DE3628865A1 - Kohlenstaubbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kohlenstaubbrenner für die Dampf-Sauerstoff-Vergasung von Kohlenstaub, der im Dichtstrom eingetragen wird.

Ein in der DD-Patentanmeldung F 23 D/266 958 beschrie­ bener Kohlenstaubbrenner enthält ein Gehäuse mit Dampfzufuhrstutzen, ein Zentralrohr mit Kanälen zur Zufuhr eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases und mit einer am Ende angeordneten Brennkammer, einen zwischen dem Gehäuse und dem Zentralrohr ange­ ordneten Rohrschuß, Kohlenstaubkanäle, die wendel­ artig um das Zentralrohr herum angeordnet sind, und Kanäle zur Zufuhr eines Oxidationsmittels, die an ein Eintrags- und das Austragssammelrohr angeschlossen sind, wobei das letzte davon mit Ausströmdüsen ver­ sehen ist. Dieser Kohlenstaubbrenner ist jedoch nicht ausreichend betriebstüchtig und erzeugt ein Gas von geringer Qualität.

Die geringe Betriebstüchtigkeit ist dadurch bedingt, daß die Austrittsdüsen für das Oxidationsmittel am Austragssammelrohr befestigt und zwischen dem Gehäuse und dem Mantelschuß gelegen sind, während die Aus­ trittsöffnungen dieser Düsen in der Austrittsebene des Gehäuses liegen. Da der Raum zwischen dem Gehause und dem Mantelschuß ständig von Wasserdampf durchspült wird und in den Kanälen für die Oxidationsmittelzufuhr eine Dampfspülung vor dem Anfahren erfolgt, haben die Austrittsdüsen vor der Sauerstoffzufuhr infolge der hohen Dampftemperatur von herkömmlicherweise 300- 400°C eine hohe Temperatur. Bei der Zufuhr von Sauer­ stoff und der Zündung des Kohlenstaubes werden die Austrittsdüsen aufgrund der Abstrahlung der Flamme zusätzlich erwärmt. Dabei oxidiert das Metall der Ausströmdüsen im Oxidationsmittelstrom und verzündert, wenn als Oxidationsmittel technischer Sauerstoff ein­ gesetzt wird.

Die geringe Gasqualität ist auf die Ungleichförmig­ keit des Kohlenstaubzustroms zum Reaktionsraum aus der Wirbelkammer zurückzuführen. Die Kohlenstaub­ zufuhr im Dichtstrom zum Kohlenstaubbrenner durch mehrere Kanäle erfolgt aus einem Aufgabebunker. In der Wirbelkammer überlagern sich geringe Pulsationen des Kohlenstaubstromes in jedem Kanal und verstärken sich am Brenneraustritt zu einem stark pulsierenden Kohlenstaubstrom. Somit trifft auf eine konstant zu­ strömende Oxidationsmittelmenge in den einzelnen Zeitabschnitten eine unterschiedliche Kohlenstaub­ menge. Das wirkt sich negativ auf die Qualität des anfallenden Gases aus. Bei Reduzierung des Kohlen­ staubdurchsatzes nimmt im Generatorgas der Gehalt an Kohlenoxid und Wasserstoff ab, bei Erhöhung des Kohlenstaubdurchsatzes verschlechtert sich der Ver­ gasungsprozeß, dabei erfolgt eine zu geringe Erzeu­ gung von Kohlenoxid und Wasserstoff, und im Gas fällt eine erhebliche Menge an unvergastem Kohlen­ stoff an.

In Bezug auf das technische Wesen und den erzielbaren Effekt kommt dem erfindungsgemäßen Brenner ein Kohlen­ staubbrenner am nächsten, der in der DD-Anmeldung F 23 D/276 285 beschrieben ist. In einem Gehäuse mit einem Zuführstutzen für ein Gemisch aus Dampf und Oxidationsmittel sind unter Bildung von Ringräumen koaxial ein Rohrschuß und ein Zentralrohr angesetzt. Das Zentralrohr enthält Kanäle für die Zufuhr eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases, die an der Austrittsseite in eine Brennkammer zur Er­ zeugung einer Pilotflamme münden. Wendelartig um das Zentralrohr herum sind Rohrschlangen für die Zufüh­ rung von Kohlenstaub angeordnet, die in einer Wirbel­ kammer enden, welche durch eine quer zwischen dem Zentralrohr und dem Rohrschuß liegende Trennwand sowie durch die unteren Teile des Rohrschußes und des Zentralrohres begrenzt wird. Der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Rohrschuß wird durch einen Boden abgeschlossen, der wie das Gehäuse und der Rohrschuß mit einem durchgehenden wassergekühl­ ten Mantel versehen ist. Im Boden sind Austritts­ düsen für das Gemisch aus Dampf und Oxidationsmittel angeordnet, die durch den Hohlraum des wassergekühl­ ten Mantels nach außen geführt sind.

