DE3518232A1

DE3518232A1 - Brenner mit zuendvorrichtung

Info

Publication number: DE3518232A1
Application number: DE19853518232
Authority: DE
Inventors: Simon de Den Haag Haan
Original assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1984-05-23
Filing date: 1985-05-21
Publication date: 1985-12-19
Also published as: JPS60256724A; AU569452B2; IN165133B; GB2159267A; GB2159267B; AU4269285A; US4595353A; ZA853825B; CA1240256A; NZ212145A; GB8413160D0

Description

SHELL INTERNATIONALE RESEARCH MAATSCHAPPIJ B.V. Carel van Bylandtlaan 30, 2596 HR Den Haag, Niederlande

"Brenner mit Zündvorrichtung"

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit Zündvorrichtung, wobei der Brenner insbesondere für Anfahr- oder Anlaufvorgänge geeignet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere einen solchen Brenner mit einer eingebauten Zündvorrichtung in Form eines Anbaubrenners oder Hilfsbrenners, der mit gasförmigem Brennstoff und mit Luft gespeist und elektrisch gezündet wird.

Zum Verbrennen schwerer, schwierig zündbarer Brennstoffe wie beispielsweise pulverförmiger Kohle oder Kohlenstaub, ist es übliche Praxis, unter Verwendung eines Brennstoffes eine kleine Anfahrflamme bzw. Pilotflamme zu erzeugen, die weniger wahrscheinlich ausgeblasen wird und die dazu verwendet wird, den Hauptbrennstoffstrom zu zünden. Es ist erforderlich, Mittel vorzusehen, um die Anfahrflamme zu zünden und während des Zündens des Hauptbrennstoffstromes aufrecht zu erhalten. Wenn der Verbrennungsvorgang in einem geschlossenen umgrenzten und unter Druck stehenden Raum ausgeführt werden muß, beispielsweise in einem Verfahren zur Kohlevergasung, wird die Zündung allgemein in zwei Stufen oder Schritten ausgeführt. Zuerst wird eine Zündflamme erzeugt, die dazu verwendet wird,

einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff zu zünden, wodurch eine zweite relativ große Flamme erzeugt wird, die ihrerseits dazu verwendet wird, den Hauptbrennstoffstrom zu zünden bzw. zu entflammen. Die oben genannte Arbeitsweise zum Zünden eines Brennstoffstromes in einer unter Druck stehenden Verbrennungskammer wird üblicherweise durchgeführt mittels einer Zündvorrichtung oder Entflammungsvorrichtung und einem getrennten Anfahr- oder Pilotbrenner, der mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff arbeitet. Der Anfahrbrenner wird nicht nur dazu verwendet, den Hauptbrennstoffstrom zu zünden, sondern auch dazu, die Verbrennungskammer unter Druck zu setzen, bevor der Hauptbrennstoff eingeführt wird. Vor dem Einführen des Hauptbrennstoff stromes müssen die Zündvorrichtung, die gewöhnlich durch einen elektrischen Gasbrenner gebildet ist, und der Anfahrbrenner sorgfältig angeordnet werden, und zwar mit Bezug aufeinander und mit Bezug auf die Richtung des Hauptbrennstoffstromes. Es ist zu verstehen, daß dies ein verhältnismäßig umständlicher Arbeitsvorgang ist, insbesondere dann, wenn die Zündvorrichtung und der Anfahrbrenner in öffnungen durch die feuerfest ausgekleidete Wand einer Verbrennungskammer hindurch eingebaut werden müssen.

Ein weiteres Problem mit getrennten Zündvorrichtungen und Anfahrbrennern besteht darin, daß die Zündvorrichtungen leicht beschädigt werden können als Folge der Handhabung und/oder dem Aussetzen gegenüber Strahlung in der Verbrennungkammer. Gewöhnlich arbeiten die Zündvorrichtungen mit elektrischen Zündfunken, die von einer Zündkerze im stromaufwärtigen Ende der Vorrichtung ausgesendet- werden können. Eine solche Anordnung einer Zündkerze ist vom Standpunkt des Schutzes gegen mechanische Beschädigung der Zündkerze günstig. Es ist jedoch weniger empfehlenswert, die Zündkerze an der Eintrittsseite der Zündvorrichtung anzuordnen im Hinblick auf die Wärmebelastung der Vorrichtung, die sich bei dieser Anordnung der Zündkerze ergibt. Die gesamte Vorrichtung ist der hohen Temperatur der Flamme unterworfen, die von den Zündfunken erzeugt

wurde, welche von der Zündkerze ausgesendet wurden.

