgenommen werden kann
und die Geschwindigkeitsverteilung auf der Stromabseite nicht mehr
ausgeglichen werden kann. Deshalb soll der Winkel zwischen der Außenfläche des
Konus 15 und der zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse in einem
Bereich von 2 bis 10° liegen.
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Bei dem Brenner, bei dem der Stabilisator 19 eine
Ablenkplatte 20 hat und Aufprallplatten 21 am Endteil
der Brennstoffdüse 2 vorgesehen
sind, lenkt die Ablenkplatte 20 den Strom der Sekundärluft vom Ende 7 der
Brennstoffdüse
nach außen
ab. Die Aufprallplatten 21 erzeugen Wirbel und Vortices
in der Nähe
des Endes 7 der Brennstoffdüse. Wie in 2 gezeigt ist, wird, da die Ablenkplatte 20 zum
Ablenken des Stroms der Sekundärluft
von dem Ende 7 der Brennstoffdüse nach außen und die Aufprallplatten 21,
die ein Hindernis für
die Strömung
bilden, an dem Endteil der Brennstoffdüse 2 vorgesehen sind,
eine Rückströmungszone
auf einer Stromabseite zwischen der Brennstoffdüse 2 und der Sekundärdüse 27 gebildet,
der gerade stromab vom Stabilisator 19 groß wird.
Deshalb nähert
sich eine Zündposition
des Kohlenstaubs dem Öffnungsteil
des Kohlenstaubbrenners 1 an, und der Verbrennungswirkungsgrad des
Kohlenstaubs steigt. Da die Temperatur an einer Stelle nahe dem
Kohlenstaubbrenner 1 hoch wird und der Sauerstoffverbrauch
zunimmt, wird die Reduktionsflammenzone groß, und das Auftreten von NOx
wird unterdrückt.
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Dadurch, dass bei der vorliegenden
Erfindung der im Durchmesser erweiterte Abschnitt 29 vorgesehen
ist, der den Strömungsweg
der Sekundärluftdüse 27 vom
Endabschnitt der Brennstoffdüse 2 aus
aufweitet, wird die axiale Strömungsgeschwindigkeit
der Sekundärluft 63 verringert,
und es kann eine Verwirbelungsgeschwindigkeit aufrechterhalten werden.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Größe der stromab
von dem Stabilisator 19 der Brennstoffdüse 2 ausgebildeten
Rückstromzone
entsprechend der Verwirbelungsintensität der Sekundärluft 63 bestimmt.
Auch unter der Bedingung, dass der Durchsatz von Verbrennungsluft
klein ist, wird deshalb das Ausmaß der Rückstromzone, die gerade stromab von
dem Stabilisator 19 gebildet wird, gleich dem unter der
Bedingung, dass der Durchsatz an Verbrennungsluft groß ist, indem
der Durchsatz der in der Verbrennungsluft eingebrachten Sekundärluft 63 oder
die Verwirbelungsgeschwindigkeitskomponente durch Ändern des
Winkels der Sekundärluft-Verwirbelungsschaufeln 31 geändert wird.
Dadurch kann auch unter der Bedingung eines geringen Durchsatzes
an Verbrennungsluft der Kohlenstaub durch den Stabilisator 19 gezündet werden.
Dieses Verfahren ist dahingehend ausgezeichnet, dass eine stabile Flamme
mit niedrigem Druckverlust verglichen mit einem Verfahren erhalten
werden kann, bei dem die Verwirbelungsintensität der dritten Luft 64 aktiviert wird,
deren Durchsatz größer ist
als der der Sekundärluft 64.
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Der Kohlenstaubbrenner 1 der
vorliegenden Ausgestaltung hat die folgenden hervorragenden Vorteile
aufgrund des Verteilers 14 mit dem Konus 15, verglichen
mit einem Führungszylinder,
wie er beispielsweise in der JP A 3-110308 beschrieben ist.
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Da sich nur ein stromaufseitiges
Ende des Verteilers 14 nahe an der Innenwandfläche der Brennstoffdüse 2 befindet
und der andere Teil von der Innenwandfläche der Brennstoffdüse 2 getrennt ist,
kann, als erster Punkt, der Druckverlust des Strömungswegs auf der Innenseite
des Verteilers 14 klein gehalten werden. In dem Fall, in
welchem die Stromaufseite des Verteilers 14 den gleichen
Radius hat, wird der Durchsatz von Trägerluft mit Kohlenstoff hoher
Konzentration, der in dem äußeren Rohrkanal des
Verteilers 14 strömt,
groß,
und das Verhältnis
von Kohlenstaub, der auf der Hochkonzentrationsseite verteilt ist,
nimmt zu. Deshalb ist es möglich,
den Bereich des Kohlenstaubs mit hoher Konzentration an dem Öffnungsrandabschnitt
der Brennstoffdüse 2 zu erweitern.
