WINKELRÄT, Frank (Am Brinkmannsbusch 4, Velbert, 42549, DE)
WASNER, Per (Dieselstr. 13, Salzbergen, 48499, DE)
WINKELRÄT, Frank (Am Brinkmannsbusch 4, Velbert, 42549, DE)
| Patentansprüche 1. Brennereinneit für staubformigen Festbrennstoff (P) mit einem ersten Rohr (5, 5') zur Forderung des Festbrennstoffes (P) m einer ersten Forderrxchtung und mit einem das erste Rohr (5) umgebenden zweiten Rohr (6) zur Forderung von Verbrennungsluft (S) und mit einem das erste Rohr (5, 5') umgebenden dritten Rohr (7) zur Forderung eines Zusatzbrennstoffes (E) . 2. Brennereinheit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das dritte Rohr (7) für die Forderung eines gasförmigen Zusatzbrennstoffes, insbesondere Erdgas (E), ausgebildet ist. 3. Brennereinheit nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das dritte Rohr (7) in radialer Richtung zwischen dem ersten und dem. zweiten Rohr (5, 5', 6) angeordnet ist. 4. Brennereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das freie Ende des dritten Rohres (7) gegenüber dem freien Ende des ersten Rohres (5, 5') zurückversetzt ist. 5. Brennereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das freie Ende des zweiten Rohrs (6) im Wesentlichen auf Hohe des freien Endes des dritten Rohres (7) angeordnet ist. 6. Brennereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das erste Rohr in dem umgebenden zweiten Rohr (6) und dritten Rohr (7) axial verlagerbar ausgebildet xst. 7. Brennereinheit nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das erste Rohr (5, 5' ) mittels einer Stopfbuchse abgedichtet ist. 8. Brennereinheat nacn einem der Ansprucne 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der staubformige Festbrennstoff dem ersten Rohr (5) aber ein Forderrohr (5a, 5a τ ) zugeführt wird, wobei der Innendurchmesser des ersten Rohres (5) kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Forderrohres (5ar 5a' ) ist . 9. Brennereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s im zweiten Rohr (6) nahe seiner Mundung ein Drallkorper (8) zur Erzeugung einer Drallstromung in der aus dem zweiten Rohr (6) austretenden Verbrennungsluft (S) angeordnet ist . 10. Brennereinheit nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Drallkorper (8) ringförmig, insbesondere als Leitschaufelkranz mit über den Umfang eines ringförmigen Grundkorpers verteilten, zur Symmetrieachse des Grundkorpers verdrenten Leitschaufeln, ausgebildet ist. 11. Brennereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s in Verlängerung des ersten Rohrs (5f 5' ) ein Umlenkkorper (9) zur Urrtlenkung des aus deir ersten Rohr (5, 5') austretenden FestbrennstoffStrahls (P) angeordnet ist. 12. Brenneranordnαng (A, A' } für einen Ofen, insbesondere für einen Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein, mit einem einen Brennraum (2) definierenden Brennergehause (1) und einer Brennereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11. 13. Brenneranordnung (A, A' ) nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Brennraum (2) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Brennereinheit im Wesentlichen koaxial m den Brennraum hineinragt. 14. Brenneranordnung (A, A' ) nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Brennergehause (1) ein Spiralgehause (3) umfasst, in das eine Verbrennungsluftleitung (I) tangential mundet. 15. Brenneranordnung (A, A' } nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Spiralgehause (3) in Stromungsrichtung des staubforrnigen Fesubrennstoffes (P) vor dem Brennraum (2) angeordnet ist. 16. Verfahren zum Brennen von staubformxgera Festbrennstoff (P) m einer Brenneranordnung, insbesondere einer Brenneranordnung (A, A' ) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, - wobei der staubformige Festbrennstoff (P) m einer ersten Forderrichtung mittels eines Forderluftstroms aus einem ersten Rohr (5, 5') einer Brennereinheit in einen Brennraum (2) geblasen wird, - wobei Verbrennungsluft (S) aus einem das erste Rohr [S1 5') umgebenden zweiten Rohr (6) m den Brennraum (2) geblasen wird und - wobei ein Zusatzbrennstoff (E) aus einem das erste Rohr (5, 5') ebenfalls umgebenden dritten Rohr (7) in den Brennraum (2) geblasen wird. 17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c n n e t, d a s s Petrolkoksstaub oder Braunkohlestaub als staubformiger Festbrennstoff (P) verwendet wird. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Zusatzbrennstoff ein gasformiger Zusatzbrennstoff, insbesondere Erdgas (E), ist. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Austrittsgeschwindigkeit der Forderluft für den staubformigen Festbrennstoff vFL < ca . 15 m/sec betragt. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bxs 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Verbrennungsluft (S) unterstochiometrisch zugeführt wird . 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zusätzliche Verbrennungsluft (I) über ein Spiralgehause (3) tangential m den Brennraum (2) eingeblasen wird. 22. Verfahren nach Ansprach 20 und 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Menge der zusätzlich eingeblasenen Verbrennungsluft (I) derart bemessen ist, dass der staubformige Festbrennstoff (P) vollständig verbrennt. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Zufuhr des Zusatzbrennstof fes (E) abgeschaltet wird, sobald im Brennraunα (2) genügend thermische Energie zur Verfugung steht. 24. Ofen, insbesondere Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein, mit wenigstens einer Brenneranordnung (A, A' ) nach einem der Ansprüche 12 bis 15. |
Festbrennstoff
Die Erfindung betrifft eine Brennereinheit für staubtorraigen Festbrennstoff. Ferner betrifft die Erfindung eine Brenneranordnung für einen Ofen, insbesondere für einen Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein, sowie einen solchen Ofen.
Brennereinheiten der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Unter anderem werden sie in
Schachtofenanlagen, beispielsweise in Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein, eingesetzt. Hierbei besteht die besondere verfahrenstechnische Herausforderung darin, eine möglichst vollständige Umsetzung des staubförmigen Brennstoffes, beispielsweise Petrolkoksstaub r in Heißgase zu erreichen, um den Energiegehalt des staubförmigen Festbrennstoffs möglichst vollständig nutzen zu können.
Aus der DE 10 2006 035 174 Al ist eine Brennereinheit für staubförmigen Festbrennstoff, speziell grünen
Petrolkoksstaub, bekannt, bei der der über eine Lanze m einen Brennraum eingeblasene staubformige Festbrennstoff nach Austritt aus der Lanze zunächst auf einen in Verlängerung der Lanze angeordneten Umlenkkorper trifft, wodurch er am ca. 180° in die entgegengesetzte Richtung umgelenkt wird, wobei sich die derart erzeugte Ruckstromung mit tangential in den Brennraum eingeblasener Sekundarluft vermischt. Das sich dabei einstellende Gemisch wird m Richtung des Ausgangs des Brennraums transportiert, wobei es bei optimalen Bedingungen vollständig m Heißgase umgesetzt wird.
Bei dieser Brennereinheit besteht jedoch regelmäßig das Problem, dass die m den Brennraum eingeblasene Verbrennungsluft oftmals nicht die erforderliche Zundtemperatur für der. staubformigen Festbrennstoff bereitstellen kann, so dass sich der staubformige Festbrennstoff nicht oder nur unvollständig entzündet. Dies steht einem effizienten Betrieb der Brennereinheit entgegen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brenneremheit der eingangs genannten Art anzugeben, die auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere unterschiedlichen Verbrennungslufttemperaturen, und bei der Verwendung unterschiedlich zusammengesetzter Festbrennstoffe einen stabilen und effizienten Brennerbetrieo ermöglicht, so dass der eingeblasene staubformige Festbrennstoff zu ^eder Zeit vollständig m Heißgase umgewandelt wird. Ferner soll eine entsprechende Brenneranordnung angegeben werden.
Die Aufgabe wird mit einer Brennereinheit für staubformigen Fesπbrennstoff gelost, die ein erstes Rohr zur Forderung des Festbrennstoffes in einer ersten Forderrichtung und ein das erste Rohr umgebendes zweites Rohr zur Forderung von
Verbrennungsluft und ein das erste Rohr umgebendes drittes Rohr zur Forderung eines Zusatzbrennstoffes unfasst.