Um die oben genannten Probleme zu überwinden, die hervorgerufen sind durch die Anwendung von Zündvorrichtungen und getrennten Anfahrbrennern, wurde bereits vorgeschlagen, eine solche Zündvorrichtung in den Anfahrbrenner einzuverleiben derart, daß die Zündvorrichtung gegen Wärmeschocks und mechanische Stöße durch den Anfahrbrenner geschützt ist. Die bekannten Anfahrbrenner mit eigenen Zündvorrichtungen sind jedoch sehr kompliziert und unhandlich, umso mehr, als solche Brenner weiterhin mit geeigneten Flammendetektormittel versehen sein sollten. Ein Beispiel einer Kombination eines
Brenners, der mit einer Zündvorrichtung versehen ist, ist
in der deutschen Patentbeschreibung 29 33 060 offenbart.
Bei dieser bekannten Ausführung ist die Zündvorrichtung in einem Anfahrbrenner im wesentlichen mittig angeordnet. Obwohl diese Vorrichtung bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel von verhältnismäßig einfacher Ausführung ist, ist zu bemerken, daß die dargestellte Vorrichtung nicht mit einer Flammendetektoreinrichtung versehen ist, wie sie zum Steuern des Arbeitens des Brenners wesentlich ist. Es sollte verstanden werden, daß die in der Zündvorrichtung erzeugte Zündflamme leicht ausgelöscht werden kann, wenn der Brenner in einer Hochdruck-Verbrennungskammer verwendet wird. Das Anfahren des Brenners muß dann unterbrochen werden, um zu verhindern, daß sich in der Verbrennungskammer ein explosives Gemisch ansammelt. Das Anfahren und das Arbeiten der Zündvorrichtung und des Anfahrbrenners müssen daher kontinuierlich überwacht werden.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Brenner mit Zündvorrichtung zu schaffen, der von einfacher Ausführung ist und der mit Mitteln versehen ist, die stabiles und genaues Arbeiten ermöglichen.

Ein Brenner mit Zündvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, ein rohrförmiges Element mit einem offenen nach innen gerichteten Ende, welches eine Flammenöffnung bestimmt, wobei das rohrförmige Element in dem Gehäuse im wesentlichen konzentrisch angeordnet ist. Der Brenner umfaßt weiterhin eine im wesentlichen ringförmige Vorderwand, die sich zwischen dem zylindrischen Gehäuse und dem rohrartigen Element erstreckt, eine Leitungseinrichtung, die in dem Raum zwischen dem Gehäuse und dem rohrartigen Element angeordnet ist, um Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes Gas getrennt zu einer Auslaßeinrichtung für Brennstoff bzw. für Sauerstoff enthaltendes Gas zu führen, die in der ringförmigen Vorderwand angeordnet ist. Der Brenner umfaßt weiterhin eine in dem rohrartigen Element nahe dem offenen nach innen gerichteten Ende angeordnete Einrichtung zum Erzeugen von Zündfunken, und die die" Zündfunken erzeugende Einrichtung weist eine langgestreckte Elektrode auf, die einen nicht isolierten äußeren Endteil hat und in dem rohrartigen Element im wesentlichen konzentrisch angeordnet ist, wodurch ein Ringraum gebildet ist, ferner eine Einrichtung zum Zuführen eines Gemisches aus brennbarem Gas in den Ringraum, wobei der Ringraum mit einer Leiteinrichtung stromauf des äußeren Endes der Elektrode und nahe diesem äußeren Ende versehen ist, die mit einer ersten Durchgangseinrichtung zum Abgeben eines brennbaren Gemisches mit niedriger Geschwindigkeit in Richtung gegen den äußeren Endteil der Elektrode, und mit einer zweiten Durchgangseinrichtung versehen ist, um brennbares Gemisch hoher Geschwindigkeit in Richtung gegen den äußeren Endteil der Elektrode abzugeben, wobei der Brenner weiterhin mit einer Einrichtung zum Feststellen einer Flamme versehen ist.

Während des Arbeitens eines Brenners gemäß der Erfindung werden Zündfunken nahe dem offenen Vorderende des Brenners erzeugt, und diese Funken bewirken eine Zündung des Gemisches aus brennbarem Gas, welches durch den Ringraum zwischen der rohrartigen Wand und der langgestreckten Elektrode hindurch-

geht. Eine Pilotflamme ist auf diese Weise in dem äußeren Teil des Brenners erzeugt, der dadurch in geringerem Ausmaß wärmebelastet wird im Vergleich zu bekannten Zündbrennern, in denen das Gasgemisch bereits im stromaufwärtigen Teil des Brenners gezündet wird. Der vorgeschlagene Brenner schafft weiterhin kontinuierliche Zündung des in eine Verbrennungskammer eingeführten Brennstoffes, wie es nachstehend im einzelnen erläutert wird.

