Beschreibung

Kohlenstaubkombmationsbrenner mit integriertem Pilotbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kohlenstaubkombmationsbrenner, der für die Sauerstoff-Vergasung von staubformigen Brennstoffen (Braunkohle und/oder Steinkohle oder ähnliche staubformige Brennstoffe) unter hohen Drucken und Temperaturen m Reaktoren mit flussigen Schlackeabzugen eingesetzt wird und mittels eines integrierten Pilotbrenners der mit gasformigem Brennstoff und Sauerstoff arbeitet und mit einer elektrischen Zündeinrichtung und optischer Flammenuberwachung in Betrieb genommen und überwacht wird.

Die Erfindung betrifft einen Kombinationsbrenner für die Vergasung staubformiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Drucken zwischen Umgebungsdruck und hohen Drucken von 80 bar (8 MPa) sowie Temperaturen zwischen 800-1800°C mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bekannt sind Kohlenstaubbrenner für die Partialoxydation staubformiger Brennstoffe, die durch einen extern angeordneten Pilotbrenner gezündet werden. In der Patentschrift DD 285 523 ist ein gattungsgemaßer Pilotbrenner zur partiellen Oxidation von gasformigen Kohlenwasserstoffen zu CO- und H2-haltigen Gasen in einem unter Druck stehenden Reaktor beschrieben.

Dieser Pilotbrenner besteht aus koaxialen Kanälen für Brenngas und Oxidationsmittel, die nach dem Reaktionsraum hin offen sind und die durch wasserdurchstromte Kanäle getrennt bzw. umhüllt sind. In dem Brenngaskanal ist ein Zündkabel angeordnet, das mit einer Hochspannungszundvorπchtung außerhalb des Brenners verbunden ist und das an seinem nach dem Reaktionsraum zugewandten Ende in eine metallische Elektrode übergeht, die bis an die Brennerspitze gefuhrt ist und hier eine Funkenstrecke zur metallischen Wand bildet. Die Elektrode dieses Brenners ist im Brenngaskanal so positioniert, dass sie durch den die Düse bildenden Konfusor, ring-

formige Düse und Diffusor hindurchgeht und am achsparallelen Krümmungsradius des Diffusors, d. h. im Wirbeibereich, der den übergang zum Sauerstoffkanal bildet, die Funkenstrecke zur metallischen Wand hat. Die Anordnung der metallischen Elektrode ist so gewählt, dass einerseits die Direktzundung des Brenngas/Sauerstoffes ermöglicht und andererseits die metallische Elektrode durch das nachstromende Brenngas gekühlt wird. Die Einfuhrung des Hochspannungszundkabels in den Brenner erfolgt durch zwei separate Druckabdichtungen. Der hierdurch entstehende druckdichte Raum wird als Sicherheitszone gegenüber austretenden Brenngasleckagen genutzt und druckseitig überwacht . Weitere Kombinationen von aus einem Zund-, Pilot- und Staub- brenner bestehenden Kombinationsbrenner werden beschrieben in:

Sino German Gasification and CDM Form vom 5.-6. August 2004 in Beij mg "Lignite and Coal Gasification for Syngas and Ener- getic Gas Production" und

- Chinesische Patentanmeldung Nr. CN 200510079702.4 vom 24. Juni 2005 vom Bei]ing Aeronautical Power Inst.

„Powder-combustible vortex burner"

Die übertragung des Flammensignals zur Uberwachungsemπch- tung erfolgt mittels eines mehradrigen Lichtleitkabels. Der bekannte Pilotbrenner hat folgende Mangel.

- die übertragung des Flammensignals aus dem Reaktionsraum zum Flammenwachter erfolgt mittels Lichtleitkabel, das durch den geringen Abstand zur Flamme thermisch belastet wird und gleichzeitig auch durch auftreffende Russpartikel im Sichtfeld eingeschränkt werden kann. Außerdem behindert die vor den optischen Einblick befindliche metallische Elektrode den freien Einblick m den Reaktionsräum.

- Die metallische Elektrode muss aus Platzgrunden als Draht ausgeführt werden, der bis zur Elektrodenspitze mehrfach gebogen ist. Durch dieses instabile Gebilde kann die zur Zündung notwendige Justierung an der Funkenuberschlag- stelle nur schwer exakt eingestellt werden. Hierdurch entstehen Zundstorungen und die Funktionstuchtigkeit des Brenners ist nicht immer gewährleistet.

- Die Ausfuhrung der wassergekühlten Düse (Konfusor, Zylinder und Diffusor) ist sehr kompliziert und fuhrt besonders im Diffusor zu thermischen Belastungen, die zur Rissbil- dung im Material und damit zum Ausfall des Brenners fuhren .