Die erfmdungsgemaße Brennereinheit ist m verschiedener Hinsicht gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Brennereinheiten vorteilhaft. So bewirkt einerseits die aus dem das erste Rohr umgebenden zweiten Rohr austretende Verbrennungsluft, dass der staubformige Festbrennstoff, der von der Verbrennungsluft zunächst kegel- oder trichterförmig eingehüllt ist, kontrolliert in dem Brennraαm, in den die Brennereinheit eingebaut ist, gefuhrt wird und sich somit in einer unter stromungstechnischen Gesichtspunkten und unter dein Aspekt einer räumlich gleichmäßigen Verbrennung optimalen Weise ausbreitet. Durch den Verorennungsluftkegel lasst sich zudem die Länge der Flamme direkt kontrollieren, so dass die diese auf die räumlichen Gegebenheiten in einem Ofen anpassbar ist.
Mittels des Zusatzbrennstoffes, welcher durch ein drittes, das erste Rohr ebenfalls umgebendes Rohr gefuhrt wird, ist sichergestellt, dass stets genug thermische Energie im Brennraum zur Verfugung steht, um den mit einem
Forderluftstrom durch das erste Rohr transportierten staubformigen Festbrennstoff vollständig zu zünden. Das Konstruktionsprinzip ineinander verschachtelter Rohre ermöglicht zudem die einfache Aufrüstung bestehender Brennereinheiten für staubformige Festbrennstoffe.
Bevorzugt handelt es sich daher bei dem Zusatzbrennstoff um einen leicht entzündlichen gasformigen Zusatzbrennstoff, beispielsweise Erdgas . Dementsprechend ist das dritte Rohr bevorzugt für die Förderung eines gasförmigen Zusatzbrennstoffes ausgebildet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das dritte Rohr in radialer Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass der aus dem zweiten und entsprechend äußeren Rohr austretende Verbrennungsluftstrom sowohl den aus dem ersten Rohr austretenden staubförmigen Festbrennstoff als auch den aus dem dritten Rohr austretenden Zusatzbrennstoff kegel- bzw. trichterförmig einhüllt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das freie Ende des dritten Rohres gegenüber dem freien Ende des ersten Rohres zurückversetzt. Ferner ist bevorzugt das freie Ende des zweiten Rohres im Wesentlichen auf Hohe des freien Endes des dritten Rohres angeordnet. Erstes, zweites und drittes Rohr sind somit ineinandergesteckt, wobei die jeweiligen freien Enden des zweiten und dritten Rohres gegenüber dem ersten Rohr stufenförmig zurückversetzt sind, so dass die aus den einzelnen Rohrenden jeweils austretenden Verbrennungsluft- bzw. Brennstoff/Forderluft-Strόmungen sich aufweiten können, um - ab einem gewissen Abstand zum
Austrittspunkt - den gesamten Brennraumquerschnitt ausfüllen zu können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Rohr in dem umgebenden zweiten Rohr und dritten Rohr axial verlagerbar ausgebildet. Hierdurch kann der aus stromungstechnischer Sicht optimale axiale Austrittspunkt für den staubfόrmigen Festbrennstoff festgelegt werden. Sollte sich das erste Rohr im Dauerbetrieb der Brennereinheit: aufgrund der starken thermischen Belastung verkürzen, so kann das erste Rohr aufgrund der axialen Verstellbarkeit entsprechend nachgeführt werden.
Um eine vollständige und robuste Abdichtung des derart axial verlagerbaren ersten Rohres gegenüber der ortsfesten Konstruktion zu erreichen, ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass das erste Rohr mittels einer Stopfbuchse abgedichtet ist.
Dient der erfindungsgemaße Brenner beispielsweise zur Befeuerung eines Ringschachtofens, so ist sicherzustellen, άass die axiale Ausdehnung der Brennerflamme begrenzt wird, so dass eine dauerhafte Beaufschlagung des Innenzylinders des Ringschachtofens, die mit einer langfristigen Schädigung des Feuerfestmaterials verbunden wäre, vermieden wird. Hierzu ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass das
Gemisch aus staubförmigem Festbrennstoff und Förderluft dem ersten Rohr über ein Forderrohr zugeführt wird, wobei der Innendurchmesser des ersten Rohres kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Fόrderrohres ist. Hierdurch wird eine Begrenzung der axialen Flammenausdehnung infolge eines begrenzten Massestroms und damit eines begrenzten Impulsstroms erreicht.
Der Impuls ström I P ist hierbei wie folgt definiert:
mit m : Massestrom in kg/sec; BS: Brennstoff; FL: Forderluft.