Als Folge des Schaffens eines Durchganges für ein brennbares Gemisch niedriger Geschwindigkeit in dem Ringraum zwischen dem rohrartigen Element und der Elektrode wird eine kleine und stabile Anfahr- oder Pilotflamme in dem rohrartigen Element nach dem Aussenden des Zündfunkens über die Elektrode gebildet. Diese stabile Pilotflamme hält ihrerseits Zündung oder Entflammung des brennbaren Gemisches "hoher Geschwindigkeit aufrecht, welches durch den ringförmigen Raum strömt. Aufgrund der kleinen Pilotflamme, die mit einem brennbaren Gemisch niedriger Geschwindigkeit erzeugt wird, ist der Zündbrenner gemäß der Erfindung gegenüber Druckschwankungen in der Verbrennungskammer weniger empfindlich und er bleibt stabil. Die von dem hohlen Teil des rohrartigen Elementes ausgesendete Flamme zündet oder entflammt ihrerseits das Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff enthaltendem Gas, welches über die Auslaßeinrichtung im ringförmigen Vorderteil abgegeben ist. Die sich ergebende Flamme kann nunmehr dazu verwendet werden, einen Hauptbrenner zu zünden, der beispielsweise mit Kohlenstaub arbeitet.

Die Elektrode wird nicht nur dazu verwendet, das brennbare Gemisch zu zünden, welches durch den Ringraum strömt, der von dem rohrartigen Element umschlossen ist, sondern sie kann auch dazu verwendet werden, über Ionisierung die in diesem Ringraum erzeugte Flamme festzustellen. Wenn eine Flamme gebildet ist, wird die Elektrode elektrisch aufgeladen.

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Gemäß der Erfindung ist der Brenner mit einer weiteren Flammenfeststelleinrichtung versehen, die so angeordnet ist, daß die letztlich erzeugte Flamme außerhalb des Brenners festgestellt werden kann. Dies ermöglicht eine getrennt Steuerung der Flamme in dem rohrartigen Element und der Flamme, die außerhalb des Brenners gebildet ist. Die Hauptflammendetektoreinrichtung oder Hauptflammenfeststelleinrichtung basiert vorzugsweise auf dem Feststellen von Infrarotstrahlung, die über eine Einrichtung mit optischen Fasern übertragen wird. Solche optischen Fasereinrichtungen benötigen nur wenig Raum und sie können bequem in die kompakte Konstruktion eingebaut werden, die ein Brenner gewöhnlich aufweist.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in den getrennten Auslaßeinrichtungen für Sauerstoff enthaltendes Gas und für Brennstoff, so daß während des Arbeitens des Brenners Sauerstoff enthaltendes Gas und Brennstoff getrennt in den Verbrennungsraum außerhalb des Brenners eingeführt werden. Durch dieses Prinzip des Einspritzens von Brennstoff/ Sauerstoff ist ein Zurückschlagen der Flamme durch die Einrichtung zum Zuführen von Sauerstoff und Brennstoff verhindert. Wenn der Brenner in einer Hochdruckumgebung verwendet wird, werden das Sauerstoff enthaltende Gas und der Brennstoff vorzugsweise in die Verbrennungskammer geführt mit Schallgeschwindigkeit, um das Arbeiten des Brenners von dem in der Verbrennungskammer vorherrschenden Druck unabhängig zu machen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Figur 1 ist eine axiale Querschnittsansicht eines Brenners gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist eine Vorderansicht des Brenners gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Einzelheit III der Ausführung gemäß Figur 1 in größerem Maßstab.

