EP1741977B1 - Kohlenstaubbrenner für niedrige NOx-Emissionen - Google Patents

Kohlenstaubbrenner für niedrige NOx-Emissionen Download PDF

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EP1741977B1
EP1741977B1 EP06013706A EP06013706A EP1741977B1 EP 1741977 B1 EP1741977 B1 EP 1741977B1 EP 06013706 A EP06013706 A EP 06013706A EP 06013706 A EP06013706 A EP 06013706A EP 1741977 B1 EP1741977 B1 EP 1741977B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
air pipe
primary air
primary
mouth
Prior art date
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Active
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EP06013706A
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English (en)
French (fr)
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EP1741977A1 (de
Inventor
Heinz Gräwe
Alfons Leisse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Power Europe GmbH
Original Assignee
Hitachi Power Europe GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Power Europe GmbH filed Critical Hitachi Power Europe GmbH
Priority to PL06013706T priority Critical patent/PL1741977T3/pl
Publication of EP1741977A1 publication Critical patent/EP1741977A1/de
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Publication of EP1741977B1 publication Critical patent/EP1741977B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F23C7/006—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes adjustable
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2201/00—Burners adapted for particulate solid or pulverulent fuels
    • F23D2201/10—Nozzle tips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/20—Flame lift-off / stability

Definitions

  • the invention is directed to a burner for burning pulverulent fuel, such as hard coal or lignite, preferably with a concentric structure comprising a primary air tube and a secondary air tube surrounding the primary air tube, wherein the mouth region of the primary air tube on the outside a Heilabweiskhle and inside a stabilizing ring has, which are formed as a one-piece component, wherein the stabilizing ring projects radially inwardly in the form of an internal toothing in the primary air tube, wherein the Lucasabweiskehle, the stabilizing ring and a part of the primary air tube are integrally formed.
  • pulverulent fuel such as hard coal or lignite
  • the burner technology for the combustion of dusty carbon pursues the goal at the present time of producing an intensive separation between oxygen and pyrolysis gas during the initial reaction or ignition in order subsequently to allow the combustion air to take part in the further oxidation of the solids and thereby to achieve an even more effective reduction of NO x emissions.
  • a NOx-arm burner comprising a pulverized coal nozzle for injecting a stream of a mixture of pulverized coal with primary air, a secondary air nozzle disposed outside and coaxial with the pulverized coal nozzle, a tertiary-air nozzle outside Secondary air nozzle and disposed coaxially with the pulverized coal nozzle, and eddy current generating means for injecting secondary air and tertiary air as eddy current.
  • a spacer having a thickness such that the mixing of the secondary air with the tertiary air is delayed and an eddy current is formed between the secondary air and the tertiary air.
  • Such a definition can be made by the interaction of the components of a swirl generator in the primary air tube, a stabilizing ring at the mouth of the primary air tube and a Heilabweiskehle the secondary air tube, as it EP-B-670 454 describes.
  • This patent discloses a generic burner, in which at the end of a burner tube, which is surrounded by a secondary air tube, arranged inside the mouth of the burner tube, a stabilizing ring and on the outside of the burner tube Lucasabweiskhle is arranged.
  • the burner tube and the stabilizing ring and on the other hand the burner tube and the Heilabweiskhle must be connected to each other. This is usually done by welding, so that in this area on each side of the burner tube, a weld or a welding surface is formed. For this purpose, it is necessary that the materials are matched accordingly. The choice of materials and the formation of the weld in this area leads to increased design effort. In addition, an increased repair and susceptibility due to the presence of welds and an impaired by these conditions durability is thus expected in the temperature-moderately high and flowed through by aggressive media mouth region of the primary or burner tube.
  • this object is achieved in that form the Luftabweiskehle, the stabilizing ring and a portion of the primary air tube the mouth region of the primary air tube, the Heilabweiskehle and the stabilizing ring flush with the mouth of the primary air tube and wherein the Heilabweiskehle on the Outside of the outlet-side end of the primary air tube is formed as a conically expanding radially outward portion.
  • the mouth region by a one-piece, the outside of the shape of Lucasabweiskehle exhibiting and inside the shape and contour of the Form stabilization ring having component.
  • This component can then be welded, for example, by means of a circumferential weld on the end face of a burner tube or primary air tube, so that only one weld is present in the region of the mouth. Since only one weld is required, the burner can be made faster than a burner of the prior art, in which two welds are necessary.
  • the weld further upstream, ie offset from the burner outlet opening, with respect to the air flow in the burner or primary or secondary air pipe, so that the weld seam is arranged upstream of the mouth end of a core air pipe optionally arranged in the primary pipe.
  • the inventively embodied burner area is characterized more durable, ie less susceptible to interference and repair and structurally simpler designed.
  • the one-piece component advantageously also has a part which forms an extension of the primary air tube, so to speak, as part of the primary air tube is to be regarded.
  • the Heilabweiskhle, the stabilizing ring and at least a portion of the primary air tube are therefore integrally formed and form the mouth region of the primary air tube, wherein the stabilizing ring with the mouth of the primary air tube terminates and / or the Lucasabweiskehle flush with the mouth of the primary air tube.
  • the Invention provides in an embodiment that the one-piece component is made by centrifugal casting.
  • the invention provides in an embodiment that the one-piece component to the primary air tube, preferably by welding, is fixed.
  • the invention is characterized by a arranged in the annular gap between the primary air tube and the secondary air duct air guide body which is adjustable in and against the flow direction between a retracted position in the annular gap and a flush with the mouth of the primary air pipe final position.
