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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für mehrere Brennstoffe.
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Das
technische Sektor der Erfindung ist der Bereich der Herstellung
industrieller Brenner für Drehrohröfen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Brenner, der wenigstens
mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen versorgt wird: einem ersten,
sogenannten heizwertreichen Brennstoff, d.h. mit einem Hu von im
allgemeinen mindestens 8000 kcal/Nm3, in
fester (pulverförmiger),
flüssiger
oder gasförmiger
Form und einem zweiten, sogenannten heizwertarmen Brennstoff, d.h.
mit einem Ho unterhalb von 8000 kcal/Nm3,
dessen Hu insbesondere in einem Bereich von 0 bis 3000 kcal/Nm3 liegt.
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Der
zweite (heizwertarme) Brennstoff besteht zum Beispiel aus einem
Gas, das aus der Pyrolyse von Erzschlamm stammt, aus einem Gas,
das von der Fermentation organischer Abfälle tierischen oder pflanzlichen
Ursprungs ("Biogas") herrührt, aus Abgasen,
die von Herstellungsanlagen chemischer Produkte, insbesondere aus
Anlagen der Petrochemie, herrühren,
aus Gasen, die insbesondere von der Destillation von Alkohol herrühren, oder
von einer Mischung dieser Schwachgase; diese Schwachgase haben einen
relativ niedrigen und ferner veränderlichen
Hu, je nach den Betriebsbedingungen der Anlage, von denen sie stammen;
diese Gase können
Teere, Säuren
und/oder Stäube
enthalten.
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Die
Druckschrift GB 2 123 945 beschreibt einen Schwachgasbrenner.
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Die
Patentschrift
EP 421903 (Entreprise
Generale de Chauffage Indusutriel Pillard) beschreibt einen Brenner,
der umfasst:
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- – eine
zentrale Leitung zum Transport von Primärluft, in deren Innerem sich
ein mit einer Düse
zur Zerstäubung
eines flüssigen
Brennstoffes (Öl) versehenes
Rohr erstreckt;
- - eine zweite ringförmige
Leitung, die die erste Leitung umgibt, zum Transport eines pulverisierten
festen oder gasförmigen
Brennstoffes;
- - eine dritte ringförmige
Leitung, die die zweite Leitung umgibt, zum Transport eines Sauerstoffträgers (Primärluft),
die an ihrem Ende mit Flügeln versehen
ist, um den Luftstrom in Rotation zu versetzen;
- - eine vierte ringförmige
Leitung, die die dritte Leitung umgibt, zum Transport eines Sauerstoffträgers (Primärluft),
die an ihrem Ende mit Flügeln zur
axialen Führung
(d.h. zur Führung
entlang einer zur Längsachse
der ersten Leitung parallelen Richtung) des Flusses des Sauerstoffträgers.
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Der
in dieser Druckschrift beschriebene Brenner umfasst darüber hinaus
einen Flammenstabilisator, der an dem Ende der zentralen Leitung
angeordnet ist und der eine flanschförmige Nabe und eine zentrale Öffnung aufweist,
die in Verlängerung der
Düse zur
Zerstäubung
von Öl
angeordnet ist; die Nabe weist kleine Öffnungen und Flügel bzw.
Schaufeln auf, die die aus diesen Öffnungen kommende Primärluft leiten
bzw. führen;
der (radial gemessene) Abstand der Austrittsöffnungen von der dritten und der
vierten ringförmigen
Leitung in Bezug auf die Brennerachse beträgt wenigstens das Zweifache
des Radius der zentralen Öffnung
des Flammenstabilisators; diese Konfiguration ermöglicht die
Erzeugung einer vergrößerten "toten" zentralen Zone (ohne
nennenswerte Verbrennung) und das Auftreten der Verbrennung in einer
größeren Entfernung
vor der Düse, indem
man in der zentralen Leitung einen geringen Anteil (2 bis 10%) des
Primärluftstromes
zirkulieren lässt
(wobei der Hauptteil dieses Stromes über die dritte und vierte "axiale" und "radiale" Luftleitung freigesetzt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, derartige Brenner, die für die Beheizung
von Drehöfen wie
etwa Öfen
von Zementwerken gedacht sind, bereitzustellen, um sie für derartige
heizwertarmen Brennstoffe geeignet zu machen.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen Brenner vorzuschlagen,
der eine zuverlässige und
rationelle Nutzung dieser im Wesentlichen gasförmigen, heizwertarmen Brennstoffe
ermöglicht.