Auch dieser Brenner ist jedoch nicht ausreichend betriebstüchtig und erzeugt ein Gas von unzureichen­ der Qualität. Die geringe Betriebstüchtigkeit ergibt sich durch die Anordnung und eine ungenügende Kühlung der Ausströmdüsen für die Oxidationsmittelzufuhr, die im Boden befestigt sind und nach außen durch den Hohlraum des wassergekühlten Mantels geführt werden. Bei Querumströmung der Austrittsdüsen durch das Kühl­ wasser bildet sich auf der dem auflaufenden Strom gegenüberliegenden Düsenseite eine Wasserstauzone, wodurch die Kühlwirkung an dieser Stelle wesentlich herabgesetzt wird und sogar ein lokales Sieden der Flüssigkeit hervorgerufen werden kann, was zum Durchbrennen des Kühlmantels in der Umgebung einer Austrittsdüse führt. Die geringe Betriebstüchtigkeit dieses Kohlenstaubbrenners ist auch noch dadurch be­ dingt, daß der Mantel für die Wasserkühlung keinerlei Schutz vor der Flammeneinwirkung besitzt und das Metall unmittelbar den schädlichen Einwirkungen sehr hoher Wärmeströme ausgesetzt ist (300-800 · 10³ kcal/ m² · h).

Die geringe Gasqualität ergibt sich aus der ungleich­ förmigen Kohlenstaubzufuhr in den Reaktionsraum. Bei der Dichtstromförderung des Kohlenstaubes zur Wirbel­ kammer in einem Strom ist es nicht möglich, den Koh­ lenstaubstrom im Kammerausgangsteil gleichmäßig zu verteilen, da der Kohlenstaubbrenner in der Wirbel­ kammer keine volle Umdrehung vollführt. Dabei wird in der Nähe der Brennermündung im Reaktionsraum ein Bereich mit einer erhöhten Kohlenstaubkonzentration und ein Bereich mit reduzierter Kohlenstaubkonzentration er­ zeugt. Da das Oxidationsmittel in den Reaktionsraum gleichmäßig zugeführt wird, verschlechtert eine der­ artige Kohlenstaubverteilung die Qualität des an­ fallenden Gases erheblich.

Bei der Dichtstromförderung des Kohlenstaubes in die Wirbelkammer durch mehrere Kanäle erfolgt in der Kammer eine Überlagerung der Pulsationen der Staub­ ströme von jedem Kanal, wodurch der Kohlenstaub­ gesamtstrom stark pulsiert. Somit gelangt der Kohlen­ staub in den Reaktionsraum ungleichförmig, was sich negativ auf die Gasqualität auswirkt.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Erzielung eines zuverlässigen störungsfreien Vergasungsbetriebes und in der Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Gases.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch konstruk­ tive Gestaltung des Brenners eine hohe Betriebszuver­ lässigkeit auch bei besonderen Vergasungsbedingungen, wie hoher Druck und hohe Temperatur, im Druckreaktor zu erreichen. Erfindungsgemäß sind in dem Kohlenstaub­ brenner, bestehend aus einem Gehäuse mit einem Stutzen zur Zufuhr eines Dampf-Oxidationsmittel-Gemisches, einem Zentralrohr mit Kanälen für die Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidationsmittels und einer an seinem Ende angeordneten Brennkammer, in welche diese Kanäle münden, einem zwischen Gehäuse und Zentralrohr unter Bildung von Ringräumen angeordneten Rohrschuß, einer Kohlenstaubzuführungseinrichtung in dem Ring­ raum zwischen dem Zentralrohr und dem genannten Rohr­ schuß, einer Querwand zwischen dem Zentralrohr und dem Rohrschuß, die eine nach unten offene Wirbelkammer bildet, in die die Kohlenstaubzuführungseinrichtung mündet, einem Boden, der den Ringraum zwische Rohrschuß und dem Gehäuse abschließt, einem gemein­ samen wassergekühlten Mantel, mit dem das Gehäuse, der Boden und der Rohrschuß versehen ist, und einer Vielzahl von Austrittsdüsen für das Dampf-Oxidations­ mittel-Gemisch, die in dem genannten Boden angeordnet und durch den wassergekühlten Mantel nach außen ge­ führt sind, zwischen dem Boden und dem wassergekühl­ ten Mantel eine ringscheibenartige Zwischenwand mit Öffnungen, die mit den Austrittsdüsen korrespondieren, angeordnet, diese Zwischenwand an einem Rand mit dem Boden, an ihrem anderen Rand mit dem wassergekühlten Mantel befestigt, und in den Öffnungen koaxial zu der jeweils zugehörigen Austrittsdüse je eine Hülse so angebracht, daß ein ringförmiger Spalt zwischen Aus­ trittsdüse und Hülse verbleibt, wobei die einzelnen Hülsen in zu ihnen koaxiale, topfartige Ausbuchtungen in der Außenfläche des wassergekühlten Mantels unter Freilassung eines weiteren Spaltes hineinragen und die Außenseite des wassergekühlten Mantels mindestens im Bereich des Bodens mit einer feuerfesten Ausklei­ dung versehen ist. Weiter ist nach der Erfindung die Wirbelkammer zusätzlich mit einer schneckenförmigen Dralleinrichtung versehen, deren Eingang mit der Kohlenstaubzuführungseinrichtung verbunden ist, welche in Form eines Rohres, das nach der Wirbelkammer zu in einen Kanal mit rechteckigem Querschnitt übergeht, auf das Zentralrohr aufgewickelt ist. Dabei ist die Drallschnecke durch einen aneinandergrenzenden zylin­ drischen und konischen Teil, für die eine Archimedi­ sche Spirale als Führung dient, gebildet.