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Der dargestellte Brenner, der allgemein mit 1 bezeichnet ist, umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 2 mit einem geschlossenen nach außen gerichteten Endteil 3 und einem nach innen gerichteten Ende mit einer ringförmigen Vorderwand 4, die in eine Verbrennungskammer 5 hineinragt. Die ringförmige Vorderwand 4 erstreckt sich zwischen dem Gehäuse 2 und einem rohrartigen oder rohrförmigen Element 6, welches zu dem Gehäuse 2 im wesentlichen gleichachsig angeordnet ist. Das rohrförmige Element 6 hat ein offenes nach innen gerichtetes Ende 7, welches eine Flammenöffnung bestimmt. In dem rohrförmigen Element 6 ist eine langgestreckte Elektrode 8 angeordnet, deren Vorderende 9 gegenüber dem Innenende 7 des Elementes 6 zurückversetzt ist. Die langgestreckte Elektrode 8, die im wesentlichen konzentrisch zu dem rohrförmigen Element 6 angeordnet ist, ist an ihrem Hinterende 10 mit einem Funkenerzeuger 11 elektrisch verbunden. Abgesehen von ihrem vorderen Endteil ist die Elektrode 8 mit einer ringförmigen Schicht oder Lage 12 aus Isoliermaterial bedeckt, beispielsweise aus Keramikmaterial. In dem rohrförmigen Element 6 ist eine optische Faser 13 (dargestellt in Figur 3) angeordnet , die durch einen Kanal in dem äußeren Endteil des Gehäuses 2 hindurchgeht. Die optische Faser 13 kann mit einem nicht dargestellten Empfänger und Wandler verbunden sein, um die Intensität des Lichtes zu messen, welches von der Flamme ausgesendet wird, die während des Arbeitens des Brenners erzeugt wird.

Für die Zufuhr brennbaren Gemisches zu dem nicht isolierten Endteil der Elektrode 8 ist der Brenner 1 mit einer Einlaßleitung 14 für Brennstoff, und mit einer Einlaßleitung 15 für Luft versehen. Die Einlaßleitungen 14 und 15 sind mit Bezug aufeinander vorzugsweise derart angeordnet, daß in dem rohrförmigen Element 6 ein inniges Mischen von Brennstoff und Luft hervorgerufen ist. Nahe dem Vorderende 9 der Elektrode 8 wird das brennbare Gemisch über eine Leiteinrichtung 16 in zwei Teile aufgeteilt, die mit einem im wesentlichen ring-

förmigen Durchgang 17 für brennbares Gemisch hoher Geschindigkeit, und mit einem im wesentlichen ringförmigen Durchgang 18 mit einem verengten Zuführdurchgang 19 für brennbares Gemisch niedriger Geschwindigkeit versehen ist.

Das Brennergehäuse 2 ist weiterhin mit einer ringförmigen Leitung 20 für Sauerstoff und mit einer ringförmigen Leitung 21 für Brennstoff versehen, und diese Leitungen sind im wesentlichen konzentrisch rund um das rohrförmige Element 6 angeordnet. Das Außenende der Leitungen 20 und 21 ist mit einer Düsen 22 bzw. 23 versehen, und diese Düsen sind über die angrenzenden oder benachbarten Leitungen im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Sauerstoff enthaltendes Gas und Brennstoff können über eine Einlaßleitung 24 bzw. 25 den Leitungen 20 und 21 zugeführt werden. Die zwischen den verschiedenen Brennerelementen belassenen Zwischenräume können dazu verwendet werden, ein Kühlmittel durch das Brennergehäuse 2 umlaufen zu lassen.

Zum Zünden eines Hauptbrenners in einem Reaktor, in welchem beispielsweise pulverförmige Kohle oder Kohlenstaub als Verbrennungsmedium verwendet wird, wird der Brenner 1 gemäß vorstehender Beschreibung in den Reaktor durch ein beispielsweise automatisch betriebenes Schleusensystem hindurch eingesetzt. Nachdem der Brenner seine Betriebsstellung erreicht hat, wird er mechanisch gesichert. Wenn die Verbrennung der Kohle bei erhöhtem Druck durchgeführt werden soll, wird das innere des Reaktors zuerst auf den gewünschten Druck gebracht. Abgesehen von der Verwendung des Brenners zum Zünden des Kohlestromes wird der Anfahrbrenner dann auch dazu verwendet, den Reaktor unter Druck zu setzen, und zwar auf den erforderlichen Druck, bevor die Kohle in den Reaktor eingeführt wird. Der Anfahrbrenner wird in zwei Schritten gezündet. Zuerst wird eine kleine Flamme in dem rohrförmigen Element 6 des Brenners 1 dadurch erzeugt, daß der Funkenerzeuger 11 aktiviert wird, wodurch Zündfunken zwischen der Elektrode 8 und dem

rohrförmigen Element 6 gebildet werden, die eine Zündung des gasförmigen brennbaren Gemisches bewirken, das entlang der Elektrode 8 durch das rohrförmige Element 6 strömt. Die auf diese Weise erzeugte kleine Flamme ist gegenüber einem Auslöschen wenig empfindlich als Folge der Bildung einer kleinen Pilotflamme in dem rohrförmigen Element 6 durch Zünden eines Gemisches niedriger Geschwindigkeit, welches aus dem Durchgang 18 der Leiteinrichtung 16 austritt. Die Flamme von dem rohrförmigen Element 6 wird dann dazu verwendet, den über die Düsen 23 der Leitung 21 austretenden Brennstoff zu zünden, während Sauerstoff enthaltendes Gas über die Düsen 22 der Leitung 20 zugeführt wird. Die Flammenerzeugung in dem rohrförmigen Element 7 wird überwacht durch Kontrolle des Vorhandenseins elektrischer Ströme in der Elektrode 8, die nach der Bildung der Flamme in dem rohrförmigen Element 6 über Ionisierung erzeugt werden. Die in- dem Reaktor durch den Brenner 1 gebildete Flamme kann mittels eines Empfängers überwacht werden, der mit der optischen Faser 13 gekoppelt ist.

