Beschreibung

Kohlenstaubkombinationsbrenner mit Laser-Zündvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kohlenstaubkombinationsbrenner der zur Vergasung von Kohlestaub bei hohem Druck und Temperatur eingesetzt wird. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Staubbrenner (Hauptbrenner) , welcher konzentrisch um einen Pilotbrenner angeordnet ist. Beide Brenner werden mit Sauerstoff betrieben und Arbeiten im unterstöchiometri- schen Bereich.

Der Pilotbrenner hat zwei Hauptaufgaben zu erfüllen: Erstens liefert der Pilotbrenner die Zündenergie zur Zündung der Hauptbrennerflamme und zweitens wird mit seiner Hilfe ein permanentes Zündpotential für den Hauptbrenner aufrecht erhalten und eine Drucksteigerung durchgeführt. Die Zündung des Pilotbrenners selbst muss in einem abgeschlossenem Reaktionsraum ohne direkten Zugang von Außen bei einem leichten überdruck (ca. 3 bar) erfolgen. Diese Zündung erfolgt üblicher Weise mittels Zündfunken.

Die Erfindung betrifft einen Pilotbrenner für einen Flugstromvergaser zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Drü- cken zwischen Umgebungsdruck und hohen Drücken von 80 bar (8 MPa) sowie Temperaturen zwischen 800-1800 ⁰ C mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bekannt sind Kohlenstaubbrenner für die Partialoxydation staubförmiger Brennstoffe, die durch einen extern angeordneten Pilotbrenner gezündet werden.

In der Patentschrift DD 285 523 ist ein gattungsgemäßer Pilotbrenner zur partiellen Oxidation von gasförmigen 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 wasserdurchströmte Kanäle getrennt

bzw. umhüllt sind. In dem Brenngaskanal ist ein Zündkabel angeordnet, das mit einer Hochspannungszündvorrichtung außerhalb des Brenners verbunden ist und das an seinem nach dem Reaktionsraum zugewandten Ende in eine metallische Elektrode übergeht, die bis an die Brennerspitze geführt 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, ringförmige Düse und Diffusor hindurchgeht und am achsparallelen Krümmungsra- dius des Diffusors, d. h. im Wirbelbereich, der den übergang zum Sauerstoffkanal bildet, die Funkenstrecke zur metallischen Wand hat. Die Anordnung der metallischen Elektrode ist so gewählt, dass einerseits die Direktzündung des Brenngas/Sauerstoffes ermöglicht und andererseits die metallische Elektrode durch das nachströmende Brenngas gekühlt wird.

Die Einführung des Hochspannungszündkabels 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 Zünd-, Pilot- und Staubbrenner bestehenden Kombinationsbrenner werden beschrieben in :

- Sino German Gasification and CDM Form vom 5.-6. August

2004 in Beijing

"Lignite and Coal Gasification for Syngas and Ener- getic Gas Production" und

Chinesische Patentanmeldung Nr. CN 200520110716 vom 24. Juni 2005 vom Beijing Aerospace Power Institute

„Vortex burner with flammable powder as fuel"

Die übertragung des Flammensignals zur überwachungseinrichtung erfolgt mittels eines mehradrigen Lichtleitkabels. Der bekannte Pilotbrenner hat folgende Mängel.

die übertragung des Flammensignals aus dem Reaktionsraum zum Flammenwächter erfolgt mittels Lichtleitka-

bei, 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 dem optischen Einblick befindliche metallische Elektrode den freien Einblick in den Reaktionsraum.

Die metallische Elektrode muss aus Platzgründen als Draht ausgeführt werden, der bis zur Elektrodenspitze mehrfach gebogen ist. Durch dieses instabile Gebilde kann die zur Zündung notwendige Justierung an der Funkenüberschlagstelle nur schwer exakt eingestellt werden. Hierdurch entstehen Zündstörungen und die Funktionstüchtigkeit des Brenners ist nicht immer gewährleistet . - Die Ausführung der wassergekühlten Düse (Konfusor, Zylinder und Diffusor) ist sehr kompliziert und führt besonders im Diffusor zu thermischen Belastungen, die zur Rissbildung im Material und damit zum Ausfall des Brenners führen. - Durch die Anordnung der Elektrodenspitze innerhalb des Diffusors der Düse bildet sich notwendigerweise an dieser Stelle ein Wirbelgebiet aus, das Sauerstoffanteile mit dem Brennstoff mischt und damit ein zündfähiges Gemisch bildet, das gezündet werden kann. Kommt es bei der Zündung zu Medienschwankungen verschiebt sich das Wirbelgebiet und damit die Gemischstelle, was Fehlzündungen zur folge hat. Eine erhöhte Störanfälligkeit ist damit vorgegeben.