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Zu
diesem Zweck besteht die Erfindung darin, einen Brenner vorzuschlagen,
der zwei getrennte Zuführungsbzw.
Einspritzkreise für
den heizwertarmen Brennstoff in die Brennkammer umfasst: Ein erster
Kreis umfasst Mittel, um den heizwertarmen Brennstoff in Rotation
zu versetzen, und ein zweiter Kreis umgibt den ersten Kreis und
weist im Wesentlichen kein Mittel auf, um den heizwertarmen Brennstoff
in Rotation zu versetzen; diese beiden Kreise sind außerhalb
der ringförmigen
Leitungen zum "axialen" und "radialen" Lufttransport angeordnet,
welche wieder außerhalb
einer zentralen Lufttransportleitung angeordnet sind, die mit einem
Flammenstabilisator endet, und außerhalb einer Leitung zum Transport
von heizwertreichem Brennstoff.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
umfasst der Brenner:
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- - eine erste sogenannte zentrale, vorzugsweise zylindrische
Leitung mit kreisförmigem
Querschnitt zum Transport von Primärluft, in deren Innerem sich
gegebenenfalls eine Leitung oder mehrere Leitungen zum Transport
zu verbrennender Produkte erstrecken kann bzw. können und die einen Flammenstabilisator
aufweist;
- - wenigstens eine zweite Leitung zum Transport eines heizwertreichen,
pulverisierten festen, flüssigen
oder gasförmigen
Brennstoffs;
- - eine dritte Leitung mit ringförmigem Querschnitt, welche
die erste und zweite Leitung umgibt, zum Transport eines Sauerstoffträgers (Luft),
die an ihrem Ende mit ersten Mitteln (Flügeln) versehen ist, um den
Fluss des Sauerstoffträgers
in Rotation zu versetzen;
- - eine vierte Leitung mit ringförmigem Querschnitt, welche
die dritte Leitung umgibt, zum Transport des Sauerstoffträgers (Luft),
die an ihrem Ende mit ersten Mitteln (Flügeln) zur axialen Führung (d.h.
zur Führung
entlang einer zur Längsachse der
ersten Leitung parallelen Richtung) des Flusses des Sauerstoffträgers versehen
ist;
- - eine fünfte
Leitung mit ringförmigem
Querschnitt, die die vierte Leitung umgibt, zum Transport des heizwertarmen
Brennstoffes, die an ihrem Ende mit zweiten Mitteln (Flügeln) versehen
ist, um den (gasförmigen)
heizwertarmen Brennstofffluss in Rotation zu versetzen;
- - eine sechste Leitung mit ringförmigem Querschnitt, die die
fünfte
Leitung umgibt, zum Transport des heizwertarmen Brennstoffs, die
an ihrem Ende mit zweiten Mitteln (Flügeln) zur axialen Führung des
Flusses von heizwertarmem Brennstoff versehen ist.