Nachdem der Reaktor auf.den erforderlichen Druck gebracht worden ist, und die Flamme des Anfahrbrenners vollständig entwickelt ist, werden Kohle/Sauerstoff-Strahlen in den Reaktor eingeführt, und zwar über den Hauptkohlebrenner und sie werden gezündet.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen möglich beispielsweise ist die Anwendung des vorgeschlagenen Brenners 1 nicht auf das Zünden anderer Brenner beschränkt. Der Brenner 1 selbst kann als Hauptbrenner mit seiner eigenen Zündvorrichtung betrieben werden.

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Claims

SHELL INTERNATIONALE RESEARCH MAATSCHAPPIJ B.V. Carel van Bylandtlaan 30, 2596 HR Den Haag Niederlande "Brenner mit Zündvorrichtung" Beanspruchte Priorität: 23. Mai 1984 - Großbritannien - 8413160 Patentansprüche

1.1 Brenner mit Zündvorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

ein zylindrisches Gehäuse (2) ,

ein rohrförmiges Element (6), welches ein offenes Innenende (7) hat, das eine Flammenöffnung bestimmt, und welches in dem Gehäuse im wesentlichen konzentrisch angeordnet ist,

eine im wesentlichen ringförmige Vorderwand (4), die sich zwischen dem zylindrischen Gehäuse und dem rohrförmigen Element erstreckt,

POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN 50175-809 · BANKKONTO: DEUTSCHE BANK A.Q. MÖNCHEN, LEOPOLDSTR. 71. KONTO-NR. 60/35 7M

eine Leitungseinrichtung (20,21) die in dem Raum zwischen dem Gehäuse und dem rohrförmigen Element angeordnet ist, um Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes Gas getrennt zu Auslaßeinrichtungen (22,23) für Brennstoff bzw. für Sauerstoff enthaltendes Gas zu liefern, die in der ringförmigen Vorderwand angeordnet sind,

eine in dem rohrförmigen Element nahe dessen offenen Innenende angeordnete Einrichtung (8,11) zum Erzeugen von Funken, die

eine langgestreckte Elektrode (8) aufweist, die einen nicht isolierten äußeren Endteil (9) besitzt und in dem rohrförmigen Element im wesentlichen konzentrisch angeordnet ist, so daß ein Ringraum gebildet ist,

eine Einrichtung zum Zuführen eines Gemisches brennbaren Gases in den Ringraum,_der stromauf und nahe dem Außenende der Elektrode mit einer Leiteinrichtung (16) versehen ist, die eine erste Durchgangseinrichtung (17) zum Abgeben eines brennbaren Gemisches niedriger Geschwindigkeit in Richtung gegen den äußeren Endteil der Elektrode, und eine zweite Durchgangseinrichtung (18,19) aufweist zum Abgeben eines brennbaren Gemisches hoher Geschwindigkeit in Richtung gegen den äußeren Endteil der Elektrode, und

eine Einrichtung (13) für Flammenfeststellung.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Flammenfeststellung durch eine optische Faser (13) gebildet ist, die mit einem Lichtempfänger verbindbar ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser im Inneren des rohrförmigen Elementes (6) angeordnet ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge-

INSPECTED

kennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (16) mit einem verengten Zuführdurchgang (19) und mit einem im wesentlichen ringförmigen Durchgang (18) zum Zuführen brennbaren Gemisches mit niedriger Geschwindigkeit versehen ist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (16) mit einem im wesentlichen ringförmigen Durchgang (17) zum Zuführen brennbaren Gemisches mit hoher Geschwindigkeit versehen ist.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Mehrzahl von Auslaßdüsen

(22) für Brennstoff versehen ist, die in der ringförmigen Vorderwand (4) angeordnet und rund um die Flammenöffnung im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Mehrzahl von Auslaßdüsen

(23) für Sauerstoff enthaltendes Gas versehen ist, die in der ringförmigen Vorderwand (4) angeordnet und rund um die Flammenöffnung im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind.