DE2733519A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von staubfoermigen brennstoffen - Google Patents

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

S MÜNCHEN 16, DEN

POSTFACH «60820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 2t/22

Pz/lb

William L. Fred rick

19938 Lassen

Chatsworth, California 91324 USA

Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von staubfomigen Brennstoffen

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von staubförmigen Brennstoffen durch überführung von festen brennbaren Staubteilchen in einen Strom aus Luft oder anderen Transportgasen zu einer extrem fein verteilten Form bei sehr hohen Temperaturen, so daß die daraus resultierende strömende Masse aus rauchenden heißen Gasen, wenn sie zusätzlich rät Verbrennungsluft vermischt wird, vollständig verbrannt werden kann.

Es sind schon Rundbrenner für staubförnige Brennstoffe oder dergleichen bekannt, bei denen über Leitschaufeln die Staubteilchen verwirbelt werden, um eine gute Durchmischung der strömenden Masse zu erhalten. Abgesehen davon, daß sich die Leitschaufeln leicht mit unbrennbaren Staubteilchen zusetzen und einem hohen Verschleiß unterliegen, setzen sie der Massenströmung durch die Aufprallwirkung auch einen erheblichen Widerstand entgegen. Des weiteren entzogen sie dem Brenner durch Wärmeableitung Energie, was ein Absinken der Temperatur iiu Brennraum zur Folge hatte. Die Verbrennung war daher bei den bekannten Rundbrennern durch ungenügende Durchmischung und zu niedrige Temperatur der zu verbrennenden rauchenden Gase und Teilchen oftinals nicht ausreichend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, das eine vollständige Verbrennung der brennbaren Staubteilchen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Staub-Luft-Gemisch mit geringem Druck in eine Kariner (16) eingeleitet v/ird, daß weiterhin ein Hochdrucktreibgas so eingeblasen wird, daß die Staubteilchen auf im wesentlichen kreisförmigen Bahnen um die Achse (1S) der Kammer (16) gewirbelt werden, und daß diese Bewegung überlagernd zwei schnelldrehende Wirbel (72,72') mit gegenläufiger Wirbeldrehrichtung in der Nähe des Maximaldurchmesserteils der Kammer (16) ausgebildet weroen, um die Größe der Staubteilchen zu verkleinern und ihre Temperatur zu erhöhen.

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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ihre Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden 'Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des erfincungsgemäßen Brennersystems;

Fig. 2 einen vergrößerten Axialschnitt durch den Brenner gemäß 2-2 in Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Endansicht gemäß 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 iia verkleinerten Maßstab eine Querschnittsansicht gemäß 4-4 von Fig. 2;

Fig. 5 einen Ausschnitt gemäß 5-5 von Fig. 2; und

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2, jedoch zeigt sie eine abgewandelte Form der Erfindung, die nach Art einer Vergasungseinheit benutzt wird, um einen Strom von leicht entzündlichen Gasen und mitgerissenen brennbaren Staubteilchen zu einer entfernt liegenden Stelle zu leiten.

Fig. 1,2,3,4 und 5 zeigen einen Erenner, der in den Zeichnungen im wesentlichen mit 10 bezeichnet ist und der in seinem Innern ein rohrförmiges Teil 12 aufv/eist, das sich auf einer Achse 19 durch ein Gehäuse 14 mit der gleichen Achse erstreckt, um so einen mittigen Durchlaß 18 durch das Gehäuse 14 zu bilden. Das Gehäuse 14 weist eine äußere Kammer 16 auf, die im wesentlichen einen torusförmigen Raum umschließt, der sich um den von dem Rohr 12 gebildeten mittigen Durchlaß 18 legt. Ein Auslaßrohr 120 ist auf das Lnde des Rohrs 12 aufgesteckt und erstreckt sich koaxial zu diesen. Rohr 12. Ein zusätzliches Rohr 20, das eine innere Kammer 62 umgrenzt, ist innerhalb des Rohrs 12 koaxial mit radialem Abstand befestigt. Das Auslaßrohr 120 kann in einigen Ausführungsformen der Er-

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findung vollständig weggelassen werden. Außerdem kann es jede beliebige Länge aufweisen, um jedem besonderen Anwendungsfall der durch den Brenner erzeugten Heizquelle zu genügen.