Da die Dicke eines Brennstoffstrahlstroms mit hoher Konzentration
in der Radialrichtung zunimmt, ist es möglich, den Brennstoffstrahlstrom
mit hoher Konzentration auch innerhalb des Ofens aufrechtzuerhalten,
wodurch in der Flamme wirksamerweise eine reduzierende Atmosphäre erzeugt
und Kohlen mit niedriger NOx-Emission verbrannt werden kann.
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Andererseits kann unter der Bedingung
des gleichen Druckverlustes das stromaufseitige Ende des Verteilers 14 der
Wandfläche
der Brennstoffdüse 2 angenähert werden.
Da die Konzentration des Kohlenstaubs desto höher ist, je näher er an
die Wandfläche
der Brennstoffdüse 2 kommt,
wird die Konzentration des Kohlenstaubs an der Außenseite,
der durch den Verteiler 14 verteilt ist, hoch, so dass
die Flamme auch zum Zeitpunkt eines Niederlastbetriebs, bei dem
Brennstoff mit niedriger Konzentration zum Einsatz kommt, und zum
Zeitpunkt des Verbrennens von niedergashaltiger Kohle stabil gehalten
werden kann.
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Da das stromabseitige Ende des Verteilers 14 parallel
zur zentralen Achse der Brennstoffdüse 2 ist und die Ausdüsgeschwindigkeit
auf der Außenseite
und der Innenseite des Verteilers auch nach dem Ausdüsen in den
Ofen in der Richtung gleich sein kann, kann, als zweiter Punkt,
die Vermischung der Brennstoffstrahlströme in der Radialrichtung unterdrückt werden.
Da ein größerer Anteil
des Brennstoffs mit Teilchen mit kleinerem Durchmesser der NOx-reduzierenden
Zone zugeführt
werden kann, wird dadurch die NOx-reduzierende Reaktion begünstigt,
und die Konzentration von NOx, das von dem Brenner emittiert wird,
nimmt ab.
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Als dritter Punkt ist der vorstehende
Bereich des Verteilers 14 in die Richtung des Ofens in
der Nähe
der Stirnfläche
des stromabseitigen Endes nur ein Bereich, der der Dicke der Platte
entspricht, und kann sehr klein gehalten werden. Wenn der oben erwähnte vorstehende
Bereich klein ist, wird die Strahlung aus dem Ofen klein. Wenn Öl von dem
Kohlenstaubbrenner verbrannt wird und auch wenn kein Kohlenstaub
zugeführt
wird, erleidet der Kohlenstaubbrenner kaum Schäden, da die von dem Brenner
aufgenommene Strahlung gering ist. Da die zum Kühlen erforderliche Luftmenge
klein gehalten werden kann, ist es außerdem möglich, Überschussluft zu verringern
und den thermischen Wirkungsgrad des Kessels zu steigern.
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Bei dem Kohlenstaubbrenner 1 der
in 1 gezeigten zweiten
Ausgestaltung sind die modifizierten Teile verglichen mit dem Brenner
von 1 gezeigt, die anderen
Teile sind weggelassen. Bei dem Kohlenstaubbrenner 1 der
zweiten Ausgestaltung besteht der Verteiler 14, der den
Strömungswegteiler bildet,
aus einem Konus 15, der ein sich verengender zylindrischer
Teil ist, so dass die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
an der Stromabseite der Spindel 9 ausgeglichen ist. Der
Winkel des Konus 15 soll in einem Bereich von 2° bis 10° liegen.
Wie oben erwähnt,
wird in dem Winkelbereich eine Trennung eines Gemischstroms von
der Außenseitenfläche des
Konus 15 unterdrückt.
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Der Kohlenstaubbrenner in der zweiten
Ausführungsform
hat zum Ziel, die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
auf der Stromabseite des Konus 15 auszugleichen. Um dieses
Ziel zu erreichen, ist es erforderlich, Luft längs der inneren Umfangsfläche und
der äußeren Umfangsfläche des
Konus 15 strömen
zu lassen. Deshalb ist es insbesondere von Bedeutung, dass Luftströme längs der äußeren Umfangsfläche und
ein Trennen der Luft an der äußeren Umfangsfläche des
Konus 15 unterdrückt
werden. Wenn der Luftstrom einmal abgetrennt ist, können die
Teilchen nicht in den abgetrennten Strom diffundieren, und die Teilchen
werden zum Ende der Brennstoffdüse,
wie sie sind, transportiert. Die Bedingungen der Abtrennung der
Luft an der äußeren Umfangsfläche wurden
im Einzelnen gemessen. Im Ergebnis zeigt sich deutlich, dass der
Konuswinkel im Bereich von 2° bis
10° liegen
soll. Wenn der Winkel 2° oder
weniger beträgt,
wird der Luftstrom auf die innere Umfangsfläche des Konus 15 klein,
und die Geschwindigkeitsverteilung hat eine höhere Geschwindigkeit an der äußeren Umfangsfläche der
Düse. Wenn
der Winkel 10° oder
mehr beträgt,
wird der Luftstrom an der äußeren Umfangsfläche des
Konus 15 auf der Stromabseite abgetrennt. Die Aufbauten und
Funktionen der übrigen
Teile sind die gleichen wie bei dem Brenner von 1, so dass ihre Erläuterungen weggelassen werden.
