KOWOLL, Johannes (Stiepeler Strasse 67g, Bochum, 44799, DE)
WERNEKE, Hubert (Nortkirchenstrasse 19, Dortmund, 44263, DE)
DZIOBEK, Frank (Walkmühlenstrasse 113, Mühlheim, 45370, DE)
KUSKE, Eberhard (Balhorngasse 3, Soest, 59494, DE)
KOWOLL, Johannes (Stiepeler Strasse 67g, Bochum, 44799, DE)
WERNEKE, Hubert (Nortkirchenstrasse 19, Dortmund, 44263, DE)
DZIOBEK, Frank (Walkmühlenstrasse 113, Mühlheim, 45370, DE)
| Patentansprüche : 1. Verfahren zum Zünden und zum Betrieb von Brennern bei der Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes unter Einsatz wenigstens zweier Vergasungsbrenner, dadurch gekennzeichnet, - dass einer der Vergasungsbrenner als Start-up-Brenner ausgebildet wird, - für dessen Zündung wenigstens ein Pilotbrenner dient, - der über eine elektrische Zündvorrichtung gezündet wird, - wobei durch den Pilotbrenner in dem Start-up-Brenner ein brennbares Gasgemisch aus einem Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas gezündet wird, - wobei nach Zündung des Start-up-Brenners von diesem wenigstens ein weiterer Vergasungsbrenner gezündet wird und - der Start-up-Brenner durch Mediumswechsel als einer der Vergasungsbrenner des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes weiterbetrieben wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrenner nach Zündung des Start-up-Brenners zur Verhinderung des Zusetzens mit einem Gasgemisch, das CO2 und/oder Dampf und/oder Sauerstoff enthält und an den Vergasungsreaktionen teilnimmt, beaufschlagt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrenner zunächst bei weniger als 50 % der Leistung des als Gasbrenner betriebenen Vergasungsbrenners und mit einer SauerstoffÜberschusszahl von 0,8 bis 1,2 gezündet wird. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der Zündung des sauerstoffhaltigen Gemisches im Vergaser der Pilotbrenner mit Brennstoffüber- schuss-Sauerstoffüberschusszahl < 0,8 beaufschlagt wird. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme des Pilotbrenners überwacht wird und bei Erkennung der Flamme das Zündelement des Pilotbrenners abgeschaltet wird. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Flamme des Pilotbrenners ein Ionisationsflammenwächter eingesetzt wird, wobei das Zündelement als Elektrode eingesetzt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Flammenwächter eingesetzt wird, wobei das optische Signal über eine Linse und einem Wellenleiter zu einem Detektor geleitet wird. 8. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Flamme des Pilotbrenners die Veränderung des elektrischen Widerstandes des Zündelementes eingesetzt wird. 9. Vorrichtung (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrenner (2) mit einem zentrischen Düsenkopf (3) ausgerüstet ist, der von einem Brennerrohr (7) umgeben ist, das den Düsenkopf (3) in Strömungsrichtung des Brenngases überragt, wobei innerhalb des Brennerrohrraumes (8) wenigstens eine elektrische Zündvorrichtung (9) und in Strömungsrichtung dahinter eine Querschnittsverringerung (11) des Brennerrohres vorgesehen ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennerrohr (7) wenigstens ein Flammenüberwachungselement (13) zugeordnet ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentraldüsenkopf (6) zur Einspeisung des Brenngases, wie an sich bekannt, von einem die Luft- oder Sauerstoffzufuhr (5) bewirkenden Ringraum umgeben ist. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrenner (2) im Zentrum eines Vergasungsbrenners (15) positioniert ist. |
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Zünden und zum Betrieb von Brennern bei der Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe unter Einsatz wenigstens zweier Vergasungsbrenner .
Eine derartige Verfahrensweise, bei der mehrere Staubbrenner von einem Pilotbrenner gezündet werden, zeigt die DE 10 2005 048 488 Al. Andere Verfahrensweisen zum Zünden setzen z.B. sogenannte Zündlanzen ein, wie dies die DE 32 27 155 Al zeigt, wobei die Durchführung derartiger beweglicher Zündhilfsmittel durch die Feuerraumwände einen zusätzlichen Aufwand mit sich bringt, was zur Verteuerung derartiger Einrichtungen führt. Andere Beispiele zeigen die EP 0 347 002 Bl, EP 0 511 479 Al, US 408 628, US 5 273 212, DD 231 962 A oder DD 241 457 A.