  • the burner has a core air tube arranged in the primary air tube, in which a pilot burner which is disposed between a burner ignition position and a burner operating position in and against the burner Flow direction is displaceable, is arranged, which the invention also provides.
  • the mouth of the core air tube is arranged upstream of the mouth of the primary air tube.
  • the invention also provides that a swirl body is arranged on the ignition-flame-side end of the pilot burner.
  • the invention provides that a primary swirl body is arranged in the annular gap between the core air tube and the primary air tube.
  • the invention is based on the known from the prior art burner technology for the combustion of pulverized hard coal and pulverized lignite.
  • the burner according to the invention which can be used both for the combustion of hard coal and for the combustion of lignite, preferably has a concentric structure with a primary air tube and a secondary air tube.
  • the surrounded by the cylindrical secondary air tube primary air tube forms this with a combustion air leading annular channel (secondary air channel).
  • a stabilizing ring On the inside at the outlet end (mouth) of the primary air tube, a stabilizing ring is arranged, which is formed by an inner edge to the burner longitudinal edge, which preferably terminates flush with the mouth and protrudes into the flow of primary air and coal dust.
  • the burner according to the invention additionally has a core air tube which is surrounded by the cylindrical primary air tube and forms a primary air and pulverized coal-carrying annular channel (primary air nozzle or dust tube nozzle). Due to the concentric arrangement of the core air tube, primary air tube and secondary air tube an individual single air supply is possible.
  • a pilot burner is disposed within the core air tube in the burner longitudinal axis.
  • a swirler is attached in the form of a blade ring, which is covered in the radial direction at its outer end by a pipe extension extending in Direction of flow widens conically and extends beyond the mouth of the pilot out.
  • the pilot burner, the swirl body of the pilot burner and the conical tube extension are preferably designed as a one-piece component, which is displaceable in the flow direction from a retracted position in the core air tube to a position at the mouth of the core air tube.
  • FIGS. 1 to 4 Due to the invention characterizing common features between coal burners and lignite burners, the description of the FIGS. 1 to 4 initially in a generally valid form.
  • the burner according to the invention which in the FIGS. 1 to 4 is shown, has a displaceable in the flow direction pilot burner 7, which is arranged in the burner longitudinal axis within a core air tube 6.
  • the cylindrical core air tube 6 is surrounded by a cylindrical primary air tube 1, whereby an annular channel is formed.
  • This annular channel is in turn surrounded by a cylindrical secondary air tube 2 and thereby divides the combustion air sector in at least one or two annular channels.
  • This ring 4 has the shape of an internal toothing and protrudes into the flow region of the pulverized coal, so that the coal particles collide against a resistance before leaving the primary tube or primary air tube 1. Due to the impact on the ring 4, the carbon particles are braked sharply.
  • the core air tube 6 In order to shift the particle flow of pulverized coal from the annular channel, which is formed by the core air tube 6 and the primary air tube 1, further in the direction of the burner axis and thus increase the extent of the recirculation region, the core air tube 6, viewed in the flow direction, preferably clearly before the stabilizing ring 4 of the dust tube nozzle end.
  • a safe operation of the adjustable pilot burner 7, especially in combined operation with oil and coal not possible because the inwardly directed to the burner axis flow of coal dust affects the flame of the pilot burner 7 and additionally the Ignition flame monitoring is obstructed due to the darkening of the coal dust.
  • the spin burner 7 attached to the swirl body 8 is in its outer region by a Pipe extension 9 covered.
  • This pipe extension 9, which surrounds the blade ring of the swirl body 8, is extended downstream conically and serves as a deflector for the coal dust, which is deflected by the stabilizing ring 4 in the direction of the burner center.
  • the local position of the conical tube extension 9 is adjustable in the flow direction. This ensures reliable ignition and monitorability of the pilot burner flame in all operating situations.
  • FIG. 1 shows a hard coal burner, in which the pilot burner 7 is retracted into the core air tube 6 and the adjustable secondary air guide 5 is disposed in the mouth of the primary air tube 1.
  • the Sekundär Kunststoffleit analysess 5 this is not further downstream and closes flush with the Lucasabweiskhle 3, whereby the operation of the Heilabweiskehle 3 is amplified.
  • the secondary air flowing through the annular channel formed by the primary air tube 1 and the secondary air tube 2 is deflected outwardly and moves away from the flame core of the primary combustion zone in the radial direction.
  • an adjustable maximum separation layer is created downstream of the mouth of the primary air tube 1 between primary combustion and secondary air flow. This maximum in its extent recirculation area provides for the in FIG. 1 Underlying operating condition is an optimum in terms of NO x reduction.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a lignite burner having the same inventive features as the hard coal burner described above. Differences to a hard coal burner exist in the proportions of the diameter of the burner pipes.

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Description

  • Die Erfindung richtet sich auf einen Brenner zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff, wie Steinkohle oder Braunkohle, bevorzugt mit einem konzentrischen Aufbau, der ein Primärluftrohr und ein Sekundärluftrohr, das das Primärluftrohr umgibt, aufweist, wobei der Mündungsbereich des Primärluftrohres außenseitig eine Luftabweiskehle und innenseitig einen Stabilisierungsring aufweist, die als einstückiges Bauteil ausgebildet sind, wobei der Stabilisierungsring radial nach innen gerichtet in Form einer Innenverzahnung in das Primärluftrohr hineinragt, wobei die Luftabweiskehle, der Stabilisierungsring und ein Teil des Primärluftrohres einstückig ausgebildet sind.