Die Dicke der Auskleidung des wassergekühlten Mantels ist gleich der Höhe der topfartigen Ausbuchtung.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennerausführung im Längsriß,

Fig. 2 den Brenner im Querschnitt A-A in Fig. 1,

Fig. 3 den Teil B des Brenners nach Fig. 1.

Der dargestellte Brenner enthält ein Gehäuse 1 mit einem Stutzen 2 für die Zufuhr eines Dampf-Oxidations­ mittel-Gemisches, ein Zentralrohr 3 mit koaxialen Kanälen 4 und 5 für die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsmittels, die am Ausgang mit der Brenn­ kammer 6 verbunden sind, und einen zwischen dem Ge­ häuse 1 und dem Zentralrohr 3 installierten Rohrschuß 7. An einem im Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Rohrschuß 7 als Austritt aus dem Brenner angeordneten Boden 8 sind Austrittsdüsen 9 für das Dampf-Oxidations­ mittel-Gemisch befestigt. Die schräg nach innen ge­ richteten Austrittsdüsen 9 durchragen Spalträume eines doppelwandigen Kühlmantels 10, in den Stutzen 11, 12 für die Wasserzufuhr und für die Wasserabführung münden. Der Kühlmantel 10 kühlt das Gehäuse 1, den Rohrschuß 7 und den Boden 8. Im unteren Teil des Ge­ häuses 1 ist zwischen dem Zentralrohr 3 und dem Rohr­ schuß 7 eine Querwand 13 mit einer darunter gebildeten Wirbelkammer 14 installiert.

Der Kohlenstaub wird über ein Rohr 15 zugeführt, das durch einen Übergang 16 mit einem das Zentralrohr 3 um­ schlingenden Kanal 16 mit rechteckigem Querschnitt verbunden ist. Zwischen dem Boden 8 und dem Kühl­ mantel 10 befindet sich eine an den Rändern an den Boden 8 und an den Mantel 10 angeschlossene ring­ scheibenartige Zwischenwand 18 mit Öffnungen. In den Öffnungen dieser Zwischenwand 18, welche je eine Aus­ trittsdüse 9 umgeben, sind Hülsen 19 koaxial angeord­ net, deren untere Enden in topfartige Ausbuchtungen 20 mit Spielraum gegenüber deren Böden hineinragen. Diese Ausbuchtungen 20 sind in der feuerfesten Auskleidung 21 angebracht, die am Boden des Kühlmantels 10 vorge­ sehen ist. Die Dicke der Auskleidung 21 entspricht der Höhe der topfartigen Ausbuchtungen 20.