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Jede
der zwei Leitungen zum Transport von (brennbarem) heizwertarmem
Brennstoff wird vorzugsweise über
eine Versorgungsleitung versorgt, die mit einer Vorrichtung (wie
etwa ein Ventil mit beweglicher Klappe) zur Regulierung des Durchflusses des
jeder Leitung zugeführten
heizwertarmen Brennstoffs; dies ermöglicht die Einstellung der
Einspritzgeschwindigkeit des wirbelnden Strahls (oder der wirbelnden
Strahlen), die aus der fünften
Leitung austreten, und des axialen Strahls (oder der axialen Strahlen),
der (die) aus der sechsten Leitung austritt (austreten); die Regulierung
dieser Geschwindigkeiten – und
der Mengen – erlaubt
die Einstellung der Menge an in die Brennkammer des Ofens eingespritztem
heizwertarmen Brennstoffs als Funktion seines Drucks, seiner Beschaffenheit,
seiner Temperatur und seinem Hu, und ermöglicht die Vermeidung einer
Störung
der Verbrennung des heizwertreichen Brennstoffs durch die Strahlen
von heizwertarmem Brennstoff; die Austrittsgeschwindigkeit des heizwertarmen
Brennstoffs in die Brennkammer kann unterhalb derjenigen des heizwertreichen
Brennstoffs sowie derjenigen des zwischen den Leitungen zum Transport
des heizwertreichen Brennstoffs und den Leitungen zum Transport
des heizwertarmen Brennstoffs eingespritzten Sauerstoffträgers sein;
insbesondere ist die Rotationsgeschwindigkeit des heizwertarmen
Brennstoffes in der Größenordnung
von 20 bis 70 Meter pro Sekunde, wenn der heizwertarme Brennstoff
heiß ist,
d.h. eine Temperatur in der Größenordnung
von wenigstens 300°C
(insbesondere in der Größenordnung
von 300°C
bis 500°C)
aufweist, und in der Größenordnung
von 20 bis 30 Meter pro Sekunde, wenn der heizwertarme Brennstoff
kalt ist, d.h. eine Temperatur in der Größenordnung von 0° bis 100°C aufweist;
eine Mindestgeschwindigkeit von ungefähr 20 Metern pro Sekunde wird
verwendet, um ein Mitreißen
der eventuell in dem heizwertarmen Brennstoff vorhandenen (Staub-)
Teilchen oder Tröpfchen
zu bewirken.
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Die
kinetische Energie (und/oder der Impuls) des Gases mit geringem
Hu muss so niedrig wie möglich
sein, um die Verbrennung des heizwertreichen Brennstoffs nicht zu
stören
und somit die Form ihrer Flamme nicht zu sehr zu verändern; hingegen muss
die Geschwindigkeit des heizwertarmen Brennstoffs ausreichend sein,
um die Ablagerung von Stäuben
(im Falle eines staubförmigen
Gases) zu vermeiden, also im allgemeinen über 20 Meter pro Sekunde betragen,
und/oder um zu Kondensationen von schweren Teeren (im Falle eines
Pyrolysegases) zu vermeiden. Die zwei Kreise zum Transport des heizwertarmen
Brennstoffs sind vorgesehen, um das Gas mit einer sehr hohen Temperatur
(oberhalb von 300°C)
aufzunehmen. Die Temperatur wird oberhalb derjenigen der Ablagerung
der schwersten Komponenten gewählt
und gehalten. Die Einspritzdüse
kann vor dem Einleiten des Pyrolysegases durch Durchströmen heißer (sauberer)
Gase vorgeheizt werden; vorzugsweise ist der innere (radiale) Kreis
zum Transport des heizwertarmen Brennstoffs thermisch von dem zentralen
Teil der Einspritzdüse
isoliert, insbesondere mit Hilfe einer Doppelwandung (Edelstahlrohr,
gefüllt
mit Isolierstoff). Das äußere Rohr der
Leitung zum (axialen) Transports des Brennstoffs ist ebenfalls auf
diese Weise durch ein Isoliermittel geschützt.
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Bei
der auf den heizwertarmen Brennstoff, der aus der fünften Leitung
austritt, von dem In-Rotation-Versetzungsmittel übertragenen Rotation, neigt der "innere" Fluss des heizwertarmen
Brennstoffs dazu, in der Brennkammer zu divergieren, das heißt, er hat
die Tendenz, sich nach seinem Austreten aus der fünften Leitung
von der Längsachse
zu entfernen; der "externe" Fluss des heizwertarmen
Brennstoffs, der axial (longitudinal) aus der sechsten Leitung austritt, widersetzt
sich der Divergenz dieses Flusses, indem sie ihn umhüllt; durch
die Regulierung der Geschwindigkeiten und der Mengen dieser zwei
Flüsse
heizwertarmen Brennstoffs, die die Flüsse (heizwertreichen) Brennstoffs
umgeben, und eines (die Hauptflamme erzeugenden) Sauerstoffträgers kann
eine Störung
der Hauptverbrennung durch Einbringung des heizwertarmen Brennstoffes
vermieden werden.
