DE60223644T2

DE60223644T2 - Feststoffbrenner, Verfahren zur Verwendung desselben, Brennkessel und Verfahren für dessen Betrieb

Info

Publication number: DE60223644T2
Application number: DE60223644T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Hitachinaka-shi Okazaki; Masayuki Hitachinaka-shi Taniguchi; Toshikazu Kure-shi Tsumura; Yoshitaka Hatsukaichi-shi Takahashi; Kouji Kure-shi Kuramashi
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: EP1312859B1; US20040211345A1; DE60223644D1; PL199728B1; CA2625463A1; CA2625463C; US7665408B2; CA2410725C; US7168374B2; EP1312859A1; US20070079736A1; AU2002301911B2; US20050092220A1; US6889619B2; CA2410725A1; KR100515013B1; PL357121A1; KR20030040183A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festbrennstoff-Brenner zum Verbrennen von Festbrennstoff durch Transportieren des Festbrennstoffs unter Verwendung eines Gasstroms und insbesondere einen Festbrennstoff-Brenner, der zum Pulverisieren, zum Transportieren unter Verwendung eines Gasstroms und zur anschließenden Suspensionsverbrennung eines Brennstoffs, der viel Feuchtigkeit und flüchtige Stoffe enthält, wie Holz, Torf und Kohle oder dergleichen, geeignet ist, sowie ein Verbrennungsverfahren, bei dem der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, eine Verbrennungsvorrichtung, die den Festbrennstoff-Brenner umfasst, und ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungsvorrichtung.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Holz, Torf und Kohle mit einem niedrigen Kohlungsgrad, wie Braunkohle und Lignit, die typisch hierfür sind, enthalten viel Feuchtigkeit. Ferner enthalten diese Brennstoffe bei einer Klassifizierung von Brennstoffkomponenten in flüchtige Substanzen einer Komponente, die bei einer Erwärmung als Gas freigegeben werden, Holzkohle (festen Kohlenstoff) einer Komponente, die als Feststoff verbleibt, Asche einer Komponente, die als unbrennbare Materie und Feuchtigkeit verbleibt, viel Feuchtigkeit und flüchtige Substanzen und wenig Holzkohle. Überdies weisen diese Brennstoffe im Vergleich zu Kohle mit einem hohen Kohlungsgrad, wie bituminöse Kohle und Anthrazitkohle, einen niedrigen Brennwert und im Allgemeinen eine geringe Mahlbarkeit bzw. Pulverisierbarkeit auf. Zudem haben diese Brenn stoffe das Merkmal einer niedrigen Schmelztemperatur der Verbrennungsasche.
Da diese Festbrennstoffe viele flüchtige Substanzen enthalten, entzünden sich diese Festbrennstoffe bei einem Lagerungsprozess, einem Pulverisierungsprozess und einem Transportprozess in einer Luftatmosphäre leicht selbst und sind dementsprechend im Vergleich bituminöser Kohle zu schwierig zu handhaben. Werden diese Brennstoffe pulverisiert, um verbrannt zu werden, wird ein Gasgemisch aus Verbrennungsabgas und Luft mit verringerter Sauerstoffkonzentration als Transportgas für den Brennstoff verwendet, um eine Selbstentzündung dieser Brennstoffe zu verhindern. Das Verbrennungsabgas verringert die Sauerstoffkonzentration, um eine Oxidationsreaktion (ein Verbrennen) des Brennstoffs zu unterdrücken und eine Selbstverbrennung des Brennstoffs zu verhindern. Andererseits hat die Retentionswärme des Verbrennungsabgases die Wirkung einer Trocknung des Brennstoffs durch Verdampfen des Wassers im Brennstoff.
Wenn der Brennstoff jedoch aus einem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßen wird, wird die Oxidationsreaktion des von dem Transportgas mit niedriger Sauerstoffkonzentration transportierten Brennstoffs durch die Sauerstoffkonzentration um den Brennstoff begrenzt. Daher ist die Verbrennungsgeschwindigkeit im Vergleich zu der eines durch Luft transportierten Brennstoffs gering. Da die Oxidationsreaktion des Brennstoffs im Allgemeinen aktiviert wird, nachdem der Brennstoff mit aus der Luftdüse ausgestoßener Luft gemischt ist, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit von der Mischgeschwindigkeit mit der Luft bestimmt. Daher ist die Zeit für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs im Vergleich zur Zeit für die vollständige Verbrennung bei einem Transport des Brennstoffs unter Verwendung von Luft länger, und dementsprechend nimmt die Menge an nicht verbrannten Komponenten am Ausgang der Verbrennungsvorrichtung, d. h. des Ofens, zu. Ferner ist die Flammentemperatur niedriger, da die Verbrennungsgeschwindigkeit gering ist. Dadurch ist die Reduktionsreaktion von Stickoxiden NOx zu Stickstoff, die in einer Nox-Reduktionszone mit einer hohen Temperatur (von ca. 1.000°C oder mehr) aktiviert wird, schwer zu verwenden, und dementsprechend wird die Konzentration von NOx am Ausgang des Ofens im Vergleich zu der bei einem Transport des Brennstoffs unter Verwendung von Luft höher.
Als Verfahren zur Beschleunigung der Entzündung von durch ein Transportgas mit geringer Sauerstoffkonzentration transportiertem Brennstoff existiert ein Verfahren, bei dem zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in dem Brennstofftransportgas am vorderen Ende einer Brennstoffdüse eine zusätzliche Luftdüse vorgesehen ist. Ein Festbrennstoff-Brenner mit einer zusätzlichen Luftdüse außerhalb der Brennstoffdüse ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 10-732208 offenbart.
Ferner ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 11-148610 ein Festbrennstoff-Brenner offenbart, der das Mischen von Brennstoff und Luft am Ausgang der Brennstoffdüse durch die Anordnung einer zusätzlichen Luftdüse in der Mitte der Brennstoffdüse beschleunigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch jeden der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Festbrennstoff-Brenner wird die Verbrennungsreaktion mittels Anordnen der zusätzlichen Luftdüse im Inneren der Brennstoffdüse zur Beschleunigung der Vermischung des Festbrennstoffs mit Luft be schleunigt. Hierbei wird der aus dem Fluidgemisch aus dem Festbrennstoff und dem Transportgas des Festbrennstoffs zusammengesetzte Brennstoffstrahl vorzugsweise ausreichend mit der aus der zusätzlichen Luftdüse am Ausgang der Fluiddüse ausgestoßenen Luft vermischt.
Wenn die von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene Luft jedoch parallel zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird, wird die Vermischung des Brennstoffstrahls mit der zusätzlichen Luft langsam, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Brennstoffstrahl und dem zusätzlichen Luftstrom gering ist.
Im Allgemeinen ist der Abstand zwischen dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse und dem Ausgang der Brennstoffdüse kürzer als 1 m. Die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffstrahls ist höher als ca. 12 m/s. Daher hat die Zeitspanne für die Vermischung der Brennstoffpartikel und der zusätzlichen Luft eine geringe Länge von ca. 0,1 Sekunden oder weniger, und dementsprechend können die Brennstoffpartikel nicht ausreichend mit der Luft vermischt werden.
Ist die zusätzliche Luftdüse stromaufseitig der Brennstoffdüse angeordnet, um die Vermischungsdauer der Brennstoffpartikel und der zusätzlichen Luft in der Brennstoffdüse zu erhöhen, besteht andererseits die Möglichkeit eines Auftretens eines sogenannten Rückzündungsphänomens, bei dem die Zündung im Inneren der Brennstoffdüse erfolgt. Daher kann der Abstand zwischen dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse und dem Ausgang der Luftdüse nicht verlängert werden.
Wenn ein Teil der zusätzlichen Luft durch einen konischen Einspritzabschnitt in der diagonal stromabseitigen Richtung ausgestoßen wird, wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 11-148610 beschrieben, kann andererseits die zusätzliche Luft den äußeren Randabschnitt der Brennstoffdüse nur schwer erreichen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Festbrennstoff-Brenner zu schaffen, der ein Gas mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration als Transportgas für einen armen Festbrennstoff, wie Braunkohle oder dergleichen, nutzt und eine Einrichtung zur Beschleunigung einer Vermischung von Brennstoffpartikeln und Luft in einer Brennstoffdüse umfasst, die eine Zone mit einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration bildet, die höher als die Durchschnittswerte einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration in der Brennstoffdüse sind, um den Brennstoff über einen weiten Bereich von einem Hochlastzustand bis zu einem Niedriglastzustand stabil zu verbrennen, ohne dass der Abstand zwischen einem Ausgang einer zusätzlichen Luftdüse und einem Ausgang einer Luftdüse verändert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbrennungsverfahren, bei dem der Festbrennstoff-Brenner mit der Einrichtung zur Beschleunigung der Vermischung von Brennstoffpartikeln und Luft zur stabilen Verbrennung des Brennstoffs verwendet wird, eine Verbrennungsvorrichtung, die den Festbrennstoff-Brenner umfasst, und ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungsvorrichtung zu schaffen.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgaben schlägt die vorliegende Erfindung einen Festbrennstoff-Brenner mit einer Brennstoffdüse zum Ausstoßen eines Fluidgemischs aus einem Festbrennstoff und einem Transportgas, einer zusätzlichen Luftdüse zum Ausstoßen von Luft in die Brennstoffdüse in nahezu senkrechter Richtung zu einer Strömungsrichtung des Fluidgemischs und mindestens einer außenseitigen Luftdüse zum Ausstoßen von Luft vor, die au ßerhalb der Brennstoffdüse angeordnet ist, wobei der Ausgang der zusätzlichen Luftdüse in einer Position im Brenner stromauf eines Ausgangs der Brennstoffdüse angeordnet ist.
Die zusätzliche Luftdüse kann im mittleren Abschnitt der Brennstoffdüse oder in einem Trennwandteil zum Abtrennen der Brennstoffdüse von der außenseitigen Luftdüse angeordnet sein.
Es ist auch möglich, ein Verbrennungsverfahren zu verwenden, bei dem der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, wobei bei einer niedrigen Verbrennungslast eine von der zusätzlichen Luftdüse zugeführte Luftmenge vergrößert und eine von der äußeren Luftdüse der äußeren Luftdüsen, welche der Brennstoffdüse am nächsten liegt, zugeführte Luftmenge vermindert oder eine Wirbelströmungsgeschwindigkeit vergrößert wird und, wenn eine Verbrennungslast hoch ist, die Menge an von der zusätzlichen Luftdüse zugeführter Luft vermindert und die Menge der von der äußeren Luftdüse der äußeren Luftdüsen, welche sich der Brennstoffdüse am nächsten befindet, zugeführten Luft erhöht oder die Wirbelintensität vermindert wird.
Der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner ist ein Festbrennstoff-Brenner mit einer Brennstoffdüse zum Ausstoßen eines Fluidgemischs aus einem Festbrennstoff und einem Transportgas, einer zusätzlichen Luftdüse zum Ausstoßen von Luft in die Brennstoffdüse in nahezu senkrechter Richtung zu einer Strömungsrichtung des Fluidgemischs und mindestens einer außenseitigen Luftdüse zum Ausstoßen von Luft, die außerhalb der Brennstoffdüse angeordnet ist, wobei ein Ausgang der zusätzlichen Luftdüse in einer Position im Brenner stromauf eines Ausgangs der Brennstoffdüse angeordnet ist.
Die zusätzliche Luftdüse kann im mittleren Abschnitt der Brennstoffdüse oder in der Trennwand der außenseitigen Luftdüse angeordnet sein.
Wenn der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene zusätzliche Luftstrahl nahezu senkrecht zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird, wird die Vermischung des Brennstoffstrahls und der zusätzlichen Luft beschleunigt, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Brennstoffpartikeln und dem zusätzlichen Luftstrahl größer als die Geschwindigkeitsdifferenz in einem Fall ist, in dem der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene zusätzliche Luftstrahl parallel zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird. Insbesondere da die spezifische Dichte des Brennstoffpartikels größer als die von Gas ist, werden die Brennstoffpartikel durch eine Trägheitskraft in den zusätzlichen Luftstrahl gemischt.
Da gleichzeitig das Transportgas mit geringer Sauerstoffkonzentration um die Brennstoffpartikel von den Brennstoffpartikeln getrennt wird, wird die Sauerstoffkonzentration um die Brennstoffpartikel höher als die Sauerstoffkonzentration des Transportgases. Daher wird nach dem Ausstoßen aus der Brennstoffdüse die Verbrennungsreaktion durch die hohe Sauerstoffkonzentration beschleunigt, und dementsprechend wird am Ausgang der Brennstoffdüse eine stabile Flamme erzeugt.
Zu diesem Zeitpunkt werden durch das Ausstoßen von Luft aus der zusätzlichen Luftdüse in der zur Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls nahezu senkrechten Richtung zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration entlang des inneren Umfangs der äußeren Trennwand der Brennstoffdüse entlang des inneren Umfangs der äußeren Trennwand der Brennstoffdüse eine hohe Brennstoffkonzentration und eine hohe Sauerstoffkonzentration erzeugt. Dadurch wird die Verbrennungsreaktion zur stabilen Erzeugung einer Flamme am Ausgang der Brennstoffdüse nach dem Ausstoß aus der Brennstoffdüse durch die hohe Sauerstoffkonzentration beschleunigt.
Die pulverisierte Kohle, die in der Nähe der inneren Wandfläche der Brennstoffdüse entlang strömt, wird erhöht, um die Möglichkeit zu erhalten, in der Nähe des Ausgangs der Brennstoffdüse mit der von der außenseitigen Luftdüse ausgestoßenen Luft in Kontakt zu gelangen. Ferner neigt die pulverisierte Kohle dazu, sich bei Kontakt mit einem Gas mit hoher Temperatur in einem auf der Stromabseite eines später beschriebenen Flammenstabilisierungsrings erzeugten Umlaufstrom zu entzünden.
Die zusätzliche Luftdüse kann Luft aus der Trennwand am Umfang zur Mitte hin oder Luft vom inneren Teil der Brennstoffdüse zur Außenseite hin ausstoßen.
Die zusätzliche Luftdüse ist vorzugsweise an dem Abschnitt angeordnet, an dem sich die Strömungsbahn der Brennstoffdüse erweitert. Die Trägheitskraft der Brennstoffpartikel ist im Vergleich zur Trägheitskraft eines Gases stark. Durch Anordnen des Ausgangs der zusätzlichen Luftdüse im sich erweiternden Teil der Strömungsbahn, in dem die Geschwindigkeitskomponente aus der Strömungsbahn zur Wandfläche kaum induziert wird, ist es möglich, ein Eindringen der Brennstoffpartikel in die zusätzliche Luftdüse bzw. ihre Ansammlung in dieser zu unterdrücken.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung einen Festbrennstoff-Brenner mit einer Brennstoffdüse zum Ausstoßen eines Fluidgemischs aus einem Festbrennstoff und einem Transportgas, mindestens einer Luftdüse zum Ausstoßen von Luft, die außerhalb der Brennstoffdüse angeordnet ist, einer zusätzlichen Luftdüse zum Ausstoßen von Luft in die Brennstoffdüse in nahezu senkrechter Rich tung zu einer Strömungsrichtung des Fluidgemischs und einem in der Brennstoffdüse angeordneten Separator zum Teilen einer Strömungsbahn vor, wobei das Transportgas ein Gas mit einem geringeren Sauerstoffgehalt als dem Sauerstoffgehalt von Luft ist und sich ein Ausgang der zusätzlichen Luftdüse an einer Position befindet, an der sich der Ausgang mit dem Separator überlappt, wenn der Ausgang aus einer zur Achse des Brenners vertikalen Richtung betrachtet wird.
Es ist möglich, eine Einbaute innerhalb der Brennstoffdüse vorzusehen, die aus einem den Querschnittsbereich der Strömungsbahn innerhalb der Brennstoffdüse verengenden Teil und aus einem diesen erweiternden Teil zusammengesetzt ist, wobei von diesen Teilen der Verengungsteil und der Erweiterungsteil von der Stromaufseite des Brenners nacheinander angeordnet sind.
In einem Endabschnitt stromaufseitig des Separators in der Strömungsbahn der von dem Separator geteilten Brennstoffdüse kann ein Querschnittsbereich der Strömungsbahn an der Seite, an welcher die zusätzliche Luftdüse angeordnet ist, größer sein als ein durch die Einbaute verengter Querschnittsbereich der Strömungsbahn.
