DE69120441T2

DE69120441T2 - Kohlenstaubbrenner, Kohlenstaubkessel und Verfahren zum Verbrennen von Kohlenstaub

Info

Publication number: DE69120441T2
Application number: DE69120441T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Azuhata; Akira Baba; Kunio Hodozuka; Tadashi Jimbo; Hironobu Kobayashi; Hiroshi Miyadera; Shigeki Morita; Kiyoshi Narato
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-03-07
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2011-02-23
Also published as: US5231937A; FI98658B; AU7194791A; FI910871A0; AU620273B2; CA2037755C; DE69120441D1; FI98658C; EP0445938B1; FI910871A7; EP0445938A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner und einen einen derartigen Brenner enthaltenden Kessel, und sie betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Kohlenstaub, und spezieller betrifft sie die Verringerung von Stickoxiden (die als "NOx" abgekürzt werden) , wie sie beim Verbrennen von Kohle erzeugt werden.

2. BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

NOx, wie es bei der Verbrennung von Kohlenstaub erzeugt wird, rührt beinahe vollständig von der Oxidation von in der Kohle enthaltenem Stickstoff her. Der Stickstoff in der Kohle wird zersetzt und bei der Pyrolyse im anfänglichen Verbrennungsstadium in Wasserstoffcyanid (HCN) oder Ammoniak (NH&sub3;) zerlegt und so freigesetzt. Diese Substanzen werden zu NOx oxidiert, jedoch können sie auch die Wirkung haben, NOx im Zustand mit niedriger Sauerstoffkonzentration zu N&sub2; zu reduzieren.
Ein typisches Verbrennungsverfahren ist ein zweistufiges, bei dem eine Verbrennung mit Brennstoff im Überschuß (Luftabmagerung) in einer Brennereinheit ausgeführt wird und die restlichen brennbaren Komponenten stromabwärts der Flamme zur vollständigen Verbrennung mittels Luft ausgebrannt werden. Dieses Verfahren ist zum Verringern von NOx wirkungsvoll, und es wird in vielen Kesseln verwendet, erfordert jedoch eine große Brennkammer zum Vermischen und Verbrennen der gesamten Verbrennungsluft und der brennbaren Komponenten, so daß der Kessel groß ist. Im Ergebnis muß die Verbrennung in einem Brenner unter Verwendung einer-Luftmenge ausgeführt werden, wie sie für vollständige Verbrennung im wesentlichen erforderlich ist, um dadurch den Verbrennungswirkungsgrad in der im Brenner gebildeten Flamme zu verbessern und NOx zu verringern. Derartige Brenner sind in JP-A-60-226 609 und JP-A-62-276 310 offenbart, in denen Verbrennungsluft in eine primäre, sekundäre und tertiäre Luftströmung aufgeteilt wird und das Vermischen zwischen der tertiären Luft für vollständige Verbrennung und der Flamme mit Brennstoff im Überschuß im zentralen Abschnitt verzögert wird, um die Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre für NOx im zentralen Abschnitt der Flamme zu erleichtern. Ande rerseits ist ein Brenner zum Steuern des Mischzustands von Brennstoff und Luft durch Verschieben eines Brennstoff- Zuführrohrs in JP-A-55-17 060, JP-A-56-44 505 und JP-A-56- 119 406 offenbart.
Um die vorstehend beschriebenen Verbrennungsverfahren mit Brennstoff im Überschuß zu realisieren, muß der Kohlenstaub vor dem Zumischen der tertiären Luft mit so wenig Luft wie möglich gezündet werden. Darüber hinaus muß der von der Kohledüse zu liefernde Brennstoff in der Brennkammer in (a) einen Brennstoff, der in den zentrischen Abschnitt der Flamme zu liefern ist, um die reduzierende Atmosphäre für NOx zu bilden, und (b) einen Brennstoff aufgeteilt werden, der als Wärmequelle zum Fördern der Pyrolyse der Kohle zugeführt wird, wie der Atmosphäre zum Reduzieren von NOx im zentrischen Abschnitt der Flamme bis zum Außenumfang der Flamme zugeführt, um die Verbrennungsluft und die Kohle zu vermischen, um dadurch die Verbrennung zu aktivieren. Hierzu ist es erforderlich, die Kohlekonzentration am Ausgang des Kohlekanals zu steuern.
Verfahren zum Ändern der Kohleverteilung im Kohlenstaubkanal können, wobei der vorstehend genannte Punkt berücksichtigt wird, in die folgenden zwei Typen eingeteilt werden (i) die durch den Kohlekanal strömende Trägerluft wird verwirbelt, um die Verteilung der Kohle zu verändern, wie in JP-A-57- 12 209, JP-A-63-87 508 und JP-A-54-159 741 offenbart; und (ii) die Verteilung der Kohle wird unter Verwendung einer Venturidüse zum Einengen des zentrischen Abschnitts des Durchlaufbereichs des Kohlekanals und zum anschließenden Aufweiten des stromabwärtigen Durchlaufbereichs, wie in JP- A-54-159 742, JP-A-60-202 204 und JP-A-62-172 105 offenbart.
Beim Verfahren (i) wird die Kohle in der Nähe des Innenumfangs des Kohlekanals durch Verwirbeln der Strömung der Trägerluft konzentriert, und stromabwärts ist ein konzentrischer Durchlaufbereich angeordnet, um die Kohlekonzentration im zentrischen Abschnitt des Kohlekanals zu verringern und die Kohlekonzentration im Kohlekanals im Durchlaufbereich am Außenumfang zu erhöhen. Dieses Verfahren kann die Kohlekonzentration steuern, ändert jedoch die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit der die Kohle befördernden Luft. Da die Trägerluft ebenfalls verwirbelt wird und am Innenumfang des Kohlekanals konzentriert wird, ist die Einblasgeschwindigkeit im zentrischen Abschnitt der Kohledüse verlangsamt, jedoch am Außenumfang erhöht. Gemäß dem Kohleeinblasvorgang bei diesem Verfahren wird die mit niedriger Geschwindigkeit in den zentrischen Abschnitt eingeblasene Kohle durch die Wirbel beeinflußt, die allgemein zur vom Außenumfang der Kohledüse her eingeblasenen Verbrennungsluft hinzukommen, so daß sich die Kohle ausgehend von der Brennerachse radial nach außen ausbreitet. Da ein derartiges Verhalten der Kohle so wirkt, daß es die Kohle verringert, die der oben genannten Atmosphäre zum Reduzieren von NOx zugeführt wird, und da es demgemäß die Reaktionen der NOx reduzierenden Atmosphäre verhindert, entsteht hinsichtlich des Gesichtspunkts
einer Verbrennung von Kohle mit wenig NOx ein Problem.
Beim Verfahren (ii) sammeln sich die Kohle und die Trägerluft im zentrischen Abschnitt der Venturidüse an, so daß die Verteilung der Kohle dadurch gesteuert werden kann, daß im stromabwärtigen, sich aufweitenden Abschnitt die Trägheit der Kohle genutzt wird. Gemäß diesem Verfahren wird die vom zentrischen Abschnitt der Kohledüse auszublasende Kohle, wie sie der NOx reduzierenden Atmosphäre zugeführt wird, erhöht und vom Außenumfang der Kohledüse eingeblasen, so daß die dem Außenumfang der Flamme zugeführte Kohle verringert ist. Im Ergebnis ist der Brennstoff am Außenumfang der Flamme verringert, wodurch er nur schlecht zündet. Andererseits ist der der dem NOx reduzierenden Bereich zuzuführende Brennstoff hinsichtlich seiner Vermischung mit Verbrennungsluft verzögert. Wenn die Brennstoffmenge in diesem reduzierenden Bereich erhöht wird, erhöht sich das Verhältnis von unverbrannten Brennstoff am Auslaß der Brennkammer, was den Wirkungsgrad des Kessels verringert.
Angesichts der Erfindung, wie sie unten beschrieben ist, werden nun bestimmte Merkmale der bekannten Offenbarungen, einschließlich einiger der oben genannten, spezieller angegeben.
Gemäß dem Dokument JP-A-54-159 741 wird die Strömung durch Flügel im Kohlekanal verwirbelt, die leicht stromaufwärts des Auslasses liegen. Die radial äußeren Teile der Strömung laufen dann durch einen sich verengenden, ringförmigen Austrittskanal, der sie beschleunigt.
Das Dokument JP-A-56-44 505 zeigt Verwirbelungsflügel am Auslaß des Kohlekanals, der dann einen auseinanderlaufenden Austrittstrichter aufweist, was eine hoch-divergierende Kohleverteilung ergibt.
Gemäß dem Dokument JP-A-57-12 209 wirft ein stromabwärtiger Fliehkraftabscheider die Kohle zur Außenseite des Kohlekanals hin, so daß dort die Konzentration zunimmt. Die radial außenliegende Strömung wird von der inneren am zusammenlaufend kegelförmigen Auslaß durch einen konzentrischen, kegelförmigen Rohreinsatz getrennt und wird durch keilförmige Abstandshalter zwischen dem Einsatz und dem Außenrohr beschleunigt, die den verfügbaren Strömungsquerschnitt für den äußeren Strömungsabschnitt zum Auslaß hin allmählich verringern.
Das Dokument JA-A-62-172 105 zeigt einen Kohlekanal mit einem nach außen auseinanderlaufenden Übergang auf einen Abschnitt mit größerem Durchmesser nahe dem Auslaß, der sich am Auslaß weiter aufweitet. Die anfängliche Aufweitung nach außen führt zu einer relativen Anreicherung der Kohle im Zentrum der Austrittsströmung.
Gemäß dem Dokument JP-A-60-86 311 verfügt der Auslaß des Primärdurchlaufbereichs über einen radial nach innen vorstehenden, gezahnten Flansch, zu dem beschrieben ist, daß er das radiale Auseinanderlaufen von Kohle verhindert, nachdem diese den Auslaß verlassen hat. Das Dokument JP-A-64-57 004 zeigt dasselbe Merkmal.
Das Dokument JP-A-87-508 zeigt ebenfalls einen radial nach innen vorstehenden Flansch am Auslaß des Kohlekanals, gefolgt von einem sich aufweitenden Übergang auf einen Endabschnitt mit größerem Durchmesser.
Das Dokument JP-A-1-256 708 zeigt einen ähnlichen Austrittsflansch nach einer Aufweitung. Da die Aufweitung zu einer Zone mit verringerter Kohlekonzentration im Außenteil der Strömung führt, dient der Flansch hauptsächlich zum Beeinflussen der Luftströmung
Es wird angenommen, daß das Funktionsvermögen zum Reduzieren von NOx gemäß dem Stand der Technik, wie oben beschrieben, hinsichtlich Umweltbestimmungen unzureichend ist, die von Tag zu Tag strenger werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß zu schaffen, der hohes Funktionsvermögen aufweist.
Speziell ist es eine Aufgabe, sowohl eine Größenverringerung der Brennkammer als auch geringen NOx-Ausstoß zu ermöglichen.
Ein anderes Merkmal, das die Erfindung erfüllen kann, ist eine Verkürzung der Brennkammer unter Verwendung eines Brenners mit besserer Zündfähigkeit als beim Stand der Technik.
Ferner ist es durch die Erfindung möglich, einen Kessel und einen Brenner zu schaffen, die die Zündbarkeit von Kohlenstaub am Brennerauslaß verbessern können, ohne die Reaktionen im NOx reduzierenden Bereich zu behindern, so daß sie einen größeren NOx-Reduzierungseffekt als vorhandene Brenner aufweisen können.
Gemäß einer Erscheinungsform umfaßt die Erfindung einen Kohlenstaubbrenner wie er im Anspruch 1 dargelegt ist.
Die Wirkung der Erfindung besteht darin, daß die verlangsamte Strömung von Kohle hoher Konzentration in der Außenzone des Kohlekanals schnell und gut mit der Sekundärluft am Auslaß der Kohledüse vermischt, was zu einer schnellen Verringerung der Sauerstoffkonzentration nahe der Kohledüse führt. Dies beschränkt die Ausbildung von NOx und fördert die Ausbildung eines weiteren Flammenbereichs, in dem eine Reduktion von NOx auftritt. Außerdem kann die Flamme kurz und gut zündbar sein und es kann auf Grund der schnellen Vermischung ein Aufrechterhalten der Flamme erzielt werden.
Vorzugsweise sind die Kohleverteilungseinrichtung und die Verlangsamungseinrichtung so ausgebildet, daß die aus der Auslaßdüse des Kohlekanals austretende Düse im wesentlichen keine Strömungskomponente aus der Achse des Kohlekanals heraus aufweist.
Vorzugsweise ist der Sekundärluftkanal so ausgebildet, daß er der Sekundärluft an der Auslaßdüse eine Wirbelströmung um die Brennerachse herum verleiht.