Zum Stand der Technik sei auch noch auf die DE 196 41 843 Al, DE 195 29 994 C2 , DE 100 24003 Al, DE 100 19 198 Al, DE 734 927 A, EP 0 095 103 Bl, WO 2008/055829 Al oder die AT 286 072 B verwiesen.
Ein Nachteil der bekannten Verfahrensweise besteht u.a. darin, dass die Pilot- bzw. Zündbrenner weiter im Betrieb gehalten werden und dabei einen permanenten Gas- und Sauerstoff- bzw. Luftdurchfluss bedingen, um ein Verstopfen mit Schlacke od. dgl . zu verhindern. Dabei ist insbesondere bei hohem Schlackefluss an der Vergaserwand das Freihalten entsprechender Austrittsöffnungen problematisch. Wie oben schon erwähnt, ist der Einsatz von beweglichen Zündlanzen aus anderen Gründen kostenaufwändig und problematisch. Zu- gangskanäle zum Vergasen müssen dabei vor Einführung des Zündbrenners kontrolliert und üblicherweise gereinigt werden, Dichtungen müssen ersetzt werden u. dgl . mehr, wobei diese Arbeiten im drucklosen Zustand durchgeführt werden müssen.
Sind diese Arbeiten auszuführen, muss der Vergaser und die nachgeschaltete Gasbehandlung, einschließlich H 2 S und COS- Entfernung, zuerst entspannt und inertisiert werden, wobei die mit Inertgas verdünnten Brenngase üblicherweise abgefackelt werden. Nach Zündung des Zündbrenners muss dann der Druck langsam angehoben werden, z.B. 0,5 bar/min, und das Inertgas durch das im Vergaser erzeugte Gas verdrängt werden, wobei wiederum das verdrängte und mit Brenngas vermischte Gas in der Fackel verbrannt werden muss. Dieser Vorgang ist nicht nur zeitaufwändig, sondern weist einen hohen Zündbrennstoffverbrauch auf mit entsprechend hohen Emissionswerten durch die Fackel.
Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe darin besteht, einen Start der Druckvergasung zu ermöglichen mit kurzen Startzeiten bei hohen Drücken ohne vorhergehende Inertisie- rung des Gasraumes bei Vermeidung eines kontinuierlichen Brenngasverbrauches im Pilot- bzw. Zündbrenner, wobei bei stationären Zündbrennern diese auch vor Verschmutzung geschützt sind.
Mit einer Verfahrensweise der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass einer der Vergasungsbrenner als Start-up-Brenner ausgebildet wird, für dessen Zündung wenigstens ein Pilotbrenner dient, der über eine elektrische Zündvorrichtung gezündet wird, wobei durch den Pilotbrenner in dem Start-up-Brenner ein brennbares Gasgemisch aus einem Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas gezündet wird, wobei nach Zündung des Start-up-Brenners von diesem wenigstens ein weiterer Vergasungsbrenner gezündet wird und der Start-up-Brenner durch Mediumswechsel als einer der Vergasungsbrenner des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes weiterbetrieben wird.
Durch die in Art einer Kaskade erfolgte Zündung werden eine Reihe von Vorteilen erreicht, die insbesondere ermöglichen, dass eine Zündung bei hohem Druck möglich ist und eine bewegbare oder verschiebbare Zündvorrichtung entfällt. Damit entfällt auch die Notwendigkeit, den Zugangskanal des verschiebbaren Zündbrenners vor jedem Start zu reinigen und die Abdichtung des entsprechenden Kanales zu erneuern. Diese erfindungsgemäße Verfahrensweise macht es insbesondere möglich, dass eine Mehrzahl von Vergasungsbrennern unter Einsatz eines Pilotbrenners beim Anfahren als Start-up- Brenner betrieben werden kann.