Die zusätzliche Luftdüse ist gelegentlich in einem äußeren Teil der Trennwand der Brennstoffdüse angeordnet.
Es ist möglich, dass der Separator als zylindrisches oder kegelförmiges dünnwandiges Bauteil ausgebildet ist und der Festbrennstoff-Brenner stromauf des Separators ein Strömungsbahn-Verengungsglied enthält, das die Strömungsbahn von dem Außenumfang der Brennstoffdüse her verengt, sowie einen stromab des Strömungsbahn-Verengungsglieds angeordneten Konzentrator, der die Strömungsbahn von der Seite der Mittelachse der Brennstoffdüse her verengt.
Bei jedem der vorstehend beschriebenen Festbrennstoff-Brenner kann der Festbrennstoff-Brenner eine Einbaute in einem vorderen Ende einer die Brennstoffdüse und die Luftdüse voneinander trennenden Trennwand umfassen, wobei die Einbaute eine Strömung des Festbrennstoffs und des Transportgases des aus der Brennstoffdüse ausgestoßenen Festbrennstoffs sowie eine Strömung der von der Luftdüse ausgestoßenen Luft blockiert. Die Einbaute ist manchmal ein gezahnter Flammenstabilisierring, der an einer Wandfläche im Ausgang der Brennstoffdüse angeordnet ist.
Ein Wirbler kann in der Luftdüse vorgesehen sein.
Eine Führung zur Bestimmung der Richtung des Ausstoßes von Luft kann im Ausgang der Luftdüse vorgesehen sein.
Bei diesen Verbrennungsverfahren, bei denen der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, ist es möglich, das Verbrennungsverfahren zu verwenden, bei dem der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird und bei dem bei einer niedrigen Verbrennungslast eine von der zusätzlichen Luftdüse zugeführte Luftmenge vergrößert wird und bei einer hohen Verbrennungslast die Menge an von der zusätzlichen Luftdüse zugeführter Luft vermindert wird.
Gelegentlich wird ein Verbrennungsverfahren, bei dem der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, verwendet, bei dem bei einer niedrigen Verbrennungslast eine von der zusätzlichen Luftdüse zugeführte Luftmenge vergrößert und eine Strömungsmenge von durch die Luftdüse zugeführter Luft verringert wird und bei einer hohen Verbrennungslast die Menge an von der zusätzlichen Luftdüse zugeführter Luft vermindert und die Strömungsmenge der von der Luftdüse zugeführten Luft erhöht wird, wodurch das Verhältnis der Luft menge zur Menge des vom Festbrennstoff-Brenner zugeführten Brennstoffs konstant gehalten wird.
Es ist möglich, das Verbrennungsverfahren zu verwenden, bei dem der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird und bei dem am Ausgangsquerschnitt der Brennstoffdüse jeweils in der mittleren Zone oder in der Umfangszone eine Zone mit einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration ausgebildet ist, die jeweils höher als die Durchschnittswerte einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration sind, und in der Umfangszone oder in der mittleren Zone eine Zone mit einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration ausgebildet ist, die jeweils niedriger als die Durchschnittswerte der Brennstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration sind. In einem Fall, in dem die Luftdüse im äußeren Umfang der Brennstoffdüse angeordnet ist, wird es beispielsweise bevorzugt, dass am Ausgangsquerschnitt der Brennstoffdüse eine äußere Umfangszone mit einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration gebildet wird, die beide jeweils höher als die Durchschnittswerte einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration sind, und dass eine mittlere Zone mit einer Brennstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration gebildet wird, die jeweils beide niedriger als die Durchschnittswerte der Brennstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration sind.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung eine Verbrennungsvorrichtung vor, die einen Ofen, der eine Mehrzahl an einer beliebigen Art der vorstehend beschriebenen Festbrennstoff-Brenner umfasst, einen Bunker, einen Kohleförderer, ein Mahlwerk, dem Brennstoff gemischt mit Verbrennungsabgas, das aus dem oberen Teil der Verbrennungsvorrichtung über eine Verbrennungsabgasleitung abgezogen wird, stromab des Kohleförderers zugeführt wird, eine Brenn stoffleitung zum Fördern des im Mahlwerk pulverisierten Brennstoffs zu den Festbrennstoff-Brennern und ein Gebläse zum Zuführen von Luft zu den Festbrennstoff-Brennern umfasst.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung eine Verbrennungsvorrichtung vor, die einen Ofen, der eine Mehrzahl an einer beliebigen Art der vorstehend beschriebenen Festbrennstoff-Brenner umfasst, einen Bunker, einen Kohleförderer, ein Mahlwerk, dem Brennstoff gemischt mit Verbrennungsabgas, das aus dem oberen Teil der Verbrennungsvorrichtung über eine Verbrennungsabgasleitung abgezogen wird, stromab des Kohleförderers zugeführt wird, eine Brennstoffleitung zum Fördern des im Mahlwerk pulverisierten Brennstoffs zu den Festbrennstoff-Brennern, ein Gebläse zum Zuführen von Luft zu den Festbrennstoff-Brennern, einen Niedriglast-Flammendetektor oder einen Thermometer oder einen Strahlungspyrometer zur Überwachung einer in jedem der Festbrennstoff-Brenner im Niedriglastzustand gebildeten Flamme, einen Hochlast-Flammendetektor oder einen Thermometer oder einen Strahlungspyrometer zum Überwachen von in einer von den Festbrennstoff-Brennern beabstandeten Position gebildeten Flammen im Hochlastzustand und Steuermittel zum Steuern der Zufuhr einer von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßenen Luftmenge auf der Grundlage eines Signals von den Messinstrumenten umfasst.
Ein Verfahren zum Betreiben der verwendeten Verbrennungsvorrichtung ist, dass, wenn die Verbrennungsvorrichtung mit hoher Verbrennungslast betrieben wird, die Flamme des Festbrennstoffs in einer von dem Festbrennstoff-Brenner beabstandeten Position gebildet wird, und dass, wenn die Verbrennungsvorrichtung mit niedriger Verbrennungslast betrieben wird, die Flamme des Festbrennstoffs in einer Position unmittelbar hinter dem Ausgang der Brennstoffdüse des Festbrennstoff-Brenners gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Boileranlage vor, die einen Ofen mit mehreren einer beliebigen Art der vorstehend beschriebenen Festbrennstoff-Brenner an Wandflächen und einen Wärmetauscher zum Erzeugen von Dampf durch Erwärmen von Wasser unter Verwendung von durch die Verbrennung des Festbrennstoffs im Ofen erzeugter Verbrennungswärme umfasst, wobei der Wärmetauscher an den Wänden des Ofens und im Inneren des Ofens angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner ist insbesondere für einen Fall geeignet, in dem ein Transportgas eine Sauerstoffkonzentration von weniger als 21% aufweist, wenn ein viel Feuchtigkeit und flüchtige Substanzen enthaltender Festbrennstoff, wie Braunkohle, Lignit oder dergleichen, Holz oder Torf, pulverisiert, unter Verwendung eines Fluidstroms transportiert und suspensionsverbrannt wird.
Der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner ist ein Festbrennstoff-Brenner, der eine Brennstoffdüse zum Ausstoßen eines Fluidgemischs aus einem Festbrennstoff und einem Transportgas, mindestens eine Luftdüse zum Ausstoßen von Luft, die außerhalb der Brennstoffdüse angeordnet ist, und eine zusätzliche Luftdüse zum Ausstoßen von Luft in die Brennstoffdüse in einer zur Strömungsrichtung des Fluidgemischs nahezu senkrechten Richtung und einen in der Brennstoffdüse angeordneten Separator zum Teilen einer Strömungsbahn umfasst, wobei das Transportgas ein Gas mit einer Sauerstoffkonzentration ist, die niedriger als die Sauerstoffkonzentration von Luft ist, und sich ein Ausgang der zusätzlichen Luftdüse an einer Position befindet, an der sich der Ausgang mit dem Separator über lappt, wenn der Ausgang aus einer zur Achse des Brenners vertikalen Richtung betrachtet wird.
Die zusätzliche Luftdüse kann im mittleren Teil der Brennstoffdüse oder in der Trennwand der außenseitigen Luftdüse angeordnet sein. Im Hinblick auf das Verhindern eines durch die Brennstoffpartikel verursachten Abriebs ist die zusätzliche Luftdüse vorzugsweise auf der Trennwand der Brennstoffdüse angeordnet.
Wenn der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene zusätzliche Luftstrahl nahezu senkrecht zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird, wird die Vermischung des Brennstoffstrahls und der zusätzlichen Luft beschleunigt, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Brennstoffpartikeln und dem zusätzlichen Luftstrahl größer als die Geschwindigkeitsdifferenz in einem Fall ist, in dem der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene zusätzliche Luftstrahl parallel zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird. Insbesondere da die spezifische Dichte des Brennstoffpartikels größer als die von Luft ist, werden die Brennstoffpartikel durch eine Trägheitskraft in den zusätzlichen Luftstrom gemischt.
Da sich bei der vorliegenden Erfindung ein Ausgang der zusätzlichen Luftdüse an der Position befindet, an der der Ausgang den Separator überlappt, wenn der Ausgang aus der zur Achse des Brenners vertikalen Richtung betrachtet wird, wird der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene zusätzliche Luftstrom nur in die Strömungsbahn auf der zwischen der zusätzlichen Luftdüse und dem Separator in der Brennstoffdüse angeordneten Seite der zusätzlichen Luft gemischt, da der Separator das Strömen behindert. Da der zusätzliche Luftstrahl in der Strömungsbahn der zusätzlichen Luft mit dem Brennstoffstrahl gemischt wird, wird der Strömungswiderstand gegen das Strömen des Brennstoffstrahls erhöht. Wenn die Strö mungsrate der zusätzlichen Luft erhöht wird, strömt daher das Transportgas unter Vermeidung der Strömungsbahn der zusätzlichen Luft.
Da die Brennstoffpartikel jedoch aufgrund der Trägheitskraft im Vergleich zu Gas eine stärkere Tendenz haben, geradeaus zu fliegen, fliegen die Brennstoffpartikel auf der Seite der Strömungsbahn der zusätzlichen Luft. Auf der Seite der Strömungsbahn der zusätzlichen Luft des Separators ist die Abnahme der Brennstoffpartikel im Vergleich zur Abnahme der Strömungsrate des Transportgases geringer.
Dadurch wird das Transportgas durch den zusätzlichen Luftstrahl ersetzt, und dementsprechend wird die Sauerstoffkonzentration um die Brennstoffpartikel höher als die Sauerstoffkonzentration des Transportgases. Nach dem Ausstoß aus der Brennstoffdüse wird die Verbrennungsreaktion zur stabilen Bildung einer Flamme am Ausgang der Brennstoffdüse durch die hohe Sauerstoffkonzentration beschleunigt.
Zum Verhindern einer Rückzündung oder eines Abbrands durch die Bildung einer Flamme im Inneren der Brennstoffdüse ist die Verweildauer des Brennstoffs in der Brennstoffdüse vorzugsweise kürzer als die Zündverzögerungszeit des Brennstoffs (ca. 0,1 Sekunden). Da das Brennstofftransportgas im Inneren der Brennstoffdüse im Allgemeinen mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 12 bis 20 m/s strömt, ist der Abstand zwischen dem Ausgang der Brennstoffdüse und dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse kürzer als 1 m.
Vorzugsweise wird ein Strömungsbahn-Verengungsglied in der Brennstoffdüse des erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners angeordnet. Durch das Strömungsbahn-Verengungsglied wird der Querschnittsbereich der Strömungsbahn der Brennstoffdüse von der Stromaufseite des Brenners einmal verengt und allmählich auf die ursprüngliche Größe erweitert. Da die Strömungsgeschwindigkeit des im Inneren der Brennstoffdüse strömenden Brennstofftransportgases durch Verengen des Querschnittsbereichs der Strömungsbahn erhöht wird, ist es möglich, eine Ausbreitung einer Rückzündung bis zu einem Abschnitt stromaufseitig des Strömungsbahn-Verengungsglieds selbst dann zu verhindern, wenn aufgrund des Auftretens einer unmittelbaren Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Inneren der Brennstoffdüse eine Flamme gebildet wird.
Hierbei weist das Strömungsbahn-Verengungsglied zur Verringerung des Strömungswiderstands des Brennstofftransportgases eine Form auf, durch die der Querschnittsbereich der Strömungsbahn gleichmäßig verändert wird, wie bei einer Venturidüse.
Ferner wird durch das Versehen des Inneren der Brennstoffdüse mit dem aus dem den Querschnittsbereich der Strömungsbahn verengenden Abschnitt und dem diesen erweiternden Abschnitt im Inneren der Brennstoffdüse, die von der Stromaufseite in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, zusammengesetzten Konzentrator eine den Konzentrator entlang zur äußeren Umfangsrichtung strömenden Geschwindigkeitskomponente in den Brennstoffpartikeln induziert. Da die Trägheitskraft des Brennstoffpartikels größer als die des Transportgases ist, strömen die Brennstoffpartikel nahe der inneren Wandfläche der Brennstoffdüse ungleichmäßig dahin, um den Ausgang der Düse zu erreichen. Dadurch wird an der inneren Wandfläche der Brennstoffdüse ein Brennstoffkondensatstrahl gebildet.
Hierbei wird in einem Fall, in dem sich der Ausgang der zusätzlichen Luftdüse an der Position befindet, an der der Ausgang den Separator überlappt, wenn der Ausgang aus der zur Achse des Brenners vertikalen Richtung betrachtet wird, durch Ausstoßen von Luft aus der zusätzlichen Luftdüse in die zur Strömungsrichtung des Brennstoffstroms nahezu senkrechte Richtung zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration entlang der inneren Wandfläche der Brennstoffdüse entlang der inneren Wandfläche der Brennstoffdüse ein Bereich mit hoher Brennstoffkonzentration und hoher Sauerstoffkonzentration gebildet. Dadurch wird nach dem Ausstoß aus der Brennstoffdüse eine Verbrennungsreaktion durch die hohe Sauerstoffkonzentration beschleunigt, um am Ausgang der Brennstoffdüse stabil eine Flamme zu bilden.
Die entlang dem inneren Umfang der außenseitigen Trennwand der Brennstoffdüse strömenden Brennstoffpartikel werden an einer Position in der Nähe des Ausgangs der Brennstoffdüse mit der von der Luftdüse auf der äußeren Seite der Brennstoffdüse ausgestoßenen Luft gemischt. Ferner neigt die pulverisierte Kohle dazu, sich bei einem Kontakt mit einem Gas mit hoher Temperatur eines auf der Stromabseite eines später beschriebenen Flammenstabilisierrings gebildeten Umlaufstroms zu entzünden.
Wie vorstehend beschrieben, existiert ein Verfahren, bei dem die Sauerstoffkonzentration des Fluidgemischs aus dem Brennstoff und dem Transportgas, das in der außenseitigen Strömungsbahn zwischen den von dem in der Brennstoffdüse vorgesehenen Separator geteilten Strömungsbahnen strömt, durch Anordnen zusätzlicher Luftdüsen am inneren Umfang der äußeren Trennwand der Brennstoffdüse und Ausstoßen der zusätzlichen Luft zur Mittelachse des Brenners erhöht wird.
Andererseits kann die gleiche Wirkung durch ein Verfahren erzielt werden, bei dem die Sauerstoffkonzentration des in der inneren Strömungsbahn zwischen den durch den in der Brennstoffdüse vorgesehenen Separator geteilten Strömungsbahnen strömenden Fluidgemischs aus dem Brennstoff und dem Transportgas durch Anord nen zusätzlicher Luftdüsen am äußeren Umfang der inneren Trennwand der Brennstoffdüse und durch Ausstoßen der zusätzlichen Luft von der Mittelachse des Brenners nach außen erhöht wird.