Um eine Flamme stabil auszubilden, um die Zündfähigkeit und die Flammenaufrechterhaltung zu verbessern, hat es sich als wesentlich herausgestellt, den Vermischungsvorgang in der Nähe des Brennerauslasses zwischen dem Kohlenstaub und der primären Trägerluft sowie der Zündluft zu fördern, die vom Außenumfang des Mischstrahls aus Kohlenstaub und Trägerluft zugeführt wird. In einem System, bei dem Verbrennungsluft als Wirbelungsströmung vom Außenumfang des Strahls aus dem Kohlenstaub und der Trägerluft eingeblasen wird, muß andererseits in der Flamme eine große Umlaufströmung hoher Temperatur aufgebaut werden, damit der Kohlenstaub leicht in die Umlauf strömung eintreten kann. Daher ist es wichtig, den Kohlenstaub in der Nähe der Umlaufströmung dadurch zu sammeln, daß die Einblasgeschwindigkeit des Gemischs aus Kohlenstaub und Luft verringert wird, um die Verteilung der Gemischkonzentration an der Kohlenstaubdüse einzustellen.
Wenn die Einblasgeschwindigkeit des Gemischs aus Kohlenstaub und Luft verringert wird, wird der Kohlenstaub im zentralen Abschnitt der Kohlenstaubdüse durch die Verbrennungsluft mit Wirbelströmung radial nach außen verteilt. Im Ergebnis erhöht sich das Verhältnis, mit dem der Kohlenstaub in der Atmosphäre mit viel Verbrennungsluft am Außenumfang der Flamme verbrannt wird, wodurch sich die Menge an im NOx reduzierenden Bereich zu verbrennendem Kohlenstaub relativ verringert, so daß die NOx-Konzentration am Auslaß der Brennkammer erhöht ist.
Um die Einblasgeschwindigkeit des Gemischs aus Kohlenstaub und Luft zu verringern, kann der Auslaß des Kohlekanals plötzlich auseinanderlaufen, um die Trägerluftströmung und die von ihr mitgenommenen feinen Teilchen radial aufzuwei ten. Dabei werden feste Teilchen mit relativ großen Durchmessern durch ihre Trägheit daran gehindert, der Luftströmung zu folgen, wodurch sie abweichend von der Luftströmung nicht auseinanderlaufen. Im Ergebnis entsteht in der Nähe des Innenumfangs der Kohlenstaubdüse ein Bereich mit hoher Festteilchenkonzentration. Dies ist unerwünscht.
Bei der Erfindung kann der Kohlenstaub in der Nähe der Umlaufströmung gesammelt werden, die sich am Düsenaußenumfang innerhalb der Brennkammer aufbaut. Die Luftgeschwindigkeit im zentrischen Abschnitt der Kohlenstaubdüse kann auf einen höheren Wert als beim oben beschriebenen Verfahren (i) erhöht werden, d.h. beim Verfahren, bei dem die Verteilung des Kohlenstaubs durch Verwirbeln der Trägerluft gesteuert wird, so daß die NOx-Konzentration verringert werden kann, ohne die Menge an Kohlenstaub zu verringern, die dem NOx reduzierenden Bereich zugeführt wird.
Bei der Erfindung umfaßt die Kohleverteilungseinrichtung vorzugsweise einen Kernabschnitt des Kohlekanals mit einem Querschnitt, der in Richtung der Strömung entlang dem Kohlekanal allmählich abnimmt, so daß die Strömungsfläche zunimmt. Die Luft läuft in bezug auf die Kanalachse auseinander, jedoch verbleiben die schwereren Kohlenteilchen in der Außenzone.
Dieser Kernabschnitt des Kohlekanals mit sich allmählich verringerndem Querschnitt kann durch mindestens eine Fläche mit einem Winkel im Bereich von 10º bis 45º zur Kanalachse gebildet sein. Geeigneterweise ist der Kernabschnitt axial verstellbar, um die Position des sich allmählich verringernden Querschnitts relativ zur Auslaßdüse des Kohlekanals einzustellen. Dies bewirkt eine Steuerung der Kohleverteilung an der Düse, z. B. auf eine Änderung der Teilchengrößeverteilung oder der Last hin.
Vorzugsweise verfügt der Kernabschnitt im Kohleabschnitt stromabwärts bezüglich des sich allmählich verringernden Querschnitts über einen Durchmesser im Bereich von 30 bis 80 % des Außendurchmessers der Strömungsfläche im Kohlekanal.
Vorzugsweise umfaßt die Verlangsamungseinrichtung mindestens ein Staubblech, das an der Auslaßdüse des Kohlekanals liegt, um die Strömung in der Außenzone zu unterbrechen. Es können mehrere Staubbleche vorliegen, die um die Düse herum beabstandet angeordnet sind.
Vorzugsweise ist das Staubblech oder sind die Staubbleche so geformt, daß sie der Strömung aus dem Kohlekanal im wesentlichen keine Verwirbelung um ihre Achse verleihen.
Vorzugsweise ist das Staubblech oder sind die Staubbleche vom Kernabschnitt mit sich allmählich verringerndem Querschnitt um ein Stück entfernt, das kleiner als die maximale Weite des Kohlekanals an dessen Auslaßdüse ist.
Wenn das Staubblech ungefähr rechtwinklig in bezug auf die Gemischströmung angeordnet ist, verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Teilchen, die einen Stoß erlitten haben, und sie zeigen eine Geschwindigkeit zum Zentrum der Kohlenstaubdüse hin, rechtwinklig in bezug auf die Einblasrichtung des Gemischs Im Ergebnis werden die heißen Teilchen und die Verbrennungsgase im Zündbereich, wie am Außenumfang der Kohlenstaubdüse gebildet, mit dem zentrischen Abschnitt des von der Kohlenstaubdüse eingeblasenen Strahls von Kohlenstaub vermischt, so daß die Zündfähigkeit des Kohlenstaub im zentrischen Abschnitt der Kohlenstaubdüse verbessert ist. Insbesondere ist es, im axialen Schnitt gesehen, bevorzugt, daß die Staubblechflächen, wie sie mit dem Kohlekanal in Kontakt stehen, unter einem Winkel im Bereich von 90 bis 120º zur Kohlekanalachse bezogen auf die axiale Strömungsrichtung stehen. Demgemäß kann das Staubblech rechtwinklig zur Strömung stehen oder leicht zur Achse geneigt sein, um die Kohle nach innen abzulenken.
Gemäß einer speziellen Erscheinungsform umfaßt die Erfindung einen Kohlenstaubbrenner mit
(a) einem ringförmigen Kohlekanal für eine Strömung aus Kohlenstaub und die Kohle enthaltender Primärluft, der eine Auslaßdüse und eine äußere Begrenzungswand sowie eine innere Begrenzungswand aufweist, die einen ringförmigen Strömungskanal für die Strömung festlegen; und
(b) einem ringförmigen Sekundärluftkanal, der den Kohlekanal umgibt und eine Auslaßdüse um die Auslaßdüse des Kohlekanals herum aufweist; wobei
(c) ein Abschnitt der inneren Begrenzungswand nahe der Auslaßdüse des Kohlekanals Kegelstumpfform mit einem Durchmesser aufweist, der sich in der Strömungsrichtung entlang dem Kohlekanal verringert; und
(d) mindestens ein Staubblech sich ausgehend von der äußeren
Begrenzungswand an der Auslaßdüse des Kohlekanals über einen radialen Abstand nach innen erstreckt, der nicht größer als 20 % des Durchmessers der äußeren Begrenzungswand an der Auslaßdüse ist.
Bei der Erfindung umfaßt die Verbrennungsluft darüber hinaus vorzugsweise die Zünd-Sekundärluft und die Tertiärluft für vollständige Verbrennung. Dies, da im zentrischen Abschnitt der Flamme der Verbrennungsbereich mit Brennstoff im Überschuß gebildet ist, um die Reduktion von NOx durch die Sekundärluft und das Gemisch zu fördern. Um die Ausbildung des Bereichs mit Brennstoff im Überschuß zu erleichtern, ist es ferner wirkungsvoll, die Vermischung zwischen der Sekundärund Tertiärluftströmung am Auslaß des Brenners zu unterdrük ken. Bei der Erfindung kann zwischen den Durchlaufbereichen für die Sekundär- und die Tertiärluft ein Zwischenraum zum Unterdrücken dieser Vermischung eingefügt sein. Dieser Zwischenraum kann nicht nur das radiale Vermischen der Tertiärluft unterdrücken, sondern auch die heißen Verbrennungsgase durch die Verwirbelungskraft der Tertiärluft in die Nähe der Brennstoffdüse ziehen, bevor die Verbrennungsgase in den Brenner strömen, so daß die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs weiter verbessert ist.
Um das Mischungsvermögen mit der Kohle zu verbessern, verfügt die Auslaßdüse des Sekundärluftkanals vorzugsweise an ihrer der Brennerachse näherliegenden Seite über einen Ablenker, der so ausgebildet ist, daß er der Sekundärluft eine nach außen gerichtete Komponente ihrer Strömung in bezug auf die Achse verleiht.
Die Kohlenstaubdüse bläst die relativ kleinen Kohlenstaubteilchen aus ihrem zentrischen Abschnitt und relativ große Kohlenstaubteilchen von ihrem Außenumfang her ein. Dank dieser Eigenschaft kann die Teilchendurchmesserverteilung des dem Brenner zuzuführenden Kohlenstaubs dadurch abgeschätzt werden, daß die Größen der Kohlenstaubteilchen im zentrischen Abschnitt und am Außenumfang des Auslasses der Kohlenstaubdüse gemessen werden.
Ein die Durchmesserverteilung des dem Brenner zugeführten Kohlenstaubs anzeigendes Signal kann zum Steuern der Verbrennung verwendet werden. Wenn die zeitliche Änderung dieses Signals verwendet wird, kann die Teilchendurchmesserverteilung am Außlaß des Kohlepulverisierers, in dem sich die Menge der zugeführten Kohle abhängig von der Änderung der Kesselbelastung ändert, auf einen konstanten oder gewünschten Wert eingestellt werden. Wenn der Kohlenstaub von einem einzelnen Kohlepulverisierer an mehrere Brenner zu verteilen ist, kann die Körnungsverteilung des Kohlenstaubs, wie er den einzelnen Brennern zuzuführen ist, abgeschätzt werden, um die Beziehung zwischen den Körnungsverteilungen zwischen den Brennern auf einen konstanten oder gewünschten Zustand einzustellen.
Die Erfindung schafft auch einen Kessel zum Erwärmen von Wasser durch Verbrennen von Kohlestaub, mit einer Brennkammer zum Verbrennen von Kohlestaub in Luft sowie einer Einrichtung zum Erwärmen des Wassers als Ergebnis der Verbrennung des Kohlenstaubs, wobei die Brennkammer mindestens einen erfindungsgemäßen Brenner, wie oben beschrieben, enthält.
Da der erfindungsgemäße Kohlenstaubbrenner hervorragende Zündfähigkeit und hervorragendes Aufrechterhalten der Flamme aufweist, kann er selbst im Betrieb mit leichter Last bei verringerter Zufuhr von Kohlenstaub eine stabile Flamme errichten, so daß ein Kessel unter Verwendung derartiger Brenner Lastwechseln gut folgen kann.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen von Kohlenstaub in einer Brennkammer mittels eines Brenners mit einem Strömungskanal für Kohlenstaub und die Kohle enthaltende Primärluft, einer ersten Auslaßdüse in die Brennkammer an einem Ende des Strömungskanals und mindestens einer zweiten Auslaßdüse, die etwas entfernter von der Achse des Kohlekanals als die erste Düse liegt, um eine Strömung zweiter Verbrennungsluft in die Kammer benachbart zur ersten Düse zu leiten, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
(a) Vornehmen einer Auftrennung der Strömung im Kohleströmungskanal in mindestens eine Außenzone mit relativ höherer Kohlekonzentration in der Primärluft, und mindestens einer Innenzone mit relativ niedrigerer Kohlekonzentration in der Primärluft, wobei die Innenzone näher an der Kohlekanalachse als die Außenzone liegt;
(b) Verlangsamen der Strömungsgeschwindigkeit der Kohle in der Außenzone relativ zu der in der Innenzone, vor dem Vermischen der Kohle mit der Sekundärluft;
(c) Ausbilden einer ersten Flammenzone benachbart zu den Düsen und einer zweiten Flammenzone entfernter von den Düsen als die erste Verbrennungszone, wobei die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Flammenzone niedriger als die in der ersten Flammenzone ist, und sie in der zweiten Flammenzone ausreichend niedrig dafür ist, daß in ihr eine Reduktion von Stickoxiden auftritt.
Das Verfahren umfaßt vorzugsweise ferner das Bereitstellen einer Strömung von Tertiärverbrennungsluft von mindestens einer dritten Düse des Brenners mindestens zum äußeren der zweiten Flammenzone.