Eine schnelle Druckerhöhung vor der Zündung des Vergasungs- brenners ist ohne Inertisierung des Gasraumes möglich, Emissionen durch das Abfackeln während des Ab- bzw. Anfah- rens entfallen, um nur einige Vorteile zu nennen.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Dabei können einzelne Pilotbrenner gezündet werden, wodurch das durch die entsprechenden Vergasungsbrenner erzeugte brennbare Gemisch und die daraus gebildete Flamme anschließend dazu benutzt werden können, das Gas-/Sauerstoff-Gemisch aus weiteren Vergasungsbrennern zu zünden. Dabei werden Leistung und Stabilität der Zündflammen erhöht. Diese können dann weitere Kohlenbrenner zünden, wobei das Rege- lungs- und Überwachungskonzept der Startroutine stark vereinfacht wird. Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise besteht darin, dass der Pilotbrenner nach Zündung des Start-up-Brenners zur Verhinderung des Zusetzens zusätzlich mit einem Gasgemisch, das CO 2 und/oder Dampf und/ oder Sauerstoff, ggf. auch Inertgas, enthält und an den Vergasungsreaktionen teilnimmt, beaufschlagt wird, so dass der Pilotbrenner voll in das VergasungsSystem integriert ist.
Vorteilhaft ist auch, wenn der Pilotbrenner zunächst bei weniger als 50 % der Leistung des als Gasbrenner betriebenen Vergasungsbrenners und mit einer Sauerstoffüberschuss- zahl von 0,8 bis 1,2 gezündet wird, wobei auch vorgesehen sein kann, dass zur Beschleunigung der Zündung des sauerstoffhaltigen Gemisches im Vergaser der Pilotbrenner mit Brennstoffüberschuss-SauerstoffÜberschusszahl < 0,8 beaufschlagt wird.
Eine Hilfe beim Zünden des Vergasers besteht in der Überwachung der Zündflamme des Pilotbrenners, wobei die Flamme so überwacht wird, dass bei Erkennen der Flamme das Zündelement des Pilotbrenners abgeschaltet wird.
Wird die Flamme mit einem Ionisationsflammenwächter überwacht, so kann das Zündelement des Pilotbrenners als entsprechende Elektrode eingesetzt werden, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Erfindungsgemäß kann ein optischer Flammenwächter eingesetzt werden oder die Veränderung des elektrischen Widerstandes des Zündelementes zur Erkennung der Flamme herangezogen werden.
Die oben formulierte Aufgabe wird mit einer Vorrichtung dadurch gelöst, dass der Pilotbrenner mit einem zentrischen Düsenkopf ausgerüstet ist, der von einem Brennerrohr umgeben ist, das den Düsenkopf in Strömungsrichtung des Brenngases überragt, wobei innerhalb des Brennerröhrräumes wenigstens eine elektrische Zündvorrichtung und in Strömungs- richtung dahinter eine Querschnittsverringerung des Brennerrohres vorgesehen ist.
Mit dieser Gestaltung ist es möglich, z.B. ein elektrisch beheiztes keramisches Glühelement einzusetzen. Die Querschnittsverringerung im Brennerrohr sorgt für eine Drall- erzeugung im Düsenbereich, so dass heißes Gas in die Umgebung der Düsenmündung zurückgeführt wird und das kältere Gemisch aus frisch eingespeisten Gasen zündet und zusätzlich ein höheres Turbulenzniveau eingestellt werden kann, um eine einfache Zündung zu bewirken. Dadurch kann die Flamme durch die entsprechenden Einschnürungen stabilisiert werden .
Wie weiter oben schon erwähnt, ist es wichtig, die Flamme des Pilotbrenners zu überwachen, wobei erfindungsgemäß dem Brennerrohr wenigstens ein Flammenüberwachungselement zugeordnet ist, z.B. eine optische Flammenüberwachung mit Glasfaserleitung zu einem entsprechenden elektronischen Bauteil.
Wie weiter unten näher beschrieben, weist der erfindungsgemäße Brenner ringförmige Kanäle auf, wobei durch den ersten ringförmigen Kanal des Start-up-Brenners sauerstoffhaltiges Gas sowohl während des Zündvorganges als auch im Normalbetrieb eingespeist wird, derart, dass die Mündung des Pilotbrenners durch ein sauberes Gas umgeben ist. Wird der Pilotbrenner nach Zündung zur Verhinderung des Zuset- zens mit einem Gasgemisch beaufschlagt, hat dies den Vorteil, dass der Brennstoffüberschuss mit dem Sauerstoff aus dem ersten Ringkanal reagieren kann. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Pilotbrenner nach der Erfindung in vereinfachter Darstellung,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den Pilotbrenner gemäß Pfeil II in Fig. 1 sowie in
Fig. 3 einen Vergasungsbrenner mit zentrisch integriertem Pilotbrenner.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum Zünden und zum Betrieb von Brennern bei der Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wird im Wesentlichen von einem Pilotbrenner, in Fig. 1 schematisch und vereinfacht dargestellt und mit 2 bezeichnet, gebildet, der eine Brenngasdüse 3 aufweist, der bei 4 das entsprechende Brenngas zugeführt wird, wobei die Brenngasdüse 3 mit einer Luftzuführung 5 ausgerüstet ist, die konzentrisch die Brenngasdüse 3 umgibt. In Strömungsrichtung einer in den Figuren nicht eingezeichneten Zündflamme ist der mit 6 bezeichnete Düsenkopf von einem Brennerrohr 7 umgeben.
Wie aus Fig. 1 erkennbar, ragt in den vom Brennerrohr 7 gebildeten Rohrraum 8 ein elektrisches Zündelement, z.B. ein Glühelement 9, das zur Zündung des Brenngasluftgemisches über eine elektrische Leitung 10 mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden ist. Zur Erzeugung stabiler Flammen und eines optimalen Brennverhaltens ragt in den vom Brennerrohr 7 gebildeten Raum in Ausrichtung der gebildeten Flamme eine Einschnürung, allgemein mit 11 bezeichnet, um so eine Verwirbelung bzw. Zirkulation des Gases zu bewirken, was gestrichelt mit einem Oval -Kreis 12 in Fig. 1 angedeutet ist.
Der Pilotbrenner 2 befindet sich bevorzugt im Zentralkanal des Vergasungsbrenners und wird so vor Schmutz durch das durch den inneren Ringkanal ausströmende Gas geschützt. Zusätzlich kann der zentrale Pilotbrennerkanal durch ein Gas gespült werden.
Zusätzlich ist, wie sich dies aus Fig. 2 ergibt, am Brennerkopf 6 noch ein optisches Flammenüberwachungselement 13 vorgesehen, das von einem Schutzrohr 14 umgeben ist. Die sprunghafte Einschnürung 11 ist dabei in Fig. 2 nicht gesondert wiedergegeben, um die Elemente 9 und 13 darstellen zu können.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Pilotbrenner 2 einen integralen Bestandteil eines allgemein mit 15 bezeichneten Vergasungsbrenners darstellen kann, wobei die einzelnen Ring- und Zuführräume des Vergaserbrenners hier vereinfacht wiedergegeben sind. Dieser Vergasungsbrenner 15 kann, wie oben beschrieben, als Start-up-Brenner betrieben werden.
In Fig. 3 ist mit 16 der Ringraum bzw. Ringkanal für Primärsauerstoff bezeichnet, mit 17 der Ringkanal für den Brennstoff, z.B. Gas oder eine Staubsuspension, mit 18 der Ringkanal für den Sekundärsauerstoff und mit 19 der Ringkanal für inertes oder sauerstoffarmes Gas, z.B. N 2 , CO 2 , Dampf oder Dampf+O 2 . Schließlich ist in Fig. 3 noch mit 20 das Außenrohr des Vergasungsbrenners bezeichnet, mit 21 die Mündung des Vergasungsbrenners und mit 22 die Mündung des Pilotbrenners . Beispiel für einen vorteilhaften Medienwechsel im Pilot- brenner und den benachbarten Kanälen des Vergasungsbrenners .