Vorzugsweise ist die Einbaute (der Flammenstabilisierring) zum Hemmen des Stroms des Festbrennstoffgemischs und der aus den Brennstoffdüsen ausgestoßenen Luft am vorderen Endabschnitt der Trennwand zwischen der Brennstoffdüse und der äußeren Luftdüse angeordnet. Der Druck wird auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings verringert, um einen Umlaufstrom zu bilden, der von der Stromabseite zur Stromaufseite strömt. Innerhalb des Umlaufstroms stagnieren die Luft, der Brennstoff und das aus einer Gruppe von Düsen in der Außenseite ausgestoßene Brennstofftransportgas sowie das Gas mit hoher Temperatur von der Stromabseite. Dadurch wird die Temperatur im Inneren des Umlaufstroms hoch, wodurch sie als Entzündungsquelle für den Brennstoffstrahl wirkt. Daher wird die Flamme stabil vom Ausgangsabschnitt der Brennstoffdüse gebildet.
Wenn der gezahnte Flammenstabilisierring in einer Richtung im Ausgang der Brennstoffdüse angeordnet ist, in der der Brennstoffstrahl blockiert wird, nimmt eine Störung des Brennstoffstrahls durch den Flammenstabilisierring zum Mischen des Brennstoffstrahls mit Luft zu, die Verbrennungsreaktion wird beschleunigt, und die Entzündung des Brennstoffs wird beschleunigt.
Der Festbrennstoff-Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Variieren einer von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßenen Luftmenge entsprechend einer Verbrennungslast geeignet.
Bei einer niedrigen Verbrennungslast wird die Menge der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßenen Luft erhöht. Da in diesem Fall die Sauerstoffkonzentration im Inneren der Brennstoffdüse durch die von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßenen Luft erhöht wird, wird die Verbrennungsreaktion des Brennstoffs mehr als bei einer niedrigen Sauerstoffkonzentration beschleunigt, und dementsprechend wird die Entzündung des Brennstoffs vorgezogen, um an einer Position nahe der Brennstoffdüse eine Flamme zu bilden.
Ist die Verbrennungslast hoch, wird die Menge der von der zusätzlichen Luftdüse zugeführten Luft verringert. Da in diesem Fall die Sauerstoffkonzentratiön im Inneren der Brennstoffdüse niedrig ist, wird die Verbrennungsreaktion des Brennstoffs nicht beschleunigt, und dementsprechend wird an einer von der Brennstoffdüse entfernten Position im Inneren der Verbrennungsvorrichtung eine Flamme gebildet.
Wenn die Temperatur des Festbrennstoff-Brenners oder der Wand der Verbrennungsvorrichtung außerhalb des Festbrennstoff-Brenners übermäßig hoch ist, haftet Verbrennungsasche auf den Strukturen des Festbrennstoff-Brenners und der Wand des Ofens, wodurch ein als Pfropfenbildung bezeichnetes Phänomen verursacht wird, bei dem die anhaftende Substanz anwächst.
Da sich die Flamme bei der vorliegenden Erfindung von dem Festbrennstoff-Brenner trennt, nimmt die Temperatur des Festbrennstoff-Brenners bzw. der Wand der Verbrennungsvorrichtung außerhalb des Festbrennstoff-Brenners ab, wodurch das Auftreten einer Pfropfenbildung unterdrückt werden kann.
Durch Verändern der Menge der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßenen Luft auf der Grundlage von Signalen von dem im Festbrennstoff-Brenner oder an einer Wand des Ofens um den Festbrennstoff-Brenner angeordneten Thermometer oder Strahlungspyrometer oder Flammendetektor kann die Position der Bildung der Flammen der Festbrennstoff-Brenner gesteuert werden.
Die vorstehende Beschreibung erfolgte anhand eines Falls, in dem der Schmelzpunkt der Verbrennungsasche des Festbrennstoffs niedrig ist, und dementsprechend das Auftreten einer Pfropfenbildung wahrscheinlich ist. In einem Fall, in dem der Schmelzpunkt der Verbrennungsasche des Festbrennstoffs oder die thermische Last des Ofens niedrig ist und die Pfropfenbildung dementsprechend kein Problem darstellt, kann die Flamme des Festbrennstoff-Brenners vom Ausgang der Brennstoffdüse gebildet werden.
Ist andererseits die Verbrennungslast niedrig, wird die Menge an Luft vorzugsweise so gesteuert, dass ein Verhältnis der Gesamtmenge der von der zusätzlichen Luftdüse zugeführten Luft zu der zum vollständigen Verbrennen der flüchtigen Substanzen erforderlichen Menge an Luft, d. h. ein Verhältnis der Luft zu den flüchtigen Substanzen, 0,85 bis 0,95 werden kann.
Ist die Verbrennungslast niedrig, ist es schwierig, eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten. Daher ist es durch Einstellen des Verhältnisses der Luft zu den flüchtigen Substanzen auf 0,85 bis 0,95 leicht, eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten. Die Menge an Strahlungshitze an der Festbrennstoffdüse und der Wand der Verbrennungsvorrichtung kann zum Verändern der Position der Bildung einer Flamme in der Verbrennungsvorrichtung durch Variieren der Menge an Luft gesteuert werden.
Im Hochlastzustand wird die Flamme vorzugsweise an einer von dem Festbrennstoff-Brenner entfernten Position gebildet, da die thermische Last in der Verbrennungsvorrichtung hoch ist.
Bei dem Verbrennungsverfahren, bei dem der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, wird im Hochlastzustand der Verbrennungsvorrichtung der Brennstoff an einer vom Festbrennstoff-Brenner entfernten Position entzündet, und die Flamme wird im mittleren Teil der Verbrennungsvorrichtung gebildet. Um die im Hochlastzustand gebildete Flamme zu überwachen, wird vorzugsweise die Flamme im mittleren Teil der Verbrennungsvorrichtung überwacht, in dem sich die Flammen der Festbrennstoff-Brenner sammeln.
Da die thermische Last im Inneren der Verbrennungsvorrichtung im Niedriglastzustand niedrig ist, ist die Temperatur des Festbrennstoff-Brenners und der Wand der Verbrennungsvorrichtung um den Festbrennstoff-Brenner niedriger als die Temperatur im Hochlastzustand, und dementsprechend tritt selbst dann kaum eine Pfropfenbildung auf, wenn die Flamme nahe an den Festbrennstoff-Brenner gebracht wird.
Im Niedriglastzustand der Verbrennungsvorrichtung wird der Brennstoff nahe dem Festbrennstoff-Brenner gezündet, um eine Flamme zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt werden die Flammen durch die einzelnen Festbrennstoff-Brenner von Brenner zu Brenner gebildet, und die Flammen werden gelegentlich getrennt im Inneren der Verbrennungsvorrichtung gebildet. Ferner ist die Temperatur im Ofen im Vergleich zu der im Hochlastzustand niedriger, und die Dauer einer vollständigen Verbrennung des Brennstoffs wird lang. Wenn die Flamme den Festbrennstoff-Brenner verlässt, kann der Brennstoff daher nicht vollständig verbrannt werden, bevor er den Ausgang des Ofens erreicht, was zu einer Verringerung der Effizienz der Verbrennung und zu einer Erhöhung der Menge an nicht verbranntem Brennstoff führt. Daher wird vorzugsweise jede der an den Ausgängen der einzelnen Festbrennstoff-Brenner gebildete Flamme überwacht.
Bei dem erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenner kann die außenseitige Luft durch Vorsehen der Luftdüse (der äußeren Luftdü se) außerhalb der Brennstoffdüse und durch Vorsehen der Führung zur Bestimmung der Ausstoßrichtung der außenseitigen Luft am Ausgang der äußeren Luftdüse expandierend von der Mittelachse des Brenners ausgestoßen werden. Bei einer derartigen Struktur wird die Geschwindigkeit des Brennstoffs in der Nähe des Brenners verringert, da sich der Brennstoff entlang der außenseitigen Luft ausdehnt, und dementsprechend wird die Verweildauer in der Nähe des Festbrennstoff-Brenners erhöht. Dadurch können die Effizienz der Verbrennung in dem Ofen verbessert und die Menge an nicht verbranntem Brennstoff durch eine Erhöhung der Verweildauer des Brennstoffs im Ofen verringert werden.
Durch ein derartiges Einstellen der Führung zum Leiten des Strahls von der am weitesten außen angeordneten äußersten Luftdüse, dass der außenseitige Luftstrahl die einzelnen Festbrennstoff-Brenner und die Wand der außerhalb der Festbrennstoff-Brenner befindlichen Verbrennungsvorrichtung entlang strömen kann, kann die außenseitige Luft die einzelnen Festbrennstoff-Brenner und die Wand der außerhalb der Festbrennstoff-Brenner befindlichen Verbrennungsvorrichtung kühlen, um das Auftreten einer Pfropfenbildung zu unterdrücken.
Als Verbrennungsvorrichtung mit den mehreren erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brennern an der Wandfläche der Verbrennungsvorrichtung existieren ein kohlebefeuerter Boiler, ein torfbefeuerter Boiler, ein biomassebefeuerter Boiler (ein holzbefeuerter Boiler), etc.
Durch Anordnen der Thermometer oder Strahlungspyrometer in den erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brennern oder an der Wandfläche des außerhalb der Festbrennstoff-Brenner befindlichen Ofens wird die Verbrennungsvorrichtung so betrieben, dass die Menge der von der zusätzlichen Luftdüse des Festbrennstoff-Brenners ausgestoßenen Luft variiert wird. Dadurch werden die Flammen so gesteuert, dass sie einzeln an geeigneten Positionen in der Verbrennungsvorrichtung gebildet werden, die der Veränderung der Verbrennungslast entsprechen.
Der Index, ob die Flammen an den geeigneten Positionen gebildet werden oder nicht, wird beispielsweise wie folgt bestimmt. Dies bedeutet, dass der Ofen so betrieben wird, dass das vordere Ende der Festbrennstoffflamme im Inneren des Ofens an einer Position nahe der Wandfläche des Ofens außerhalb des Ausgangs der Brennstoffdüse gebildet werden kann, wenn der Ofen im Niedriglastzustand betrieben wird, und so, dass die Flamme an einer Position im Ofen gebildet werden kann, die 0,5 m oder mehr vom Ausgang der Brennstoffdüse entfernt ist, wenn der Ofen im Hochlastzustand betrieben wird.
Die Verbrennungsvorrichtung wird durch eine Überwachung unter Verwendung eines Flammendetektors oder eine Visualisierung der Flammen im mittleren Teil oder der Umgebung in der Verbrennungsvorrichtung geeignet betrieben, in der sich die Flammen der erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenner sammeln, wenn die Verbrennungsvorrichtung im Hochlastzustand betrieben wird, und durch eine Überwachung der einzelnen, in den Ausgängen der erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenner gebildeten Flammen, wenn die Verbrennungsvorrichtung im Niedriglastzustand betrieben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 1 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem die Flamme des Fest brennstoff-Brenners nahe einem Umlaufstrom auf der Stromabseite eines Flammenstabilisierrings gebildet wird, wenn die Ausführungsform 1 des Festbrennstoff-Brenners im Niedriglastzustand verwendet wird;
2 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur der Ausführungsform 1 des Festbrennstoff-Brenners aus dem Inneren eines Ofens betrachtet zeigt;
3 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Flamme des Festbrennstoff-Brenners nahe dem Umlaufstrom auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings gebildet wird, wenn die Ausführungsform 1 des Festbrennstoff-Brenners im Hochlastzustand verwendet wird;
4 ist eine horizontale Schnittansicht, die die Struktur einer Verbrennungsvorrichtung zeigt, bei der die Ausführungsform 1 der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird;
5 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel des in 1 gezeigten Festbrennstoff-Brenners zeigt;
6 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres, anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt;
7 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur des Festbrennstoff-Brenners, bei dem ein Flammenstabilisierring mit einer anderen Struktur verwendet wird, aus dem Inneren eines Ofens betrachtet zeigt;
8 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 2 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners ohne einen Konzentrator zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem von dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßener Brennstoff in einem Niedriglastzustand brennt;
9 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 3 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem von dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßener Brennstoff in einem Niedriglastzustand brennt;
10 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur einer Verbrennungsvorrichtung zeigt, bei der der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner verwendet wird;
11 ist eine horizontale Schnittansicht der Verbrennungsvorrichtung gemäß 10;
12 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur eines weiteren Beispiels einer Verbrennungsvorrichtung zeigt, bei der der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner verwendet wird;
13 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 6 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem die Flamme des Festbrennstoff-Brenners nahe dem Umlaufstrom auf der Stromabseite eines Flammenstabilisierrings gebildet wird, wenn die Ausführungsform 6 des Festbrennstoff-Brenners im Niedriglastzustand verwendet wird;
14 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur der Ausführungsform 6 des Festbrennstoff-Brenners aus dem Inneren einer Verbrennungsvorrichtung gesehen zeigt;
15 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Flamme des Festbrennstoff-Brenners nahe dem Umlaufstrom auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings gebildet wird, wenn die Ausführungsform 6 des Festbrennstoff-Brenners im Hochlastzustand verwendet wird;
16 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines Düsenteils des Festbrennstoff-Brenners zeigt;
17 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform 7 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und in dem Festbrennstoff-Brenner ist die Installationsposition der zusätzlichen Luftdüse verändert;
18 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform 8 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und der Festbrennstoff-Brenner weist keinen Konzentrator auf;
19 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 9 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem der im Niedriglastzustand aus dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßene Brennstoff brennt;
20 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 9 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem der im Hochlastzustand aus dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßene Brennstoff brennt; und
21 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer weiteren Struktur des Flammenstabilisierrings zeigt.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Ausführungsformen des Festbrennstoff-Brenners, des Verbrennungsverfahrens, bei dem der Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, der Verbrennungsvorrichtung mit den Festbrennstoff-Brennern und des Verfahrens zu Betreiben der erfindungsgemäßen Verbren nungsvorrichtung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
1 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 1 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem die Flamme 20 des Festbrennstoff-Brenners nahe einem Umlaufstrom 19 auf der Stromabseite eines Flammenstabilisierrings 23 gebildet wird, wenn die Ausführungsform 1 des Festbrennstoff-Brenners im Niedriglastzustand verwendet wird. 2 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur der Ausführungsform 1 des Festbrennstoff-Brenners aus dem Inneren eines Ofens 41 betrachtet zeigt.
Der Festbrennstoff-Brenner gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 umfasst eine Verbrennungsverbesserungsölkanone 24 im mittleren Teil und eine Brennstoffdüse 11 zum Ausstoßen des Fluidgemischs aus dem Brennstoff und dem Transportgas des Brennstoffs um die Verbrennungsverbesserungsölkanone 24. Mehrere zusätzliche Luftdüsen 12 sind so angeordnet, dass die Düsenausgänge von einer äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 zur Mittelachse des Festbrennstoff-Brenners ausgerichtet sind.
Die Verbrennungsverbesserungsölkanone 24, die so angeordnet ist, dass sie in den mittleren Teil der Brennstoffdüse eindringt, wird zum Entzünden des Brennstoffs beim Aktivieren des Festbrennstoff-Brenners verwendet.
In der Brennstoffdüse 11 sind von der Stromaufseite in der genannten Reihenfolge ein Strömungsbahn-Verengungsglied (eine Venturidüse) 32, eine Einbaute (ein Konzentrator) 33 und ein Separator 35 angeordnet. Die zusätzlichen Luftdüsen 12 sind auf eine Richtung eingestellt, in der die zur äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 ausgestoßene Luft nahezu senkrecht zum Strom des Fluidgemischs in der Brennstoffdüse 11 wird. Daher befindet sich der Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 an einer Position, an der der Ausgang den Separator 35 überlappt, wenn der Ausgang aus einer zur Achse des Brenners vertikalen Richtung betrachtet wird.
Außerhalb der Brennstoffdüse 11 befinden sich die ringförmigen äußeren Luftdüsen (eine sekundäre Luftdüse 13, eine tertiäre Luftdüse 14) zum Ausstoßen von Luft, und die ringförmigen äußeren Luftdüsen sind konzentrisch zur Brennstoffdüse 11.
Eine als Flammenstabilisierring 23 bezeichnete Einbaute ist im vorderen Endabschnitt der Brennstoffdüse angeordnet, d. h. an der Ausgangsseite des Ofens. Der Flammenstabilisierring 23 dient als Hindernis für den aus der Brennstoffdüse 11 ausgestoßenen, aus dem Brennstoff und dem Transportgas zusammengesetzten Brennstoffstrom 16 und den sekundären Luftstrom 17, der durch die sekundäre Luftdüse 13 strömt. Daher nimmt der Druck auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23, d. h. auf der Seite der Verbrennungsvorrichtung 41, ab, und eine Strömung in der der Richtung des Brennstoffstrahls 16 und des sekundären Luftstroms entgegengesetzten Richtung wird induziert. Die Strömung in der Gegenrichtung wird als Umlaufstrom 19 definiert.