Um eine vollständige Verbrennung des staubförmigen Festbrennstoffes zu erreichen, ist es letztlich erforderlich, dass sich die Verbrennungsluft und der staubförmige
Festbrennstoff aus dem ersten und zweiten Rohr vollständig vermischen. Ferner ist entscheidend, dass das aus Verbrennungsluft und staubfόrmigem Festbrennstoff gebildete Gemisch über den gesamten Querschnitt des Brennraums gleichmaßig verteilt ist. Ferner muss, wie bereits erwähnt, die Begrenzung der Flammenlange sichergestellt werden, um eine Beschädigung der feuerfesten Ausmauerung zu vermeiden. Hierfür ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass im zweiten Rohr nahe seiner Mündung ein Drallkörper zur Erzeugung einer Drallströmung in der aus dem zweiten Rohr austretenden Verbrennungsluft angeordnet ist.
Mittels eines solchen Drallkörpers wird eine sich kegelförmig aufweitende, stark verdrallte Luftströmung als turbulenter Freistrahl erreicht, die die Flammenlange durch die Erzeugung eines Unterdrucks im umschlossenen Kegelvolumen begrenzt und zudem eine besonders gleichmaßige Verteilung mit einem hohen Vermischungsgrad über den Brennraumquerschnitt sicherstellt.
Der Drallkorper seinerseits kann verschiedene Formen annehmen. Bevorzugt ist er ringförmig, insbesondere als Leitschaufelkranz mit über den Umfang eines ringförmigen
Grundkόrpers verteilten, zur Symmetrieachse des Grundkörpers verdrehten Leitschaufeln, ausgebildet.
Eine weiter verbesserte Vermischung zwischen Verbrennungsluft und staubförmigem Festbrennstoff kann erreicht werden, wenn in Verlängerung des ersten Rohres ein Umlenkkόrper zur Umlenkung des aus dem ersten Rohr austretenden FestbrennstoffStrahls angeordnet ist, wie aus dem Stand der Technik im Prinzip bekannt. Hierdurch wird zunächst eine 180 °-Umlenkung des FestbrennstoffStrahls unmittelbar nach Austritt aus dem ersten Rohr erreicht, was eine intensive Vermischung mit der Verbrennungsluft befordert. Jedoch hat sich die mechanische Stabilität des im Betrieb des Brenners thermisch stark belasteten Umlenkkörper in Untersuchungen der Anmelderin als problematisch erwiesen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für einen Ofen, insbesondere für einen Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein, mit einem einen Brennraum definierenden Brennergehause und einer Brennereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Für die Vorteile dieser Brenneranordnung gilt das vorstehend Gesagte in analoger Weise.
Bevorzugt ist der Brennraum im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei die Brennereinheit im Wesentlichen koaxial in den Brennraum hineinragt.
Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Brennergehause ein Spiralgehause, in das eine weitere Verbrennungsluftleitung tangential mundet. Hierdurch wird ermöglicht, dass weitere Verbrennungsluft mit einem im Vergleich zu der aus dem zweiten Rohr austretenden Verbrennungsluft deutlich höheren Volumenstrom in das Brennergehause eintritt und infolge des tangentialen
Eintritts und der speziellen konstruktiven Ausgestaltung des Spiralgehäuses stark verdrallt wird. Die aus dem Spiralgehäuse entsprechend verdrallt in den Brennraum eintretende Verbrennungsluft kann sich intensiv mit der aus dem zweiten Rohr austretenden Verbrennungsluft und dem staubfόrmigen Festbrennstoff sowie mit dem aus einem dritten Rohr austretenden Zusatzbrennstoff vermischen, so dass eine vollständige Verbrennung des staubformigen Festbrennstoffes auch bei unterstochiometrischer Zufuhrung der aus dem zweiten Rohr austretenden Verbrennungsluft sichergestellt ist. Hierzu ist das Spiralgehause bevorzugt in Strόmungsrichtung des staubformigen Festbrennstoffes vor dem Brennraum angeordnet. Ferner sind, soweit auch die aus dem zweiten Rohr austretende Verbrennungsluft verdrallt ist, die Drallrichtungen der beiden Luftstrome bevorzugt gleichsinnig, um eine besonders intensive Durchmischung zu erzielen,
Die eingangs genannte Aufgabe wird verfahrensmaßig mit einem Verfahren zum Brennen von staubformigem Festbrennstoff xn einer Brenneranordnung, insbesondere einer Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gelost,
- dass der staubformige Festbrennstoff in einer ersten Forderrichtung mittels eines Forderluftstroms aus einem ersten Rohr einer Brennereinheit in einen Brennraum geblasen wird,
- dass Verbrennungsluft aus einem das erste Rohr umgebenden zweiten Rohr in den Brennraum geblasen wird und
- dass ein Zusatzbrennstoff aus einem das erste Rohr ebenfalls umgebenden dritten Rohr in den Brennraum geblasen wird.