Kammer 16 weist eine kreisringförir.ige äußere Viand 23 auf, die sich um die Achse 19 erstreckt und von Dämmstoffen 69 umgeben ist. Die Wand 23 besteht aus zwei ringförmigen Teilwänden 15 und 17, die symmetrisch zu einer senkrecht zur Achse 19 verlaufenden mittigen Querschnittsebene (Schnitt 4-4 in Fig.2) liegen. Die Teilwände 15 und 17 der in radialer Richtung gesehen äußeren Viand 23 sind so geformt, daß sie in dem Maße an Umfang zunehmen, wie sie axial aufeinander zu laufen und in Richtung der Querschnittsebene 25 laufen, um bei 27 einen Maximaldurchr.esser oder ein spitzes Teil der Kammer 16 zu bilden. Die VJände der Teile 15 und 17 sind kegelstumpf förmig und haben den gleichen Neigungswinkel £ gegenüber der Ebene 25.

Der von den Teilv/änden 15 und 17 eingeschlossene Winkel b liegt etwa zv;ischen 50° und 130°. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform beträgt der U'inkel b etwa S0°.

Die Staubteilchen eines festen brennbaren Materials, wie z.B. Kohle, Holz, Lebendnasse oder in Grunde jeder andere brennbare Feststoff, der in geeigneter Weise in Staubteilchenform zerkleinert werden kann, rühren von einer geeigneten Brennstoffquelle her, die im Blockschaltbild in Fig.1 mit 22 bezeichnet ist. Diese Staubteilchen werden in Kammer 16 bei niedrigem Druck einem Hauptluftstrcn, der von einer geeigneten Quelle 24 herrührt, (oder anderen Gasen) beigemischt. Dieser Kauntluftstroir. hat z.B. einen Druck von 127 - 762 nun Wassersäule. Die in aen liauptluftstrom fein verteilten Teilchen werden tangential durch eine Anzahl von Röhren 16a,26b,26c und 26d in die Süßere Kammer 1t der Einheit 10 eingeleitet, die sich, wie in der Zeichnung dargestellt, in die Kammer 16 hinein durch die sich gegenüberliegenden Seitenwände 29 und 31 hindurch erstrecken.

Diese Röhren treten in Kammer 16 an einer Stelle ein, die in der Nähe der mittigen Röhre 12 und den radial gesehen inneren

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Enden der gegeneinander geneigten Teilwände 15 und 17 liegen.

Luft v/ird bei hohen Druck und hoher Geschwindigkeit über eine Anzahl von Röhren 30a,30b,30c und 3Od an der Unterseite des Brenners und durch zwei Röhrensätze 32a,32b,32c und 32d sowie 32a',32b¹,32c¹, 32d* auf der entgegengesetzten Seite des Brenners aus einer geeigneten Quelle 28 eingeblasen. Die Röhren 30a,30b,30c und 3Od erstrecken sich in die Kammer 16 hinein auf kreisförmig in Innenraum der Kammer 16 angeordneten Punkten (Fig.3), möglichst am Haximaldurchmesser bzw. dem Scheitelpunkt 27, wo sich die Teilwände 15 und 17 kreuzen. Die Röhren 32a,32b,32c und 32d führen in Kammer 16 durch die Seitenwand 31 auf gleichfalls kreisförmig im Raum angeordnete Punkte (Fig.3), und die Röhren 32a¹,32b¹,32c¹ und 32d' führen in Kammer 16 durch die gegenüberliegende Seitenwand 29 an die entsprechenden Punkte . Diese Röhren sind aus der Ansicht in Fig.3 gesehen hinter den Röhren 32a,32b,32c und 32d angeordnet. Die Auslaßer.den aller dieser Röhren 30a, 30b,30c und 3Od; 32a,32b,32c,32ά; 32a¹,32b¹,32c¹,32d' sind tangential in Kammer Ί 6 hinein gerichtet, in der gleichen Richtung v;ie die Erennstoffeinlaßröhren 26a,26t,26c,26d, um eine wirbelnde liischung aus Luft und mitgerissenen Staubteilchen zu erzeugen, die kreisförmig um die £chse 19, die mittige Röhre 12 und die innere Kammer 62 in planmäßiger Weise wandern.