Es besteht auch die Möglichkeit, die Ringkanäle 16 bis 19 mit Inertgas zur Spülung des jeweiligen Kanales zu durchströmen. So kann beispielsweise durch den Kanal 6 Inertgas strömen und so eine Verschmutzung im Bereich der Mündung des Pilotbrenners 22 verhindern.
Die Größe des Rückströmgebietes 12 Oval-Kreis kann durch L/D-Verhältnis beeinflusst werden.
Ein Überwachungselement 13 zur Flammenüberwachung kann ein Linsensystem sein, welches mit Spülluft gegen Verschmutzung oder auch zur Kühlung beaufschlagt werden. Dieses kann durch Schutzrohr (Fig. 2, 14 Schutzrohr) umgeben sein. Ein Überwachungselement kann auch durch ein geeignetes Licht- leitersystem realisiert werden. Das Überwachungselement kann parallel zum Düsenkanal der BrenngasZuführung integriert sein.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht in der Art und Weise, dass dieses Überwachungselement zentral innerhalb des Brenngaszuführungskanales integriert ist, so dass eine Flammenüberwachung durch den Düsenkanal hindurch erfolgt.
Das Überwachungselement kann zum einen die Flamme des Pilotbrenners erkennen und im Falle einer Abschaltung des Pilotbrenners durch eine Verwendung des Signales auch zur Erkennung einer Flamme des als Gasbrenner betriebenen Kohlebrenners genutzt werden.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei die folgende :
Dem Pilotbrenner 2 bzw. der Zentraldüse 3 wird Brenngas zugeführt und die zur Verbrennung notwendige Luft. Dieses Gasgemisch strömt in den mit 8 bezeichneten Innenraum des Brennerrohres 7, in den das mit 9 bezeichnete elektrische Zündelement, z.B. ein Glühelement, hineinragt, wobei die Position eines solchen Glühelementes so getroffen ist, dass eine optimale Zündung des Brennstoff- /Luftgemisches gewährleistet ist. Dies kann z.B. eine schwach durchströmte Stelle sein, an der eine Rückströmung des Brenngas-/Sauerstoff- gemisches vor der Zündung oder des heißen Abgases nach der Zündung erfolgt .
Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, dass mehrere Glühelemente 9 vorgesehen sein können, die, wie oben schon erwähnt, auch zur Ionisationsstrommessung herangezogen werden können . Das Brennerrohr 7 kann mit einer sprunghaften Einschnürung 11 die Flamme innerhalb des Rohres stabilisieren, wobei durch die Einschnürung ein Teil der heißen Abgase umgelenkt und die Zirkulation 12 verstärkt wird. Dadurch wird beispielsweise das frische kalte Gemisch der zugeführten Gase mit den zirkulierenden heißen Abgasen über die Zündtemperatur zuverlässig erwärmt. Die Flamme dringt aus dem Brennerrohr 7 in den Vergasungsraum und zündet dann dort ein brennbares Gasgemisch aus Brenngas und Oxidationsmittel, die aus den Ringkanälen 16 bis 19 des Vergasungsbrenners während der Zündphase ausströmen. Nachdem die Vergasungs- brenner gezündet sind, können sowohl über die Brenngaszufuhrleitung des Pilotbrenners 4 als auch über die Luftzufuhrleitung 5 Vergasungsmittel, wie CO 2 , Dampf oder Gemische mit Sauerstoff, dem Verbrennungsraum zugeführt werden, wodurch sichergestellt wird, dass sich keine Staubablagerungen oder Anbackungen im Pilotbrenner ausbilden.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können alternative Eindüsungen der entsprechenden Medien im Pilotbrenner gewechselt und den jeweiligen Einsatzfällen angepasst werden, der Pilotbrenner kann mit Brenngasüber- schuss gefahren werden, die Verbrennungsmittel im Pilotbrenner können von Luft gebildet werden oder Sauerstoff mit Stickstoff oder CO 2 oder mit Dampf, um z.B. Russbildung bei unterstöchiometrischer Verbrennung zu vermeiden, es kann sich aber auch um mit Sauerstoff angereicherte Luft handeln, die Sauerstoffzufuhr kann mit und ohne Drall zugeführt werden u . dgl .
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