Für die Vorteile des erfindungsgemaßen Verfahrens gilt wiederum das vorstehend Gesagte entsprechend.
Als Zusatzbrennstoff wird bevorzugt ein gasformiger Zusatzbrennstoff, insbesondere Erdgas verwendet. Dieser ist leicht entzündlich und dafür geeignet, die für die vollständige Verbrennung insbesondere von staubformigen Festbrennstoffen mit hoher Zundtemperatur notwendige thermische Energie bereitzustellen. Als staubformige Festbrennstoffe kommen bevorzugt Kohlestaαbe zu Einsatz. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Petrolkoksstaub oder Braunkohlestaub. Braunkohlestaub zeichnet sich durch eine vergleichsweise niedrige
Zundtemperatur von ca. 45O 0 C aus, so dass der Einsatz eines Zusatzbrennstoffes im stationären Betrieb der Brennereinheit oftmals nicht mehr erforderlich ist, da die geforderten Zundtemperaturen bereits durch den Verbrennungsluftstrora bereitgestellt werden. Petrolkoksstaub weist hingegen eine
Zündtemperatur von ca. 700 0 C auf, so dass hier regelmäßig der Einsatz des Zusatzbrennstoffes notwendig ist, um die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Verbrennungsluft und der Zundtemperatur des Petrolkoksstaubs zu überbrücken.
Im Rahmen des Verfahrens ist es somit möglich, die Einleitung des Zusatzbrennstoffes abzuschalten, sobald im Brennraum genügend thermische Energie dauerhaft zur Verfugung steht, die eine vollständige Verbrennung des staubformigen
Festbrennstoffes auch ohne Zusatzbrennstoff zum Zwecke der Anhebung des Temperaturniveaus im Brennraum sicherstellt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindαngsgemaßen Verfahrens beträgt die Äustrittsgeschwindigkeit der Forderluft für den staubformigen Festbrennstoff v FL < ca. 15 m/sec. Hierdurch wird der Impulsstrom des Forderluft/Brennstoff-Gemisches nach oben begrenzt. Durch diese Begrenzung des Impulsstromes kann wiederum die Lange der Flamme begrenzt und somit eine Beschädigung der feuerfesten Ausmauerung des durch die Brenneinheit befeuerten Ofens vermieden werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausfuhrungsbeispiel darstellenden Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannτe Brenneranordnung,
Fig. 2 eine verbesserte Brenneranordnung insbesondere für einen Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein und
Fig. 3 die Brenneranordnung aus Fig. 2 in einer modifizierten Ausführung und
Fig. 4 einen Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein mit Brenneranordnungen gemäß Fig. 2.
In Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Brenneranordnung dargestellt. Die Brenneranordnung umfasst ein Brennergehause 100 mit einem rotationssymmetrischen Brennraum 200, welcher sich in Transportrichtung des Brennstoffes bzw. in Ausbreitungsrichtung der Flamme zunächst konisch erweitert und anschließend bis zum Brennerausgang dusenformig konisch wieder verjungt. Durch ein koaxial mit dem Brennraum 200 angeordnetes Zentralrohr 300 wird staubformiger Festbrennstoff pneumatisch, d.h. in einem sog. Primarluftstrom, gefordert und tritt an dem freien Ende 300a des Zentralrohrs 300 aus diesem aus.