Die Wirbelkammer 14 weist zusätzlich eine schnecken­ förmige DraIleinrichtung auf, die aus einem oberen zylindrischen Teil 22 und einem unteren konischen Teil 23 besteht. Als Führung der Flächen des zylindri­ schen und des konischen Teils dient eine Archimedische Spirale. Die Dralleinrichtung hat einen rechteckigen Eingang 24 an den der Kanal 17 für die Kohlenstaub­ zufuhr angeschlossen ist. Der Brenner wird folgender­ maßen betrieben.

Durch den Stutzen 11 wird Kühlwasser zugeführt, das das Gehäuse 1 umspült, indem es den Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Mantel 10 durchströmt. Vor der Zwischenwand 18 wird das Kühlwasser in zwei Ströme unterteilt. Ein Strom läuft durch die freien Öffnungen und bespült den Boden des Mantels 10. Der zweite Strom des Kühlwassers gelangt in den Ringspalt zwischen den Austrittsdüsen 9 und den Hülsen 19, trifft auf die Böden der topfartigen Ausbuchtungen 20 auf, wodurch er eine hohe Wärmeübertragung sichert, verläuft danach durch die Ringspalte zwischen den topfartigen Ausbuch­ tungen 20 und den Hülsen 19 und gelangt in den Spalt zwischen der Zwischenwand 18 und dem Boden des Mantels 10, wo sich beide Ströme vereinigen. Des weiteren ge­ langt der Kühlwasserstrom in den Spalt zwischen dem Rohrschuß 7 und dem Mantel 10 und tritt durch den Stutzen 12 aus. Über den Kanal 4 wird Brenngas, über den Kanal 5 Oxidationsmittel zugeführt. Diese beiden Medien werden in der Brennkammer 6 verbrannt. Die glühenden Verbrennungsprodukte gelangen aus der Brenn­ kammer 6 in den Reaktionsraum des Gaserzeugers. Über den Stutzen 2 erfolgt die Zufuhr von Wasserdampf, danach wird der Kohlenstaub im Dichtstrom zugeleitet, der durch das Rohr 15, den Übergang 16 vom runden Querschnitt zum rechteckigen Querschnitt und an­ schließend durch den Kanal 17 mit rechteckigem Quer­ schnitt 17 fließt. Von dort aus gelangt der Kohlen­ staubstrom durch die Querwand 13 in den Eingang 24 der schneckenförmigen Dralleinrichtung, mit Hilfe derer eine gleichmäßige Verteilung des Kohlestroms im Aus­ trittsquerschnitt der Wirbelkammer 14 erzielt wird. Anschließend gelangt der gleichmäßig verteilte Kohle­ strom in den Reaktionsraum des Gaserzeugers. Danach wird durch den Stutzen 2 das Oxidationsmittel im Gemisch mit Wasserdampf zugeleitet. Das Gemisch durch­ strömt mit großer Geschwindigkeit die Austrittsdüsen 9, reißt den Kohlenstaub mit und vermischt sich mit ihm und mit den heißen Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer 6. Dabei erfolgt die Zündung und Verbrennung des Kohlenstaubes in Gegenwart von Oxidationsmittel und Wasserdampf.

Der erfindungsgemäße Brenner weist folgende Vorzüge auf.

Durch die zwischen dem Boden und dem wassergekühlten Mantel installierte Zwischenwand mit den um die Aus­ strömdüsen herum angeordneten Öffnungen und mit den Hülsen, deren untere Enden mit Spiel in die topfartigen Ausbuchtungen hineinragen, wird eine gleichmäßige intensive Kühlung der Ausströmdüsen erzielt. Lokale Überhitzungen des Wassers werden so vermieden, wodurch eine große Betriebstüchtigkeit erreicht wird. Da der Mantelboden eine Auskleidung besitzt, deren Dicke gleich der Höhe der topfartigen Ausbuchtungen ist, nimmt der Wärmestrom, der den Boden des wassergekühlten Mantels durchströmt, erheblich ab, was zu einer Steige­ rung der Betriebstüchtigkeit des Brenners beiträgt. Da die Wirbelkammer die schneckenförmige Dralleinrichtung mit der rechteckigen Eintrittsöffnung, einem oberen zylindrischen Teil und einem unteren konischen Teil besitzt und die Kohlenstaubzufuhr über das Rohr, den Übergang und den auf das Zentralrohr gewickelten Kanal mit rechteckigem Querschnitt erfolgt, wird eine gleich­ mäßige Verteilung des Kohlenstaubes am Brenneraustritt ohne Pulsationen des Kohlestromes erzielt. Infolge­ dessen wird die Qualität des anfallenden Vergasungs­ gases bedeutend verbessert.