- Durch die Anordnung der Elektrodenspitze innerhalb des Diffusors der Düse bildet sich notwendigerweise an dieser Stelle ein Wirbeigebiet aus, das Sauerstoffanteile mit dem Brennstoff mischt und damit ein zundfahiges Gemisch bil ^¬ det, das gezündet werden kann. Kommt es bei der Zündung zu Medienschwankungen verschiebt sich das Wirbeigebiet und damit die Gemischstelle, was Fehlzündungen zur folge hat. Eine hohe Störanfälligkeit ist damit vorgegeben.

Der Kombinationsbrenner nach der chinesischen Patentanmeldung Nr. CN 200510079702.4 zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass das Pilotbrennergas, sowie der dazugehörige Sauerstoff durch einen gemeinsamen Kanal im Brennerzentrum dem Brennermund zuströmen. Dies birgt die große Gefahr, dass bei Veränderung der Stromungsgeschwindigkeit, wie sie bei In- und Außerbetπebnahmen auftritt, eine Ruckzundung in den Brennerkanal auftritt, die zu seiner Zerstörung fuhrt mit erhebli- chen Gefahrdungen der Betriebssicherheit.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, durch konstruktive Maßnahmen eine Kombination aus Pilotbrenner und Kohlenstaubbrenner in einer Brennereinheit als Kohlenstaubkombmations- brenner zu schaffen, der durch die Zusammenfassung beider

Brenner rn erner Ernhert ernen einfacheren und sicheren Betrieb mit gleichmäßiger Flammenausbildung gewährleistet und die Störanfälligkeit wesentlich minimiert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen Koh- lenstaubkombmationsbrenners mit integriertem Pilotbrenner, der unter den Bedingungen der Kohlenstaubvergasung unter Druck zuverlässig zündet und sicher arbeitet.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost.

Durch die Ausbildung der Flamme in der zentralen Achse des Reaktors werden Vorteile gegenüber der bisherigen Losung hinsichtlich Ausbrand und Umsatz erreicht. Gleichzeitig erfolgt eine Entflechtung der Medienzufuhrung zum Reaktorkopf. Mit der Einpassung des Pilotbrenners in den Kohlenstaubbrenner wurden gleichzeitig konstruktive änderungen am Pilotbrenner vorgenommen, so dass ein funktionssicherer und störungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter- anspruchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausfuhrungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur naher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Koh- lenstaubkombmationsbrenners mit integriertem Pilotbrenner .

Der erfmdungsgemaße Kohlenstaubkombmationsbrenner umfasst einen zentral angeordneten Pilotbrennerteil mit getrennter Brenngas- und Oxydationsmittelzufuhrung in separaten Kanälen, einer Flammenuberwachungsemπchtung FU und einer elektπ- sehen Hochspannungszundung. Um diese Baugruppe ist ein Ringraum 13 zur Zufuhrung des Oxydationsmittels für den Kohlenstaub- Kombinationsbrenner angeordnet. An der ringförmigen

Austrittsoffnung sind Drallschaufeln 14 zur Verwirbelung des Oxydationsmittelstromes angeordnet .

Das Außenkuhlteil 5 des Pilotbrenners im Zentrum und das Innenkuhlteil 18 des außen liegenden Hauptbrenners bilden den Hauptbrenneroxydationsmittelkanal 17. Um diesen Kanal und dem Innenkuhlteil 18 sind die Kohlenstaubzufuhrung 15 und die gekühlte Außenhulle 16 des Hauptbrenners angeordnet.

Der Pilotbrenner umfasst ein zentral angeordnetes, mertgas- gespultes Rohr 1, das als optische Emblicksoffnung für die außerhalb des Brenners befindliche Flammenuberwachungsem- πchtung dient, einen um das Zentralrohr angeordneten Ringraum 2 zur Brenngaszufuhrung, einen weiteren Ringraum 3 zur Oxydationsmittelzufuhrung, der an der Stirnflache geschlossen ist und in einzelne Dusenbohrungen 4 übergeht sowie den das ganze umhüllende äußere Pilotbrennerkuhlteil 5 zur Zu- und Abfuhrung des Kuhlwassers. Um den äußeren Kuhlkanal (5) des Pilotbrenners ist ein weiteres Rohr 13 angeordnet, das zur Halterung von austauschbaren Wirbelkorpern dient, die zur gerichteten Versorgung des Hauptbrenners mit Oxydationsmittel dienen.