Durch die Verbrennung von Brennstoff erzeugtes Gas mit hoher Temperatur strömt von der Stromabseite ins Innere des Umlaufstroms 19 und stagniert im Umlaufstrom 19. Wenn das Gas mit hoher Temperatur und der Brennstoff im Brennstoffstrahl 16 am Ausgang des Festbrennstoff-Brenners vermischt werden, wird die Tempe ratur der Brennstoffpartikel durch die Strahlungswärme aus dem Inneren des Ofens 41 erhöht, wodurch sie entzündet werden.
Die sekundäre Luftdüse 13 und die tertiäre Luftdüse 14 sind durch eine Trennwand 29 voneinander getrennt, und der vordere Endabschnitt der Trennwand 29 ist so in einer Führung 29a zum Ausstoßen des Stroms der tertiären Luft 18 ausgebildet, dass er einen Winkel zum Brennstoffstrahl 16 aufweist. Wenn eine Führung 25, 29a zum Führen der Ausstoßrichtung der Luft in die Richtung weg von der Mittelachse des Brenners am Ausgang der Strömungsbahnen der äußeren Luftdüsen (der sekundären Luftdüse 13 und der tertiären Luftdüse 14) angeordnet ist, ist die Führung zusammen mit dem Flammenstabilisierring 23 zum leichten Bilden des Umlaufstroms 19 nützlich.
Um der von der sekundären Luftdüse 13 und der tertiären Luftdüse 14 ausgestoßenen Luft Wirbelungskraft zu verleihen, sind Wirbler 27 und 28 in der sekundären Luftdüse 13 und der tertiären Luftdüse 14 angeordnet.
Ein Brennerhals 30, der die Wand des Ofens bildet, dient auch als äußere Umfangswand der tertiären Luftdüse. In der Wand des Ofens sind Wasserleitungen 31 angeordnet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 1 wird die Sauerstoffkonzentration in dem durch die Brennstoffdüse 11 strömenden Brennstoffstrahl 16 unter Verwendung des Verbrennungsabgases als Transportgas für den Brennstoff verringert. Ein Beispiel, bei dem ein derartiges Verbrennungsverfahren angewendet wird, ist die Verbrennung von Kohle, wie Braunkohle oder Lignit, die typisch für einen niedrigen Kohlungsgrad sind, Torf oder Holz.
Diese Brennstofftypen haben im Vergleich zu Kohle mit einem hohen Kohlungsgrad, wie bituminöser Kohle oder Anthrazitkohle, ei nen niedrigen Brennwert und weisen im Allgemeinen eine geringe Mahlbarkeit oder Pulverisierbarkeit auf. Überdies weist die Verbrennungsasche dieser Festbrennstoffe eine geringe Schmelztemperatur auf. Da diese Festbrennstoffe viele flüchtige Substanzen enthalten, entzünden sich diese Festbrennstoffe bei einem Lagerungsprozess und einem Pulverisierungsprozess in einer Luftatmosphäre leicht selbst und sind dementsprechend im Vergleich zu bituminöser Kohle schwer zu handhaben. Wenn Braunkohle oder Lignit zur Verbrennung pulverisiert wird, wird ein Gasgemisch aus Verbrennungsabgas und Luft als Transportgas für den Brennstoff verwendet, um eine Selbstentzündung dieser Brennstoffe zu verhindern. Das Verbrennungsabgas reduziert die Sauerstoffkonzentration und unterdrückt die Oxidationsreaktion (das Verbrennen), um eine Selbstverbrennung des Brennstoffs zu verhindern. Andererseits kann die gehaltene Wärme des Verbrennungsabgases zum Trocknen des Brennstoffs durch Verdampfen der Feuchtigkeit in dem Brennstoff genutzt werden.
Wird der Brennstoff aus einem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßen, wird die Oxidationsreaktion des von dem Transportgas mit niedriger Sauerstoffkonzentration transportierten Brennstoffs durch die Sauerstoffkonzentration um den Brennstoff begrenzt. Dementsprechend ist die Verbrennungsgeschwindigkeit im Vergleich zu der bei einem durch Luft transportierten Brennstoff niedrig. Da die Oxidationsreaktion von Brennstoff im Allgemeinen nach dem Vermischen des Brennstoffs mit aus der Luftdüse ausgestoßener Luft aktiviert wird, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit von der Vermischungsgeschwindigkeit mit der Luft bestimmt. Wenn daher ein Brennstoff wie Braunkohle oder Lignit im Niedriglastzustand des Festbrennstoff-Brenners verbrannt wird, in dem die Menge des verbrannten Brennstoffs gering ist, kann im Vergleich zur Verbrennung von bituminöser Kohle häufiger ein Ausblasen oder ein Erlöschen der Flamme 20 auftreten. Ferner ist die Zeitspanne für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs im Vergleich zur Zeitspanne für die vollständige Verbrennung bei einem Transport des Brennstoffs unter Verwendung von Luft länger, und dementsprechend nimmt die Menge an nicht verbrannten Komponenten oder Kohlenstoffen am Ausgang des Ofens 41 zu. Ferner ist die Flammentemperatur aufgrund der geringen Verbrennungsgeschwindigkeit niedrig. Dadurch ist die Reduktionsreaktion von Stickoxiden NOx zu Stickstoff in der Reduktionsatmosphäre mit einer hohen Temperatur von über 1.000°C schwer zu verwenden, und dementsprechend wird die Konzentration von NOx am Ausgang des Ofens im Vergleich zum Transport des Brennstoffs unter Verwendung von Luft höher.
Die vorliegende Ausführungsform 1 umfasst die zusätzlichen Luftdüsen 12 zum Ausstoßen von Luft in einer zur Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls im Inneren der Brennstoffdüse nahezu senkrechten Richtung. Wenn der aus der zusätzlichen Luftdüse 12 auszustoßende zusätzliche Luftstrahl 21 in der zur Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls nahezu senkrechten Richtung ausgestoßen wird, wird die Vermischung des Brennstoffstrahls mit der zusätzlichen Luft beschleunigt, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Brennstoffpartikeln und dem zusätzlichen Luftstrahl höher als die Geschwindigkeitsdifferenz in einem Fall ist, in dem der aus der zusätzlichen Luftdüse 12 auszustoßende zusätzliche Luftstrom parallel zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird. Insbesondere da die spezifische Dichte der Brennstoffpartikel größer als die von Luft ist, werden die Brennstoffpartikel durch eine Trägheitskraft in den zusätzlichen Luftstrahl gemischt.
Ferner befindet sich der Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 bei der vorliegenden Ausführungsform 1 an einer Position, an der der Ausgang den Separator 35 überlappt, wenn der Ausgang aus einer zu einer Achse des Brenners vertikalen Richtung betrachtet wird. Daher wird die Ausstoßrichtung von dem Separator 35 blockiert, und dementsprechend erweitert sich der zusätzliche Luftstrahl 21 nicht zur innerseitigen Strömungsbahn 36 des Separators 35, wodurch er durch die äußere Strömungsbahn 37 strömt.
Der Strömungswiderstand der äußeren Strömungsbahn 37 des Separators 35 ist im Vergleich zum Strömungswiderstand der inneren Strömungsbahn 36 groß, da der zusätzliche Luftstrahl 21 vermischt wird. Wird die Menge der zusätzlichen Luft erhöht, wird die Menge des durch die äußere Strömungsbahn 37 des Separators 35 strömenden Transportgases verringert. Da die Brennstoffpartikel andererseits aufgrund der Trägheitskraft, die größer als die des Gases ist, unabhängig vom Strömungswiderstand in die äußere Strömungsbahn 37 strömen, bleibt die Menge der durch die äußere Strömungsbahn 37 des Separators 35 strömenden Brennstoffpartikel annähernd unverändert.
Wird die Menge der zusätzlichen Luft erhöht, nimmt daher die Menge des Transportgases ab, das zusammen mit den Brennstoffpartikeln in die äußere Strömungsbahn 37 gelangt. Da das Transportgas durch die zusätzliche Luft ersetzt wird, ist die Verdünnung der Sauerstoffkonzentration im Vergleich zu einem einfachen Vermischen des Transportgases mit der zusätzlichen Luft geringer, und dementsprechend wird die Sauerstoffkonzentration hoch. Ferner kann der Separator 35 eine Zerstreuung der Brennstoffpartikel durch die beim Vermischen der zusätzlichen Luft mit dem Transportgas erzeugte Störung verhindern. Daher ist die Sauerstoffkonzentration in der äuße ren Strömungsbahn 37 des Separators 35 hoch, und die Brennstoffdichte ist ebenfalls hoch.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 ist die Verbrennungsreaktion nach dem Ausstoß aus der Brennstoffdüse 11 durch die hohe Sauerstoffkonzentration und die hohe Brennstoffdichte leicht zu beschleunigen, und die Flamme 20 am Ausgang der Brennstoffdüse kann stabil gebildet werden.
Um eine Rückzündung oder einen Abbrand durch die Bildung einer Flamme 20 im Inneren der Brennstoffdüse 11 zu verhindern, ist der Abstand zwischen dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 und dem Ausgang der Luftdüse vorzugsweise so festgelegt, dass die Verweildauer nach dem Mischen des Brennstoffstrahls mit dem zusätzlichen Luftstrahl 21 kürzer als die Entzündungszeitverzögerung des Brennstoffs sein kann. Im Allgemeinen ist der Index die Entzündungszeitverzögerung eines Brenngases (ca. 0,1 Sekunden), die kürzer als die Entzündungszeitverzögerung von pulverisierter Kohle ist. Da das Brennstofftransportgas im Inneren der Brennstoffdüse im Allgemeinen mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 12 bis 20 m/s strömt, ist der Abstand zwischen dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 und dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 kürzer als 1 m.
Ferner ist bei der vorliegenden Ausführungsform 1 ein Strömungsbahn-Verengungsglied (eine Venturidüse) 32 zur Verengung der im Inneren der Brennstoffdüse 11 vorgesehenen Strömungsbahn in der äußeren Seitenwand 22 stromaufseitig der Brennstoffdüse 11 angeordnet. Eine Einbaute (ein Konzentrator) 33 zum einmaligen Verengen und zum anschließenden Erweitern der Strömungsbahn ist außerhalb der Ölkanone 24 im mittleren Teil der Brennstoffdüse im Inneren der Brennstoffdüse 11 angeordnet. Die Einbaute 33 ist auf der Stromabseite des Strömungsbahn-Verengungsglieds 32 (auf der Seite des Ofens 41) im Festbrennstoff-Brenner angeordnet.
Die Venturidüse 32 induziert die Geschwindigkeitskomponente in der Richtung zur Mittelachse der Brennstoffdüse im Transportgas und den Brennstoffpartikeln. Durch Anordnen des Konzentrators 33 auf der Stromabseite der Venturidüse 32 wird eine Geschwindigkeitskomponente zur äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse im Transportgas und den Brennstoffpartikeln induziert. Da die Trägheitskraft der Brennstoffpartikel größer als die des Brennstofftransportgases ist, können die Brennstoffpartikel dem Strom des Brennstofftransportgases nicht folgen. Daher verändern die Brennstoffpartikel aus einer Zone mit hoher Dichte nahe der der Strömungsbahn gegenüber liegenden Wandfläche ihre Richtung. Durch Induzieren der Geschwindigkeitskomponente zur Außenseite der Trennwand 22 der Brennstoffdüse durch die Venturidüse 32 und den Konzentrator 33 strömt der Brennstoff in der äußeren Strömungsbahn 37 des Separators 34 entlang der äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11.
Da die von der zusätzlichen Luftdüse 12 ausgestoßene Luft zur äußeren Strömungsbahn 37 des Separators 35 ausgestoßen wird, ist die Zone mit der hohen Brennstoffdichte und der hohen Sauerstoffkonzentration zur inneren Wandfläche der äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 ungleichmäßig geformt. Dadurch wird die Verbrennungsreaktion der aus der Brennstoffdüse 11 ausgestoßenen Brennstoffpartikel durch die hohe Brennstoffdichte und die hohe Sauerstoffkonzentration leicht zu beschleunigen, und dementsprechend wird die Flamme 20 am Ausgang der Brennstoffdüse 11 stabil gebildet.
Zu diesem Zeitpunkt vermischt sich der auf der Seite der inneren Wandfläche der äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 strömende Brennstoffstrahl an einer Position nahe dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 leicht mit der von der äußeren Luftdüse ausgestoßenen Luft. Wenn sich der Brennstoffstrahl mit dem Gas mit hoher Temperatur des auf der Seite des Rückstroms des Flammenstabilisierrings 23 erzeugten Umlaufstroms vermischt, wird ferner ein Anstieg der Temperatur der Brennstoffpartikel veranlasst, und der Brennstoff neigt dazu, sich zu entzünden.
Die Luft wird von der zusätzlichen Luftdüse 12 in der zur Richtung des im Inneren der Brennstoffdüse 11 strömenden Brennstoffstrahls nahezu senkrechten Richtung ausgestoßen, der Separator 35 ist in der Brennstoffdüse 11 angeordnet, und ein Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 befindet sich in einer Position, in der ein Ausgang den Separator überlappt, wenn der Ausgang aus einer zur Achse des Brenners vertikalen Richtung betrachtet wird, wie vorstehend beschrieben. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration an einer Position nahe der äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 hoch. Die Vermischung der Brennstoffpartikel mit der Luft wird beschleunigt, und die Flamme 20 wird stabil am Ausgang der Brennstoffdüse 11 gebildet. Daher kann die Verbrennung bei einer Last stabil fortgesetzt werden, die niedriger als eine herkömmliche geringe Last ist.
Gemäß 1 ist der Durchmesser des stromaufseitigen Endes des Separators 35 kleiner als der Durchmesser der Einbaute 33 an der Brennstoffdüse 11. Dies bedeutet, dass der Querschnittsbereich der Strömungsbahn der äußeren Strömungsbahn 37 am stromaufseitigen Endabschnitt des Separators 35 unter der vom Separator 35 geteilten Brennstoffdüsenströmungsbahn größer als der Querschnittsbereich der durch die Einbaute 33 verengten Strömungsbahn ist. Durch eine derartige Struktur der vorstehend beschriebenen Brennstoffdüse ist der stromaufseitige Endabschnitt des Separators durch die Einbaute 33 verborgen, wenn der Brennstoffausstoßausgang von der Stromaufseite der Brennstoffdüse 11 betrachtet wird. Daher können die Brennstoffpartikel aufgrund der Trägheitskraft leicht in die äußere Strömungsbahn 37 des Separators 35 gelangen.
Die Brennstoffdichte in der äußeren Strömungsbahn der Brennstoffdüse 11 wird hoch, da die Menge der mit dem stromaufseitigen Endabschnitt des Separators 35 kollidierenden Brennstoffpartikel abnimmt, wodurch der Strom gestört wird.
In einem Fall, in dem Braunkohle oder Lignit bei einer hohen thermischen Last verbrannt wird, nimmt die Menge des an einer Position nahe dem Festbrennstoff-Brenner verbrannten Brennstoffs unter günstigen Mischbedingungen von Luft und Brennstoff zu, da der Brennstoff eine große Menge an flüchtigen Substanzen enthält. Dementsprechend wird die thermische Last nahe dem Festbrennstoff-Brenner lokal erhöht. Zu diesem Zeitpunkt wird der Temperaturanstieg der Struktur des Festbrennstoff-Brenners und der Wand des Ofens durch Strahlungswärme von der Flamme 20 erhöht.