Viie in Fig. 2 dargestellt, v/erden die zwei aus wirbelnden Gasen und Staubteilchen bestehenden Wirbel 72 und 72" auf gegenüberliegenden Seiten der Querschnittsebene 25 erzeugt, wobei die Gase und Staubteilchen eines Wirbels eine gegenüber dem anderen umgekehrte Wirbelrichtung besitzen. Die wirbelnden Staubteilchen der zwei V.'irbel 72,72' schlagen mit hoher Geschwindigkeit und Energie nahe der Ilaximaldurchmesserstelle in Kammer 16 aufeinander. Der Druck der Hochgeschwindigkeitsluft, die aus den Röhren 30a usw. ausgeströmt wird, betragt ca. 138-1380*10 - . Da die Hochgeschwindigkeitsluft die

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festen brennbaren Teilchen zvjinct, mit hoher Geschwindigkeit auf einem im wesentlichen kreisförmigen Weg, jedoch in Gestalt der beschriebenen Wirbel 72 und 72' innerhalb der Kam-

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iuer 16 getrieben zu v/erden, erhöht der daraus resultierende durchgreifende Kontakt zwischen den einzelnen Staubteilchen und besonders zwischen den Teilchen eines Wirbels und den mit ihm im Eingriff stehenden Teilchen des anderen Wirbels die Temperatur der Teilchen und pulverisiert sie durch den Zusammenprall und die Reibung, so daß sie eine kleinere Gestalt annehmen.

Um bei Inbetriebnahme des Brenners die Anfangserhöhung der Temperatur der Luft und der Staubteilchen in der Kammer 16 zu unterstützen, ist ein Zünder 36 vorgesehen, um eine Züncflamme, die mit zusätzlichem Brennstoff betrieben wird, innerhalb der Kammer 16 zu entfachen. Durch eine Röhre 52 wird z.B. flüssiger oder gasförmiger Brennstoff aus einer geeigneten Quelle 50 in Kammer 15 eingebracht, wobei er von Hand über ein Ventil 35 gesteuert und mit einen passenden Zünder 36, der in der Kammer nahe der Position der Flamme angeordnet ist, gezündet v/er der. kann.

Bei normalen Eetrieb des Erennersystems ist das gesamte Brennstoff-Luft-Verhältnis ir.it der Luft beider Quellen 24 und 28 so groß, daß in Kammer 16 ständig eine brennstoffreiche liischung bestehen bleibt. Die in Kammer 16 eingeblasene Luft enthält nicht genug Sauerstoff, um eine Flamme zu nähren, sie enthält aber genug Sauerstoff, urr. die thermische Zersetzung der festen brennbaren Materialien durch eine teilweise, jedoch nicht vollständige Oxydation der Brennstoffteilchen zu beschleunigen.

Lei einer genauen Dosierung des Hauptluftstrortvs wird nach iiöglichkeit eine Temperatur zwischen 538 - 788 C, insbesondere jedoch 760 - 788° C. in Kammer 16 aufrechterhalten. Bei 788° C und darunter gehen die festen nichtbrennbaren Staubteilchen noch nicht in einen verformbaren oder flüssigen Zustand über und können deshalb über ein Ablaßrohr 70, das aus der Kammer 16 am Ilaximaldurchmesser herausragt, ohne Schwierigkeiten entnommen v/erden. Das Ablaßrohr 70 ist mit einem Ventil 71 verbunden, das so ausgelegt ist, daß es beim öffnen die Staubteilchen aus dem Maximaldurchmesser-

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gebiet der Kammer 16 radial nach außen durch die Röhre 70 in ein geeignetes SammelgefäS herausbefördert.

Die Zersetzung durch Pyrolyse und körperlichen Zusammenprall der festen brennbaren Staubteilchen in Kammer 16 ruft eine wirbelnde hochbrennbare Masse aus heißen Rauchgasen hervor, die die Staubteilchen mit einer extreru großen unterbrochenen Oberflächenform enthält.

Aus einer Quelle 56 wird Nebenverbrennungsluft über ein Druckregulierventil 58 und eine Leitung 60 in ein Ende des Durchlasses 18 in die Röhre 12 eingeblasen. Diese Luft strömt axial durch einen Ringspaltdurchlaß 64, der von den Röhren 20 und gebildet wird, und durch in der Stirnwand 73 des Ringspaltdurchlasses 64 sowie in der Röhre 20 angeordnete öffnungen in den heißen Gas- und Teilchenstrom. Die Kammer 62 steht mit der äußeren Kammer 16 über eine Anzahl kreisförmig angeordnete, sich radial erstreckende kurze Röhren 68 in Verbindung, die durch die Röhren 12 bzw. 21 und 20 hindurchtreten und mit deren Wänden fest verbunden sind.

Die Nebenverbrennungs luft v/ird in den Durchlaß 18 mit etwa 127-762 mm Wassersäule Druck eingegeben, wobei der Druck der inneren Kammer 62 vorzugsweise etwa um 0-100 mm Wassersäule gehalten wird und der Druck in Kammer 16 etwa 127-635 mm Wassersäule beträgt. Dadurch strömen die heißen Gase, die die feinverteilten brennbaren Staubteilchen enthalten, aufgrund des Druckunterschieds zwischen diesen beiden Kammern von Kammer 16 in Kammer 62. Außerdem v/ird Nebenverbrennungs luft aus dem Ringspaltdurchlaß 64 durch die Öffnungen 66 aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Durchlaß 64 und der Kammer in den Endabschnitt von Kammer 62 gebrückt. Das Einführen von Nebenverbrennungsluft durch den Ringspaltdurchlaß 64 in Kammer 62 ruft eine Selbstentzündung der aus Kammer 62 an den öffnungen 66 vorbeiströmencen heißen Gase hervor, denn die Temperatur der Gase und mitgerissenen Teilchen ist schon etwas über der Entzündungstemperatur.

Vorteilhafterweise entwickelt sich in Kammer 62 während des Brennvoraangs zu keiner Zeit eine Flange.-Sonar die durch den

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Betrieb des Brenners bestehende riamme entwickelt sich nur in der Nähe der öffnungen 66,67, die an dem Ringspaltdurchlaß liegen. Die vollständige Verbrennung geschieht erst, wenn die Nebenverbrennungsluft nit den heißen Gasen und mitgerissenen Staubteilchen, die durch Kanuner 62 strömen, vermischt sind, so daß aus dem Auslaß des Brenners am linken Ende der Röhre eine vollkommen rauchlose Flamme ausgeströmt ist.

Das Luftregulierventil 58 kann so gesteuert v/erden, daß die Netenverbrennungsluft in einem solchen Maße einströmt, daß eine stöchiometrische Flarrme vorliegt und damit die vom Brenner ausgestoßenen Gase rauchlos sind.

Durch die Zentrifugalkraft wird jede Art von nichtbrennbaren Staubteilchen, die mit den. Brennstoff in Kammer 16 gebracht worden sind, an den Maxinaldurchmesserteil 27 der Kaiamer 16 in der Schv/ebe gehalten, wobei die Zentrifugalkraft durch die schnelle wirbelnde Bewegung, die wiederum aus der Geschwindigkeit der Luft der Quelle 2C resultiert, hervorgerufen wird. Auf diese Art werden alle nichtbrenntaren Staubteilchen in Kammer 16 nicht in die Kammer hinein gedrückt, sondern periodisch durch die Auslaßröhre bzw. die Öffnung 70 im Gehäuse entfernt.

In Fig.6 ist eine geänderte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der eine Einrichtung 110 ähnlich der Einheit 10 in Fig.2 nicht selbst als ein Brenner, sondern als eine Art Vergasungseinheit verwendet wird, um einen Strom heißen Gases zu erzeugen, der sehr fein verteilte brennbare Staubteilchen enthält, die aber eine Leitung 111 εη einer entfernt liegenden Stelle (bis zu 15 oder 30 f) einer.; Brenner 112 zugeführt werden. Die Einheit 110 ist nit Ausnaiuae eier einen Röhre 20, die bei dieser Aus führungs form nicht vorhanden ist, und äen rechten Ede der Röhre 12, die wie in Fig.6 dargestellt bei 113 geschlossen ist, genauso konstruiert wie cie Einheit 10 in den Figuren 1-5. Die Öffnungen 114, die den kurzen Röhren 68 in Fig.2 entsprechen, stellen eine Verbindung zwischen der äußeren Kammer 115 (entspricht

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Kammer 16 in Fig.2) und der inneren Kammer 116 her. Das linke Ende der Kammer 116 ist reit einer Leitung 111 verbunden, die zu einem Brenner oder einer anderen Gebrauchsvorrichtung 112 führt.