Das zentral angeordnete Rohr 1 ist innerhalb des Brenngaska ^¬ nals 2 bis an den Brennermund gefuhrt und geht am Ende ein- seitig in eine kleine, kurze Elektrodenspitze 6 über, die bei der Zündung den Zündfunken gerichtet auf die Metallwand der Brenngaszufuhrung überspringen lasst. Das metallische Zent ^¬ ralrohr ist im vorderen Drittel elektrisch unterbrochen und durch ein rohrformiges Isolatorstuck 7 verbunden. Der obere Teil des Zentralrohres dient als Trager des über eine druckdichte Durchfuhrung eingeführten Zündkabels 8, dessen Ende mit dem brennermundseitigen Teil des Zentralrohres nach dem Isolationsstuck verbunden ist. Das Zentralrohr wird in Richtung Reaktionsraum mit Stickstoff gespult, um das Eindringen heißer Gases oder Verunreinigungen aus dem Reaktionsraum auszuschließen. Gegenüber der Atmosphäre ist das Zentralrohr mit einem speziellen Quarzglas 12 druckdicht getrennt. Die außerhalb des Brenners befindliche

optische Flammenuberwachung erkennt durch das Quarzglas 12 die Brennerflamme und ist somit vor thermischer Belastung und Schmutzpartikeln geschützt.

Der um das Zentralrohr befindliche Ringraum 2 zur Zufuhrung des Brenngases ist am Austritt zur Dusenausbildung eingezogen (im Durchmesser reduziert) . Das äußere, den Ringraum begrenzende Rohr enthalt in diesem Bereich der Düse einem keramischen Isolierung 9, der die Reduktion im Durchmesser bewirkt und einen ungewollten Funkenuberschlag der Hochspannungszun- dung vom Zentralrohr verhindert. Erst direkt am Austritt ist dieses Rohr wieder metallisch ausgeführt.

Die Zufuhrung des Oxydationsmittels für den Pilotbrenner erfolgt über den Ringraum 3. Dieser Ringraum ist am Austritt zum Reaktionsraum hin mit einem austauschbaren Einschraubteil 10, das mit mehreren Bohrungen 4 versehen ist, verschlossen. Diese Bohrungen 4 können je nach der Beschaffenheit des Brenngases in Durchmesser und Austrittsrichtung angepasst sein.

Zusätzlich zu den in Richtung Reaktionsraum zeigenden Bohrungen 4 sind in dem Einschraubteil 10 noch kleine Bohrungen 11 angeordnet, die in den Brenngaskanal fuhren. über diese zwei Bohrungen wird eine geringe Teilmenge Oxyda- tionsmittel in den Brenngaskanal eingeleitet. Diese Bohrungen sind so angeordnet, dass die kleine Oxydationsmittelteilmenge unmittelbar über der Elektrodenspitze in den Brenngaskanal eintritt und in diesem Bereich ein zundfahiges Gasgemisch gebildet wird. Insgesamt wird durch die Summe der konstruk- tiven Ausgestaltungen eine ortlich feststehende und genau justierbare Zundfunkenstrecke gebildet, die vom mechanischen Aufbau sehr stabil ausgeführt ist.

Der Oxydationsmittelzufuhrungsraum 3 wird durch ein Wasser- kuhlsystem 5 umhüllt, das die Inneneinbauten und die Düse des Pilotbrenners vor thermischer Belastung schützt. Um die Wasserkühlung 5 des Pilotbrenners ist ein weiteres Rohr 13 angeordnet, das als Trager für austauschbare Wirbel-

korper 14 rm Hauptbrenneroxydationsmrttelkanal drent. Durch diese erfindungsgemaße Gestaltung der Hülle um den Pilotbren- ner kann bei Demontage des Pilotbrenners schnell und einfach der Wirbelkorper 14 in der Hauptbrenneroxydationsmittelzufuh- rung 17 gewechselt werden und somit die Hauptbrennerflamme optimal an die Reaktionsraumkontur des Reaktors angepasst werden .

Durch die Ausfuhrung der Oxydationsmittelzufuhrung mit Wir- belkorpern wird der austretende Sauerstoffström stark m Rotation versetzt, in den die über die speziell gestalteten Zufuhrungselemente 15 austretenden Staubstrahlen eingesaugt werden .

Durch eine unterschiedliche Anstellung der Wirbelkorper bzw. Drallschaufeln kann die Flammenausbildung in ihrer Breite und Lange beeinflusst werden.