KURZE EINFÜHRUNG IN DIE ZEICHNUNGEN

Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung mittels nicht
beschränkender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Diagramm ist, das den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kohlenstaub-Kesselsystems zeigt;
Fig. 2 ein axialer Schnitt ist, der einen Kohlenstaubbrenner gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine Stirnansicht des Brenners von Fig. 2 von der Innenseite der Brennkammer her ist;
Fig. 4 eine teilgeschnittene Perspektivansicht mit teilweise entfernten Abschnitten auf das Ende des Brenners von Fig. 2 ist;
Fig. 5(a) und 5(b) Kurvenbilder sind, in denen die Verteilungen der Gaszusammensetzung in Strömungsrichtung während der Verbrennung bei einem Kohlenstaubbrenner gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgetragen sind;
Fig. 6 ein axialer Schnitt ist, der einen modifizierten Abschnitt eines Kohlenstaubbrenners gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 7 eine Schnittansicht ist, die einen modifizierten Abschnitt eines Kohlenstaubbrenners eines vierten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 8 eine Schnittansicht ist, die einen Kohlenstaubbrenner eines fünften Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 9 ein Diagramm ist, das ein System zum Messen und Steuern der Durchmesserverteilung von Kohleteilchen in einem erfindungsgemäßen Brenner zeigt;
Fig. 10 ein Diagramm ist, das ein System zum Messen und Steuern der Durchmesserverteilung von Kohletellchen-für mehrere Brenner zeigt; und
Fig. 11 ein Diagramm ist, das ein System zeigt, in dem der erfindungsgemäße Brenner auf einen Drehrohrofen zum Herstellen von Zement angewandt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nun wird der Aufbau des Kohlenstaub-Brennersystems unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Der Kohlenstaubkessel 42 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist beispielhaft durch einen Frontwandkessel veranschaulicht, der über ein zweistufige Verbrennung verwendendes Brennerarray und Nachbrennluft-Einlaßstutzen 58 (die als "Nachluftstutzen" bezeichnet werden) verfügt. Brenner 43 und 43' sind in Längsrichtung der Brennkammer 42 in drei Stufen angeordnet, und in der Querrichtung der Brennkammer 42 sind sie in fünf Reihen angeordnet (diese Queranordnung ist in Fig. 1 nicht dargestellt). Die Anzahl und die Anordnung der Brenner werden abhängig vorn Leistungsvermögen eines Brenners (z. B. der maximalen Kohlenstaub-Verbrennungsrate) sowie dem Leistungsvermögen und dem Aufbau des Kessels festgelegt. Typischerweise kann ein großer Kessel bis zu 60 Brenner aufweisen.
Die einzelnen erfindungsgemäßen Brenner sind in einem Fensterkasten 44 untergebracht, und sie sind so aufgebaut, daß der Kohlenstaub durch eine Luftströmung von einem Kohlepulverisierer (nicht dargestellt) herangeführt wird und über Verteiler 49 und 50 in die Brenner eingeführt wird. Verbrennungsluft 51 wird durch einen Wärmeaustauscher 52 erwärmt, und ihre Strömungsrate wird mittels Dämpfern 47 und 47' durch ein Gebläse 46 als Heißluft bei ungefähr 300 ºC eingestellt. Danach wird die eingestellte Luftströmung so in den Fensterkasten 44 eingeführt, daß sie über die einzelnen Brenner in eine Brennkammer 46 ausgeblasen wird. Sekundärverbrennungsluft 54 (d.h. Nachluft) 54 wird durch einen Wärmeaustauscher 53 erwärmt, und ihre Strömungsrate wird durch Dämpfer 56 und 57 mittels eines Gebläses 55 als erwärmte Luft mit einer Temperatur nahezu entsprechend derje nigen der Primärluft eingestellt. Danach wird die eingestellte Luftströmung in die Nachluftstutzen 58 eingeleitet, damit sie über Düsen 59 und 59' in die Brennkammer 36 eingeblasen wird.
Stromabwärts bezüglich des Kohlenstaubkessels 42 sind in der Gasströmungsrichtung aufeinanderfolgend der Wärmeaustauscher 53, eine Nitratentfernungseinrichtung 61, ein elektrischer Sammler 60 und eine Entschwefelungseinrichtung 62 angeordnet. Die Verbrennungsabgase werden über einen Kamin 63 an die Atmosphäre ausgegeben.
Die von den einzelnen Brennern zu liefernde Verbrennungsluft beträgt 80 bis 90 % der für die Kohle stöchiometrisch erforderlichen Luft, und die Nachluft beträgt ungefähr 30 bis 40 % der für die Kohle stöchiometrisch erforderlichen Luft, so daß die Gesamtluft auf einen Überschuß von ungefähr 20 % eingestellt ist. Die Verbrennungszone in einem Brenner bildet Verbrennungsflammen mit Luftmangel aus, jedoch wird die Verbrennung des unverbrannten Anteils in der Verbrennungszone eines Brenners durch die Nachluft abgeschlossen.
Die erfindungsgemäßen Kohlenstaubbrenner verfügen über hervorragende Zündfähigkeits- und Flammenaufrechterhalteeigenschaften, so daß die durch die Brenner des Kohlenstaubkessels erzeugten Flammen beachtlich verkürzt werden können.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kohlenstaubbrenners.
Der Brenner besteht aus folgendem: einem Primärluft-Durchlaufbereich (Kohlekanal) 30, der in einer Auslaßdüse zum Einblasen des Kohlenstaubs und der den Kohlenstaub mitnehmenden Primärluft in die Brennkammer 36 endet; einem ringförmigen Sekundärluft-Durchlaufbereich 31, der um den Pnmärluft-Durchlaufbereich 30 herum angeordnet ist und in einer Auslaßdüse zum Einblasen von Sekundärluft endet; und einem ringförmigen Tertiärluft-Durchlaufbereich 33, der um den Sekundärluft-Durchlaufbereich 31 herum ausgebildet ist und in einer Auslaßdüse endet.
Innerhalb des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 ist eine Flüssigbrennstoff-Düse 5 angeordnet, die zum Vorheizen der Brennkammer 36 durch Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs wie von Schweröl in einem Vorheizvorgang vorgeheizt wird.
Zwischen die Flüssigbrennstoff-Düse 5 und den Primärluft- Durchlaufbereich 30 ist ein Zerstäubungs/Feinverteilungs- Einstelleinrichtung 34 eingefügt, die ringförmig ausgebildet ist und den Durchmesser der Innenumfangswand des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 bestimmt. Diese Zerstäubungsifeinverteilungs Einstelleinrichtung 34 besteht aus einem Zylinderrohr-Abschnitt 10, der in sich die Flüssigbrennstoff-Düse 5 enthält, einem sich zur Brennkammer aufweitenden Kegel 9, einem zylindrischen Rohrabschnitt 6 mit einem Durchmesser, der dem Maximaldurchmesser des Kegels 9 entspricht, einem zur Brennkammer zusammenlaufenden Kegel 9 und einem zylindrischen, sich gerade erstreckenden Rohr 8 mit einem Durchmesser, der dem Minimaldurchmesser des Kegels 9 entspricht. Alle diese Komponenten sind in der genannten Reihenfolge zur Brennkammer hin miteinander verbunden. Der Durchmesser des Abschnitts 6 liegt im Bereich von 30 bis 80 % des Durchmessers des Rohrs 1.
Der Primärluft-Durchlaufbereich 30 ist demgemäß durch das zylindrische Primärluft-Versorgungsrohr 1 und die vorstehend genannte Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 als ringförmiger Strömungsdurchlaufbereich ausgebildet, und seine stromaufwärtige Seite ist mit einer Kohlenstaub-Versorgungsleitung 26 zum Transportieren des Kohlenstaubs in einer Luftströmung von einem Kohlenstaub-Versorgungssystem (nicht dargestellt) verbunden. Diese Verbindung zwischen der Kohlenstaub-Versorgungsleltung 26 und dem Primärluft-Versorgungsrohr 1 bildet mittels einer flachen Winkelplatte 25 einen Winkel von ungefähr 90º. Diese Winkelplatte 25 hält die oben genannte Flüssigbrennstoff-Düse 5 und die Zerstäu bung/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 im Zentrum des Primärluft-Versorgungsrohr 1. Darüber hinaus verfügt das Primärluft-Versorgungsrohr 1 in der Nähe der Platte 25 über eine Venturidüse 11 zum Glätten der Strömung in ihm, um die Feinverteilungseigenschaften der Kohle im Primärluft-Durch laufbereich 30 zu homogenisieren.
Der Sekundärluft-Durchlaufbereich 31 ist ein ringförmiger Strömungsdurchlaufbereich, dessen Innenumfangswand durch das Primärluft-Versorgungsrohr 1 festgelegt ist, und dessen Aussenumfangswand durch ein Sekundärluft-Versorgungsrohr 2 festgelegt ist, das konzentrisch um das Primärluft-Versorgungsrohr 1 herum angeordnet ist. Der Primärluft-Durchlaufbereich 31 steht an seiner stromaufwärtigen Seite mit einem Fensterkasten 35 in Verbindung, der mit Luftversorgungseinrichtungen zum Zuführen der Sekundär- und Tertiärluftströmungen verbunden ist, und seine stromabwärtige Seite steht mit der Brennkammer 36 in Verbindung.
Der Sekundärluft-Durchlaufbereich 31 ist mit einem Sekundärwiderstand 38, einer Sekundärflügelstruktur 15 und einem Flammenhalter 37 versehen. Der Sekundärwiderstand 38 besteht aus einer seitlichen Flügelplatte 17, die mit der stromaufwärtigen Endfläche des Sekundärluft-Durchlaufbereichs 2 verbunden ist und die flach und ringförmig ist, einer seitli chen Flügelplatte 16, die flach und ringförmig ist, parallel zur seitlichen Flügelplatte 17 angeordnet ist und deren eines Ende mit dem Primärluft-Durchlaufbereich 1 verbunden ist, und Flügeln 18, die zwischen die seitlichen Flügelplatten 16 und 17 eingefügt sind. Die Flügel 18 sind mehrere ebene Platten, die durch einstückig an den seitlichen Flügelplatten 16 und 17 ausgebildete Haltestifte an diesen gehalten werden. Die Flügel 18 verfügen demgemäß über die Funktion der Einstellung des Druckverlusts durch Ändern des Winkels der ebenen Platten durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt), um dadurch Luft mit vorgegebener Strömungsrate in den Sekundärdurchlaufbereich 31 einzuleiten.
Die Sekundärflügelstruktur 15 besteht aus Verwirbelungsschaufeln, die einstückig mit einer Anzahl Halteschäfte ausgebildet sind, deren zwei Enden vorn Primärluft-Versorgungsrohr 1 und vorn Sekundärluft-Versorgungsrohr 2 gehalten werden. An der so aufgebauten Sekundärluftstruktur 15 können die Verwirbelungsschaufeln durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt) in bezug auf die Luftströmung winkelmäßig ver ändert werden, um dadurch die Verwirbelungsstärke der Sekundärluftströmung einzustellen.