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Die Brennstoffdüse 2 des Kohlenstaubbrenners
der vorliegenden Ausgestaltung kann, wie oben erwähnt, die
Konzentration des Brennstoffs am Öffnungsrandabschnitt der Düse auf etwa
die doppelte Konzentration unter den Transportbedingungen ansteigen
las sen. Außerdem
kann die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
innerhalb von +–5%
einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit
egalisiert werden. Dadurch kann der Kohlenstaub leicht gezündet werden,
so dass eine Denitrierungsreaktion in der Flamme begünstigt und
die Konzentration von NOx verringert werden kann. Wenn bituminöse Kohle
mit einem Brennstoffverhältnis
von 2,3 verbrannt und unter der Bedingung von unverbrannter Substanz
mit 5% in der Asche am Ofenauslass verglichen wird, wird die Konzentration
von NOx um 20% verglichen mit der herkömmlichen reduziert. Da die
Brennstoffkonzentration an dem Öffnungsrandabschnitt
der Brennstoffdüse 2 hoch
wird, kann die Flamme auch unter der Bedingung einer mageren Brennstoffkonzentration
stabil gehalten werden. Dadurch wird bei Verbrennung von Kohle allein
eine stabile Flamme nur bis zu einer Brennerlast von 40% aufrechterhalten,
in dieser Ausführungsform
kann jedoch die stabile Flamme bis zu einer Brennerlast von 20%
aufrechterhalten und der Brennstoff stabilisiert werden, so dass Öl verringert
werden kann.
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Der Kohlenstaubbrenner 1 nach
der Erfindung soll ein Brenner sein, der eine Brennstoffdüse 1,
eine zweite Luftdüse 27 und
eine dritte Luftdüse 33 aufweist,
es kann jedoch das Vorsehen einer zusätzlichen Luftdüse genügen, anstatt
gesondert die zweite Luftdüse 27 und
die dritte Luftdüse 33 vorzusehen.
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Eine Stabilisierungsfunktion dieses
Brenners basiert auf der Tatsache, dass ein negativer Druckanteil
gebildet wird, der im Atmosphärendruck
in der Nähe
des Auslassendes der Brennstoffdüse
niedriger ist als in seiner Umgebung, so dass Umwälzströme aus Kohlenstaub
und Luft hier auftreten und die Entzündbarkeit gut wird. Um dieses
Phänomen
weiter zu begünstigen,
wird Kohlenstaub, dessen Konzentration höher ist als am Auslass des
Zerkleinerers, in dem Teil mit negativem Druck des Düsenauslassabschnitts
zugeführt.
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Um unabhängig die Konzentrationsverteilung
und die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung am
Auslass der Brennstoffdüse 2 ändern zu
können, dient
bei dem Kohlenstaubbrenner 1 der vorliegenden Erfindung
ein stromaufseitiger Teil des Strömungswegteilers 14 als
Konus 15, der der sich verengende Zylinder ist, dessen
Durchmesse sich so ändert,
dass er zur Stromabseite hin kleiner wird. Wenn der Strömungswegteiler
so vorgesehen ist, dass sein Abschnitt mit kleinem Durchmesser sich auf
der Stromauseite befindet, ist es schwierig, die Konzentrationsverteilung
und die Strömungsgeschwindigkeitskonzentration
am Auslass der Brennstoffdüse 2 unabhängig zu ändern. Außerdem kann Strahlung
aus dem Ofen aufgenommen werden, so dass sich Probleme, wie thermische
Verformung und Verbrennungsschaden ergeben.
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Der Kohlenstaubbrenner 1 der
ersten oder zweiten Ausgestaltung hat einen kreisförmigen Querschnitt.
Die vorliegende Erfindung kann bei einem rechteckigen Brenner zur
Anwendung gelangen, bei dem der Strömungsweg einen rechteckigen
Querschnitt hat. Der Kohlenstaubbrenner 1 der dritten Ausgestaltung
von 4 bis 6 hat Luftdüsen 55 zum Zuführen von
Verbrennungsluft auf beiden Seiten der Brennstoffdüse zum Zuführen des
Gemisches 62 aus Kohlenstaub und Luft.