  • Bei Brennern, die zur Verbrennung von staubförmigem Kohlenstoff eingesetzt werden, stellt die Reduzierung der NOx-Emissionen nach wie vor ein aktuelles und zu lösendes Problem dar. Die Aufteilung der Verbrennungsluft in mehrere Teilströme ermöglicht die Einstellung der Einzelluftströme hinsichtlich Luftmenge, Luftverteilung und Drallintensität und ist als Maßnahme zur Reduzierung der Stickstoffoxide bei der Kohleverbrennung bekannt. Der Aufbau eines solchen Brenners mit gestufter Luftzufuhr ist in der EP-B-571704 beschrieben. Bei dieser Art der Luftführung trägt die gestufte Luftzufuhr bereits während der Verbrennung zu einer Reduzierung der NOx-Emissionen bei.
  • Die Brennertechnologie zur Verbrennung von staubförmigem Kohlenstoff verfolgt in der heutigen Zeit das Ziel, eine intensive Trennung zwischen Sauerstoff und Pyrolysegas während der Erstreaktion bzw. Zündung herzustellen, um anschließend die Verbrennungsluft gestuft an der weiteren Oxidation der Feststoffe teilnehmen zu lassen und hierdurch eine noch effektivere Reduzierung der NOx-Emissionen zu erzielen.
  • Aus der EP 0 260 382 A1 ist ein NOx-arm-Brenner bekannt, der eine Düse für pulverisierte Kohle zum Einblasen eines Stroms einer Mischung von pulverisierter Kohle mit Primärluft, eine Sekundärluftdüse, die außerhalb der und koaxial mit der Düse für pulverisierte Kohle angeordnet ist, eine Tertiärluftdüse, die außerhalb der Sekundärluftdüse und koaxial mit der Düse für pulverisierte Kohle angeordnet ist, und Wirbelstrom-Erzeugungsmittel zum Einblasen von Sekundärluft und Tertiärluft als Wirbelstrom aufweist. Zwischen der Sekundärluftdüse und der Tertiärluftdüse ist ein Abstandshalter angeordnet, der eine derartige Dicke hat, dass die Vermischung der Sekundärluft mit der Tertiärluft verzögert und ein Wirbelstrom zwischen der Sekundärluft und der Tertiärluft gebildet wird.
  • Neben der Aufteilung der Verbrennungsluft in Teilströme kann durch eine eindeutige zeitliche und örtliche Definition der Zündbedingungen und der Trennung zwischen brennstoffreichem Flammenkern und sauerstoffreicher Randströmung eine weitere Reduzierung der NOx-Emissionen erreicht werden.
  • Eine derartige Definition kann durch das Zusammenwirken der Bauteile eines Drallerzeugers im Primärluftrohr, eines Stabilisierungsringes an der Mündung des Primärluftrohres und einer Luftabweiskehle des Sekundärluftrohres erfolgen, wie es die EP-B-670454 beschreibt. Dieser Patentschrift ist ein gattungsgemäßer Brenner zu entnehmen, bei dem am Ende eines Brennerrohres, das von einem Sekundärluftrohr umgeben ist, innenseitig in der Mündung des Brennerrohres ein Stabilisierungsring angeordnet und außenseitig auf dem Brennerrohr eine Luftabweiskehle angeordnet ist.
  • In diesem Bereich müssen zum einen das Brennerrohr und der Stabilisierungsring und zum anderen das Brennerrohr und die Luftabweiskehle miteinander verbunden werden. Dies geschieht in der Regel durch Schweißen, so dass in diesem Bereich auf jeder Seite des Brennerrohres eine Schweißnaht oder eine Schweißfläche ausgebildet ist. Hierzu ist es notwendig, dass die Werkstoffe entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Die Auswahl der Werkstoffe und die Ausbildung der Schweißnaht in diesem Bereich führt zu einem erhöhten konstruktiven Aufwand. Außerdem ist somit in dem temperaturmäßig hoch belasteten und von aggressiven Medien durchströmte Mündungsbereich des Primär- oder Brennerrohres aufgrund des Vorhandenseins von Schweißverbindungen eine erhöhte Reparatur- und Störanfälligkeit sowie eine durch diese Bedingungen beeinträchtigte Standzeit zu erwarten.
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, den Mündungsbereich eines gattungsgemäßen Brenners langlebiger und/oder konstruktiv einfacher auszubilden.
  • Bei einem Brenner der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Luftabweiskehle, der Stabilisierungsring und ein Teil des Primärluftrohres den Mündungsbereich des Primärluftrohres ausbilden, wobei die Luftabweiskehle und der Stabilisierungsring mit der Mündung des Primärluftrohres bündig abschließen und wobei die Luftabweiskehle auf der Außenseite des austrittsseitigen Endes des Primärluftrohres als sich konisch radial nach außen hin erweiternder Abschnitt ausgebildet ist.
  • Hierdurch wird es möglich, den Mündungsbereich durch ein einteiliges, außenseitig die Form der Luftabweiskehle aufweisendes und innenseitig die Form und Kontur des Stabilisierungsringes aufweisendes Bauteil auszubilden. Dieses Bauteil kann dann beispielsweise mittels einer Rundschweißnaht an die Stirnfläche eines Brennerrohres oder Primärluftrohres angeschweißt werden, so dass im Bereich der Mündung nur noch eine Schweißnaht vorhanden ist. Da nur noch eine Schweißnaht notwendig ist, lässt sich der Brenner schneller herstellen als ein Brenner nach dem Stand der Technik, bei welchem zwei Schweißnähte notwendig sind. Außerdem ist es dadurch möglich, die Schweißnaht bezüglich der Luftströmung im Brenner bzw. Primär- oder Sekundärluftrohr weiter stromaufwärts, d. h. von der Brenneraustrittsöffnung zurück versetzt anzuordnen, so dass die Schweißnaht stromaufwärts vom Mündungsende eines in dem Primärrohr gegebenenfalls angeordneten Kernluftrohres angeordnet ist. Der erfindungsgemäß ausgestaltete Brennerbereich ist dadurch langlebiger, d. h. weniger stör- und reparaturanfällig sowie konstruktiv einfacher gestaltet.
  • Um die Verbindungsstelle zwischen dem Primärluftrohr und dem die Luftabweiskehle und den Stabilisierungsring aufweisenden Mündungsbereich des einstückigen Bauteiles stromaufwärts des Brenners sehr weit in insbesondere temperaturmäßig wenig belasteten Bereichen platzieren zu können, weist das einstückige Bauteil zweckmäßigerweise auch einen Teil auf, der eine Verlängerung des Primärluftrohres ausbildet, also quasi als Bestandteil des Primärluftrohres anzusehen ist. Die Luftabweiskehle, der Stabilisierungsring und zumindest ein Teil des Primärluftrohres sind daher einstückig ausgebildet und bilden den Mündungsbereich des Primärluftrohres aus, wobei der Stabilisierungsring mit der Mündung des Primärluftrohres abschließt und/oder die Luftabweiskehle mit der Mündung des Primärluftrohres bündig abschließt.
  • Für die Herstellung des einstückigen Bauteiles eignet sich insbesondere das Schleudergussverfahren, so dass die Erfindung in Ausgestaltung vorsieht, dass das einstückige Bauteil im Schleudergussverfahren hergestellt ist.
  • Da eine Verbindung zwischen dem einstückigen Bauteil und dem Brennerrohr bzw. Primärluftrohr hergestellt werden muss, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass das einstückige Bauteil an dem Primärluftrohr, bevorzugt durch Anschweißen, fixiert ist.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist die Erfindung gekennzeichnet durch einen im Ringspalt zwischen Primärluftrohr und Sekundärluftrohr angeordneten Luftleitkörper, der in und gegen die Strömungsrichtung zwischen einer in den Ringspalt zurückgezogenen Position und einer mit der Mündung des Primärluftrohres bündig abschließenden Position verstellbar ist.
  • Hierbei ist es dann weiterhin von Vorteil, wenn der Brenner ein im Primärluftrohr angeordnetes Kernluftrohr aufweist, in dem ein Zündbrenner, der zwischen einer Brennerzündposition und einer Brennerbetriebsposition in und gegen die Strömungsrichtung verschiebbar ist, angeordnet ist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist es dann weiterhin von Vorteil, wenn die Mündung des Kernluftrohres stromaufwärts vor der Mündung des Primärluftrohres angeordnet ist.
  • Um eine optimale Luftführung zu erreichen, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass an dem zündflammenseitigen Ende des Zündbrenners ein Drallkörper angeordnet ist.
  • Hierbei ist eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des Drallkörpers erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass an dem Drallkörper ein Rohrabschnitt um die Zündbrennerlängsachse angeordnet ist, wobei das bevorzugt konisch ausgebildete zündflammenseitige Ende des Rohrabschnitts in der Brennerzündposition des Brenners über das austrittsseitige Ende (Mündung) des Primärluftrohres ragt.
  • Schließlich sieht die Erfindung vor, dass im Ringspalt zwischen Kernluftrohr und Primärluftrohr ein Primärdrallkörper angeordnet ist.
  • Die Erfindung basiert auf der aus dem Stand der Technik bekannten Brennertechnik zur Verbrennung von staubförmiger Steinkohle und staubförmiger Braunkohle.
  • Der erfindungsgemäße Brenner, der sowohl zur Verbrennung von Steinkohle als auch zur Verbrennung von Braunkohle eingesetzt werden kann, hat bevorzugt einen konzentrischen Aufbau mit einem Primärluftrohr und einem Sekundärluftrohr. Das von dem zylindrischen Sekundärluftrohr umgebene Primärluftrohr bildet hierbei mit diesem einen Verbrennungsluft führenden Ringkanal (Sekundärluftringkanal) aus.
  • Zusätzlich ist auf der Außenseite am austrittsseitigen Ende (Mündung) des Primärluftrohres eine Luftabweiskehle angeordnet, die den Querschnitt des Ringkanals zwischen dem Primärluftrohr und dem Sekundärluftrohr an deren austrittsseitigen Enden verengt und bevorzugt mit der Mündung bündig abschließt.
  • Auf der Innenseite am austrittsseitigen Ende (Mündung) des Primärluftrohres ist ein Stabilisierungsring angeordnet, der durch eine zur Brennerlängsachse nach innen gerichtete Kante ausgebildet ist, die bevorzugt mit der Mündung bündig abschließt und in die Strömung aus Primärluft und Kohlenstaub hineinragt.
  • Auf der Außenseite am austrittsseitigen Ende des Primärluftrohres ist ein Sekundärluftleitkörper angeordnet, der in Strömungsrichtung von einer in den Ringkanal zurückgezogenen Position und einer mit der Mündung des Primärluftrohres bündig abschließenden Position verstellbar ist.
  • Der erfindungsgemäße Brenner weist zusätzlich ein Kernluftrohr auf, das von dem zylindrischen Primärluftrohr umgeben ist und einen Primärluft und Kohlenstaub führenden Ringkanal bildet (Primärluftdüse bzw. Staubrohrdüse). Durch die konzentrische Anordnung des Kernluftrohres, Primärluftrohres und Sekundärluftrohres wird eine individuelle Einzelluftzufuhr ermöglicht.
  • Ein Zündbrenner ist innerhalb des Kernluftrohres in der Brennerlängsachse angeordnet. An diesem Zündbrenner ist ein Drallkörper in Form eines Schaufelkranzes befestigt, der in radialer Richtung an seinem äußeren Ende von einer Rohrverlängerung abgedeckt wird, die sich in Strömungsrichtung konisch erweitert und sich über die Mündung des Zündbrenners hinaus erstreckt. Der Zündbrenner, der Drallkörper des Zündbrenners und die konische Rohrverlängerung sind bevorzugt als einstückiges Bauteil ausgeführt, das in Strömungsrichtung von einer in das Kernluftrohr zurückgezogenen Position bis zu einer Position an der Mündung des Kernluftrohres verschiebbar ist.
  • Die Mischungsintensität von Brennstoff und Verbrennungsluft kann durch einen Primärdrallkörper, der in dem Ringkanal zwischen dem Kernluftrohr und dem Primärluftrohr angeordnet ist, und einen Sekundärdrallkörper, der in dem Ringkanal zwischen dem Primärluftrohr und dem Sekundärluftrohr angeordnet ist, eingestellt werden.
  • Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht über die aus dem Stand der Technik bekannten Brennertechnik für Kohlenstaub hinausgehend einen Brennerbetrieb, bei dem die Reduktionsreaktionen eines sauerstoffarm (unterstöchiometrisch) betriebenen Feuerraumes in die brennernahe Zone zwischen Primärflamme und Sekundärluftströmung verlagert wird. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners wird in dieser brennernahen Zone ein sauerstoffarmes Rauchgasrezirkulationsgebiet aufgebaut, in dem NO-Verbindungen, die während der Primärreaktion unvermeidlich entstehen, aufgespalten und zu molekularem Stickstoff reduziert werden. Dadurch ist eine wirkungsvollere Reduzierung der NOx-Emissionen mit dem erfindungsgemäßen Brenner im Vergleich zu Brennern des Standes der Technik möglich.
  • Der erfindungsgemäße Brenner ist in Ausführungsbeispielen sowohl für einen Steinkohlebrenner als auch für einen Braunkohlebrenner in den beigefügten Figuren dargestellt. Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Brenner zeigt Ausführungsbeispiele eines Steinkohlebrenners, während der in Figur 4 gezeigte Brenner ein Ausführungsbeispiel eines Braunkohlebrenners darstellt. Der erfindungsgemäße Brenner zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff wie Steinkohle oder Braunkohle wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner, wobei der Zündbrenner in das Kernluftrohr zurückgezogen ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper in der Mündung der Primärluftdüse angeordnet ist,
    Fig. 2
    den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner, wobei der Zündbrenner in der Position entsprechend Figur 1 angeordnet ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper auf der Außenseite des Primärluftrohres in den betreffenden Ringkanal zurückgezogen ist,
    Fig. 3
    den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner, wobei der Zündbrenner in der-Mündung des Kernluftrohres angeordnet ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper die in Fig. 1 beschrieben Position aufweist, und
    Fig. 4
    den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Braunkohlebrenner, wobei der Zündbrenner in der Mündung des Kernluftrohres angeordnet ist und der axial verschiebbare Sekundärluftleitkörper eine gemäß Fig. 3 beschrieben Position einnimmt.
  • Aufgrund der die Erfindung kennzeichnenden Gemeinsamkeiten zwischen Steinkohlebrenner und Braunkohlebrenner erfolgt die Beschreibung der Figuren 1 bis 4 zunächst in allgemeingültiger Form.
  • Der erfindungsgemäße Brenner, der in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist, weist einen in Strömungsrichtung verschiebbaren Zündbrenner 7 auf, der in der Brennerlängsachse innerhalb eines Kernluftrohres 6 angeordnet ist. Das zylindrische Kernluftrohr 6 ist von einem zylindrischen Primärluftrohr 1 umgeben, wodurch ein Ringkanal gebildet wird. Dieser Ringkanal ist wiederum von einem zylindrischen Sekundärluftrohr 2 umgeben und teilt dadurch den Verbrennungsluftsektor in mindestens einen oder zwei Ringkanäle auf.
  • Der Brennstoff und Luft führende Primärluft-Ringkanal, der durch das Kernluftrohr 6 und das Primärluftrohr 1 ausgebildet wird, ist mit einer nicht gezeigten Mühle verbunden, in der die Kohle gemahlen und während des Mahlens mit einem heißen, gasförmigen Medium getrocknet wird. In einem bestimmten Abstand zum Austrittsende dieses Ringkanals ist auf der Außenseite des Kernluftrohres 6 ein Primärdrallkörper 10 angeordnet, welcher der Strömung aus Primärluft und Kohlenstaub eine Rotation aufprägt. Dadurch wird die Strömung vergleichmäßigt und der Kohlenstaub bevorzugt an der Innenseite des Primärluftrohres 1 angereichert.
  • Des Weiteren ist auf der Innenseite an dem austrittsseitigen Ende des Primärluftrohres 1 ein Stabilisierungsring 4 angeordnet, der eine radial nach innen gerichtete Kante aufweist. Diese Kante, die in den Strom aus Primärluft und Kohlenstaub hineinragt, sorgt dafür, dass die Kohlepartikel vor dem Verlassen des Primärluftrohres 1 auf einen Widerstand treffen, dadurch verzögert werden und von der Gasströmung in Richtung zur Mitte des Brennerrohres hin erneut beschleunigt werden.
  • In einem bestimmten Abstand vor der Staubdüsenmündung bzw. der den Stabilisierungsring 4 aufweisenden Mündung ist auf dem Kernluftrohr 6 der von Außen verstellbare Primärdrallkörper 10 angeordnet, der den Primärluft-Kohlenstaubstrom in eine Rotationsströmung versetzt. Dadurch wird eine Vergleichmäßigung der Durchströmung innerhalb des Primärrohres bzw. Primärluftrohres 1 bei gleichzeitiger Anreicherung des Kohlenstaubes am äußeren Umfang des Staubrohres bewirkt.
  • Am Düsenaustritt des Primärrohres bzw. Primärluftrohres 1 befindet sich der Stabilisierungsring 4. Dieser Ring 4 hat die Form einer Innenverzahnung und ragt in den Strömungsbereich des Kohlenstaubes hinein, so dass die Kohlepartikel vor dem Verlassen des Primärrohres bzw. Primärluftrohres 1 gegen einen Widerstand prallen. Durch den Aufprall auf den Ring 4 werden die Kohlepartikel stark abgebremst.
  • Dabei sinkt deren Fließgeschwindigkeit kurzzeitig unter die brennstoffcharakteristische Rückzündgeschwindigkeit ab. Durch diesen Vorgang wird der Zündpunkt ausgasender Brennstoffprodukte definiert. Als Reaktion auf den Aufprall wird der Kohlenstaub reflektiert, durch die Ablenkung in den Primärgasstrom erneut beschleunigt und in den Feuerraum ausgetragen. Schematisch ist der vorstehende Ablauf durch den Pfeil 12 in den Figuren dargestellt.
  • Die Außenseite des austrittsseitigen Endes des Primärluftrohes 1 weist einen sich konisch radial nach außen hin erweiterten Abschnitt auf, der eine Luftabweiskehle 3 für die außen vorbei geführte Strömung der Sekundärluft darstellt, wobei die eigentliche Kehle mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, die Luftabweiskehle 3 sich insgesamt aber beidseits der Kehle 11 erstreckt. Die durch das Sekundärluftrohr 2 geführte Sekundärluft strömt längs der bzw. über die Luftabweiskehle 3 nach außen, entfernt sich von dem brennstoffreichen Flammenkern und wird ausreichend verzögert den Brennstoffprodukten zugeführt. Die Luftabweiskehle 3 sorgt hierbei für einen Zündvorgang, der ohne eine Beeinflussung der Sekundärluft abläuft und nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen gestört wird.
  • Durch den Stabilisierungsring 4 und die Luftabweiskehle 3 findet auf die oben beschriebene Weise eine kontrollierte Zündung des Kohlenstaubs in nahezu allen Betriebssituationen statt. Dabei wird durch den Stabilisierungsring 4 und die Luftabweiskehle 3 ein rotationssymmetrisches Rezirkulationsgebiet heißer, sauerstoffarmer Rauchgase stromab der Mündung des Primärluftrohres 1 zwischen Primärflamme und der Sekundärluftströmung ausgebildet.
  • Um den Partikelstrom des Kohlenstaubs vom Ringkanal, der durch das Kernluftrohr 6 und das Primärluftrohr 1 gebildet wird, weiter in Richtung der Brennerachse zu verlagern und damit die Ausdehnung des Rezirkulationsgebietes zu erhöhen, muss das Kernluftrohr 6, in Strömungsrichtung betrachtet, bevorzugt deutlich vor dem Stabilisierungsring 4 der Staubrohrdüse enden. Allerdings ist bei einer solchen Zuordnung der Rohre des erfindungsgemäßen Brenners ein sicherer Betrieb des verstellbaren Zündbrenners 7, vor allem im Kombibetrieb mit Öl und Kohle, nicht möglich, da die nach innen zur Brennerachse gerichtete Strömung des Kohlenstaubs die Flamme des Zündbrenners 7 beeinträchtigt und zusätzlich die Überwachung der Zündflamme aufgrund der Abdunkelung durch den Kohlenstaub behindert wird.
  • Um trotzdem einen sicheren Brennerbetrieb für alle Betriebszustände zu gewährleisten, ist der am Zündbrenner 7 befestigte Drallkörper 8 in seinem äußeren Bereich durch eine Rohrverlängerung 9 abgedeckt. Diese Rohrverlängerung 9, die den Schaufelkranz des Drallkörpers 8 umgibt, ist stromab konusförmig verlängert und dient als Abweiser für den Kohlenstaub, der vom Stabilisierungsring 4 in Richtung Brennermitte abgelenkt wird. Gemeinsam mit dem Zündbrenner 7 ist die örtliche Lage der konischen Rohrverlängerung 9 in Strömungsrichtung verstellbar. Dadurch wird eine sichere Zündung sowie Überwachbarkeit der Zündbrennerflamme in allen Betriebssituationen sichergestellt.
  • Die Bedeutung des von dem Stabilisierungsring 4 und der Luftabweiskehle 3 ausgebildeten Rezirkulationsgebietes, das einen sauerstoffarmen Bereich darstellt, ist im Hinblick auf die NOx-Reduktion aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Großteil der durch die Primärverbrennung entstandenen Reaktionsprodukte gelangt in das sauerstofffreie Rezirkulationsgebiet, wo die Zersetzung der Stickstoffoxide durch reaktionsfähige Brennstoffbestandteile erfolgt. Daher ist es ein Bestreben, die Größe des Rezirkulationsgebietes auf ein Optimum im Hinblick auf niedrige NOx-Emissionen einzustellen.