Der an der Endfläche des Sekundärluft-Versorgungsrohrs 2 auf der Seite der Brennkammer befestigte Flammenhalter 37 sorgt in seinem Bereich an der Kammerseite für eine Geschwindigkeit zum Brenner hin (d.h. für eine Strömungsumkehrung außerhalb des Durchlaufbereichs 30). Die Form des Flammenhalters 37 kann beliebig sein, solange sie die oben angegebene Funktion erfüllt, jedoch vorzugsweise (wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel) besteht er aus folgendem: einem sich aufweitenden Abschnitt aus der Innenumfangswand des Strömungsdurchlaufbereichs 31 bezüglich des Auslasses des Sekundärluft-Durchlaufbereichs 31; einer Primärverengung 13, deren Außenumfang sich zur Brennkammer hin aufweitet; und mehreren plattenförmigen Staubblechen 12 mit der Funktion, daß sie dafür sorgen, daß ein Teil der Primärluft mit der Kante der Mündung des Primärluft-Durchlaufbereichs 1 zusammenstößt. Dies bewirkt eine Verlangsamung der Außenzone der Primärluftströmung, wie es unten weiter beschrieben wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen, daß die Staubblechplatten 12, von denen in diesem Fall acht vorliegen, rechtwinklig sind und sie gleichförmig um den Umfang des Luftdurchlaufbereichs 30 angeordnet sind, mit Abständen zwischen ihnen. Vorzugsweise liegt die Anzahl der Platten 12 im Bereich von 6 bis 16. Die Höhe jeder Platte 12, d.h. ihr radiales Vorstehen in den Durchlaufbereich 30 hinein, beträgt vorzugsweise weniger als 20 % des Gesamtdurchmessers des Durchlaufbereichs 30 an seinem Auslaßende, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,15 mal diesem Durchmesser. Im vorliegenden Fall beträgt die Höhe der Platte 12 10 % des Durchmessers des Durchlaufbereichs 30. Die Umfangslänge jeder Platte 12 liegt vorzugsweise im Bereich vom 0,2- bis zum 5-fachen ihrer Höhe, wobei sie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr das Doppelte ihrer Höhe ist. Die Staubblechplatten 12 stehen unter 90º zur Achse des Durchlaufbereichs 30, jedoch können sie von den radial äußeren Seiten unter einem Winkel von bis zu 30 % gegenüber den in Fig. 2 dargestellten Position nach außen (zur Brennkammer hin) schräggestellt sein, d.h. unter einem Winkel im Bereich von 90 bis 120º zur axialen Richtung der Strömung im Durchlaufbereich 30.
Der Tertiärluft-Durchlaufbereich 33 ist als ringförmiger Durchlaufabschnitt ausgebildet, dessen Innenumfangswand durch ein Tertiärluft-Versorgungsrohr 3, das konzentrisch um das Sekundärluft-Versorgungsrohr 2 angeordnet ist, gebildet ist, und dessen Außenumf angswand durch ein Außenrohr 4 gebildet ist, das konzentrisch um das Tertlärluft-Versorgungsrohr 3 herum angeordnet ist. Der so aufgebaute Tertiärluft-Durchlaufbereich 33 steht an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem Fensterkasten 35 in Verbindung, und an seinem stromabwärtigen Ende steht er mit der Brennkammer 36 in Verbindung. Stromaufwärts bezüglich des Tertiärluft-Durchlaufbereichs 33 ist ein Tertiärwiderstand 30 angeordnet, der einen Aufbau ähnlich dem des Sekundärwiderstands 38 aufweist, so daß er aus zwei Blechen seitlicher Tertiärflügelplatten 19 und 20 und Tertiärflügeln 21 besteht. Der Tertiärwiderstand wirkt so, daß er die Verwirbelungsintensität und die Luftströmungsrate durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt) einstellt.
Zwischen den Sekundärluft-Durchlaufbereich 31 und den Tertiärluft-Durchlaufbereich 33 ist ein Zwischenraum oder eine Unterteilung 32 eingefügt, die so ausgebildet ist, daß sie die zwei Luftdurchströmungsbereiche mit radialern Abstand voneinander hält. Die Unterteilung 32 ist so geformt, daß sie das Vermischen von Tertiärluft und Sekundärluft unterdrückt. Die Unterteilung 32 verfügt über eine Weite, die dazu ausreicht, einen Bereich mit Brennstoff im Überschuß auszubilden, und sie ist so geformt, daß die Beschädigungen auf Grund der Flammenstrahlung minimiert. Die Unterteilung 32 beim ersten Ausführungsbeispiel entspricht einer Sekundärverengung 14, deren Außendurchmesser zur Brennkammer hin weiter wird und deren kammerseitiges Ende mit dem Tertiärluft-Versorgungsrohr 3 verbunden ist und deren anderes Ende mit dem Sekundärluft-Versorgungsrohr 2 verbunden ist.
Der Brenner mit den insoweit beschriebenen Merkmalen ist im Fensterkasten 35 untergebracht, der durch eine Kammerinnenwand 23 und eine Fensterkasten-Seitenplatte 24 gebildet ist, und dessen offene Kammerseite mit einer in der Kammerinnenwand ausgebildeten Tertiärverengung 22 verbunden ist.
Der Kohlenstaub läuft typischerweise mit einer Geschwindig keit von ungefähr 30 m/s durch den Primärluft-Durchlaufbereich außerhalb der Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34, so daß der Abschnitt, in dem Zusammenstöße auftreten, abgenutzt und verformt wird, was zum Problem führt, daß bei Langzeitbetrieb die Zuverlässigkeit verlorengeht. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, sind diejenigen Innenumfangswände des Kegels 9 und des gerade verlaufenden Rohrs 8 der Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 und des Primärluft-Versorgungsrohrs 1, auf die die Kohleteilchen treffen, mit Keramikf ilmen für Abriebfestigkeit be schichtet.
Nachfolgend wird die Funktion dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die Form der Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschleunigt den Kohlenstaub im Primärluft-Durchlaufbereich 30, so daß er mit hoher Geschwindigkeit durch den ringförmigen Durchlaufkanal läuft, von dem ein kleiner Querschnittsbereich durch den Rohrabschnitt 6 begrenzt wird, um zu verhindern, daß die Flamme in den Primärluft-Durchlaufbereich eintritt. Im zusammenlaufenden Abschnitt 7 der Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 (d.h. in einem Abschnitt mit sich allmählich verringerndem Querschnitt) an der Seite der Brennkammer wird der den Kohlenstaub transportierende Primärluftstrahl radial nach innen aufgeweitet, so daß seine Einblasgeschwindigkeit fällt. Feine Teilchen können nach innen transportiert werden, jedoch widerstreben Kohlestaubteilchen mit relativ großen Durchmessern auf Grund ihrer Trägheit einem Nachfolgen der Luftströmung, so daß sie sich nicht so weit wie die Luftströmung aufweiten. Im Ergebnis werden eine Zone oder ein Bereich mit höherer Kohlenstaubkonzentration nahe dem Außenumfang des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 und eine Zone oder ein Bereich mit geringerer Kohlenstaubkonzentration nahe dem Innenumfang des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 gebildet. Der bevorzugte Kegelwinkel des Abschnitts 7 mit sich verringerndem Querschnitt liegt im Bereich von 10 bis 45º.
10 Das gerade verlaufende Rohr 8, das am nächsten bei der Brennkammer angeordnet ist, dämpft die Geschwindigkeit der Luft in radialer Richtung des Brenners, wie durch den Kegel 7 hervorgerufen, so daß die Geschwindigkeit in axialer Richtung des Brenners hauptsächlich dazu dient, die Wechselwirkung zwischen dem durch die Flüssigbrennstoff-Düse 5 zerstäubten Flüssigbrennstoff und der Primärluft zu verringern, um dadurch eine Fehlzündung der Flüssigbrennstoff-Flamme zu verhindern, wenn die Brennkammer vorgeheizt wird.
Die Staubblechplatten 12 des Flammenhalters 37 werden vom Strahl mit der oben beschriebenen höheren Kohlenstaubkonzentration getroffen. Die auf die Staubblechplatten 12 treffenden Kohlenstaubteilchen erfahren eine Geschwindigkeitsverringerung, jedoch verbleiben sie in der Richtung rechtwink hg zu der, in der das Gemisch eingeblasen wird, so daß die Wahrscheinlichkeit besteht, daß sie in den Zündbereich gelangen, der auf der Brennkammerseite des Flammenhalters 37 ausgebildet ist. Die Kohle verfügt über praktisch keine radial nach außen gerichtete Strömungskomponente. Die Staub blechplatten 12 verleihen der Kohle auch keine allgemeine Verwirbelungsbewegung.
Die Primärverengung 13 arbeitet so, daß sie die Ausbildung der Gasströmung an der Kammerseite des Flammenhalters 37 zum Brenner hin stabilisiert.
Die vom Sekundärluft-Durchlaufbereich 31 gelieferte Sekundärluft wird auf verwirbelte Weise von den Sekundärflügeln 15 eingeblasen, um sowohl die Feinverteilung des Kohlenstaubstrahls, der an der Mündung des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 verdichtet wird, in radialer Richtung, als auch das Verhältnis zwischen der Luft und dem Kohlenstaub im Verbrennungsbereich mit überschüssigem Brennstoff im Flammenzentrum einzustellen. Die Geschwindigkeit der Sekundärluft strömung wird abhängig von der Strömungsrate des in den Brenner gegebenen Kohlenstaubs, dem Verhältnis zwischen fester Kohle und der flüchtigen Komponente des Kohlenstaubs (was allgemein als "Brennstoffverhältnis" bezeichnet wird, wobei der Anteil festen Kohlenstoffs umso höher ist, je höher der Wert ist) und der Teilchengrößenverteilung des Kohlenstaubs eingestellt. Anders gesagt, wird die Strömungsrate der Sekundärluft verringert, während die Intensität der Verwirbelungsströmung beibehalten wird, wenn sich die Strömungsrate des Kohlenstaubs verringert, das Brennstoffverhältnis zunimmt und der Anteil größerer Teilchen zunimmt.
Die vom Tertiärluft-Durchlaufbereich 33 gelieferte Tertiärluft wird in die Verwirbelungsströmung vom Tertiärwiderstand 39 in die Brennkammer eingeblasen. Da die Verwirbelungsströmung der Tertiärluft im zentralen Abschnitt nahe dem Brenner geringeren Druck als in der Brennkammer aufweist, saugt sie die Verbrennungsgase, die bei hohen Temperaturen durch die Flamme erzeugt werden, in die Nähe des Brenners zurück, um dadurch die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs zu verbessern. Darüber hinaus unterdrückt die Verwirbelungsströmung der Tertiärluft die Vermischung zwischen ihr und dem Kohlenstaubstrahl nahe dem Brenner, um dadurch den oben genannten Verbrennungsbereich mit Brennstoff im Überschuß stabil zu halten. Die Unterteilung 32 erhöht den Abstand zwischen der Tertiärluft und dem Kohlenstaubstrahl, um die radiale Vermischung der Tertiärluft in der Nähe des Brenners zu unterdrücken, um dadurch den Verbrennungsbereich mit Brennstoff im Überschuß zu stabilisieren.
Nachfolgend werden die Effekte des Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die Zone mit höherer Kohlenstaubkonzentration, wie sie sich nahe dem Außenumfang des Primärluft-Durchströmungsbereichs 30 durch die Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 ausbildet, erhöht den Wärmewert pro Flußvolumen nahe dem Flammenhalter, um die Zündfähigkeit zu verbessern, so daß sie hinsichtlich einer Erhöhung der Flammentemperatur um den Bereich mit Brennstoff im Überschuß herum wirksam ist.
Die Teilchen in der Zone mit niedrigerer Teilchenkonzentration, wie nahe dem Innenumfang des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 ausgebildet, werden durch die heiße Flamme nahe dem Außenumfang erwärmt, was die Pyrolyse im Bereich mit Brennstoff im Überschuß fördert. Im Ergebnis steigt die Freisetzung von Wasserstoffcyanid, Ammoniak usw. in der heißen Atmosphäre mit niedriger Sauerstoffkonzentration an, was die Reduzierung von im Anfangszustand der Verbrennung gebildetem NOx fördert, so daß die Konzentration des am Auslaß der Brennkammer ausgegebenen NOx verringert ist.
Allgemein gesagt, wird die Vermischung des durch den zentralen Abschnitt einer Flamme laufenden Kohlenstaubs mit der Tertiärluft verzögert, so daß dementsprechend seine Oxidierung verzögert ist. Im Ergebnis besteht die Tendenz, daß die Menge an Brennstoff, die unverbrannt am Auslaß der Brennkammer ausgegeben wird, zunimmt. In der Nähe des Innenumfangs des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 ist jedoch die Strömungsrate des Kohlenstaubs pro Volumeneinheit verringert und es werden nur die feinen Teilchen, die der Luftströmung im sich plötzlich aufweitenden Abschnitt folgen können, zugeführt, wie es für die Erfindung beschrieben wurde. Im Ergebnis ist das Reaktionsvermögen der Teilchen im zenträlen Abschnitt der Flamme verbessert, was eine Zunahme unverbrannten Brennstoffs am Auslaß der Brennkammer vermeidet.