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Darüber hinaus
begünstigt
die dem "inneren", wirbelnden Fluss
des heizwertarmen Brennstoffes, der in der Umgebung des axialen
Flusses des Sauerstoffträgers,
den er umgibt, eingespritzt wird, aufgeprägte Rotation die fortschreitende
und innige Mischung des Brennstoffes und des Sauerstoffträgers, was
eine gute Verbrennung des heizwertarmen Brennstoffes begünstigt.
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Gemäß einem
bevorzugten Merkmal ist die ringförmige Leitung (die fünfte Leitung)
zum Transport des heizwertarmen Brennstoffes, die die ringförmige Leitung
(die vierte Leitung) zum Transport des Sauerstoffträgers umgibt
von der letzteren (vierten) Leitung auf einem beträchtlichen
Teil seiner Länge durch
eine thermische Isolierschicht getrennt; dadurch ist es möglich, ein
Abkühlen
des heizwertarmen Brennstoffes durch den Sauerstoffträger (Luft) zu
vermeiden (und/oder die Abkühlung
zu begrenzen), was die Kondensation der kondensierbaren Bestandteile
und die Ablagerung von Kondensaten auf den Wandungen der fünften Leitung
zum Transport von heizwertarmem Brennstoff mit sich bringen könnte; da
diese Ablagerungen (Säuren,
Teere, Stäube) das
Funktionieren des Brenners beeinträchtigen und/oder dessen Korrosion
bewirken könnten,
kann sich diese thermische Isolierung als notwendig herausstellen.
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Die
durch die Erfindung gewonnenen Vorteile werden besser verstanden
werden aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen,
die ohne einschränkend
zu sein bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung darstellen.
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In
den Zeichnungen tragen gleiche oder ähnliche Elemente wenn nichts
anderes gesagt ist in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen.
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1 zeigt in Vorderansicht
das Ende 22 der Einspritzdüse des Brenners.
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2 ist eine Halbansicht im
Querschnitt entlang der strichpunktierten Linie A-A der 1 in vergrößertem Maßstab.
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3 zeigt schematisch einen
Flügel,
um den internen Fluss heizwertarmen Brennstoffs in Rotation zu versetzen,
und eine Ansicht entlang der Linie III-III der 2.
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4 zeigt in gleicher Weise
wie 2 einen Brenner
für einen
Ofen eines Zementwerks gemäß einer
Ausführungsvariante.
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Die
Einspritzdüse 31 und
die Hauptleitungen 5, 7, 9, 11, 15, 17 des
Brenners erstrecken sich entlang einer Längsachse 1; im Falle
eines Zementwerk-Rohrofens kann die Achse 1 im Wesentlichen koaxial
zur Achse des Ofens, in horizontaler Lage oder ein wenig gegenüber der
Horizontalen geneigt sein.
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Der
zentrale Teil der Einspritzdüse
umfasst eine zentrale Leitung 5 zum Transport von Luft,
die von einem Rohr 6 mit der Achse 1 begrenzt
ist; im Inneren der Leitung 5 erstrecken sich vier zu der
Achse 1 parallele Leitungen (2);
eine Leitung 3 zum Einspritzen von Lösungsmittel, die von einer
rohrförmigen
Wandung 4 mit der Achse 2 begrenzt ist, sowie ein
Leitung zum Transport von Tiermehlen; die in diesen zwei Leitungen
transportieren Produkte dienen dazu, in der Brennkammer des Ofens
verbrannt zu werden; zwei weitere Leitungen dienen dem Transport
von brennbarem Gas und Abwässern
(und/oder der Aufnahme einer Zündvorrichtung);
bei der in 4 gezeigten
Variante ist nur eine einzige Leitung 3 zum Transport von
Brennstoff dargestellt; die Leitung 3 ist mit einer Düse 3a zur
Zerstäubung
von Heizöl
begrenzt.