Bei einer niedrigen Schmelztemperatur der Verbrennungsasche besteht die Möglichkeit, dass durch an der Wand des Ofens, etc. haftende und schmelzende Verbrennungsasche eine Pfropfenbildung verursacht wird. Wenn die an der Wand des Ofens, etc. haftende Verbrennungsasche anwächst, besteht die Möglichkeit, dass eine Blockierung der Strömungsbahn des Festbrennstoff-Brenners oder das Auftreten einer Instabilität des Wärmeabsorptionsgleichgewichts der Ofenwand verursacht wird. Im schlimmsten Fall kann der Betrieb der Verbrennungsvorrichtung eingestellt werden. Besonders Braunkohle und Lignit neigen dazu, eine Pfropfenbildung zu verursachen, da die Schmelztemperatur der Verbrennungsasche von Braunkohle und Lignit im Vergleich zu der von bituminöser Kohle niedrig ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 1 wird das Problem der im Hochlastzustand leicht verursachten Pfropfenbildung durch Verändern der Position der Bildung der Flamme 20 entsprechend einer Veränderung der Last des Festbrennstoff-Brenners gelöst. Dies bedeutet, dass die Flamme 20 an einer vom Festbrennstoff-Brenner entfernten Position gebildet wird, wenn der Lastzustand hoch ist, und dass die Flamme 20 an einer Position nahe dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 gebildet wird, wenn der Lastzustand niedrig ist. Im Niedriglastzustand ist die Temperatur des Festbrennstoff-Brenners und der Wand des Ofens um den Festbrennstoff-Brenner aufgrund der niedrigen thermischen Last im Ofen 41 selbst dann niedriger als im Falle eines Hochlastzustands, wenn die Flamme 20 nahe an die Wand des Ofens oder den Festbrennstoff-Brenner gebracht wird. Daher tritt keine Pfropfenbildung auf.
Wenn der Lastzustand bei der vorliegenden Ausführungsform 1 niedrig ist, wird die Flamme 20 von einer Position nahe dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 gebildet, und das Gas mit hoher Temperatur stagniert in dem Umlaufstrom 19, der auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23 und der Führung 25 gebildet wird. Ferner wird die Sauerstoffkonzentration im Brennstoffstrahl 16 nahe dem Flammenstabilisierring 23 durch Öffnen eines Stromventils 34 der zusätzlichen Luftdüse 12 zur Zufuhr von Luft erhöht. Da die Verbrennungsgeschwindigkeit dadurch im Vergleich zu dem Zustand mit niedriger Sauerstoffkonzentration höher wird, kann die Entzündung der Brennstoffpartikel vorgezogen werden, um die Flamme 20 nahe der Brennstoffdüse 11 zu bilden.
Im Hochlastzustand wird die Flamme 20 zur Verringerung der thermischen Last nahe dem Festbrennstoff-Brenner an einer vom Festbrennstoff-Brenner entfernten Position gebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform 1 wird die Menge der zugeführten Luft durch Schließen des Stromventils 34 der zusätzlichen Luftdüse 12 im Vergleich zu dem Fall des Niedriglastzustands verringert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Sauerstoffkonzentration im Brennstoffstrahl 16 an der Position nahe dem Flammenstabilisierring 23 geringer als im Niedriglastzustand, um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu verringern. Dadurch wird die Temperatur des auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23 erzeugten Umlaufstroms verringert, um die Menge an von der Struktur des Festbrennstoff-Brenners empfangener Strahlungswärme zu verringern, und dementsprechend kann das Auftreten einer Pfropfenbildung unterdrückt werden.
3 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Flamme des Festbrennstoff-Brenners getrennt von dem Umlaufstrom 19 auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23 gebildet wird, wenn die Ausführungsform 1 des Festbrennstoff-Brenners im Hochlastzustand verwendet wird.
4 ist eine horizontale Schnittansicht, die die Struktur einer Verbrennungsvorrichtung zeigt, bei der die Ausführungsform 1 des Festbrennstoff-Brenners 42 verwendet wird. Wenn die Festbrennstoff-Brenner 42 im Hochlastzustand verwendet werden, wie in 3 gezeigt, werden die Flammen 20 vorzugsweise im Inneren des Ofens 41 miteinander vermischt, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Abbrands zu verringern.
Obwohl 4 eine Struktur zeigt, bei der die Festbrennstoff-Brenner 42 in den vier Ecken der Wand des Ofens angeordnet sind, kann das Gleiche im Falle eines Typs mit gegenüber erfolgender Verbrennung ausgesagt werden, in dem die Festbrennstoff-Brenner 42 an den gegenüberliegenden Wanden der Verbrennungsvorrichtung angeordnet sind.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Ausführungsform 1 erfolgte eine Beschreibung der Abhilfe beim Auftreten einer Pfropfenbildung bei einem niedrigen Schmelzpunkt der Verbrennungsasche. Wenn der Schmelzpunkt der Verbrennungsasche des Festbrennstoffs hoch ist oder wenn das Problem der Pfropfenbildung aufgrund eines Niedriglastzustands des Ofens nicht auftritt, kann die Flamme des Festbrennstoff-Brenners am Ausgang der Brennstoffdüse gebildet werden, wie in 1 gezeigt.
Zur Reduzierung der durch die Verbrennung erzeugten Stickoxide NOx wird die Menge der Luft vorzugsweise so gesteuert, dass ein Verhältnis der Gesamtmenge der von der zusätzlichen Luftdüse zugeführten Luft zur Menge der zum vollständigen Verbrennen der flüchtigen Substanzen erforderlichen Luft 0,85 bis 0,95 werden kann.
Der meiste Brennstoff wird mit von den vorstehend beschriebenen, in der Brennstoffdüse 11 enthaltenen Düsen zugeführter Luft gemischt verbrannt (der erste Schritt) und anschließend mit dem sekundären Luftstrom 17 und dem tertiären Luftstrom 18 gemischt verbrannt (der zweite Schritt). Ferner wird der Brennstoff in einem Fall, in dem auf der Stromabseite des Festbrennstoff-Brenners ein Folgeluftanschluss 49 (siehe 9) zur Zufuhr von Luft in die Verbrennungsvorrichtung 41 angeordnet ist, vollständig verbrannt, indem er mit aus dem Folgeluftanschluss 49 zugeführter Luft vermischt wird (der dritte Schritt). Die flüchtigen Substanzen in dem Brennstoff werden in dem vorstehend beschriebenen ersten Schritt verbrannt, da die Verbrennungsgeschwindigkeit der flüchtigen Substanzen höher als die von Festbrennstoff ist.
Wenn das Verhältnis der Luft zu den flüchtigen Substanzen zu diesem Zeitpunkt auf 0,85 bis 0,95 eingestellt ist, kann die Verbrennung des Brennstoffs beschleunigt werden, damit es mit einer hohen Flammentemperatur verbrannt wird, obwohl in diesem Zustand Sauerstoff fehlt. Da der Brennstoff bei der Verbrennung im ersten Schritt bei mangelndem Sauerstoff einer Reduktionsverbrennung unterzogen wird, werden die aus dem Stickstoff im Brennstoff und dem Stickstoff in der Luft erzeugten Stickoxide (NOx) in harmlosen Stickstoff umgewandelt, und dementsprechend kann die Menge des von dem Ofen 41 ausgestoßenen NOx verringert werden. Da der Brennstoff bei einer hohen Temperatur reagiert, wird die Reaktion im zweiten Schritt beschleunigt, wodurch die Menge an nicht verbrannten Komponenten verringert wird.
Wie in 2 gezeigt, ist bezüglich des Festbrennstoff-Brenners von der Seite des Ofens 41 aus betrachtet der Festbrennstoff-Brenner gemäß der vorliegenden Ausführungsform zylindrisch, wobei die zylindrische Brennstoffdüse 11, die zylindrische sekundäre Düse 13 und die zylindrische tertiäre Düse konzentrisch angeordnet sind.
5 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines Düsenteils des Festbrennstoff-Brenners zeigt. Die Brennstoffdüse 11 kann rechteckig sein, der Konzentrator 33 kann dreieckig sein, oder die Luftdüsenstruktur, bei der die Brennstoffdüse zwischen zumindest einem Teil der äußeren Luftdüsen, wie der sekundären Luftdüse 13, der tertiären Luftdüse 14, etc. angeordnet ist, kann akzeptabel sein. Ferner kann die Außenluft aus einer einzigen Düse zugeführt werden, oder die in drei oder mehr Teile unterteilte Düsenstruktur kann akzeptabel sein.
6 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres, anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt. Bei diesem Beispiel ist eine innere Luftdüse 38 in dem Festbrennstoff-Brenner 42 angeordnet und unter Verwendung einer Leitung mit einem Luftkasten 26 verbunden. Ein Teil der dem Festbrennstoff-Brenner zugeführten Luft wird aus der inneren Luftdüse 38 ausgestoßen.
Bei der Vermischung der Luft aus der Brennstoffdüse wird die Vermischung des Brennstoffs und der Luft im Vergleich zu der Vermischung unter ausschließlicher Verwendung der äußeren Luftdüsen 13 und 14 beschleunigt. Ferner wird beim Ausstoß einer großen Menge an Luft aus der inneren Luftdüse 38 die Strömungsgeschwindigkeit des im seitlichen Abschnitt strömenden Brennstoffstrahls 16 erhöht, und dadurch kann die Position der Zündung des Brennstoffs entfernt vom Festbrennstoff-Brenner eingestellt werden. Dadurch kann durch Verringern der Menge der aus der zusätzlichen Luftdüse 12 ausgestoßenen Luft und durch Erhöhen der Menge der aus der inneren Luftdüse 38 ausgestoßenen Luft ein Fall bewerkstelligt werden, in dem die Flamme im Hochlastzustand an einer von dem Festbrennstoff-Brenner entfernten Position gebildet wird.
Ferner verjüngt sich der Separator 35 des in 6 gezeigten Festbrennstoff-Brenners auf der Stromaufseite. Durch die sich verjüngende Form des Separators wird das Verhältnis zwischen den durch die innere Strömungsbahn 37 strömenden Mengen des Brennstoffstrahls 16 und dem durch die äußere Strömungsbahn 37 strömenden Brennstoffstrahl durch den Separator 35 geteilt.
Bei dem in 6 gezeigten Festbrennstoff-Brenner wird die Strömungsgeschwindigkeit in der äußeren Strömungsbahn 37 des Separators 35 verringert, da sich der Querschnittsbereich der Strömungsbahn durch die konische Form erweitert, und dementsprechend kann die von der zusätzlichen Luftdüse 12 ausgestoßene zusätzliche Luft 21 den Separator leicht erreichen. Da die Strömungs geschwindigkeit des Stroms 16 des Brennstoffs und des Transportgases am äußeren Umfang des Ausgangs der Brennstoffdüse 11 verringert wird, entzünden sich die Brennstoffpartikel ferner an einer Position nahe dem Festbrennstoff-Brenner leicht. Daher kann die Flamme 20 von einem Abschnitt nahe dem Festbrennstoff-Brenner leicht gebildet werden.
7 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur des Festbrennstoff-Brenners, bei dem ein Flammenstabilisierring mit einer anderen Struktur verwendet wird, aus dem Inneren eines Ofens betrachtet zeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann ein gezahnter Flammenstabilisierring 54 mit vorstehenden, plattenförmigen Kanten im Ausgang der Brennstoffdüse 11 angeordnet sein, wie in 7 gezeigt. Der Brennstoff strömt zur leichten Entzündung zur Rückseite des gezahnten Flammenstabilisierrings 54 herum. Dies bedeutet, dass der Brennstoff auf der Rückseite des gezahnten Flammenstabilisierrings 54 entzündet wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
8 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 2 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners ohne einen Konzentrator zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem der von dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßene Brennstoff in einem Niedriglastzustand brennt. Bei der Ausführungsform 1 ist der Konzentrator 33 in der Brennstoffdüse 11 angeordnet. Selbst ohne den Konzentrator 33 wird jedoch, wie bei der vorliegenden Ausführungsform 2, die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Brennstoffpartikeln und der Luft größer als bei einem Ausstoßen der zusätzlichen Luft parallel zur Richtung des Brennstoffstrahls, wenn Luft in der zur Richtung des im Inneren der Brennstoffdüse 11 strömenden Brennstoffstrahls nahezu senkrechten Richtung aus der zusätzlichen Luftdüse 12 ausgestoßen wird, und der Brennstoffstrahl und die Luft werden ähnlich wie im Fall der Ausführungsform 1 miteinander vermischt.
Ferner sind die zusätzliche Luftdüse 12 und der Separator 35 an der in einer zur Ausstoßrichtung des aus der Brennstoffdüse 11 ausgestoßenen Fluidgemischs senkrechten Richtung überlappenden Position angeordnet. Daher wird das Strömen des zusätzlichen Luftstrahls 21 in der Ausstoßrichtung durch den Separator 35 blockiert, und dementsprechend erweitert er sich nicht in die innere Strömungsbahn 36 des Separators 34, sondern strömt durch die äußere Strömungsbahn 37.
Der Strömungswiderstand der äußeren Strömungsbahn 37 des Separators 35 ist größer als der der inneren Strömungsbahn 36, da der zusätzliche Luftstrahl 21 mit dem Fluidgemisch vermischt wird. Wenn die Menge der zusätzlichen Luft erhöht wird, wird die Menge des in der äußeren Strömungsbahn 37 strömenden Transportgases verringert. Andererseits strömen die Brennstoffpartikel unabhängig von dem Strömungswiderstand in die äußere Strömungsbahn 37, da die Trägheitskraft der Brennstoffpartikel größer als die von Gas ist. Daher bleibt die Menge an Brennstoffpartikeln annähernd unverändert.
Wenn die Menge an zusätzlicher Luft erhöht wird, wird daher die Menge an Transportgas verringert, die zusammen mit den Brennstoffpartikeln in die äußere Strömungsbahn 37 gelangt, und das Transportgas wird durch die zusätzliche Luft ersetzt. Verglichen mit dem Fall, in dem die zusätzliche Luft parallel zur Strömungsrichtung des Transportgases strömt, ist die Verdünnung der Sauerstoffkonzentration geringer, und dementsprechend wird die Sauerstoffkonzentra tion höher. Ferner kann der Separator 35 eine Zerstreuung der Brennstoffpartikel durch die beim Mischen der zusätzlichen Luft mit dem Transportgas erzeugte Störung verhindern. Dadurch ist die Sauerstoffkonzentration in der äußeren Strömungsbahn 37 des Separators 35 hoch, und die Brennstoffdichte ist in Bezug auf das Transportgas in der äußeren Strömungsbahn 37 ebenfalls höher, da das meiste Transportgas durch die innere Strömungsbahn 36 strömt.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
9 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 3 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und die Ansicht zeigt einen Zustand, in dem von dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßener Brennstoff in einem Niedriglastzustand brennt. Die Hauptunterschiede zwischen der vorliegenden Ausführungsform 3 und der Ausführungsform 1 sind, dass die Brennstoffdüse 11 rechteckig ist und dass die Luftdüse 13 neben der Brennstoffdüse 11 angeordnet ist.
Das Innere der Brennstoffdüse 11 ist aus einer Einbaute (einem Konzentrator) 33 und einem Separator 35 aufgebaut, die von der Stromaufseite in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, und die Einbaute 33 ist an einer Position an einer Trennwand gegenüber der Luftdüse 13 der Brennstoffdüse 11 festgelegt. Die zusätzliche Luftdüse 12 ist auf eine Richtung eingestellt, in der die zur äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 ausgestoßene Luft nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluidgemischs wird, das durch die Brennstoffdüse 11 strömt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 in einer Position, in der er den Separator 35 in Bezug auf die Achse des Brenners überlappt.
Eine als Flammenstabilisierring 23 bezeichnete Einbaute ist am vorderen Endabschnitt angeordnet, d. h. auf der Ofenausgangsseite der Trennwand 22, die die Brennstoffdüse 11 von der Luftdüse 13 trennt. Der Flammenstabilisierring 23 dient als Hindernis für den aus dem Brennstoff und dem Transportgas, die aus der Brennstoffdüse 11 ausgestoßen werden, zusammengesetzten Brennstoffstrahl 16 und den Strom 17 der durch die Luftdüse 13 strömenden Luft. Dadurch wird der Druck auf der Stromabseite (der Seite des Ofens 41) des Flammenstabilisierrings 23 verringert, und ein Strom in einer dem Brennstoffstrahl 16 und dem Luftstrom 17 entgegengesetzten Richtung wird in diesem Abschnitt induziert. Diese Strömung in der entgegengesetzten Richtung wird als Umlaufstrom 19 bezeichnet.