  • Dies geschieht durch einen in Strömungsrichtung verstellbaren Sekundärluftleitkörper 5, der auf der Außenseite des Primärluftrohres 1 angeordnet ist und in Strömungsrichtung zwischen einer in den Sekundärluftringkanal zurückgezogenen Position und einer mit der Mündung des Primärrohres 1 bündig abschließenden Position verstellbar ist.
  • Weiterhin ist die die Mündung des Primärluftrohres 1 bzw. die Brennerdüse aus Luftabweiskehle 3 und Stabilisierungsring 4 als ein Bauteil ausgebildet und mit dem Staubrohr bzw. Primärluftrohr 1 des Brenners dauerhaft fest verbunden. Hierzu wird eine einstückige Herstellung von der Luftabweiskehle 3 und dem Stabilisierungsring 4 bevorzugt.
  • Dieses einstückige Bauteil aus der Luftabweiskehle 3 und dem Stabilisierungsring 4 wird vorrangig, aber nicht ausschließlich im Schleudergussverfahren hergestellt. Aber auch das Primärluftrohr 1 kann mit einem Teil Bestandteil des einstückigen Bauteils sein, das die Luftabweiskehle 3 und den Stabilisierungsring 4 aufweist.
  • Die Wirkungsweise des verstellbaren Sekundärluftleitkörpers 5 in Verbindung mit der Luftabweiskehle 3 im Hinblick auf das Rezirkulationsgebiet und unter Berücksichtigung des Betriebszustandes wird anhand der beigefügten Zeichnungen im Folgenden erläutert.
  • Figur 1 zeigt einen Steinkohlebrenner, bei dem der Zündbrenner 7 in das Kernluftrohr 6 zurückgezogen ist und der verstellbare Sekundärluftleitkörper 5 in der Mündung des Primärluftrohres 1 angeordnet ist. In dieser Position des Sekundärluftleitkörpers 5 ist dieser stromabwärts nicht weiter verschiebbar und schließt bündig mit der Luftabweiskehle 3 ab, wodurch die Wirkungsweise der Luftabweiskehle 3 verstärkt wird. Die Sekundärluft, die durch den Ringkanal, der von Primärluftrohr 1 und Sekundärluftrohr 2 gebildet wird, strömt, wird nach außen abgelenkt und entfernt sich in radialer Richtung vom Flammenkern der Primärverbrennungszone. Durch die Verstellung des Sekundärluftleitkörpers 5 auf die in Figur 1 gezeigte Position wird eine einstellbare maximal große Trennschicht stromab der Mündung des Primärluftrohres 1 zwischen Primärverbrennung und Sekundärluftströmung erzeugt. Dieses in seiner Ausdehnung maximal große Rezirkulationsgebiet stellt für den in Figur 1 zugrunde liegenden Betriebszustand ein Optimum im Hinblick auf die NOx-Reduktion dar.
  • Figur 2 zeigt den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner, bei dem der Zündbrenner 7 an der in Figur 1 dargestellten Position angeordnet ist und der verschiebbare Sekundärluftleitkörper 5 auf der Außenseite des Primärluftrohres 1 in den Sekundärluftringkanal zurückgezogen ist. Hierbei sind die Bauteile so für einen Betriebszustand des Steinkohlebrenners angeordnet, bei dem eine weniger große Trennschicht zwischen Primärverbrennung und Sekundärluftströmung und damit ein in radialer Richtung weniger großes Rezirkulationsgebiet stromab der Mündung des Primärluftrohres 1 gefordert ist. Der verstellbare Zündbrenner 7 ist für diesen Betriebszustand wiederum in das Kernluftrohr 6 zurückgezogen. Der Sekundärluftleitkörper 5, der durch seine einstellbare Position die Größe des Rezirkulationsgebietes beeinflusst, ist entsprechend der Lage des Zündbrenners 7 in dem betreffenden Ringkanal zurückgezogen. In dieser Position teilt der Sekundärluftleitkörper 5 den Luftstrom des Sekundärluftrohres 2 in zwei unterschiedliche Teilströme auf und vergleichmäßigt diese. Dadurch sorgt der Sekundärluftleitkörper 5 dafür, dass der Zündvorgang am Brenneraustritt nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen der Sekundärluft gestört wird und die Sekundärluft ausreichend verzögert den Brennstoffprodukten zugeführt wird.
  • Figur 3 zeigt den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Steinkohlebrenner, wobei der Zündbrenner 7 in der Mündung des Kernluftrohres 6 angeordnet ist und der verschiebbare Sekundärluftleitkörper 5 die in Figur 1 dargestellte Position aufweist. Die Bauteile des erfindungsgemäßen Brenners sind entsprechend eines Betriebszustands im Zündbetrieb bzw. Kombibetrieb des Steinkohlebrenners angeordnet. Für diesen Betriebszustand ragt die konische Rohrverlängerung 9 sowohl über die Mündung des Kernluftrohrs 6 als auch stromab über den Stabilisierungsring 4 des Primärluftrohres 1 in Strömungsrichtung hinaus, um eine sichere Zündung und Überwachbarkeit des Zündbrenners 7 sicherzustellen. Der Sekundärluftleitkörper 5 ist, wie in Figur 1, in der Mündung des Primärluftrohres 1 angeordnet und ist stromabwärts nicht weiter verschiebbar. Durch die Anordnung des Luftleitkörpers 5 wird die Wirkungsweise der Luftabweiskehle 3 verstärkt und es bildet sich eine maximal große Trennschicht stromab der Mündung des Primärluftrohres 1 aus, in dem die NO-Verbindungen der Primärreaktion aufgespalten und zu molekularem Stickstoff reduziert werden können und sich ein Optimum hinsichtlich der NOx-Reduktion für den dargestellten Betriebszustand einstellt.
  • Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Braunkohlebrenners, der die gleichen erfindungsgemäßen Merkmale wie der zuvor beschriebene Steinkohlebrenner aufweist. Unterschiede zu einem Steinkohlebrenner bestehen in den Verhältnissen der Durchmesser der Brennerrohre.
  • Figur 4 zeigt den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Braunkohlebrenner, wobei der Zündbrenner 7 in der Mündung des Kernluftrohres 6 angeordnet ist und der verschiebbare Sekundärluftleitkörper 5 eine gemäß Figur 3 beschrieben Position einnimmt. Die Bauteile des Brenners sind entsprechend eines Betriebszustands im Zündbetrieb bzw. Kombibetrieb des Braunkohlebrenners angeordnet. Für diesen Betriebszustand des erfindungsgemäßen Brenners nimmt der Zündbrenner 7 eine Position in der Mündung des Kernluftrohres 6 ein und ist stromabwärts nicht weiter verschiebbar. Die konische Rohrverlängerung 9 ragt über die Mündung des Kernluftrohrs 6 und den Stabilisierungsring 4 hinaus, um eine sichere Zündung des Zündbrenners 7 sicherzustellen. Der verschiebbare Sekundärluftleitkörper 5 weist die in Figur 1 und 3 beschriebene Position auf, aus der er nicht weiter stromab verschiebbar ist. Durch diese Positionierung des Sekundärluftleitkörpers 5 bildet sich ein maximal großes Rezirkulationsgebiet stromab der Mündung des Primärluftrohres 1 aus, in dem die Reduktion der NO-Verbindungen zu molekularem Stickstoff, entsprechend des Betriebszustandes im Hinblick auf ein Optimum der NOx-Reduktion, erfolgen kann.
  • Durch den erfindungsgemäßen Brenner 5 zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff wie Steinkohle oder Braunkohle ist eine Vorrichtung bereit gestellt, die eine höhere Reduzierung der NOx-Emissionen hinsichtlich des Lastzustandes und der Qualität des Kohlenstaubs im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Primärluftrohr
    2
    Sekundärluftrohr
    3
    Luftabweiskehle
    4
    Stabilisierungsring
    5
    Sekundärluftleitkörper
    6
    Kernluftrohr
    7
    Verstellbarer Zünder
    8
    Drallkörper
    9
    Konische Rohrverlängerung
    10
    Primärdrallkörper
    11
    Kehle

Claims (10)

  1. Brenner zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff wie Steinkohle oder Braunkohle, der ein Primärluftrohr (1) und ein Sekundärluftrohr (2), das das Primärluftrohr (1) umgibt, aufweist, wobei der Mündungsbereich des Primärluftrohres (1) außenseitig eine Luftabweiskehle (3) und innenseitig einen Stabilisierungsring (4) aufweist, die als einstückiges Bauteil ausgebildet sind, wobei der Stabilisierungsring (4) radial nach innen gerichtet in Form einer Innenverzahnung in das Primärluftrohr (1) hineinragt, wobei die Luftabweiskehle (3), der Stabilisierungsring (4) und ein Teil des Primärluftrohres (1) einstückig ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die einstückige Ausbildung der Luftabweiskehle (3), des Stabilisierungsringes (4) und eines Teiles des Primärluftrohres (1) den Mündungsbereich des Primärluftrohres (1) ausbildet, wobei die Luftabweiskehle (3) und der Stabilisierungsring (4) mit der Mündung des Primärluftrohres (1) bündig abschließen und wobei die Luftabweiskehle (3) auf der Außenseite des austrittsseitigen Endes des Primärluftrohres (1) als sich konisch radial nach außen hin erweiternder Abschnitt ausgebildet ist.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner einen konzentrischen Aufbau aufweist.
  3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Bauteil ein Schleudergussbauteil ist.
  4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Bauteil an dem Primärluftrohr (1) durch Anschweißen fixiert ist.
  5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Ringspalt zwischen Primärluftrohr (1) und Sekundärluftrohr (2) angeordneten Luftleitkörper (5), der in und gegen die Strömungsrichtung zwischen einer in den Ringspalt zurückgezogenen Position und einer mit der Mündung des Primärluftrohres (1) bündig abschließenden Position verstellbar ist.
  6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ein im Primärluftrohr (1) angeordnetes Kernluftrohr (6) aufweist, in dem ein Zündbrenner (7), der zwischen einer Brennerzündposition und einer Brennerbetriebsposition in und gegen die Strömungsrichtung verschiebbar ist, angeordnet ist.
  7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung des Kernluftrohres (6) stromaufwärts vor der Mündung des Primärluftrohres (1) angeordnet ist.
  8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zündflanunenseitigen Ende des Zündbrenners (7) ein Drallkörper (8) angeordnet ist.
  9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Drallkörper (8) ein Rohrabschnitt um die Zündbrennerlängsachse angeordnet ist, wobei das bevorzugt konisch ausgebildete zündflammenseitige Ende des Rohrabschnitts in der Brennerzündposition des Zündbrenners (7) über das austrittsseitige Ende (Mündung) des Primärluftrohres (1) ragt.
  10. Brenner nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringspalt zwischen Kernluftrohr (6) und Primärluftrohr (1) ein Primärdrallkörper (10) angeordnet ist.
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