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Bei
den beiden in den 2 und 4 dargestellten Varianten
ist die zentrale Leitung zum Transport eines Teils der Primärluft mit
einer Flammenstabilisierungsvorrichtung 5a begrenzt, die
von einer Mehrzahl von kleinen Luftdurchtrittsöffnungen 5b durchbohrt
ist; bei der Variante der 4 ist
die Stabilisierungsvorrichtung von einer zentralen Öffnung 5e durchbohrt,
die sich in Verlängerung
der Düse 3a erstreckt;
bei der in 2 dargestellten
Variante umfasst die Stabilisierungsvorrichtung 5a, quer über die sich
das Ende 3a der Leitung 3 erstreckt, zum einen kleine Öffnungen 5b,
die auf ihrer Oberfläche
verteilt sind, und andererseits eine ringförmige Umfangsöffnung 5c;
die Öffnungen 5b, 5c und
der Druck der Luft, die in die Leitung 5 eintritt, sind
vorgesehen, damit die Luftmenge, die die Stabilisierungsvorrichtung durchströmt, gering
ist.
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Um
die zylindrische Wandung 6, die die Leitung 5 von
einer ringförmigen
Leitung 7 zum Transport von pulverförmigem Kohlenstoff trennt,
erstrecken sich sechs rohrförmige,
metallische Wandungen 8, 10, 12, 14, 16, 18 mit
von der Achse 1 zunehmendem Durchmesser:
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- - eine zylindrische Wandung 8, die
die Leitung 7 von einer ringförmigen Leitung 9 zum
radialen Transport von Primärluft
trennt;
- - eine zylindrische Wandung 10, die die Leitung 9 von
einer ringförmigen
Leitung 11 zum axialen Transport von Primärluft trennt;
- - eine zylindrische Wandung 12, die die Leitung 11 von
einer thermischen Isolierung trennt;
- - eine zylindrische Wandung 14, die die Isolierung 13 von
einer ringförmigen
Leitung 15 zum Transport von radial strömendem und/oder wirbelndem Pyrolysegas
trennt;
- - eine zylindrische Wandung 16, die die Leitung 15 von
einer ringförmigen
Leitung 17 zum Transport von Pyrolysegas mit axialer Strömung trennt;
- - eine zylindrische Wandung 18, die die Leitung 17 von
einer zylindrischen, äußeren Verkleidung 19 aus
feuerfestem Beton trennt.
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Wie
in 2 gezeigt ist, sind
die Rohre 6, 8, 10, 12, 16, 18 an
ihrem freien Ende von einem Überschieberohr
bzw. einer Muffe 6a, 8a, 10a, 12a, 16a bzw. 18a begrenzt;
diese Überschieberohre
bzw. Muffen weisen eine Form auf, die eine Rotationssymmetrie um
die Achse 1 hat; die Dicke der Überschieberohre kann entlang
der Achse 1 verschieden sein, um ringförmige (und/oder sich weitende)
Leitungen zum Einspritzen der Produkte, die jeweils in die Brennkammer
befördert
werden, zu begrenzen, welche für
jeden der gasförmigen
und/oder pulverförmigen
Flüsse
eine Geschwindigkeit und eine vorbestimmte Richtung gewährleisten;
zu diesem Zweck gewährleisten
darüber
hinaus Flügel 9a,
die gegenüber
der Achse 1 geneigt sind, eine radiale Führung der
von der Leitung 9 bereitgestellten Luft, um in der Kammer
einen Wirbel zu erzeugen; Flügel 11a,
die parallel zu der Achse 1 angeordnet sind, gewährleisten
eine axiale Führung
der von der Leitung 11 bereitgestellten Luft.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung umfasst der Brenner in der Umgebung seiner
Nase oder seinem vorderen Ende 22 (dem Einspritzende in
die Brennkammer) Flügel 20 zur
Umlenkung des inneren Flusses des heizwertarmen Brennstoffes, der
aus der Leitung 15 austritt, um in der Kammer um die aus
den Leitungen 9 und 11 austretenden Luftstrahlen
herum wirbelnde Strahlen zu bilden, und umfasst Flügel 21 zur
axialen Führung
des externen Flusses von aus der Leitung 17 austretendem
heizwertarmen Brennstoff umfasst.