Die Eingabe von Brennstoff und Luft aus Quellen, wie den in Fig.1 mit 22,24 und 28 bezeichneten, können in Fig.6 die gleichen wie in der zuerst beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sein.

Das Ergebnis ist auch in dieser Ausführungsform eine wirbilnde Kasse von Hochtemperaturrauchgasen, die in Kammer 115 sehr fein verteilte brennbare Staubteilchen enthält. Diese Kochtemperaturmasse strömt aus der äußeren Kammer 115 radial nach innen in die innere Kammer 116, un über die Leitung 111 bei hoher Temperatur dem Brenner 112 zugeführt zu v/erden-. Erst dort findet durch den Kentakt ir.it Verbrennungsluft die eigentliche Verbrennung statt. Bis die Gase und mitgerissenen Staubteilchen die Brennerstelle erreichen, ist das Luft-Brennstoff-Verhältnis nicht hoch genug, um eine Verbrennung der Teilchen oder irgendeines Gases in der Mischung aufrechtzuhalten.

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Claims (12)

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   Patentansprüche

   (1. Verfahren zur Verbrennung von staubförmigen Brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Staub-Luft-Geuisch ir.it geringem Druck in eine Kammer (16) eingeleitet wird, daß weiterhin ein Hochdrucktreibgas so eingeblasen wird, daß die Staubteilchen auf im wesentlichen kreisförmigen Bahnen um die Achse (19) der Kammer (16) gewirbelt v/erden, und daß diese Bewegung überlagernd zwei schnelldrehende Uirbel (72,72·) mit gegenläufiger Wirbeldrehrichtung in der Nähe des Maximaldurchmesserteils der Kammer (16) ausgebildet werden, um die Größe der Staubteilchen zu verkleinern und ihre Temperatur zu erhöhen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Verbrennungsluft eingeleitet wird, um die Staubteilchen zu verbrennen.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

   1 oder 2, gekennzeichnet durch eine innere Kammer (62), die von einem Rohr (12) gebildet wird, und eine beide umgebende äußere Kammer (16), sowie Hauptdüsen (26a,26b,26c,26d) zum Einleiten des Staub-Luft-Gemisches und Nebendüsen (30a,30b, 30c,3Od) zum Einleiten des Kochdrucktreibgases in die äußere Kammer (16), sowie wenigstens einen mittig gelegenen Durchlaß im Rohr (12) und einen Auslaß (120) an der linken Stirnseite des Rohres (12) für die Hochtemperaturgase und Staubteilchen.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (16) eine im wesentlichen kreisringfönr.ige Außenwand (23) aufweist, die zwei symmetrische entgegengesetzt geneigte dachförmig in einen Maximaldurchmesserteil zusammenlaufende Teilwände (15,17) aufweist, die sich radial gesehen in dem Kaße nach außen vergrößern, wie sie axial aufeinander zulaufen.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebendüsen (30a,30b,30c,3Od) im wesentlichen in tangentialer Richtung in dem dachförmigen Maximaldurchmesserteil der Außenwand (23) der Kammer (16) angeordnet sind.

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6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwände (15,17) einen Dachv/inkel zwischen 90° und 130° aufweisen.
7. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ablaßrohr (70) im Maximaldur chir.esserteil am untersten Teil der Kammer (16) vorgesehen ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem oder jedem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch einen in der Kammer (16) angeordneten Zünder (36).
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an entgegengesetzten Seiten der Kammer (16) dicht bei dem Rohr (12) Nebendüsen (32a,32b,32c,32d) angeordnet sind.
10. 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verbrennungslufteinlaß.
11. 11. Vorrichtung nach einem oder jedem der Ansprüche 3 bis ^,dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungslufteinlaß an der Röhre (12) in Innern der Kammer (16) angeordnet ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine am linken Ende mit Öffnungen (66) versehene Röhre (20), die innerhalb der Röhre (12) einen Ringspaltüurchlaß (64) bildet und an ihrem rechten Ende sich axial erstreckende kurze Röhren (68) aufweist.

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