Das sich gerade erstreckende Rohr 8 verringert die Geschwindigkeit der Luft in der axialen Richtung des Brenners, wie durch die Wirkung des Kegels 7 hervorgerufen, so daß die Ge schwindigkeit in der axialen Richtung des Brenners hauptsächlich so wirken kann, daß sie die Wechselwirkung zwischen dem durch die Flüssigbrennstoff-Düse 5 zerstäubten Flüssigbrennstoff und der Primärluft verringert. Im Ergebnis wird die Wirkung erzielt, daß verhindert ist, daß die Flamme des flüssigen Brennstoffs fehlzündet, während die Brennkammer vorgeheizt wird.
Die Staubblechplatten 12 des Flammenhalters 37 führen zu einer Stauung in der Strömungszone mit hoher Kohlenstaubkon zentration, um die Strömungsgeschwindigkeit der Kohlenstaubteilchen zu verringern, die auf die Staubblechplatten 12 treffen, und um eine Strömungsgeschwindigkeit rechtwinklig in bezug auf die Einblasrichtung des Gemischs einzustellen, um dadurch die Kohlenstaubteilchen in eine Umlaufströmung zu führen, die auf der Brennkammerseite des Flammenhalters 37 ausgebildet ist. Es tritt ein weiterer Effekt dahingehend auf, daß die Zündfähigkeit in der Nähe des Flammenhalters verbessert ist.
Die Primärverengung 13 erzeugt auf stabile Weise die Umlaufströmung an der Brennkammerseite des Flammenhalters 37, so daß die Zündfähigkeit in der Nähe des Flammenhalters 37 weiter verbessert ist.
Die vom Sekundärluft-Durchlaufbereich 31 gelieferte Sekundärluft stellt sowohl die radiale Feinverteilung des Kohlenstaubstrahls, wie er an der Mündung des Primärluft-Durchlaufkanals 30 verengt wird, als auch das Verhältnis zwischen der Luft im Verbrennungsbereich für Brennstoff im Überschuß im zentrischen Abschnitt der Flamme und dem Kohlenstaub ein. Dadurch treten optimale Bedingungen für Oxidation durch Sauerstoff und Wasserdampf für die Kohlenstaubteilchen sowie für die Reduktion von NOx auf.
Die Verwirbelungsströmung der Tertiärluft verringert den Druck im zentrischen Abschnitt nahe dem Brenner auf einen niedrigeren Pegel als in der Brennkammer, um die durch die Flamme in der Nähe des Brenners erzeugten heißen Verbrennungsgase zu entnehmen. Dadurch tritt der Effekt auf, daß die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs verbessert ist. Darüber hinaus unterdrückt die Verwirbelungsströmung der Tertiärluft eine Vermischung zwischen der Tertiärluft in der Nähe des Brenners und dem Kohlenstaubstrahl, so daß Verbrennungsbereich für Brennstoff im Überschuß stabil in der Flamme aufgebaut wird.
Die Unterteilung 32 verringert die Differenz zwischen den statischen Brücken im Innern des Fensterkastens 35 und der Brennkammer 36, wie zum Einblasen der Tertiärluft mit dem oben angegebenen Effekt erforderlich, auf ungefähr die Hälfte, wodurch die Wirkung erzielt wird, daß die Energie für Einrichtungen zum Versorgen der Verbrennungsluft verringert ist.
In den Fig. 5(a) und 5(b) sind die Verteilungen der Gaszusammensetzungen auf der Mittelachse des Brenners in der Brennkammer bei Verbrennung unter Verwendung des Brenners des vorliegenden Ausführungsbeispiels aufgetragen. Fig. 5(a) zeigt die NOx-Konzentration und die verbrennungsrate des Kohlenstaubs, und das untere Diagramm zeigt die Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Der Brenner des Ausführungsbeispiels wurde Verbrennung unter den folgenden Bedingungen unterzogen: der Kohlenstaub wurde mit einer Rate von 500 kg pro Stunde verbrannt; der Brenner wurde mit Luft mit einer Menge von ungefähr dem 0,8-fachen der zum Verbrennen des Brennstoffs stöchiometrisch erforderlichen Menge versorgt; und es wurde Luft (sogenannte "Nachluft") hinzugefügt, um am Auslaß der Brennkammer, entsprechend der Position einer Kammerverweilzeit von ungefähr 0,4 s entfernt vom Brenner, von ungefähr 2 % zu ergeben.
Die Betriebsbedingungen waren dergestalt, daß das Gewichtsströmungsverhältnis des Kohlenstaubs und der Luft pro Zeiteinheit ungefähr 0,5 betrug und daß die Verhältnisse der Primär-, Sekundär- und Tertiärluftströme ungefähr 2 : 1 : 4 betrugen. Die Primärluft hatte eine Einblasgeschwindigkeit von ungefähr 20 m/s, bei einer Vorheiztemperatur von ungefähr 80 ºC. Die Sekundär- und Tertiärluftströmungen hatten eine Vorheiztemperatur von ungefähr 300 ºC, und die Sekundärluftströmung hatte eine Einblasgeschwindigkeit von ungefähr 26 m/s, während die Tertiärluftströmung eine Einblasgeschwindigkeit von ungefähr 50 m/s hatte.
25 Der Kohlenstaub der Probe hatte eine Teilchendurchmesserverteilung von ungefähr 80 bis 84 Gewichts-% an Teilchen von 74 µm oder weniger, ein Brennstoffverhältnis von ungefähr 2,1, ein Gewicht von ungefähr 1 % der Stickstoffkomponente im Brennstoff und ein Gewicht von ungefähr 8 % an Aschegehalt.
Angesichts der Sauerstoffkonzentration von ungefähr 1 % und einer Verbrennungsrate von ungefähr 55 % an einer Position 1 m entfernt vom Brenner zeigte es sich, daß die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs nahe dem Brenner hervorragend war. Angesichts einer Konzentration von Kohlenmonoxid von ungefähr 8 % und einer Wasserstoffkonzentration von ungefähr 3 % zeigte es sich, daß sich der Verbrennungsbereich für Brennstoff im Überschuß schnell aufbaut. Andererseits verringerte sich die NOx-Konzentration, die im Anfangsstadium der Verbrennung den hohen Wert von ungefähr 1000 ppm aufwies, auf ungefähr 200 ppm, und diese Verringerung trat bereits an der Position von 1 m auf. Kurz gesagt, konnten die Zerstäubungs/ Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 und die Staubblechplatten 12, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet, geeignete Feinverteilungseigenschaften für Kohlenstaub realisieren, um die Zündfähigkeit zu verbessern und einen Bereich mit Brennstoff im Überschuß zu errichten.
Die Sauerstoffkonzentration stieg 2 m entfernt vom Brenner leicht an. Es wird angenommen, daß dies davon herrührt, daß eine Vermischung zwischen der Tertiärluft und dem Bereich mit Brennstoff im Überschuß begonnen hat. Der Bereich bis zur Position von 4 m, an der die Einführung der Nachluft auftritt, entspricht dem Verbrennungsbereich für den Kohlenstaub und für Umsetzung der freigesetzten Stickstoffkomponente in Stickstoff.
Im Ergebnis der Zündförderung des Kohlenstaubs durch die Zerstäubungsifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 und die Staubblechplatten 12 erhöht sich die Gastemperatur im Bereich mit Brennstoff im Überschuß, um die Reaktionen zwischen dem Kohlenstaub und Wasserdampf zu fördern. Im Ergebnis erreicht die Verbrennungsrate des Kohlenstaubs ungefähr 90 % an der Position von 4 m, und zwar trotz der Tatsache, daß die Menge der dem Brenner zugeführten Luft ungefähr das 0,8-fache des stöchiometrischen Werts ist, so daß die zusammen mit dem unverbrannten Anteil des Kohlenstaubs freigesetzte Stickstoffkomponente vor der zusätzlichen zuführung der Nachluft in Stickstoff umgesetzt wird. Da die Verbrennungsrate beim Zuführen der Nachluft ungefähr 90 % erreicht hat, ist in den Brennstoffteilchen nur noch wenig Stickstoffgehalt vorhanden, so daß NOx, das andernfalls Im Nachstrom der Nachluft erzeugt werden könnte, nicht beobachtet wird.
Die NOx-Konzentration betrug beim Brenner des vorliegenden Ausführungsbeispiels ungefähr 110 bis 120 ppm (umgesetzt in eine Sauerstoffkonzentration von 6 %) an einer Position entsprechend 1,4 s entfernt vom Brenner, und der unverbrannte Aschegehalt betrug ungefähr 2 Gewichts-%.
In Fig. 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 6 zeigt Abschnitte, die sich vom Aufbau des Brenners der Figuren 2 bis 4 unterscheiden, jedoch sind Abschnitte weggelassen, die übereinstimmend sind. Der Brenner von Fig. 6 zeichnet sich durch einen Aufbau aus, bei dem die Sekundärflügel und die Unterteilung gemeinsam ausgebildet sind. Der Sekundärluft-Durchlaufkanal 31 ist als Ringkanal ausgebildet, der durch das Primärluft-Versorgungsrohr 1, das den Außenumfang des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 bildet, und das Sekundärluft-Versorgungsrohr 2 festgelegt ist, das den Innenumfang des Tertiärluft-Durchlaufbereichs 33 bildet. Die stromaufwärtige Seite des Sekundärluft-Durchlaufbereichs 31 steht über den Sekundärwiderstand 38 mit dem Fensterkasten 35 in Verbindung, und seine stromabwärtige Seite steht über einen Sekundärluftverwirbler 40 mit der Brennkammer 36 in Verbindung. Dieser Sekundärluftverwirbler 40 besteht aus mehreren rechteckigen Platten, bei denen jeweils ein Ende mit einem Flammenhalter 37 verbunden ist, wobei das andere Ende mit der Endfläche des Sekundärluft-Versorgungsrohrs 2 verbunden ist, die näher als der Flammenhalter 37 an der Brennkammer liegt. Diese rechteckigen Platten, d.h. die Verwirbelungsflügel, sind so befestigt, daß sie die benachbarten in der Einblasrichtung des Kohlenstaubs überlappen, und sie sind so angeordnet, daß die Sekundärluft durch die Zwischenräume zwischen den überlappenden Flügeln auf solche Weise hindurchlaufen kann, daß sie eine Geschwindigkeit aufweist, die nicht in der Einblasrichtung des Kohlenstaubs, sondern nur in der Verwirbelungsrichtung liegt.
Nachfolgend werden die Funktion und die Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die Durchlaßbereiche der Zwischenräume zwischen den den Sekundärluftverwirbler 40 bildenden Verwirbelungsflügel verleihen der Sekundärluft keine Geschwindigkeit in der Einblasrichtung des Kohlenstaubs, sondern eine Geschwindigkeit in der Verwirbelungsrichtung. Im Ergebnis hat der Sekundärluftverwirbler 40 eine Funktion, die derjenigen der Unterteilung 32 in den Fig. 2 bis 4 entspricht, um nämlich die heißen Verbrennungsgase der Kohlenstaubflamme in der Nähe des Brenners zu entnehmen, um dadurch die Zündfähigkeit des Kohlenstaubs zu verbessern.
Die Sekundärluft tritt mit den Flächen der Verwirbelungsflügel des Sekundärluftverwirblers 40 in Kontakt, um diese Verwirbelungsflügel herunterzukühlen. Im Ergebnis können die durch die in der Nähe des Brenners gebildete heiße Flamme hervorgerufenen Verbrennungsverluste verhindert werden, was die Zuverlässigkeit bei Langzeitbetrieb verbessert.
Fig. 7 zeigt eine Modifizierung des erfindungsgemäßen Kohlenstaubbrenners, die sich dadurch auszeichnet, daß die Zerstäubungsifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 in der Einblasrichtung des Kohlenstaubs (axiale Richtung) verstellt werden kann.
Die Zerstäubungsifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 besteht aus dem Zylinderrohrabschnitt 10, dem Kegel 9, dem Zylinderrohrabschnitt 6 und dem Kegel 7, die einstückig in der genannten Reihenfolge vorn stromaufwärtigen Ende her ausgebildet sind. Der vorstehende Abschnitt der Flüslsigbrennstoff-Düse 5, der von der Brennkammer-Endfläche der Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 zur Brennkammer vorsteht, entspricht dem gerade verlaufenden Rohr 8, wie es beispielhaft in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist.