Die Flamme 20 neigt dazu, sich von stromab der Trennwand 22 zu bilden, die die Brennstoffdüse 11 von der Luftdüse 12 trennt, wo die von der Luftdüse 13 ausgestoßene Luft und die Brennstoffpartikel leicht zu mischen sind. Durch Anordnen des Flammenstabilisierrings 23 stromabseitig der Trennwand 22 stagniert Brenngas mit einer hohen Temperatur aus dem Inneren des Ofens im Umlaufstrom 19. Das Gas mit hoher Temperatur und der Brennstoff im Brennstoffstrahl 16 werden am Ausgang des Festbrennstoff-Brenners vermischt, und die Temperatur der Brennstoffpartikel wird durch die Strahlungswärme des Ofens weiter erhöht, wodurch sich die Brennstoffpartikel entzünden.
Auf der Seite der Luftdüse 13 des Flammenstabilisierrings 23 ist eine Führung so ausgebildet, dass der Luftstrom 17 in einer Richtung ausgestoßen werden kann, die in Bezug auf die Richtung des Brennstoffstrahls 16 einen Winkel aufweist. Die Richtung des Luftstrahls wird durch das Anordnen der Führung 25 in eine Richtung geführt, die von der Mittelachse des Brenners weg führt. Daher ist es sinnvoll, durch Verringern des Drucks auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23 den Umlaufstrom 19 zu erzeugen.
Die vorliegende Ausführungsform 3 weist die zusätzliche Luftdüse 12 zum Ausstoßen von Luft in die Brennstoffdüse 11 in der zur Richtung des Brennstoffstrahls annähernd senkrechten Richtung auf. Wenn der aus der zusätzlichen Luftdüse 12 ausgestoßene zusätzliche Luftstrahl 21 nahezu senkrecht zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird, wird die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Brennstoffpartikeln und der Luft größer als die Geschwindigkeitsdifferenz bei einem zur Richtung des Brennstoffstrahls parallelen Ausstoß des zusätzlichen Luftstrahls 21, wodurch die Vermischung beschleunigt wird. Insbesondere werden die Brennstoffpartikel in den zusätzlichen Luftstrahl 21 gemischt, da die Dichte der Brennstoffpartikel höher als die von Gas ist.
Ferner befindet sich der Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 bei der vorliegenden Ausführungsform 3 an der Position, an der er den Separator 35 in Bezug auf die Achse des Brenners überlappt. Die Ausstoßrichtung des zusätzlichen Luftstrahls 21 wird von dem Separator 35 blockiert, damit er durch die Strömungsbahn 37 auf der Luftdüsenseite des Separators 35 strömt.
Die Strömungsbahn 37 auf der Luftdüsenseite des Separators 35 weist einen Strömungswiderstand auf, der größer als der der Strömungsbahn 36 auf der gegenüberliegenden Seite ist, da der zusätzliche Luftstrahl 21 vermischt wird. Wenn die Menge der zusätzlichen Luft erhöht wird, wird die Menge des durch die Strömungsbahn 37 auf der Seite der Luftdüse strömenden Transportgases verringert. Andererseits strömen die Brennstoffpartikel unabhängig von dem Strömungswiderstand in die äußere Strömungsbahn 37, da die Träg heitskraft der Brennstoffpartikel höher als die von Gas ist. Daher bleibt die Menge an Brennstoffpartikeln nahezu unverändert.
Wenn die Menge der zusätzlichen Luft erhöht wird, wird daher die Menge des Transportgases verringert, das zusammen mit den Brennstoffpartikeln in die Strömungsbahn 37 auf der Seite der Luftdüse gelangt. Da das Transportgas durch die zusätzliche Luft ersetzt wird, wird die Verdünnung der Sauerstoffkonzentration im Vergleich zu einem Fall, in dem das Transportgas und die zusätzliche Luft einfach gemischt werden, geringer, und dementsprechend wird die Sauerstoffkonzentration höher. Ferner kann der Separator 35 eine Zerstreuung der Brennstoffpartikel durch die beim Mischen der zusätzlichen Luft und des Transportgases erzeugte Störung verhindern. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration in der Strömungsbahn 37 auf der Seite der Luftdüse hoch.
Ferner wird durch die Einbaute (den Konzentrator) 33 eine Geschwindigkeitskomponente zur äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse in dem Brennstofftransportgas und den Brennstoffpartikeln induziert. Die Brennstoffpartikel strömen aufgrund der großen Trägheitskraft entlang der Strömungsbahn 37 auf der Luftdüsenseite des Separators 35, wodurch die Brennstoffdichte in dieser Zone erhöht wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
10 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur einer Verbrennungsvorrichtung zeigt, bei der der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, und 11 ist eine horizontale Schnittansicht des Ofens gemäß 10.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 4 sind die Festbrennstoff-Brenner 42 in der vertikalen Richtung der Verbrennungsvorrichtung (des Ofens) 41 in zwei Stufen angeordnet, und in den vier Ecken der Verbrennungsvorrichtung 41 sind die Festbrennstoff-Brenner 42 in der horizontalen Richtung auf die Mitte ausgerichtet. Der Brennstoff wird über einen Kohleförderer 44 aus einem Brennstoffbunker 43 einem Mahlwerk 45 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Brennstoff mit dem über eine Verbrennungsabgasleitung 55 auf der Stromabseite des Kohleförderers 44 aus einem oberen Teil der Verbrennungsvorrichtung 41 abgezogenen Verbrennungsabgas gemischt und anschließend in das Mahlwerk 45 eingeleitet.
Wenn der Brennstoff mit dem Verbrennungsabgas mit hoher Temperatur gemischt wird, wird die in dem Brennstoff enthaltene Wasserkomponente verdampft. Da die Sauerstoffkonzentration verringert ist, können ferner eine Selbstentzündung und eine Explosion des Gemischs aus dem Brennstoff und dem Gas selbst dann unterdrückt werden, wenn die Temperatur des Gemischs hoch wird, wenn der Brennstoff von dem Mahlwerk 45 pulverisiert wird. Bei Braunkohle beträgt die Sauerstoffkonzentration in den meisten Fällen 6 bis 15%. Den Festbrennstoff-Brennern 42 und einem auf der Stromabseite der Festbrennstoff-Brenner 42 angeordneten Folgeluftanschluss 49 wird von einem Gebläse 46 Luft zugeführt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 4 wird ein zweistufiges Verbrennungsverfahren verwendet, bei dem eine geringere Luftmenge als die zum vollständigen Verbrennen des Brennstoffs erforderliche Luftmenge in die Festbrennstoff-Brenner 42 geleitet wird und anschließend die übrige Luft von dem Folgeluftanschluss 49 zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf das einstufige Verbrennungsverfahren angewendet werden, bei dem die zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderliche Luftmenge in die Festbrennstoff-Brenner 42 geleitet wird, ohne dass ein Folgeluftanschluss 49 vorgesehen ist.
Die vorliegende Ausführungsform 4 umfasst keinen temporären Brennstoffspeicherteil zwischen dem Mahlwerk 45 und dem Festbrennstoff-Brenner 42.
AUSFÜHRUNGSFORM 5
12 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur eines weiteren Beispiels einer Verbrennungsvorrichtung zeigt, bei der der erfindungsgemäße Festbrennstoff-Brenner verwendet wird. Die vorliegende Erfindung kann auch auf das Brennstoffzufuhrverfahren angewendet werden, bei dem ein Brennstoffbunker 57 zwischen dem Mahlwerk 45 und dem Festbrennstoff-Brenner 42 angeordnet ist und unterschiedliche Gase für das durch eine Leitung 55 von dem Mahlwerk 45 zu dem Brennstoffbunker 57 strömende Transportgas und für das in der Leitung 56 von dem Bunker 57 zu dem Festbrennstoff-Brenner 42 strömende Transportgas verwendet werden.
Bei dem in 12 gezeigten Brennstoffzufuhrverfahren wird das Transportgas, das eine durch das Verdampfen von in den Brennstoffpartikeln enthaltener Feuchtigkeit im Inneren der Leitung 55 gewachsene Wärmekapazität aufweist, von dem Brennstoffbunkerteil getrennt und dann über die Stromabseite des Festbrennstoff-Brenners 42 des Ofens 41 in den Ofen 41 eingeleitet.
Da das in dem dem Festbrennstoff-Brenner 42 zugeführten Transportgas enthaltne Wasser durch Trennen des Transportgases reduziert wird, wie vorstehend beschrieben, wird die Flammentemperatur der vom Festbrennstoff-Brenner 42 gebildeten Flamme 20 erhöht, wodurch die Mengen an Stickoxiden und nicht verbrannten Bestandteilen oder nicht verbrannten Kohlenstoffen reduziert werden.
Wird der Festbrennstoff bei einer hohen Verbrennungslast verbrannt, treten einige Fälle auf, in denen Verbrennungsasche an den Strukturen des Festbrennstoff-Brenners und der Wand des Ofens haften bleibt, wodurch ein als Pfropfenbildung bezeichnetes Phänomen auftritt, bei dem die anhaftende Substanz anwächst. In einem Fall, in dem eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Pfropfenbildung besteht, kann die Pfropfenbildung durch Verändern des Verbrennungsverfahrens des Festbrennstoff-Brenners entsprechend der Verbrennungslast unterdrückt werden.
Dies bedeutet, dass die Flamme 20 im Hochlastzustand an einer von dem Festbrennstoff-Brenner 42 entfernten Position gebildet wird, um die thermische Last in der Nähe des Festbrennstoff-Brenners 42 zu verringern. Andererseits wird die Flamme 20 im Niedriglastzustand von einer Position nahe dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 gebildet. Bei einem derartigen Verbrennungsverfahren ist eine Überwachung der Flamme 20 erforderlich, um die Verbrennungsvorrichtung sicher zu betreiben.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Überwachungsverfahren vorzugsweise ebenfalls verändert, da das Verbrennungsverfahren entsprechend der Last verändert wird. Dies bedeutet, dass zur Überwachung der in jedem der Festbrennstoff-Brenner 42 gebildeten Flamme 20 im Niedriglastzustand Lastflammendetektoren 47 einzeln in den Festbrennstoff-Brennern 42 angeordnet sind. Andererseits muss im Hochlastzustand ein Lastflammendetektor 48 zur Überwachung des mittleren Teils der Verbrennungsvorrichtung installiert werden, da die Flamme 20 an vom Festbrennstoff-Brenner 42 entfernten Positionen gebildet wird. Die Flammen werden durch Auswählen von der Last und dem Verbrennungsverfahren entsprechenden Signalen der Flammendetektoren 47 und 48 überwacht.
Ferner können zur Verringerung der Menge der an den Strukturen der Festbrennstoff-Brenner und der Wand des Ofens 41 haftenden Ablagerungen im Hochlastzustand Thermometer oder Strahlungspyrometer an der Wand des Ofens 41 und in den Festbrennstoff-Brennern 42 angeordnet sein und die Strömungsmenge der zusätzlichen Luft auf der Grundlage der Signale der Thermometer oder Strahlungspyrometer gesteuert werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 6
13 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 6 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, und 14 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur des Festbrennstoff-Brenners aus dem Inneren einer Verbrennungsvorrichtung 41 gesehen zeigt.
Der Festbrennstoff-Brenner gemäß der vorliegenden Ausführungsform 6 umfasst eine Verbrennungsverbesserungsölkanone 24 im mittleren Teil und eine Brennstoffdüse 11 zum Ausstoßen des Fluidgemischs aus dem Brennstoff und dem Transportgas des Brennstoffs um die Verbrennungsverbesserungskanone 24. Mehrere zusätzliche Luftdüsen 12 sind in den Richtungen angeordnet, in denen die Düsenausgänge von einer äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 zur Mittelachse des Festbrennstoff-Brenners ausgerichtet sind.
Die Verbrennungsverbesserungskanone 24, die so angeordnet ist, dass sie in den mittleren Teil der Brennstoffdüse eindringt, wird zum Entzünden des Brennstoffs bei der Aktivierung des Festbrennstoff-Brenners verwendet.
Außerhalb der Brennstoffdüse 11 befinden sich die ringförmigen äußeren Luftdüsen (eine sekundäre Luftdüse 13 und eine tertiäre Luftdüse 14) zum Ausstoßen von Luft, und die ringförmigen äußeren Luftdüsen sind in Bezug auf die Brennstoffdüse 11 konzentrisch.
Eine als Flammenstabilisierring 23 bezeichnete Einbaute ist im vorderen Endabschnitt der Brennstoffdüse angeordnet, d. h. auf der Ausgangsseite der Verbrennungsvorrichtung. Der Flammenstabilisierring 23 dient als Hindernis für den aus dem aus der Brennstoffdüse 11 ausgestoßenen Brennstoff und Transportgas und zusammengesetzten Brennstoffstrahl 16 und den durch die sekundäre Luftdüse 13 strömenden sekundären Luftstrom 17. Daher wird der Druck auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23, d. h. auf der Seite der Verbrennungsvorrichtung 41, verringert, und eine Strömung in der der Richtung des Brennstoffstrahls 16 und des sekundären Luftstroms entgegengesetzten Richtung wird induziert. Die Strömung in der Gegenrichtung wird als Umlaufstrom 19 definiert.
Durch die Verbrennung von Brennstoff erzeugtes Gas mit hoher Temperatur strömt von der Stromabseite ins Innere des Umlaufstroms 19 und stagniert im Umlaufstrom 19. Wenn das Gas mit hoher Temperatur und der Brennstoff im Brennstoffstrahl 16 im inneren der Verbrennungsvorrichtung am Ausgang des Festbrennstoff-Brenners gemischt werden, steigt die Temperatur der Brennstoffpartikel durch die Strahlungswärme aus dem Inneren der Verbrennungsvorrichtung 41, wodurch sie sich entzünden.
Die sekundäre Luftdüse 13 und die tertiäre Luftdüse 14 sind durch eine Tennwand 29 voneinander getrennt, und der vordere Endabschnitt der Trennwand 29 ist so in einer Führung 25 zum Ausstoßen des Stroms der tertiären Luft 18 ausgebildet, dass er in Bezug auf den Brennstoffstrahl 16 einen Winkel aufweist. Wenn eine Führung 25 zum Leiten der Ausstoßrichtung der äußeren Luft in die Richtung weg von der Mittelachse des Brenners am Ausgang der Strömungsbahnen der äußeren Luftdüsen (der sekundären Luftdüse 13 und der tertiären Luftdüse 14) angeordnet ist, ist die Führung zusammen mit dem Flammenstabilisierring 23 zum leichten Bilden des Umlaufstroms 19 nützlich.
Um der von der sekundären Luftdüse 13 und der tertiären Luftdüse 14 ausgestoßenen Luft eine Wirbelkraft zu verleihen, sind Wirbler 27 und 28 in den Düsen 13 und 14 angeordnet.
Ein Brennerhals 30, der die Wand der Verbrennungsvorrichtung bildet, dient auch als äußere Umfangswand der tertiären Luftdüse. In der Wand der Verbrennungsvorrichtung sind Wasserleitungen 31 angeordnet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 6 wird die Sauerstoffkonzentration in dem durch die Brennstoffdüse 11 strömenden Brennstoffstrahls 16 durch die Verwendung des Verbrennungsabgases als Transportgas für den Brennstoff verringert. Ein Beispiel für die Anwendung eines derartigen Verbrennungsverfahrens ist die Verbrennung von Braunkohle oder Lignit.
Braunkohle und Lignit weisen im Vergleich zu Kohle mit einem hohen Kohlungsgrad, wie bituminöser Kohle und Anthrazitkohle, einen niedrigen Brennwert und im Allgemeinen eine geringe Mahlbarkeit oder Pulverisierbarkeit auf. Überdies weist die Verbrennungsasche dieser Festbrennstoffe eine niedrige Schmelztemperatur auf.
Da diese Festbrennstoffe viele flüchtige Substanzen enthalten, entzünden sie sich bei einem Lagerungsprozess und einem Pulverisierungsprozess in einer Luftatmosphäre leicht selbst und sind im Vergleich zu bituminöser Kohle daher schwer zu handhaben. Wenn Braunkohle oder Lignit zur Verbrennung pulverisiert werden, wird ein Gasgemisch aus Verbrennungsabgas und Luft als Transportgas für den Brennstoff verwendet, um eine Selbstentzündung dieser Brennstoffe zu verhindern. Das Verbrennungsabgas verringert die Sauerstoffkonzentration, um eine Selbstverbrennung des Brennstoffs zu verhindern. Andererseits verdampft die von dem Verbrennungsabgas gehaltene Wärme die Feuchtigkeit im Brennstoff.