Die über eine tangential zum Brennraum 200 angeordnete
Zufuhrung 500 in den Brennraurα 200 an dessen geschlossenem Ende eingeblasene sekundäre Verbrennungsluft wird im Brennraum 200 verdrallt, wie durch die Spirallinie S angedeutet. Eine intensive Vermischung des staubfόrmigen Festbrennstoffes mit der verdrallten Sekundarluft wird dadurch erreicht, dass der staubformige Festbrennstoff an exnem in Verlängerung des Zentralrohrs 300 angeordneten
Stromungsumlenker 400 um ca. 180° aus seiner ursprunglichen Strόmungsrichtuπg abgelenkt wird. Diese Rückströmung vermischt sich also mit der verdrallten Sekundärluft, so dass eine stark mit Luft angereicherte Staubmenge durch den Brennraum 200 in Richtung seines Ausgangs strömt und in die Brennerflamme B übergeht. Zusätzlich zur sekundären Verbrennungsluft wird noch über mehrere tangential angeordnete Düsen 600 tertiäre Verbrennungsluft gestuft in den Brennraum 200 eingeleitet, um die Drallstromung im Brennraum 200 zu unterstützen.
Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktion kommt es immer wieder vor, dass insbesondere bei zu geringer Temperatur der zugefuhrten Verbrennungsluft in den Brennraum 200 eingeblasene staubfόrmige Festbrennstoffe mit hoher
Zundtemperatur nicht oder nicht vollständig zünden, so dass die Verbrennung insgesamt ineffizient ist.
In Fig. 2 ist eine gegenüber der Fig. 1 verbesserte Brenneranordnung A dargestellt. Diese kann beispielsweise in einem Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein eingesetzt werden, ist auf diesen Einsatz jedoch nicht beschrankt. Die Brenneranordnung A umfasst ein Gehäuse 1, welches einen vorliegend zylindrischen Brennraum 2 umschließt. In Λusbreitungsrichtung der Strömung vor dem Brennraum 2 ist ein Spiralgehäuse 3 angeordnet, über weiches Verbrennungsluft oder eine Gemisch aus sog. Treibluft und rückgefuhrtem Umwalzgas (ein Teilstrom der Ofenabgase, vgl. Fig. 4) tangential mit sehr hohem Volumenstrom in den Brennraum 2 eingeleitet werden kann. Auf der vom Brennraum 2 abgewandten Seite des Schneckengehauses 3 ist der Brennerstein 4 mit sich konisch erweiterndem Innenquerschnitt angeordnet, in welchem die im Folgenden beschriebene Brenneremheii im Wesentlichen koaxial angeordnet ist .
Die Brennereinheit umfasst ein erstes Rohr 5 zur Forderung von staubformigem Festbrennstoff, vorliegend Petrolkoksstaub P, in einem Forderluftstrom. Dieser wird dem ersten Rohr 5 über ein Forderrohr 5b zugeführt. Vorliegend sind der Innendurchmesser des ersten Rohres 5 und der des Forderrohres 5b identisch ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass der zum Impulsstrom des Festbrennstoff/Forderiuft-Gemisches proportionale Massenstrom des Festbrennstoff/Forderiuft- Gemisches durch das erste Rohr 5 nicht zu groß ist, so dass die Lange der sich im Brennraum 2 bildenden Flamme insgesamt begrenzt ist.
Das erste Rohr 5 ist vorliegend axial verlagerbar ausgebildet, so dass der aus stromungstechnischer Sicht optimale axiale Austrittspunkt für den staubformigen Festbrennstoff festgelegt werden kann. Ferner kann das freie Rohrende bei einem möglichen Abbrand der Spitze infolge andauernder hoher thermischer Belastung im laufenden Betrieb der Brennereinheit nachgefuhrx werden. Zur Abdichtung des ersten Rohres 5 gegenüber der übrigen Konstruktion ist eine Stopfbuchse 5a vorgesehen.
Koaxial zum ersten Rohr 5 ist ein zweites Rohr 6 angeordnet, in welchem das erste Rohr 5 aufgenommen ist. Das zweite Rohr 6 dient der Förderung von sekundärer Verbrennungsluft S in den Brennraum 2, die dem zweiten Rohr 6 über eine radiale Leitung 6a zugeführt werden kann. In dem zwischen zweitem Rohr 6 und erstem Rohr 5 gebildeten Ringvolumen ist schließlich ein drittes Rohr 7 aufgenommen, welches der Förderung eines Zusatzbrennstoffes, vorliegend Erdgas E, dient. Dieser wird dem dritten Rohr wiederum über eine radiale Leitung 7a zugeführt. Vorliegend weist das dritte Rohr 7 an seinem freien Ende einen konischen Abschnitt 7b auf.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, sind das freie Ende des dritten Rohres 7 und das des zweiten Rohres 6 gegenüber dem des ersten Rohres 5 zurückversetzt. Untereinander sind die freien Enden des zweiten und dritten Rohres 6, 7 im
Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet.. Hierdurch können sich die aus den Rohrenden jeweils austretende Luft- bzw. Brennstoff-/Förderluftströmungen kegelförmig divergent entlang der Längsachse des Brennraums 2 ausbreiten.