In der Tabelle sind die Betriebsergebnisse eines er­ findungsgemäß ausgebildeten Kohlenstaubbrenners und eines Prototyp-Brenners aufgeführt.

Beide Brenner wurden folgendermaßen betrieben:

Kohlenstaubverbrauch 22.500 kg/h, Verbrauch an tech­ nischem Sauerstoff 8.300 m³ i.N./h, Wasserdampfverbrauch 550 m³ i.N./h. Für die Einsatzversuche wurde Kohle mit folgender Zusammensetzung verwendet:

C-51,0%; H-4,0%; 0-24,0%; N-0,4%; W-10,0%; A-10%; S-0,6%.

Tabelle

Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, ist das mit dem erfindungsgemäßen Brenner erzeugte Vergasungsgas wesent­ lich besser als das mit dem bekannten Brenner erzeugte. Die Gesamtausbeute an Kohlenoxid und Wasserstoff be­ trägt bei dem neuen Brenner 68,1 Vol.-%, die Restkohlen­ stoffkonzentration liegt bei 7 g/m³ i.N., während die Gesamtausbeute an Kohlenoxid und Wasserstoff beim be­ kannten Brenner 63,5 Vol.-% beträgt und die Rest­ kohlenstoffkonzentration bei 57 g/m³ i.N. liegt.

Claims (5)

1. Kohlenstaubbrenner, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit einem Stutzen (2) zur Zufuhr eines Dampf-Oxida­ tionsmittel-Gemisches, einem Zentralrohr (3) mit Kanälen für die Zufuhr eines Brenngases (4) und eines Oxidationsmittels (5) und mit einer an seinem Ende angeordneten Brennkammer (6), in welche die genannten Kanäle münden, einem zwischen Gehäuse (1) und Zen­ tralrohr (3) unter Bildung von Ringräumen angeord­ neten Rohrschuß (7), einer Kohlenstaubzuführungs­ einrichtung in dem Ringraum zwischen dem Zentral­ rohr (3) und dem Rohrschuß (7), einer Querwand (13) zwischen dem Zentralrohr (3) und dem Rohrschuß (7), die eine nach unten offene Wirbelkammer (14) bildet, in die die Kohlenstaubzuführungseinrichtung mündet, einem Boden (8), der den Ringraum zwischen dem Rohr­ schuß (7) und dem Gehäuse (1) abschließt, einem ge­ meinsamen wassergekühlten Mantel (10), mit dem das Gehäuse (1), der Boden (8) und der Rohrschuß (7) gekühlt wird, und einer Vielzahl von Austrittsdüsen (9) für das Dampf-Oxidationsmittel-Gemisch, die im Boden (8) angeordnet und durch den wassergekühlten Mantel (10) nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden (8) und der unteren Stirnwand des Kühlmantels (10) eine Zwischenwand (18) angeord­ net ist, die zwei von Kühlwasser durchströmte schmale Kammern begrenzt, und in der die Austrittsdüsen um­ gebende Öffnungen vorgesehen sind, und daß der Wirbelkammer (14) zusätzlich eine schnecken­ förmige Dralleinrichtung zugeordnet ist, wobei das Kohlenstaubzuführrohr (15) in Richtung der Wirbel­ kammer (14) in einen Kanal (17) mit rechteckigem Querschnitt übergeht, welcher auf das Zentralrohr (3) aufgewickelt ist und in die Wirbelkammer tangential ausmündet.

2. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Öffnungen der Zwischenwand (18) koaxial zu der zugehörigen Austrittsdüse (9) je eine Hülse (19) angebracht ist, die einen Ringspalt zur Austritts­ düse (9) begrenzt und in je eine topfartige Ausbuch­ tung (20) in der Außenfläche des Kühlmantels (10) unter Freilassung eines weiteren Spaltes hineinragt.

3. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite des Kühlmantels (10) mindestens im Bereich der Stirnwand mit einer feuerfesten Aus­ kleidung (21) versehen ist.

4. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralleinrichtung durch einen zylindrischen Teil (22) und einen konischen Teil (23) gebildet wird, welche aneinandergrenzen und eine Archimedische Füh­ rungsspirale bilden.

5. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Auskleidung (21) eine Stärke auf­ weist, die gleich der Höhe der topfartigen Ausbuch­ tungen (20) des Kühlmantels (10) ist.