In einer Atmosphäre mit niedriger Sauerstoffkonzentration ist die Verbrennungsgeschwindigkeit im Vergleich zu der Verbrennungsgeschwindigkeit in einer Luftatmosphäre geringer. Wird pulverisierte Kohle, wie Braunkohle oder Lignit, unter Verwendung des Transportgases mit geringer Sauerstoffkonzentration transportiert, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit durch die Mischgeschwindigkeit des Brennstoffs und der Luft begrenzt, und die Verbrennungsgeschwindigkeit wird auf einem im Vergleich zu bituminöser Kohle, die mittels Luft transportiert werden kann, niedrigeren Wert verringert. Daher besteht bei der Verbrennung von Braunkohle oder Lignit durch einen Festbrennstoff-Brenner im Niedriglastzustand, in dem die verbrannte Brennstoffmenge gering ist, im Vergleich zu bituminöser Kohle eine Neigung zum Auftreten eines Ausblasens oder Erlöschens der Flamme 20.
Die vorliegende Ausführungsform 6 umfasst die zusätzlichen Luftdüsen 12 zum Ausstoßen von Luft in der zur Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls im inneren der Brennstoffdüse nahezu senkrechten Richtung. Wenn der von der zusätzlichen Luftdüse 12 ausge stoßene Luftstrahl (der zusätzliche Luftstrahl) 21 in der zur Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls nahezu senkrechten Richtung ausgestoßen wird, wird die Vermischung des Brennstoffstrahls mit der zusätzlichen Luft beschleunigt, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Brennstoffpartikeln und dem zusätzlichen Luftstrahl größer als die Geschwindigkeitsdifferenz in einem Fall ist, in dem der von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene zusätzliche Luftstrahl parallel zur Richtung des Brennstoffstrahls ausgestoßen wird. Insbesondere weil die spezifische Dichte der Brennstoffpartikel größer als die von Luft ist, werden die Brennstoffpartikel durch eine Trägheitskraft in den zusätzlichen Luftstrahl gemischt.
Da das die Brennstoffpartikel umgebende Transportgas (mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration) zu diesem Zeitpunkt von den Brennstoffpartikeln getrennt wird, wird die Sauerstoffkonzentration um die Brennstoffpartikel höher als die Sauerstoffkonzentration des Transportgases. Daher wird die Verbrennungsreaktion nach dem Ausstoß aus der Brennstoffdüse durch die hohe Sauerstoffkonzentration beschleunigt, und dementsprechend wird die Flamme 20 stabil am Ausgang der Brennstoffdüse gebildet.
Um eine Rückzündung oder einen Abbrand durch die Bildung einer Flamme 20 im Inneren der Brennstoffdüse 11 zu verhindern, weist der Abstand zwischen dem Ausgang der Brennstoffdüse und dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 vorzugsweise eine Länge auf, durch die die Verweildauer des Brennstoffs in der Brennstoffdüse kürzer als die Entzündungsverzögerungszeit des Brennstoffs (ca. 0,1 Sekunden) ist. Da das Brennstofftransportgas im Inneren der Brennstoffdüse im Allgemeinen mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 12 bis 20 m/s strömt, ist der Abstand zwischen dem Ausgang der Brennstoffdüse und dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse kürzer als 1 m.
Ferner ist bei der vorliegenden Ausführungsform 6 ein Strömungsbahn-Verengungsglied 32 zum Verengen der im Inneren der Brennstoffdüse 11 vorgesehenen Strömungsbahn in der äußeren Seitenwand 22 stromaufseitig der Brennstoffdüse 11 angeordnet. Eine Einbaute (ein Konzentrator) 33 zum einmaligen Verengen und zum anschließenden Erweitern der Strömungsbahn ist außerhalb der Ölkanone 24 im mittleren Teil der Brennstoffdüse im Inneren der Brennstoffdüse 11 angeordnet. Die Einbaute 33 ist auf der Stromabseite des Strömungsbahn-Verengungsglieds 32 im Festbrennstoff-Brenner (auf der Seite der Verbrennungsvorrichtung 41) angeordnet.
Das Strömungsbahn-Verengungsglied 32 induziert die Geschwindigkeitskomponente in der Richtung zur Mittelachse der Brennstoffdüse in den Brennstoffpartikeln (der pulverisierten Kohle), deren Trägheitskraft größer als die des Brennstofftransportgases ist. Durch Anordnen des Konzentrators 33 auf der Stromabseite des Strömungsbahn-Verengungsglieds 32 strömt der durch das Strömungsbahn-Verengungsglied 32 zur Richtung der Mittelachse des Brenners verengte Strom der Brennstoffpartikel (der pulverisierten Kohle) nach dem Passieren des Konzentrators 33 entlang der Strömungsbahn der Brennstoffdüse zur Trennwand 22. Die entlang der Strömungsbahn im inneren der Brennstoffdüse strömenden Brennstoffpartikel (die pulverisierte Kohle) strömen auf der Seite der inneren Wandfläche (der Seite der Trennwand 22) ungleichmäßig zum Ausgang. Daher wird der Brennstoff auf der Seite der inneren Wandfläche der Brennstoffdüse 11 ( auf der Seite der Trennwand 22) angereichert.
Da die aus der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßene Luft auch in der Nähe der Seite des äußeren Umfangs (der Trennwand 2) in der Brennstoffdüse 11 ausgestoßen wird, wird ein Bereich mit hoher Brennstoffkonzentration und hoher Sauerstoffkonzentration gebildet. Dadurch wird die Verbrennungsreaktion nach dem Ausstoßen des Brennstoffs aus der Brennstoffdüse durch die hohe Sauerstoffkonzentration beschleunigt, wodurch am Ausgang der Brennstoffdüse stabil eine Flamme 20 gebildet wird. Der in der Nähe des äußern Umfangs (der Trennwand 22) der Brennstoffdüse 11 strömende Brennstoffstahl vermischt sich in der Nähe des Ausgangs der Brennstoffdüse 11 leicht mit der aus der äußeren Luftdüse ausgestoßenen Luft.
Wenn der Brennstoffstrahl mit dem Gas mit hoher Temperatur aus dem auf der Rückstromseite des Flammenstabilisierrings 23 erzeugten Umlaufstrom gemischt wird, wird ferner ein Anstieg der Temperatur der Brennstoffpartikel veranlasst, und der Brennstoff neigt dazu, sich zu entzünden. Dadurch wird am Ausgang der Brennstoffdüse stabil die Flamme 20 erzeugt.
Durch das Ausstoßen der Luft aus der zusätzlichen Luftdüse 12 in der zur Richtung des im inneren der Brennstoffdüse 11 strömenden Brennstoffstroms nahezu senkrechten Richtung wird, wie vorstehend beschrieben, die Vermischung der Brennstoffpartikel mit der Luft beschleunigt, und am Ausgang der Brennstoffdüse wird stabil die Flamme 20 gebildet. Daher kann bei einer geringeren Last als einer herkömmlichen niedrigen Last eine stabile Verbrennung aufrechterhalten werden.
Werden Braunkohle oder Lignit bei einer hohen thermischen Last verbrannt, wird die Menge des an einer Position nahe dem Festbrennstoff-Brenner brennenden Brennstoffs bei guten Mischbedingungen von Luft und Brennstoff erhöht, da der Brennstoff eine große Menge an flüchtigen Substanzen enthält. Wird die thermische Last nahe dem Festbrennstoff-Brenner lokal erhöht, wodurch durch Strahlungswärme von der Flamme 20 ein Temperaturanstieg der Struktur des Festbrennstoff-Brenners und der Wand der Verbrennungsvorrichtung veranlasst wird, wie vorstehend beschrieben, besteht dadurch, dass Verbrennungsasche an der Wand der Verbrennungsvorrichtung haftet und schmilzt, die Möglichkeit der Verursachung einer Pfropfenbildung. Insbesondere Braunkohle und Lignit neigen aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur der Verbrennungsasche zur Verursachung einer Pfropfenbildung.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 6 wird die Position der Bildung der Flamme 20 entsprechend der Last des Festbrennstoff-Brenners verändert, um das bei der Verwendung von Brennstoff mit niedrigem Kohlungsgrad durch die unterschiedlichen Verbrennungszustände im Hochlastzustand und im Niedriglastzustand des Festbrennstoff-Brenners verursachte Problem zu lösen. Dies bedeutet, dass die Flamme 20 an einer vom Festbrennstoff-Brenner entfernten Position gebildet wird, wenn der Lastzustand hoch ist, und dass die Flamme 20 von einer Position nahe dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 gebildet wird, wenn der Lastzustand niedrig ist. Im Niedriglastzustand ist die Temperatur des Festbrennstoff-Brenners und der Wand der Verbrennungsvorrichtung um den Festbrennstoff-Brenner aufgrund der geringen thermischen Last in der Verbrennungsvorrichtung 41 selbst dann niedriger als im Fall des Hochlastzustands, wenn die Flamme 20 nahe an die Wand der Verbrennungsvorrichtung oder den Festbrennstoff-Brenner gebracht wird. Daher tritt keine Pfropfenbildung auf.
Wenn der Lastzustand bei der vorliegenden Ausführungsform 6 niedrig ist, wird die Flamme 20 von einer Position nahe dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 gebildet, und das Gas mit hoher Temperatur stagniert im Umlaufstrom 19, der auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23 und der Führung 25 gebildet wird. Ferner wird die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffstrahl 16 nahe dem Flammenstabilisierring 23 durch Öffnen eines Stromventils 34 der zusätzlichen Luftdüse 12 zur Zufuhr von Luft erhöht. Da die Verbrennungsgeschwindigkeit im Vergleich zu den Bedingungen bei einer niedrigen Sauerstoffkonzentration höher wird, kann dadurch die Entzündung der Brennstoffpartikel vorgezogen werden, um die Flamme 20 nahe der Brennstoffdüse 11 zu bilden.
Im Hochlastzustand wird die Flamme 20 an einer von dem Festbrennstoff-Brenner entfernten Position gebildet, um die thermische Last in der Nähe des Festbrennstoff-Brenners zu verringern. Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform 6 die Menge der zugeführten Luft durch Schließen des Stromventils 34 der zusätzlichen Luftdüse 12 im Vergleich zum Niedriglastzustand verringert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Sauerstoffkonzentration im Brennstoffstrahl 16 an der Position nahe dem Flammenstabilisierring 23 niedriger als im Niedriglastzustand, um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu verringern. Dadurch wird die Temperatur des auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23 erzeugten Umlaufstroms verringert, um die von der Struktur des Festbrennstoff-Brenners empfangene Menge an Strahlungswärme zu verringern, und dementsprechend kann das Auftreten einer Pfropfenbildung unterdrückt werden.
15 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Flamme 20 des Festbrennstoff-Brenners getrennt von dem Umlaufstrom 19 auf der Stromabseite des Flammenstabilisierrings 23 gebildet wird, wenn die Ausführungsform 6 des Festbrennstoff-Brenners im Hochlastzustand verwendet wird.
Ein horizontaler Querschnitt einer Verbrennungsvorrichtung, bei der die Ausführungsform 6 des Festbrennstoff-Brenners 42 verwendet wird, stimmt mit 4 überein. Wenn die Festbrennstoff-Brenner 42 im Hochlastzustand verwendet werden, wie in 15 gezeigt, werden die Flammen 20 vorzugsweise im Inneren der Verbrennungsvorrichtung 41 miteinander vermischt, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Erlöschens der Flammen zu vermindern.
Zum Reduzieren der durch die Verbrennung erzeugten Stickoxide NOx wird die Menge an Luft vorzugsweise so gesteuert, dass ein Verhältnis der Gesamtmenge der von der zusätzlichen Luftdüse zugeführten Luft zu der zur vollständigen Verbrennung der flüchtigen Substanzen erforderlichen Menge an Luft 0,85 bis 0,95 wird.
Der meiste Brennstoff wird mit von den vorstehend beschriebenen, in der Brennstoffdüse 11 enthaltenen Düsen zugeführter Luft gemischt verbrannt (der erste Schritt), und dann mit dem sekundären Luftstrom 17 und dem tertiären Luftstrom 18 gemischt verbrannt (der zweite Schritt). Ferner wird, wenn auf der Stromabseite des Festbrennstoff-Brenners ein Folgeluftanschluss 49 (siehe 10) zur Zufuhr von Luft in die Verbrennungsvorrichtung 41 angeordnet ist, der Brennstoff durch die Vermischung mit der von dem Folgeluftanschluss 49 zugeführten Luft vollständig verbrannt (der dritte Schritt). Die flüchtigen Substanzen in dem Brennstoff werden im vorstehen beschriebenen ersten Schritt verbrannt, da die Verbrennungsgeschwindigkeit der flüchtigen Substanzen höher als die des Festbrennstoffs ist.
Wenn das Verhältnis der Luft zu den flüchtigen Substanzen zu diesem Zeitpunkt auf 0,85 bis 0,95 eingestellt ist, kann die Verbrennung des zu verbrennenden Brennstoffs durch eine hohe Flammentemperatur beschleunigt werden, obwohl es in diesem Zustand an Sauerstoff mangelt. Da der Brennstoff bei einem Mangel an Sauerstoff bei der Verbrennung im ersten Schritt einer Reduktionsverbrennung unterzogen wird, werden die aus dem Stickstoff im Brennstoff und dem Stickstoff in der Luft erzeugten Stickoxide (NOx) in harmlosen Stickstoff umgewandelt, und dementsprechend kann die Menge an von der Verbrennungsvorrichtung 41 ausgestoßenem NOx verringert werden. Da der Brennstoff bei einer hohen Temperatur reagiert, wird die Reaktion im zweiten Schritt beschleunigt, um die Menge an nicht verbrannten Bestandteilen zu verringern.
Wie in 14 gezeigt, die den Festbrennstoff-Brenner von der Seite der Verbrennungsvorrichtung aus betrachtet zeigt, ist der Festbrennstoff-Brenner gemäß der vorliegenden Ausführungsform 6 zylindrisch, wobei die zylindrische Brennstoffdüse 11, die zylindrische sekundäre Luftdüse 13 und die zylindrische tertiäre Düse konzentrisch angeordnet sind.
16 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines Düsenteils des Festbrennstoff-Brenners zeigt. Die Brennstoffdüse 11 kann rechteckig sein, der Konzentrator 33 kann dreieckig sein, oder die Luftdüsenstruktur, bei die die Brennstoffdüse zwischen zumindest einem Teil der äußeren Luftdüsen, wie der sekundären Luftdüse 13, der tertiären Luftdüse 14, etc. angeordnet ist, kann akzeptabel sein. Ferner kann die außenseitige Luft von einer einzigen Düse zugeführt werden, oder eine in drei oder mehr Teile unterteilte Düsenstruktur kann akzeptabel sein.
AUSFÜHRUNGSFORM 7
17 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform 7 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigt, bei dem die Installationsposition der zusätzlichen Luftdüse verändert ist. Wie in 17 gezeigt, kann die zusätzliche Luftdüse 12 Luft aus der Trennwand am Umfang der Brennstoffdüse zum Mitte ausstoßen, statt Luft aus dem Inneren der Brennstoffdüse zur äußeren Seite auszustoßen, wie in 13 gezeigt.
Vorzugsweise ist die zusätzliche Luftdüse 12 in dem Teil angeordnet, in dem sich die Strömungsbahn der Brennstoffdüse 11 erweitert. Durch Anordnen der Ausgänge der zusätzlichen Luftdüse 12 in dem sich erweiternden Teil der Strömungsbahn, in dem kaum eine von der Strömungsbahn zur Wandfläche strömende Geschwindigkeitskomponente induziert wird, ist es möglich, ein Eindringen der Brennstoffpartikel in die zusätzliche Luftdüse bzw. ihre Ansammlung in dieser zu unterdrücken.
Um das Auftreten eines durch eine Entzündung des Brennstoffs im Inneren der Brennstoffdüse 11 verursachten Abbrand- oder Rückzündungsphänomens in der Brennstoffdüse 11 zu verhindern, wird die Anordnung der zusätzlichen Luftdüse 12 vorzugsweise so bestimmt, dass die Verweildauer des Brennstoffs in der Brennstoffdüse 11 kürzer als die Verzögerungszeit der Entzündung ist. Im Allgemeinen beträgt der Index der zeitlichen Verzögerung der Entzündung von Brenngas ca. 0,1 Sekunden, was kürzer als die zeitliche Verzögerung der Entzündung von pulverisierter Kohle und der Index der Strömungsgeschwindigkeit im Inneren der Brennstoffdüse 11 ist. Der Abstand zwischen dem Ausgang der Brennstoffdüse 11 und dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse 12 ist beispielsweise auf einen Wert von weniger als ca. 1 m eingestellt.