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Ferner ist die Brennstoffdüse 2 mit
einem verengten Einlauf 45, der den Strom des Gemisches 62 zur
zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse hin abschnürt, mit
einem Aufpralldiffusor, der einen Erweiterungsabschnitt 47 vorgesehen
auf der zentralen Achse 3 des Brennstoffbrenners auf der
Stromabseite des eingeschnürten
Einlaufs 45 mit allmählicher Expandierung
der Stromauseite zur Stromabseite hin, so dass das Gemisch 62 zum
Aufprallen auf ihm gebracht wird, um zu diffundieren, aufweist,
und mit einem Strömungswegteiler 50 versehen,
der koaxial zu der zentralen Achse 3 der Brennstoffdüse auf der Stromabseite
des Aufpralldiffusors 46 ist und den Strömungsweg
koaxial teilt, wobei der Strömungswegteiler
einen sich verengenden zylindrischen Teil 51, der sich
allmählich
von der Stromaufseite zur Stromabseite verjüngt, sowie einen parallelen
Zylinderabschnitt 52 hat, der sich von dem sich verengenden
zylindrischen Abschnitt 51 aus erstreckt.
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Die Brennstoffdüse 2 und die Luftdüsen 55 haben
jeweils eine rechteckige Form, und die Luftdüsen 55 sind auf der
Oberseite und Unterseite der Brennstoffdüse 2 angrenzend daran
vorgesehen. Da der Strömungsweg
bei diesem Brenner rechteckig ist, sind auch der eingeschnürte Einlauf 45,
der Aufpralldiffusor 46, der Strömungswegteiler 55 usw.,
die innerhalb der Brennstoffdüse 2 angeordnet
sind, im Querschnitt ebenfalls rechteckig. Wenn die Querschnittsformen
mit der Form des Strömungswegsquerschnitt übereinstimmen,
erhält
man die höchste Leistung,
jedoch ergibt sich tatsächlich
auch die gleiche Leistung, wenn die Brennstoffdüse im Querschnitt rechteckig
ist und die Querschnittsformen des eingeschnürten Einlaufs 45,
des Aufpraildiffusors 46, des Strömungswegverteilers 50 usw.
kreisförmig sind.
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Bei dem Kohlenstaubbrenner 1 der
dritten Ausführungsform
ist der Brennstoffbrenner 2 mit dem eingeschnürten Einlauf 45,
dem Aufpralldiffusor 46 und dem Strömungswegteiler 50 versehen,
so dass der Kohlenstaubbrenner, der mit den Luftdüsen auf beiden
Seiten der Brennstoffdüse
versehen ist, ähnlich
wie die vorher erläuterten
Kohlenstaubbrenner arbeitet.
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Der Kohlenstaubbrenner 1 der
vierten Ausgestaltung von 7 bis 9 hat Luftdüsen 55,
die Verbrennungsluft auf beiden Seiten der Brennstoffdüse 2 zuführen, die
das Gemisch 62 aus Kohlenstaub und Luft ausdüst. Die
Brennstoffdüse 2 ist
mit einem verengten Einlauf
58, der den Strom des Gemisches 62 von
einer einen Seitenwandfläche
zur anderen Seitenwandfläche
einschnürt,
mit einem Aufpralldiffusor 59, der das Gemisch an der äußeren Wandfläche zu der
einen Wandfläche
von der Stromauseite zu der Stromabseite auf der Stromabseite des
eingeschnürten
Einlaufs 58 allmählich
annähert
und das Gemisch 62 zum Aufprallen für die Diffusion bringt, sowie
mit einem Strömungswegteiler 60 versehen,
der den Strömungsweg
auf der Stromabseite des Aufpraildiffusors 59 aufteilt.
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Bei dem Kohlenstaubbrenner der vierten Ausgestaltung
erstrecken sich der eingeschnürte Einlauf 58 der
Brennstoffdüse 2,
der Aufpralldiffusor 59 und der Strömungswegteiler 60 gleichförmig zu dem
inneren Teil hin.
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Der Brenner, bei dem die Brennstoffdüse 2 den
verengten Einlauf 58, der den Strom des Gemisches 62 von
einer Seitenwandfläche
zur anderen Seitenwandfläche
einschnürt,
einen Aufpralldiffusor 59, der das Gemisch von der einen
Wandfläche 57 zu der
anderen Wandfläche 56 annähert und
das Gemisch 62 für
das Diffundieren zum Aufprallen bringt, und den Strömungswegteiler 60 aufweist,
der den Strömungsweg
unterteilt, arbeitet genauso wie der Kohlenstaubbrenner der vorherigen
dritten Ausgestaltung (3),
bildet eine stabile Flamme in der Nähe des Kohlenstaubbrenners,
begünstigt
die thermische Zersetzung des Kohlenstaubs und verringert die Konzentration
an NOx.