Die Erfindung umfasst einen Kombinationsbrenner für die Vergasung staubformiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Umgebungs- oder hohe- ren Drucken, sowie Temperaturen zwischen 800-1800°C, wobei die Zündvorrichtung des Pilotbrenners mit Flammuberwachung und der Staubbrenner als Kombinationsbrenner integriert sind und alle Betπebskanale voneinander getrennt bis zum Brenner ^¬ mund gefuhrt und die beiden erst am Brennermund gemischt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kombina ^¬ tionsbrenner ein gekühltes äußeres Gehäuse 16 und eine Koh- lenstaubzufuhrung 15 auf, dessen inneres Kuhlteil 18 die Begrenzung zur Aufnahme eines zentral angeordneten Pilotbrenners mit außen liegenden Wirbelkorpern 14 dient und gleichzeitig den Hauptbrenneroxidationsmittelkanal 17 bildet, wobei der zentral angeordnete Pilotbrenner zur Inbetriebnahme der Kohlenstaubbrenneremheit 15, 16, 17, aufweisend ein Zentral- röhr 1 als optischer Einblick in den Vergasungsraum mit außen liegender Flammuberwachung, einer Brenngaszufuhrung 2, einer Oxidationsmittelzufuhrung 3 und einer Brennkuhlkammer 5 dient .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zentralrohr (1) innerhalb des Brenngaskanals (2) bis an den Brennermund gefuhrt und geht am Austritt einseitig in eine kleine kurze Elektrodenspitze (6) über, die bei der Hochspannungszundung den Zündfunken gerichtet auf die gegenüberliegende äußere Metallwand des Brenngaszufuhrungskanals (2) leitet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das metallische Zentralrohr (1) im vorderen Drittel unterbrochen und durch einen Isolator (7) verbunden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zentralrohr (1) gegenüber der Atmosphäre mit einem Quarzglas (12) verschlossen und tragt auf der drucklosen Seite einen optischen Flammenwachter wobei es in Richtung Brenneraustπtts- offnung mit einem Inertmedium, beispielsweise Stickstoff, spulbar ist, um das Eindringen heißer Gase aus dem Reaktionsraum zu verhindern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung dient das Zentralrohr (1) auf der Außenseite als Trager für das isolierte Hochspan- nungszundkabel (8) wobei das metallische Ende des Hochspan- nungszundkabels (8) mit dem in Brennermundnahe befindlichen Stuck des metallischen Zentralrohres (1) (hinter Isolator 7) verbunden ist, um die Hochspannung bis zur Elektrodenspitze (6) zu leiten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Brenngaszu- fuhrungskanal (2) im Bereich der Einschnürung zur Austπtts- duse an der äußeren Kanalbegrenzung einen keramischen Isolator (9) auf, um an der Engstelle einen unkontrollierten Hoch- spannungsfunkenuberschlag zu verhindern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung geht der Oxydations- mittelzufuhrungskanal (3) im Bereich des Medienaustritts mittels eines Emschraubteiles (10) mit Dusenbohrungen (4)

über, die je nach gewünschter Flammenform in Austrittsrichtung und Austrittswinkel anpassbar sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind im Einschraub- teil (10) am Oxydationsmittelzufuhrungskanal (3) zusätzlich kleine Bohrungen (11) angeordnet, die im Brenngaskanal (2) enden und hierdurch eine geringe Teilmenge Oxydationsmittel unmittelbar über der Elektrodenspitze (6) in den Dusenbereich des Brenngaskanals (2) leiten und hier ortlich ein zundfahi- ges Gemisch bilden, das durch den Hochspannungszundfunken entzündbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bildet die äußere Hülle des Pilotbrenners mit dem inneren Kuhlteil (18) des Hauptbrennerteiles den Hauptbrenneroxydationsmittelkanal

(17), der am Medienaustritt mit austauschbaren Wirbelkorpern (14) ausgerüstet ist, die auf der äußeren Hülle (13) des Pilotbrenners befestigt sind und mit deren Hilfe die Flammen ^¬ geometrie im Reaktionsraum anpassbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Kohlenstaub über ein oder mehrere, tangential endende Kohlenstaubzufuh- rungsrohre (15) in den Kombinationsbrenner eingeleitet wobei der Kohlenstaub in dem vorderen Brennerteil in einen den Koh- lenstaubzufuhrungsrohren gemeinsamen Kohlenstaubringraum (19) eintritt und hier unter Rotationsbewegung den Kohlenstaubringraum ausfüllt und als gleichmäßig verteilter Koh- lenstaubschleier den Ringraum verlasst und vor dem Brennermund mit dem Oxidationsmittelstrom intensiv gemischt wird.

Bezugszeichenliste

1 Zentralrohr für optischen Einblick in den Reaktionsraum mit außen liegender Flammenuberwachung, stickstoffge- spult.

2 Brenngaszufuhrung

3 Oxydationsmittelzufuhrung

4 Dusenbohrungen in der Oxydationsmittelzufuhrung

5 Kuhlteil Pilotbrenner

6 Elektrodenspitze

7 Isolator am Zentralrohr 1

8 Hochspannungszundkabel

9 Keramischer Isolator im Brenngaszufuhrungskanal

10 Einschraubteil mit Bohrungen

11 Zundbohrungen für Oxydationsmittelemdusung

12 Quarzglas

13 Tragerrohr für Wirbeleinrichtungen

14 Wirbelkorper im Hauptbrenneroxydationsmittelstrom

15 Kohlenstaubzufuhrung

16 äußeres Wasserkuhlteil

17 HauptbrennerOxydationsmittelzufuhrung

18 Inneres Wasserkuhlteil Hauptbrenner