Die Position der Zerstäubungs-Feinverteilungs-Einstellein richtung 34 wird auf ein Steuersignal hin in der Einblasrichtung des Kohlenstaubs verstellt. Dieses Steuersignal ist beispielhaft durch folgendes gegeben: ein Signal, das Information zu den Strömungsraten des Kohlenstaubs und der Trägerluft enthält; ein Signal, das das Zuführverhältnis der in drei Teile unterteilten Verbrennungsluft anzeigt, wie sie dem Brenner zugeführt wird; ein Signal, das Information zur Flammenform oder dergleichen enthält; und ein Signal, das den Zustand des Brenners oder der Brennkammer angibt, wie ein Signal, das mehrere Temperatur-Einzelinformationen enthält.
Nachfolgend werden die Funktion und die Wirkungen des Ausführungsbeispiels von Fig. 7 beschrieben.
Die Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 wird in der Einblasrichtung des Kohlenstaubs verstellt, um die Länge des vorstehenden Abschnitts (der dem gerade verlaufenden Rohr 8 entspricht) der Flüssigbrennstoff-Düse 5 zur Brennkammer hin zu verändern, so daß die Feinverteilungsei genschaften des Kohlenstaubs am Auslaß des Primärluft-Durchlaufbereichs eingestellt werden. Genauer gesagt, wird die Wiederverteilung der Kohlenstaubteilchen, die durch die Zerstäubungsifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 in der Nähe der Innenfläche des Primärluft-Versorgungsrohrs 1 konzen triert wurden, in der radialen Richtung des Durchlaufbereichs mit Zunahme der Länge des oben angegebenen, gerade verlaufenden Rohrs erhöht, so daß die radialen Verteilungen der Teilchendurchmesser oder die Konzentrationen der Kohlenstoffteilchen am Ende des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 zur Seite der Brennkammer hin geglättet sind. Wenn das vorstehend angegebene, gerade verlaufende Rohr gekürzt wird, kann dagegen die Kohlenstaubkonzentration in der Außenzone der Mündung des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 erhöht werden.
Allgemein gesagt, ist während eines Betriebs bei geringer Belastung bei geringer Versorgung mit Kohlenstaub die Teilchenkonzentration des Kohlenstaubs wegen der Betriebscharakteristik des Kohlepulverisierers schmaler, so daß die Zünd fähigkeit in der Nähe des Flammenhalters verschlechtert ist, wodurch sich keine stabile Flamme bildet. Wenn die Zerstäubungsifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 auf ein Signal hin betrieben wird, das die Merkmale des Verbrennungszustands anzeigt, können die Verbrennungseigenschaften des Brenners verbessert werden. Wenn z. B. das die Kohlenstaub- Zuführrate bestimmende Signal dazu verwendet wird, die Kohlenstaub-Zuführrate zu verringern und die Zerstäubungsifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 zur Brennkammer hin zu verstellen, wird die Kohlenstaubkonzentration an der Mündung des Primärluft-Versorgungsrohrs 1 unabhängig von der Kohlenstaub-Versorgungsrate im wesentlichen auf konstantem Wert gehalten. Im Ergebnis kann die Minimalbelastung eines einzelnen Brenners auf ungefähr die Hälfte des Werts beim Stand der Technik, d.h. auf ungefähr 15 bis 20 % verringert werden.
Diese Funktionen und Effekte sollten entsprechend selbst dann erzielt werden, wenn die Zerstäubungsifeinverteilungs- Einstelleinrichtung an einer Kohlenstaubdüse beliebiger Form angebracht wäre, wobei jedoch die Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung von Fig. 7 in der Kohlenstaubdüse des Zylinderrohrs angeordnet ist. Zum Beispiel können selbst bei einem Verbrennungsverfahren, bei dem mehrere rechteckige Düsen in der Höhenrichtung der Brennkammer übereinanderge stapelt sind, so daß der Kohlenstaub und die Trägerluft oder die Verbrennungsluft von einzelnen Düsen eingeblasen werden, die Konzentration und der Durchmesser der Teilchen des Kohlenstaubs am Auslaß der Düsen eingestellt werden, um das Ziel der Erfindung zu erreichen, wenn die Zerstäubungsifein verteilungs-Einstelleinrichtung in den Kohlenstaub-Trägerdüsen angebracht ist.
Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, und sie veranschaulicht nur die Teile, deren Aufbau sich von dem des Brenners in den Fig. 2 bis 4 unterscheidet, jedoch sind gleiche Teile weggelassen. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine Führungshülse 41 am vorderen Ende des Sekundärluft-Versorgungsrohrs 2 anstelle der Unterteilung 21, wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, aus, um eine Vermischung zwischen dem Kohlenstaubstrahl und der Tertiärluft zu unterdrücken.
Die Führungshülse 41 legt den Tertiärluft-Durchlaufbereich 33 benachbart zur Brennkammer 36 fest, entsprechend der zweiten Verengung 14 in den Fig. 2 bis 4. In Fig. 8 ist der Tertiärluft-Durchlaufbereich 33 so ausgebildet, daß sich seine Querschnittsfläche durch die Führungshülse 41 zur Brennkammer 36 hin verringert.
Nachfolgend werden die Funktion und die Wirkungen dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
Da die Führungshülse 41 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel so aufgebaut ist, daß sie den Durchmesser des Tertiärluft-Durchlaufbereichs 33 an der Vorderseite (d.h. der Seite der Brennkammer) verringert, kann der Tertiärluftstrom ent lang der Tertiärverengung 22 eingeblasen werden, um die Ver mischung zwischen der Tertiärluft und der Kohlenstaubströmung unmittelbar nach dem Einblasen der Tertiärluft zu unterdrücken, so daß die Führungshülse 41 eine Funktion ähnlich derjenigen der Unterteilung 32 in den Fig. 2 bis 4 ausüben kann. Im Ergebnis kann im zentralen Abschnitt der Flamme und in der Nähe des Brenners ein Bereich mit niedrigerem Luft/Brennstoff-Verhältnis ausgebildet werden, wodurch die Wirkung erzielt wird, daß im Anfangsstadium der Verbrennung erzeugte Reduzierung von NOx gefördert werden kann. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann darüber hinaus eine andere Wirkung der Ausführung stabiler Zündung und eines stabilen Flammenhaltevorgangs selbst bei geringer Last auch dadurch erzielt werden, daß die Zerstäubungsifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 abhängig von der Last verstellt wird, wie in Fig. 7.
In Fig. 9 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 9 veranschaulicht ebenfalls nur Teile, deren Aufbau sich von denen beim Brenner der Fig. 2 bis 4 unterscheidet, wobei jedoch gemeinsame Teile weggelassen sind. Eine Einrichtung, nämlich ein Detektor, zum Messen der Teilchendurchmesserverteilung des von der Kohlenstaubdüse einzublasenden Kohlenstaubs auf der Seite der Brennkammer stromabwärts bezüglich der Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung ist an der Kohlenstaubdüse angebracht. Der Detektor besteht aus folgendem: einem Detektor 71 für Teilchen mit größerem Durchmesser zum Messen der Teilchendurchmesser in der Nähe der Innenfläche des Primärluft-Versorgungsrohrs 1; einem Detektor 72 zum Messen von Teilchen mit kleinerem Durchmesser zum Messen der Teilchendurchmesser in der Nähe der radial inneren Seite des Durchlaufbereichs 30; einem Teilchendurchmesserverteilungs-Detektor 74 zum Abschätzen der Teilchendurchmesserverteilung des zugeführten Kohlenstaubs auf Grundlage des Ausgangssignals 76 (d.h. eines Signals für Teilchen mit größerem Durchmesser) des Detektors 71 für Teilchen mit größerem Durchmesser sowie des Ausgangssignals 77 (d.h. eines Signals für Teilchen mit kleinerem Durchmesser) des Detektors 72 für Teilchen mit kleinerem Durchmesser; und einem Pulverisierer 7 zum Einstellen der Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs auf Grundlage des Ausgangssignals 78 (d.h. eines Signals zur Teilchendurchmesserverteilung) des Teilchendurchmesserverteilungs-Detektors 74. Der Detektor 71 für Teilchen mit größerem Durchmesser und der Detektor 72 für Teilchen mit kleinerem Durchmesser sind beispielhaft durch kontaktfreie Detektoren, die optische Streuung oder Hindurchstrahlung verwenden, oder kontaktierende Detektor zum Erfassen der Widerstandskraft auf Grundlage aufprallender Teilchen gegeben.
Nachfolgend werden die Funktion und die Wirkungen dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
Da die wirksame Fläche des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 an seinem stromabwärtigen Ende vergrößert ist, kann die Zerstäubungifeinverteilungs-Einstelleinrichtung 34 die Trägheit der Kohlenstaubteilchen dazu ausnutzen, die Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs in der radialen Richtung des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 zwischen den kleineren Teilchen, die dazu in der Lage sind, der Luftströmung zu folgen, und den größeren Teilchen, die sich widerstreben, der Luftströmung zu folgen, ändern. Die Teilchendurchmesser im Kohlenstaub, der widerstrebt, der Trägerluft zu folgen, werden abhängig von der Trägerluftgeschwindigkeit an der Position des Zylinderrohrabschnitts 6 im Primärluft-Durchlaufbereich 30 sowie der Form des Kegels 7 an der stromabwärtigen Seite geändert. Der Minimaldurchmesser, der der Trägerluft nicht folgen kann (wobei dieser Durchmesser als "unterer Trenn-Grenzteilchendurchmesser" bezeichnet wird) beträgt ungefähr 20 bis 50 µm bei einer Trägerluftgeschwindigkeit von 20 bis 30 mis an der Position des Zylinderrohrabschnitts 6 für einen Öffnungswinkel des Kegels 7 von 10 bis - 60º und unter der Bedingung keiner Aufteilung der Trägerluft im Rohr. Genauer gesagt, wird die Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs an der Position des sich gerade erstreckenden Rohrs 8 in radialer Richtung untersucht. Was dann nahe dem zentrischen Abschnitt des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 beobachtet wird, sind feinere Kohleteilchen mit dem unte ren Trenn-Grenzteilchendurchmesser oder weniger. Nahe der Innenfläche des Primärluft-Versorgungsrohrs 1 ist im Gegensatz hierzu das Verhältnis von Kohle mit größerem Durchmesser über dem unteren Trenn-Grenzteilchendurchmesser höher als es der Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs im Kohlenstaub-Versorgungsrohr 26 entspricht.
Der vorstehend genannte Unterschied in der Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs wird mittels des Detektors 72 für Teilchen größeren Durchmessers erfaßt. Die zwei Detektoren müssen die Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs nicht genau erfassen, sondern sie können ihre Aufgabe lösen, wenn sie die Relativwerte an den zwei Erfassungspositionen beobachten können. Die Detektoren können beispielsweise die von den oben genannten kontaktfreien oder kontaktierenden Typen sein. Um die Kohlenstaubflamme stabil aufzubauen, sind jedoch kontaktfreie Detektoren bevorzugt, da sie die Verteilung der Strömungsrate des Kohlenstaubs am Auslaß des Primärluft-Durchlaufbereichs 30 weniger stören. Der Teilchendurchmesserverteilungs-Detektor 74, der die Ausgangssignale 76 und 77 der zwei Detektoren 71 und 72 empfängt, analysiert das Intensitätsverhältnis sowie die Intensitäten der Ausgangssignale selbst auf Grundlage der Kalibrierkurven der Detektoren 71 und 72, um die Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs im Kohlenstaub-Versorgungsrohr 26 abzuschätzen. Das Ausgangssignal 75 des Teilchendurchmesserverteilungs-Detektors 74 wird an den Pulvensierer 75 ausgegeben, um die Teilchendurchmesserverteilung des vom Pulverisierer 75 zu liefernden Kohlenstaubs zu regeln.