Das zweite Rohr 6 weist nahe seinem freien Ende zudem einen Drallkörper 8 auf, welcher vorliegend ringförmig als Leitschaufelkranz mit über den Umfang eines ringförmigen Grundkörpers verteilten, zur Symmetrieachse des Grundkörpers verdrehten Leitschaufeln ausgebildet ist. Hierdurch wird eine verdrallte Sekundärluftströmung erzeugt, wie im Folgenden noch ausgeführt wird.
Die Funktionsweise der Brenneranordnung A gemäß Fig. 2 ist die Folgende: In das erste Rohr 5 wird über das Forderrohr 5b ein Gemisch aus dem staubformigen Festbrennstoff ( Petrolkoksstaub P) und einem Transportluftstrom (sogenannte Primarluft) eingeleitet und durch das erste Rohr 5 in den Brennraum 2 gefordert, wobei der Festbrennstoffstrahl im Bereich des Brennersteins 4 aus dem ersten Rohr 5 austritt. Die Austrittsgeschwindigkeit αer Forderluft für den staubforraigen Festbrennstoff betragt dabei bevorzugt < ca. 15 m/sec, um den Impulsstrom des Brennstoff-Luft-Gemisches vor dem Hintergrund einer Begrenzung der Flammenlange insgesamt zu begrenzen.
Aus dem zwischen der äußeren Flache des ersten Rohrs 5 und der Innenflache des dritten Rohrs 7 gebildeten Ringkanal tritt der über die Leitung 7a in das dritte Rohr 7 eingeleitete gasformige Zusatzbrennstoff (Erdgas E) in einer ebenfalls divergenten Strömung aus und hüllt den Festbrennstoffstrahl kegelförmig ein. Die aus dem freien Ende des zweiten Rohrs 6 austretende sekundäre Verbrennungsluft S wird durch den Drallkorper 8 stark verdrallt und weitet sich ebenfalls kegelförmig auf, wobei sie die Erdgas- und die
FestbrennstoffStrömung E Λ P umhüllt. Die über das zweite Rohr 6 in den Brennraum 2 eingeleitete sekundäre Verbrennungsluft S ermöglicht aufgrund ihres vergleichsweise geringen Volumenstroms nur eine unterstochiometrische Verbrennung. Eine vollständige Verbrennung des staubformigen
Festbrennstoffes P und des gasformigen Zusatzbrennstoffes E wird dadurch erreicht, dass über das Spiralgehause 3 weitere vorgewärmte Verbrennungsluft oder ein Gemisch aus vorgewärmter Verbrennungsluft und rezirkulierendem Abgas (sogenannte Injektionsluft 1} tangential und mit hohem
Volumenstrom in den Brennraum 2 eingeleitet wird. Aufgrund der geometrischen Ausgestaltung des Spiralgehauses 3 und der tangentialen Einleitung wird dieser Luftstrom ebenfalls stark verdrallt, wie durch die Spirallinie D angedeutet. Mit zunehmendem Abstand von der Brennereinheit werden dann die verdrallte Injektionsluft I, die aus dem zweiten Rohr 6 austretende bevorzugt gleichsinnig verdrallte sekundäre Verbrennungsluft S, der aus dem dritten Rohr 1 austretende Erdgasstrom E sowie der aus dem ersten Rohr 5 austretende staubförmige Festbrennstoff P zum nicht dargestellten offenen Ende des Brennraums hin intensiv vermischt und vollständig zu Heißgasen umgesetzt.