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Die
Nase umfasst nämlich
einen Spannring 23, der die Flügel 20 trägt, die
sich entlang einer Längsachse 24 erstrecken,
welche geneigt ist, um den aus der Leitung 15 austretenden
Fluss in Rotation zu versetzen.
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Der
Neigungswinkel 25 der Achse 24 bezüglich der
Achse 1 liegt im allgemeinen in einem Bereich von 10° bis 50°.
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Das
Pyrolysegas wird den Leitungen 15 und 17 der Einspritzdüse über Pyrolysegas-Versorgungsleitungen
zugeführt,
die vorzugsweise jeweils mit einem Ventil 30 zur Regulierung
der Menge an in jede der Leitungen 15, 17 eingebrachtem
Pyrolysegas versehen sind.
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Der
Brenner umfasst eine ringförmige
Austrittsöffnung 7b für einen
festen und/oder gasförmigen
Brennstoff, die radial innerhalb von den Austrittsöffnungen 9b, 11b der
in Rotation versetzten Primärluft
und der Axialluft und außerhalb
der Flammenstabilisierungsvorrichtung 5a angeordnet ist;
die Stabilisierungsvorrichtung (4)
ist am vorderen Ende einer zentralen Öldüsenöffnung; der minimale radiale Abstand
der Austrittsöffnungen 9b, 11b des
Großteils der
Primärluft
bezüglich
des Zentrums der Düse
des Brenners beträgt
wenigstens das Zweifache des Radius der zentralen Öffnung der
Flammenstabilisierungsvorrichtung (4);
die Stabilisierungsvorrichtung ragt in radialer Richtung deutlich über die Öffnung einer
zentralen Leitung hinaus, die im Wesentlichen der Öffnung der
Düse 3a der
zentralen Brennstoffleitung (4)
entspricht und umfasst Öffnungen
(5b) zum Durchtritt eines kleinen Teils der primären Verbrennungsluft,
die außerhalb
dieser zentralen Öffnung
angeordnet sind; die Axialluftaustrittsöffnung 11b ist (radial)
außerhalb
der Öffnung 9b angeordnet und
weist einen äußeren Rand
(Ende des Überschieberohrs 12a)
auf, der axial nach vorn (links in den 2 und 4)
hervorragt; die ringförmgien
Versorgungsleitungen können
in Strömungsrichtung
vor ihrer Austrittsöffnung
konische Wandabschnitte (wie z.B. 7a, 7d, 11c, 11d)
aufweisen, die gegeneinander axial verschiebbar sind; bestimmte
der ringförmigen Versorgungsleitungen
können
einen axialen, zylindrischen Endabschnitt aufweisen, der einen konischen Wandungsabschnitt
verlängert,
so dass dem Ende der Leitung (von längs betrachtet) die Form eines "S" verleihen wird. Der ringförmige Kanal 11 für die Axialluft
umfasst Trennwände 11a zur
Führung
und axialen Ausrichtung der Primärluft
in getrennten Kanälen, die
auf einem Kranz angeordnet sind und sich axial er- strecken; der ringförmige Durchtrittsabschnitt
für die
Axialluft oder die entsprechenden Kanäle, die kranzförmig angeordnet
sind, können
wenigstens teilweise verschlossen oder verstopft sein; die Summe
der freien Durchtrittsabschnitte der axialen Kanäle ist im Wesentlichen kleiner
als der Abschnitt der ringförmigen
Leitung für
die Primärluft,
die in axialer Richtung strömt;
die Stabilisierungsvorrichtung 5a ist bezüglich der
Austrittsöffnungen 9b, 11b der
in Rotation befindlichen Luft und der Axialluft sowie bezüglich der
Ausgänge 7b, 15b, 17b der
festen und gasförmigen
Brennstoffe, heizwertreich und heizwertarm, axial nach hinten verschoben.
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Mit
Bezug auf die 2 kann
die Öffnung 5c alternativ
am Umfang der Düse 3a zur
Zerstäubung des
Brennstoffes oder an jeder anderen Position angeordnet sein, die
sich zwischen der Düse 3a und
der Wandung 6 befindet, welche die zentrale Leitung 5 begrenzt;