Beim vorstehend beschriebenen Verfahren sind die Steuervorgänge zum Stabilisieren der Pulverisierungseigenschaften des Pulverisierers 75 wirksam, wenn die auf den Kessel wirkende Last schwankt. Wenn z. B. die Last am Kohlenstaubkes sel um ein großes Ausmaß geändert wird, ändert sich entsprechend auch die Versorgungsrate der Kohle, die pro Zeiteinheit vom Pulverisierer 75 zu liefern ist, um ein großes Ausmaß. Die Änderung der Versorgungsrate vom Kohlepulvensierer 75 kann dadurch gemeistert werden, daß zeitweilig im Pulverisierer 75 aufbewahrter Kohlenstaub ausgegeben wird, jedoch ändert sich im allgemeinen die Teilchendurchmesserverteilung. Wenn die Pulverisierungseigenschaften des Pulverisierers 75 so eingestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben wurde, kann die Teilchendurchmesser verteilung des dem Brenner zuzuführenden Kohlenstaubs unabhängig von einer auf den Kessel wirkenden Laständerung konstant gehalten werden, so daß Einflüsse des Kohlenstaub- Teilchendurchmessers hinsichtlich einer Bestimmung des Zustands der Kohlenstaubflamme in bezug auf die Last aufrechterhalten werden können. Im Ergebnis ändern sich weder der unverbrannte Anteil in der Asche noch die NOx-Konzentration am Ausgang der Brennkammer bei Änderungen der auf den Kessel wirkenden Last.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann der Pulverisierer 75 darüber hinaus so betrieben werden, daß der Teilchendurchmesser des Kohlenstaubs im Niedertemperaturzustand der Brennkammer verringert wird, damit sich die Verbrennungsrate des Kohlenstaubs selbst im Zustand niedriger Last des Kessels nicht verringert.
Obwohl ein Verfahren unter Verwendung eines Kohlenstaubbrenners zum Messen der Teilchendurchmesserverteilung des Kohlenstaubs beschrieben wurde, können die Funktionen des vorliegenden Ausführungsbeispiels dem Kohlenstaub-Versorgungsrohr 26 verliehen werden. Genauer gesagt, können ähnliche Wirkungen erzielt werden, wenn das Kohlenstaub-Versorgungsrohr 26 plötzlich aufgeweitet wird, um eine Strömung kleinerer Teilchen, die der Strömung der Trägerluft folgen können, und eine Strömung größerer Teilchen, die sich widersetzen, der Trägerluftströmung zu folgen, zu errichten, und wenn die Teilchendurchmesserdetektoren zum Messen der Teilchendurchmesser der einzelnen Ströme angebracht werden.
Selbstverständlich sollten die Rohre so geformt sein, daß eine Ansammlung der pulverisierten Teilchen im sich aufweitenden Abschnitt vermieden wird.
In Fig. 10 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem mehrere (z. B. fünf, wie dargestellt) Brenner an der Brennkammer 36 angebracht sind. Die Brenner 83a bis e verfügen über die Funktion des Messens der Teilchendurchmesserverteilungen des Kohlenstaubs, wie unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Der Pulverisierer 75 he fert den Kohlenstaub an die Brenner 83. Eine Teilchendurchmessersteuerung 81 empfängt die Signale der Teilchendurchmesserverteilungs-Detektoren 74 und erkennt Unterschiede hinsichtlich der Teilchendurchmesserverteilung zwischen den einzelnen Brennern 83, um ein Signal zum Regeln der Teil chendurchmesserverteilung auszugeben. Am Kohlenstaub-Versorgungsrohr stromaufwärts der Brenner angebrachte Teilchendurchmesser-Einstelleinrichtungen 82a bis e steuern die Teilchendurchmesserverteilung des den Brennern zuzuführenden Kohlenstaubs auf Grundlage des Ausgangssignals der Teilchen durchmessersteuerung 81.
Die Teilchendurchmessersteuerung 81 bestimmt die Teilchendurchmesserverteilung des den Brennern 83 zugeführten Kohlenstaubs, und sie vergleicht sie mit dem Idealmuster der Teilchendurchmesserverteilung jedes Brenners, um an die Teilchendurchmesser-Einstelleinrichtungen 82 ein Signal auszugeben, das dafür sorgt, daß das Muster mit dem Idealmuster der Teilchendurchmesserverteilung für jeden Brenner übereinstimmt. Auf das Signal von der Teilchendurchmessersteuerung 81 hin stellen die Teilchendurchmesser-Einstelleinrichtungen 82 die Teilchendurchmesserverteilungen des den Brennern 83 zuzuführenden Kohlenstaubs ein.
Die Teilchendurchmessersteuerung 81 kann eine Ungleichmäßigkeit der Teilchendurchmesserverteilung verringern, wie sie entsteht, wenn ein einzelner Pulverisierer 75 dazu verwendet wird, mehrere Kohlenstaubbrenner 83 zu versorgen. Im Ergebnis kann die Verbrennung der Kohlenstaubbrenner gleichmäßig sein, um einen Anstieg des unverbrannten Anteils zu un terdrücken, wie er entsteht, wenn größere Teilchen nur einem oder mehreren speziellen Brennern zugeführt werden, wie im Stand der Technik.
Wenn Kohlenstaub vom einzelnen Pulverisierer 75 an mehrere Kohlenstaubbrenner zu liefern ist, arbeitet die Teilchendurchmesser-Einstelleinrichtung 81 so, daß sie den relativ kleinere Teilchen enthaltenden Kohlenstaub den Brennern (82a und 82e) nahe der Kammerwand und den restlichen Kohlenstaub den Brennern (83b bis 83d) im zentralen Abschnitt der Brennkammer 36 zuführt. Im Ergebnis kann verhindert werden, daß sich die Verbrennungsmuster der nahe der Kammerwand liegenden Brenner verschlechtern. Eine derartige Verschlechterung könnte andernfalls entstehen, da näher an der auf niedriger Temperatur befindlichen Kammerwand liegende Brenner weniger Strahlung von der Flamme empfangen als die Kohlenstaubbrenner, die im zentralen Abschnitt der Brennkammer angeordnet sind. So können die Verbrennungsraten der Kohlenstaubbrenner im wesentlichen gleich gemacht werden.
In Fig. 11 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der in den Fig. 2 bis 4 beschriebene Brenner auf einen Trocknungsofen zur Pulverherstellung, insbesondere auf einen Drehrohrofen zur Zementherstellung angewandt. Die Anlage besteht aus: einem Gebläse 91; einer Produktgewinnungskammer zum Speichern der vom Gebläse 91 gelieferten Verbrennungsluft und zum Kühlen und Trocknen des erzeugten Zementpulvers; einem in der Produktgewinnungskammer 92 angeordneten Kühleinsatz 94, der dafür sorgt, daß die vorn Gebläse 91 gelieferte Luft durch das Zementpulver nach oben läuft; einem an einem Abschnitt der Produktgewinnungskammer 92 befestigten Auslaßrohr 93 zum Gewinnen des Zementpulvers; einem in der Produktgewinnungskammer 92 angebrachten Brenner 95 zum Einblasen der Verbrennungsluft und des Kohlenstaubs; einem Drehbrennofen 96, der die vom Brenner gebildete Flamme empfängt; einer Auslaßkammer 99, die an der entgegengesetzten Seite der Produktgewinnungskammer in bezug auf den Drehofen 96 angebracht ist; einem Schlämmungseinlaßstutzen 97, der sich in die Auslaßkammer 99 erstreckt, um eine Aufschlämmung als Material zum Herstellen des Zementpulvers dem Drehofen 96 zuzuführen; und einem mit einem Abschnitt der Auslaßkammer 99 verbundenen Auslaßrohr zum Auslassen der Verbrennungsabgase. Andererseits besteht der zylindrische Drehofen 96 aus folgendem: einer Brennkammer 100 mit vergrößertem Innendurchmesser, die nahe dem Brenner angeordnet ist; einer zylindrischen Brennkammer 101, die so ausgebildet ist, daß sie sich von der Verbrennungskammer 100 zur Auslaßkammer hin erstreckt, und die einen kleineren Innendurchmesser als die Verbrennungskammer 100 aufweist; und einer Wärrnerückgewinnungskammer 102, die so ausgebildet ist, daß sie sich von der Brennkammer 101 zur Auslaßkammer erstreckt, und die einen Innendurchmesser aufweist, der im wesentlichen demjenigen der Verbrennungskammer 100 entspricht. Der Drehofen 96 wird durch einen Drehmechanismus (nicht dargestellt) für konstante Drehzahl gedreht.
Der Brenner 95 hat den oben unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 beschriebenen Aufbau, oder er ist entsprechend den Fig. 6 bis 9 modifiziert.
Die Funktion und die Wirkung dieser Anlage sind die folgenden.
Das Material für die Zementpulveraufschlämmung, das vom Pul verisierer pulverisiert und hergestellt wurde, wird über den Aufschlämmungseinlaßstutzen 97 einem Aufschlämmungsvorheizer 98 zugeführt, so daß es durch den Kontakt mit den Verbrennungsabgasen vorgeheizt wird. Das vom Aufschlämmungsvorheizer 98 herkommende Material wird durch Wärme weiter erhitzt, die sich in einer Metallkette angesammelt hat, die in der Wärmerückgewinnungskammer 102 herunterhängt. Danach wird das erhitzte Material in der Brennkammer 101 gebrannt und dann den Strahlungen der in der Verbrennungskammer 100 erzeugten Flamme ausgesetzt. Danach wird das gebrannte Material auf den Kühleinsatz 94 durch die Verbrennungsluft abgekühlt und dann über das Auslaßrohr 93 einem Produktvorratsbehälter zugeführt. Die durch einen Pulverisierer pulverisierte Kohle wird durch die Luftströmung mitgenommen und dem Brenner 95 zugeführt. Andererseits wird die Verbrennungsluft vom Gebläse 93 geliefert, und sie wird dadurch erwärmt, daß sie das Zementpulver abkühlt, bevor sie an den Brenner 95 geliefert wird.
Der Brenner des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann die Flamme der pulverisierten Kohle verkürzen, um die auszugebende NOx-Konzentration zu verringern. Demgemäß kann der Anteil der Verbrennungskammer 100, der den Drehbrennofen 96 belegt, erhöht werden, um die Brennkammer 101 relativ gesehen zu verlängern. Im Ergebnis kann bei gleicher Größe die Menge des zu behandelnden Zementpulvermaterials erhöht werden. Selbst in einem mit Verbrennung arbeitenden Brennofen, der keine zweistufige Verbrennung verwenden kann, kann darüber hinaus die NOx-Konzentration in den Abgasen verringert werden, wodurch es möglich ist, das Erfordernis für Gegenmaßnahmen für geringem NOx-Gehalt zum Schutz der Umwelt drastisch zu verringern.
Die Erfindung wurde in Verbindung mit einem Brenner beschrieben, bei dem Düsen für Verbrennungsluft konzentrisch um die Kohlenstaubdüse herum angeordnet sind. Jedoch sind andere Formen möglich, z. B. rechteckige Düsen mit Sekundärund Tertiärluftdüsen zu beiden Seiten einer mittleren Kohledüse. Ein Kern, dessen Form der Zerstäubungs/Feinverteilungs-Einstelleinrichtung der Fig. 2 bis 4 entspricht, ist vorhanden, um dieselben Wirkungen zu erzielen.
Zusammengefaßt gesagt, ist es möglich, die durch die Verbrennung von Kohlenstaub erzeugte Menge an NOx zu verringern, wenn ein Kohlenstaubkessel und das Brennersystem gemäß der Erfindung verwendet werden, wobei das System mit mehrstufigen Kohlenstaubbrennern versehen ist, von denen jeder einen Mechanismus aufweist, der dazu dient, die Einblasgeschwindigkeit der festen Teilchen am Gemischeinblasauslaß der Kohlenstaubdüse, die dazu dient, den Gemischstrahl aus dem Kohlenstaub und der die Kohle transportierenden Primärluft einzublasen, kleiner als die der Gase zu machen.