Die gegenüber der Brenneranordnung A aus Fig. 2 modifizierte Brenneranordnung A' unterscheidet sich von der erstgenannten dadurch, dass das erste Rohr 5" in Verlängerung seines freien Endes einen Umlenkkörper 9 zur Umlenkung des aus dem ersten Rohr austretenden FestbrennstoffStrahls P aufweist. Durch diese Umlenkung kann eine weiter verbesserte Vermischung zwischen Festbrennstoff P, gasförmigem Zusatzbrennstoff (Erdgas E) und sekundärer Verbrennungsluft S erreicht werden. Als problematisch hat sich jedoch die mechanische Stabilität des Umlenkkörpers 9 bei andauernder thermischer Belastung herausgestellt. Bevorzugt wird daher eine Brenneranordnung A gemäß Fig. 2 eingesetzt.
Die Integration einer Brenneranordnung A gemäß Fig. 2 oder einer Brenneranordnung A' gemäß Fig. 3 in einen Ringschachtofen zum Brennen von Kalkstein ist in der FIg. 4 dargestellt .
Der Ringschachtofen der Fig. 4 ist nach der Bauart
"Beckenbach" aufgebaut und soll zum Zwecke des prinzipiellen Verständnisses im Folgenden kurz beschrieben werden. Der Ofen weist einen zylindrischen Außenmantel auf, der sich in einen Oberschacht 20 sowie einen Hauptschacht 10 unterteilt. Die innere Schachtwand des Hauptschachtes 10 wird durch einen unteren Innenzylinder 30 gebildet, die des
Öberschachtes 20 durch einen oberen Innenzylinder 40. In der Brennzone BZ sind eine Mehrzahl von Brenneranordnungen A der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Art in einer unteren Brennerebene angeordnet, von denen eine m der vorliegenden Schnittzeichnung sichtbar ist. Die Brennereinhej ten der oberen Brennerebene können ebenfalls in der erfmdungsgemaßen Weise ausgebildet sein.
Im Betrieb des Ringschachtofens wird das zu brennende kornige Gut G (Kalkstein) m den Ringschachtofen aufgegeben und wandert schwerkraftbedingt zunächst durch die Vorwarmzone VZ, wo es im Gegenstrom durch aus der Brennzone BZ aufsteigende Abgase aufgeheizt wird. Sobald das Brenngut G den oberen Innenzylinder 40 passiert hat, tritt es in die Brennzone BZ ein und wird dort zunächst im Gegenstrom und unterhalb der unteren Brennerebene mit den Brenneranordnungen A im Gleichstrom gebrannt . Anschließend tritt das nunmehr gebrannte Gut G* in die Kuhlzone KZ ein, wo es wiederum im Gegenstrom abgekühlt wird. Abschließend wird das Gut G* aus derr Ringschachtofen ausgetragen.
Wie in Fig. 4 erkennbar, strömt m der Vorwarmzone VZ des Oberschachtes 20 ein Abgasteilsτ:rom in den oberen Innenzylinder 40 ein und gelangt von dort in eine Rekuperatoreinheit 70, wo er einen Treioluftstroπv erwärmt. Dieser speist mit den Brenneranordnungen A verbundene, sogenannte Injektoren 50 zusammen mit einem Abgasteilstrom, der seinerseits über den unteren Innenzylinder 30 und eine Ringleitung in die Injektoren 50 einströmt.
Die von den Injektoren 50 bereitgestellte Injektionsluft weist oftmals nicht die für das Entzünden des
Petrolkoksstaubes als staubformigen Festbrennstoff erforderliche Temperatur von ca. 700 0 C auf. Die für ein vollständiges Verbrennen des Petrolkoksstaubs erforderliche zusatzliche thermische Energie wird nun in vorteilhafter Weise durch den in der Brenneranordnung A bzw. A' in den Brennraum 2 eingeleiteten gasförmigen Zusatzbrennstoff (vorliegend Erdgas) bereitgestellt, so dass zu jeder Zeit gewährleistet ist, dass der Petrolkoksstaub vollständig in Heißgase umgesetzt wird, die einen effizienten Betrieb des Ringschachtofens gewährleisten.
Ein weiterer Vorteil des vorgestellten Brennerkonzepus besteht darin, dass bestehende Brenner in einfacher Weise derart umgerüstet werden können, dass sie auch den Einsatz eines Zusatzbrennstoffes wie Erdgas ermöglichen.
Next Patent: METHOD AND DEVICE FOR THERMALLY AFTERBURNING EXHAUST AIR LOADED WITH OXIDIZABLE SUBSTANCES