AUSFÜHRUNGSFORM 8
18 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Ausführungsform 8 eines Festbrennstoff-Brenners zeigt, der keinen Konzen trator 33 aufweist. Bei der Ausführungsform 6 ist der Konzentrator 33 in der Brennstoffdüse 11 angeordnet. Wie in 18 gezeigt, werden jedoch, wenn Luft in der zur Richtung des im Inneren der Brennstoffdüse 11 strömenden Brennstoffstrahls nahezu senkrechten Richtung aus der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßen wird, der Brennstoffstrahl und die Luft auch ohne den Konzentrator 33 ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 miteinander vermischt.
AUSFÜHRUNGSFORM 9
Die 19 und 20 sind jeweils Schnittansichten, die die Struktur einer Ausführungsform 9 eines erfindungsgemäßen Festbrennstoff-Brenners zeigen. 19 zeigt einen Zustand, in dem der im Niedriglastzustand aus dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßene Brennstoff in de r Verbrennungsvorrichtung 41 brennt; und 20 zeigt einen Zustand, in dem der im Hochlastzustand aus dem Festbrennstoff-Brenner ausgestoßene Brennstoff in der Verbrennungsvorrichtung 41 brennt.
Ein Hauptunterschied zwischen der vorliegenden Ausführungsform 9 und der Ausführungsform 6 ist, dass der Flammenstabilisierring 23 und die Führung 25 nicht im vorderen Endabschnitt der äußeren Tennwand 22 der Brennstoffdüse 11 angeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform 9 wird ein in der sekundären Luftströmungsbahn angeordneter Wirbler 27 zum Verändern der Form der Flamme 20 ohne den Flammenstabilisierring 23 und die Führung 25 verwendet.
Im Niedriglastzustand wird die Sauerstoffkonzentration im Brennstoffstrahl 16 in der Nähe der äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 durch die Zufuhr von Luft aus der zusätzlichen Luftdüse 12 erhöht. Da die Verbrennungsgeschwindigkeit im Ver gleich zum Fall einer niedrigen Sauerstoffkonzentration erhöht wird, wird die Entzündung der Brennstoffpartikel vorgezogen, um die Flamme 20 von einer Position nahe der Brennstoffdüse 11 zu bilden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 9 wird der sekundären Luft unter Verwendung eines in der sekundären Strömungsbahn angeordneten Wirblers 27 eine starke Wirbelgeschwindigkeit (von im Allgemeinen einer Anzahl von einem oder mehreren Wirbeln) verliehen. Nach dem Ausstoß aus der sekundären Luftdüse 13 erweitert sich der Strom der sekundären Luft 17 durch die Zentrifugalkraft der Wirbelgeschwindigkeit in der Richtung weg von dem Brennstoffstrahl 16. Zu diesem Zeitpunkt wird der Druck in der Zone zwischen dem Brennstoffstrahl 16 und dem sekundären Luftstrom 17 verringert, um einen Umlaufstrom zu induzieren, der in der der Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls 16 und des sekundären Luftstroms 17 entgegengesetzten Richtung strömt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des sekundären Luftstroms durch Anbringen eines Dämpfers zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit in der sekundären Strömungsbahn auf nahezu null verringert wird, kann zwischen dem sekundären Luftstrom 17 und dem Brennstoffstrahl 16 ein Umlaufstrom induziert werden.
Im Hochlastzustand wird die Flamme 20 an einer von dem Festbrennstoff-Brenner entfernten Position gebildet, um die thermische Last um den Festbrennstoff-Brenner zu verringern. Daher wird die Menge der von der zusätzlichen Luftdüse 12 zugeführten Luft verringert. Wird die zugeführte Menge an zusätzlicher Luft verringert, wird die Sauerstoffkonzentration im Brennstoffstrahl 16 nahe der äußeren Trennwand 22 der Brennstoffdüse 11 im Vergleich zum Niedriglastzustand verringert, um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu verringern.
Ferner wird bei der vorliegenden Ausführungsform 9 die der sekundären Luft verliehene Wirbelgeschwindigkeit unter Verwendung des in der sekundären Luftströmungsbahn angeordneten Wirblers 27 abgeschwächt. Da der sekundäre Luftstrom 17 nach dem Ausstoß aus der sekundären Luftdüse 13 parallel zum Brennstoffstrahl 16 strömt, wird der in die entgegengesetzte Richtung strömende Umlaufstrom 19 in der Zone zwischen dem Brennstoffstrahl 16 und dem sekundären Luftstrom 17 nicht erzeugt. Durch Öffnen des in der sekundären Strömungsbahn angebrachten Dämpfers zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der sekundären Luft ist es möglich, das Auftreten des in der Gegenrichtung strömenden Umlaufstroms 19 in der Zone zwischen dem Brennstoffstrahl 16 und dem sekundären Luftstrom 17 zu verhindern.
21 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer weiteren Struktur des Flammenstabilisierrings zeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform 9 kann ein gezahnter Flammenstabilisierring 54 angeordnet sein, wie in 21 gezeigt. Der Brennstoff strömt zur Rückseite des gezahnten Flammenstabilisierrings 54 herum, um leicht entzündet zu werden. Dies bedeutet, dass der Brennstoff auf der Rückseite des gezahnten Flammenstabilisierrings 54 entzündet wird.
Die Struktur einer Verbrennungsvorrichtung, bei der der in den Ausführungsformen 6 bis 9 gezeigte Festbrennstoff-Brenner verwendet wird, stimmt mit der gemäß den 10 und 11 überein.
Erfindungsgemäß ist es möglich, einen Festbrennstoff-Brenner zu schaffen, der eine Einrichtung zur Beschleunigung der Vermischung der Brennstoffpartikel mit der Luft im Inneren der Brennstoffdüse zum stabilen Verbrennen des Brennstoffs und zum Verhindern des Auftretens einer durch Verbrennungsasche verursachten Pfropfenbildung über einen weiten Bereich von einem Hochlastzu stand bis zu einem Niedriglastzustand ohne eine Veränderung des Abstands zwischen dem Ausgang der zusätzlichen Luftdüse und dem Ausgang der Brennstoffdüse selbst bei der Verwendung eines Festbrennstoffs mit einer vergleichsweise niedrigen Brennbarkeit, d. h. von Kohle mit einem geringen Kohlungsgrad, wie Braunkohle, Lignit oder dergleichen, umfasst.
Ferner ist es möglich, das Verbrennungsverfahren, bei dem der Festbrennstoff-Brenner mit der Einrichtung zur Beschleunigung der Vermischung der Brennstoffpartikel und der Luft zum stabilen Verbrennen des Brennstoffs und zum Verhindern des Auftretens einer durch Verbrennungsasche verursachten Pfropfenbildung verwendet wird, eine Verbrennungsvorrichtung, die den Festbrennstoff-Brenner umfasst, das Verfahren zum Betreiben der Verbrennungsvorrichtung mit dem Festbrennstoff-Brenner und den kohlebefeuerten Boiler mit dem Festbrennstoff-Brenner zu schaffen.

Claims

Festbrennstoff-Brenner mit – einer Brennstoffdüse (11) zum Ausstoßen eines Fluidgemisches aus einem Festbrennstoff und einem Transportgas, – einer zusätzlichen Luftdüse (12) zum Ausstoßen von Luft in die Brennstoffdüse in nahezu senkrechter Richtung zu einer Strömungsrichtung des Fluidgemisches und – mindestens einer außenseitigen Luftdüse (13, 14) zum Ausstoßen von Luft, die außerhalb der Brennstoffdüse (11) angeordnet ist, wobei – ein Ausgang der zusätzlichen Luftdüse (12) in einer Position im Brenner stromauf eines Ausgangs der Brennstoffdüse (11) angeordnet ist.
Festbrennstoff-Brenner nach Anspruch 1, bei welchem die zusätzliche Luftdüse (12) in einem mittleren Abschnitt der Brennstoffdüse (11) angeordnet ist.
Festbrennstoff-Brenner nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die zusätzliche Luftdüse (12) in einem Trennwandteil (22) zum Abtrennen der Brennstoffdüse von der außenseitigen Luftdüse angeordnet ist.
Festbrennstoff-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem ein Separator (35) zum Teilen einer Strömungsbahn in der Brennstoffdüse (11) angeordnet ist, das Transportgas ein Gas mit einem geringeren Sauerstoffgehalt als der Sauerstoffgehalt von Luft ist, und der Ausgang der zusätzlichen Luftdüse (12) sich mit dem Separator (35) überlappt gesehen in Richtung vertikal zur n-Achse des Brenners.
Festbrennstoff-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem eine Einbaute (33) innerhalb der Brennstoffdüse (11) stromaufseitig vom Ausgang der zusätzlichen Luftdüse (12) vorgesehen ist, die aus einem den Querschnittsbereich der Strömungsbahn innerhalb der Brennstoffdüse (11) verengenden Teil und aus einem diesen erweiternden Teil zusammengesetzt ist, wobei von diesen Teilen der Verengungsteil und der Erweiterungsteil von der Stromaufseite des Brenners nacheinander angeordnet sind.
Festbrennstoff-Brenner nach Anspruch 5, bei welchem die zusätzliche Luftdüse (12) zum Ausstoßen der Luft in Richtung nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluidgemisches in dem verengten Teil des Strömungsbahnquerschnittsbereichs des Konzentrators (33) oder in dem erweiterten Teil des Strömungsbahnquerschnittsbereichs angeordnet ist, der sich stromab des verengten Teils des Strömungsbahnquerschnitts befindet.
Festbrennstroff-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem eine Einbaute (33) innerhalb der Brennstoffdüse (11) stromauf des Ausganges der zusätzlichen Luftdüse (12) vorgesehen ist, die aus einem den Querschnittsbereich der Strömungs bahn innerhalb der Brennstoffdüse (11) verengenden Teil und aus einem diesen erweiternden Teil zusammengesetzt ist, wobei von diesen Teilen der Verengungsteil und der Erweiterungsteil von der Aufstromseite des Brenners nacheinander angeordnet sind, und in einem stromaufseitigen Endteil des Separators (35) in den durch den Separator geteilten Strömungsbahnen (36, 37) der Brennstoffdüse ein Querschnittsbereich der Strömungsbahn an der Seite, an welcher die zusätzliche Luftdüse angeordnet ist, größer ist als ein durch die Einbaute (33) verengter Querschnittsbereich der Strömungsbahn.
Festbrennstoff-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem der Separator (35) als zylindrisches oder kegelförmiges dünnwandiges Bauteil ausgebildet ist und der Festbrennstoff-Brenner stromauf des Separators (35) ein Strömungsbahn-Verengungsglied (32) enthält, das die Strömungsbahn von dem Außenumfang der Brennstoffdüse her verengt, sowie einen stromab des Verengungsgliedes angeordneten Konzentrator (33), der die Strömungsbahn von der Seite der Mittelachse der Brennstoffdüse her verengt.
Festbrennstoff-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem eine andere Einbaute (23) in einem vorderen Ende einer die Brennstoffdüse (11) und die Luftdüse (13) voneinander trennenden Trennwand (22) vorgesehen ist, wobei diese andere Einbaute (23) eine Strömung des Festbrennstoffes und des Transportgases des Festbrennstoffes aus der Brennstoffdüse (11) sowie eine Strömung der von der Luftdüse (22) ausgestoßenen Luft blockiert.
Festbrennstoff-Brenner nach Anspruch 9, bei welchem die andere Einbaute (23) ein gezahnter Flammenstabilisierring ist, der an einer Wandfläche im Ausgang der Brennstoffdüse angeordnet ist.
Festbrennstoff-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem ein Wirbler (27) in der Luftdüse angeordnet ist.
Ein Verbrennungsverfahren unter Verwendung des Festbrennstoff-Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem eine von der zusätzlichen Luftdüse (12) zugeführte Luftmenge vergrößert wird, wenn die Verbrennungslast gering ist, und die Menge der von der zusätzlichen Luftdüse (12) zugeführten Luftmenge vermindert wird, wenn die Verbrennungslast hoch ist.
Ein Verbrennungsverfahren unter Verwendung des Festbrennstoff-Brenners nach einem der Ansprüche 1–11, bei welchem, wenn eine Verbrennungslast niedrig ist, eine von der zusätzlichen Luftdüse (12) zugeführte Luftmenge vergrößert wird, und eine Strömungsgeschwindigkeit der von der äußeren Luftdüse (13) der äußeren Luftdüsen (13, 14), welche der Brennstoffdüse (11) am nächsten liegt, zugeführten Luft vermindert wird oder eine Wirbelströmungsgeschwindigkeit vergrößert wird, und wenn eine Verbrennungslast hoch ist, die Menge an von der zusätzlichen Luftdüse (12) zugeführter Luft vermindert wird, und die Strömungsgeschwindigkeit der von der Luftdüse (13) der äußeren Luftdüsen (13, 14), welche sich der Luftdüse am nächsten befindet, zugeführten Luft erhöht wird oder die Wirbelintensität vermindert wird.
Ein Verbrennungsverfahren unter Verwendung des Festbrennstoff-Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem eine Sauerstoffkonzentration in dem äußeren periphären Teil einer Austrittsquerschnittsebene der Brennstoffdüse (9) auf einen Wert vergrößert ist, der höher als die Sauerstoffkonzentration in dem zentralen Teil ist.
Ein Verbrennungsverfahren unter Verwendung des Festbrennstoff-Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem eine Sauerstoffkonzentration und eine Brennstoffkonzentration in dem äußeren periphären Teil an einer Ausgangsquerschnittsebene der Brennstoffdüse (11) auf einen Wert vergrößert werden, der höher als eine Sauerstoffkonzentration und eine Brennstoffkonzentration im zentralen Teil ist.
Ein Verbrennungsverfahren unter Verwendung des Festbrennstoff-Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem am Ausgangsquerschnitt der Brennstoffdüse eine Zone ausgebildet ist, in welcher die Brennstoffkonzentration und die Sauerstoffkonzentration beide jeweils höher als Durchschnittswerte der Brennstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration sind, sowie eine Zone ausgebildet ist, in welcher die Brennstoffkonzentration und die Sauerstoffkonzentration beide jeweils niedriger als die Durchschnittswerte der Brennstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration sind.
Verbrennungsvorrichtung mit – einem Ofen (41), der eine Mehrzahl an Festbrennstoff-Brennern nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist, – einem Bunker (43), – einem Kohleförderer (44), – einem Mahlwerk (45), dem Brennstoff gemischt mit Verbrennungsabgas, das aus dem oberen Teil der Verbrennungsvorrichtung über eine Verbrennungsabgasleitung (55) abgezogen wird, stromab des Kohleförderers zugeführt wird, – einer Brennstoffleitung (56) zum Fördern des im Mahlwerk pulverisierten Brennstoffs zu den Festbrennstoff-Brennern, – einem Gebläse (46) zum Fördern von Luft zu den Festbrennstoff-Brennern, – einem Niedriglast-Flammendetektor oder einem Thermometer oder einem Strahlungspyrometer (47) zum Anzeigen einer in jedem der Festbrennstoff-Brenner im Niedriglastzustand gebildeten Flamme, – einem Hochlast-Flammendetektor oder einem Thermomenter oder einem Strahlungspyrometer (47) zum Anzeigen von in einer von den Festbrennstoff-Brennern beabstandeten Position gebildeten Flammen im Hochlastzustand, und – Steuermitteln zum Steuern einer von der zusätzlichen Luftdüse ausgestoßenen Luftmenge auf der Grundlage eines Signals von den Messinstrumenten.
Ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 17, bei welchem – wenn die Verbrennungsvorrichtung mit hoher Verbrennungslast betrieben wird, die Flamme des Festbrennstoffes in einer von dem Festbrennstoff-Brenner beabstandeten Position gebildet wird und – wenn die Verbrennungsvorrichtung mit niedriger Verbrennungslast betrieben wird, die Flamme des Festbrennstoffes in einer Po sition unmittelbar hinter dem Ausgang der Brennstoffdüse des Festbrennstoff-Brenners gebildet wird.