Claims

1. Kohlenstaubbrenner mit einem Kohlekanal für Kohlenstaub und Primärluft, die diese Kohle zu einer Auslaßdüse des Kanals mitnimmt, mindestens einem Sekundärluftkanal (2) für Sekundärverbrennungsluft, mit einer Auslaßdüse benachbart zur Auslaßdüse des Kohlekanals (1), so daß die Kohle, die Primärluft und die Sekundärluft außerhalb der Düsen in einer Mischzone, in der Verbrennung auftritt, sich miteinander vermischen, einer Kohleverteilungseinrichtung (7) im Kanal zum Erzeugen, im Kohlekanal benachbart zur Auslaßdüse, mindestens einer von der Kohlekanalachse beabstandeten äußeren Strömungszone und mindestens einer näher an der Kohlekanalachse liegenden inneren Strömungszone, und einer Verlangsamungseinrichtung (12) zum Verlangsamen der Strömung in der äußeren Zone bezogen auf die Strömung in der inneren Zone vor der Mischzone, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohleverteilungseinrichtung (7) die Strömungsrichtung im Kohlekanal so ändert, daß die Primärluft eine radial nach innen zeigende Strömungskomponente zur Kohlekanalachse bezogen auf die Strömungsrichtung der Kohle erhält, so daß die innere Strömungszone eine geringere Kohlekonzentration als die äußere Zone aufweist.

2. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Kohleverteilungseinrichtung (7) und die Verlangsamungseinrichtung (12) so angeordnet sind, daß aus der Auslaßdüse des Kohlekanals austretende Kohle im wesentlichen keine Strömungskomponente von der Kohlekanalachse weg aufweist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Sekundärluftkanal (2) der austretenden Sekundärluft eine Wirbelströmung um die Kohlekanalachse verleiht.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kohleverteilungseinrichtung (7), einen Kernabschnitt des Kohlekanals mit einer Schnittfläche rechtwinklig zur Achse aufweist, die allmählich in Strömungsrichtung kleiner wird, so daß der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung zunimmt.

5. Brenner nach Anspruch 4, bei dem die sich allmählich verringernde Querschnittsfläche (7) des Kernabschnitts durch mindestens eine Fläche unter einem Winkel von 10 bis 450 zur genannten Achse gebildet ist.

6. Kohlenstaubbrenner nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem der Kernabschnitt axial verstellbar ist, um die Position der sich allmählich verkleinernden Querschnittsfläche (7) bezogen auf die Auslaßdüse des Kohlekanals einzustellen.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem der Kernabschnitt im Kohlekanal (1) stromaufwärts bezüglich der sich allmählich verringernden Querschnittsfläche (7) einen Durchmesser aufweist, der im Bereich von 30 bis 80 % des Außendurchmessers der Strömungsfläche im Kohlekanal liegt.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Verlangsamungseinrichtung (12) mindestens ein Staublech aufweist, das an der Außendüse des Kohlekanals liegt, um die Strömung in der äußeren Zone zu unterbrechen.

9. Brenner nach Anspruch 8, bei dem das mindestens eine Staublech Staublechflächen aufweist, die unter einem Winkel im Bereich von 90º bis 120º bezogen auf die axiale Richtung der Strömung im Kohlekanal dieser Strömung zugewandt sind.

10. Kessel zum Erwärmen von Wasser durch Verbrennung von Kohlenstaub, mit einer Verbrennungskammer (42) zum Verbrennen von Kohlenstaub in Luft und mit mindestens einem Brenner (43) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Kessel nach Anspruch 10 mit einer Einrichtung (75) zum Liefern von Kohlenstoff zum Brenner, einem Teilchengrößeverteilungs-Sensor (71, 72, 74), der so angeordnet ist, daß er die Verteilung der Kohleteilchengröße in dem dem Brenner zugeführten Kohlenstaub mißt, und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Teilchengrößenverteilung des durch die Zuführeinrichtung zugeführten Kohlenstaubs abhängig vom Ausgangssignal des Sensors.

12. Kessel nach Anspruch 10 mit mehreren der genannten Brenner (83a - c), einer Einrichtung (75) zum Zuführen von Kohlenstaub zu den Brennern, mehreren Teilchengrößeverteilungs-Sensoren (82a - c), die so ausgebildet sind, daß sie die Verteilung der Kohleteilchengröße in jeweils den Brennern zugeführten Kohlenstaub messen, und einer Steuereinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die Verteilung der Teilchengröße des Kohlenstaubs, wie er den Brennern jeweils durch die Zuführeinrichtung zugeführt wird, abhängig von den Ausgangssignalen der Sensoren und abhängig von der Betriebslast des Kessels verändert.

13. Verfahren zum Verbrennen von Kohlenstaub in einer Verbrennungskammer mittels eines Brenners mit einem Strömungskanal (1) für Kohlenstaub und diese Kohle mitnehmehde Primärluft, einer ersten Auslaßdüse in die Verbrennungskammer hinein, an einem Ende des Strömungskanals, und mindestens einer zweiten Auslaßdüse, die weiter entfernt von der Achse als die erste Düse ist, damit Sekundärverbrennungsluft be nachbart zur ersten Düse der Kammer strömt, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

(a) Vornehmen einer Auftrennung der Strömung im Strömungskanal in mindestens eine äußere Zone und mindestens eine innere Zone, die näher als die äußere Zone an der Achse liegt; und

(b) Verlangsamen der Strömungsgeschwindigkeit der Kohle in der äußeren Zone bezogen auf die in der inneren Zone, bevor die Kohle mit der Sekundärluft vermischt wird; dadurch gekennzeichnet, daß in der äußeren Zone eine Kohlekonzentration erzeugt wird, die größer als die in der inneren Zone ist, und eine erste Flammenzone benachbart zu den Düsen und eine zweite Flammenzone ausgebildet wird, die von den Düsen weiter weg liegt als die Verbrennungszone, wobei die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Flammenzone niedriger als die in der ersten Flammenzone ist, und sie in der zweiten Flammenzone ausreichend niedrig dafür ist, daß in ihr eine Reduktion von Stickoxiden erfolgt.