Der Kombinationsbrenner nach der chinesischen Patentanmeldung Nr. CN 2005 201 10716 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 Verän- derung der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie bei In- und Au- ßerbetriebnahmen auftritt, eine Rückzündung in den Brennerkanal auftritt, die zu seiner Zerstörung führt mit erheblichen Gefährdungen der Betriebssicherheit.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Pilotbrenners, der zu einem Kohlenstaubkombinationsbrenner integrierbar ist und bei dem auf eine nicht kabelgebundene Art und Weise die notwendige Zündenergie zuführbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß über wird einen optischen Einblick ein Laser- strahl ausreichend hoher Leistung durch den Brenner in den Reaktionsraum geleitet wobei eine Fokussierung des Laserstrahls vor dem Brennermund im Bereich der Mischung von Brenngas und Sauerstoff erfolgt. Durch die Fokussierung des Laserstrahls in diesem Bereich wird lokal die Energiedichte erhöht, so dass dadurch das Brenngas-Sauerstoff-Gemisch gezündet wird.

Durch die Ausbildung der Flamme in der zentralen Achse des Reaktors werden Vorteile gegenüber der bisherigen Lösung hin- sichtlich Ausbrand und Umsatz erreicht. Gleichzeitig erfolgt eine Entflechtung der Medienzuführung 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 Unteransprüchen angegeben.

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

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kohlenstaubkombinationsbrenners mit integriertem Pilotbrenner.

Der erfindungsgemäße Kohlenstaubkombinationsbrenner umfasst einen zentral angeordneten Pilotbrennerteil mit getrennter Brenngas- und Oxydationsmittelzuführung in separaten Kanälen,

einer Flammenüberwachungseinrichtung 6 und einer Laserquelle 8. Um diese Baugruppe ist ein Ringraum 13 zur Zuführung des Oxydationsmittels für den Kohlenstaub- Kombinationsbrenner angeordnet. An der ringförmigen Austrittsöffnung sind Drall- schaufeln 14 zur Verwirbelung des Oxydationsmittelstromes angeordnet. Die Außenkontur des Pilotbrenners im Zentrum und das Innenrohr des außen liegenden Hauptbrenners bilden den Hauptbrenneroxidationsmittelkanal (13) . Um diesen Kanal und dem Innenkühlteil 18 sind die Kohlenstaubzuführung 15 und die gekühlte Außenhülle 16 des Hauptbrenners angeordnet.

Der Pilotbrenner umfasst ein zentral angeordnetes, inertgas-, insbesondere Stickstoffgespültes, Rohr 1, das als optische Einblicksöffnung für die außerhalb des Brenners befindliche Flammenüberwachungseinrichtung 6 dient, einen um das Zentralrohr angeordneten Ringraum 2 zur Brenngaszuführung, einen weiteren Ringraum 3 zur Oxydationsmittelzuführung, der an der Stirnfläche geschlossen ist und in einzelne Düsenbohrungen 4 übergeht sowie den das Ganze umhüllenden wasserdurchströmten Ringraum 5 zur Zu- und Abführung des Kühlwassers.

Das zentral angeordnete Rohr 1 ist innerhalb des Brenngaskanals 2 bis an den Brennermund geführt und in Richtung Reaktionsraum mit Stickstoff gespült, um das Eindringen heißer Ga- ses 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 Flammenüberwachung erkennt durch das Quarzglas 12 die Brennerflamme und ist somit vor thermischer Belastung und Schmutzpartikeln geschützt.

Das Stickstoffgespülte Zentralrohr 1 dient als Kanal für einen Laserstrahl. Dieser wird außerhalb des Brenners erzeugt (8) und mittels Adapter (11), beispielsweise Prisma oder halbdurchlässigen Spiegel im Zentralrohr ausgerichtet. Der

Laserstrahl wird mittels einer geeigneten Optik derart fokus- siert, dass der Brennpunkt im Mischgebiet von Oxidationsmit-

tel und Brenngas des Pilotbrenners (17) liegt und dieses zündfähige Gemisch zündet.

Der um das Zentralrohr befindliche Ringraum 2 zur Zuführung des Brenngases ist am Austritt zur Düsenausbildung eingezogen (im Querschnitt reduziert) .

Die Zuführung 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 .

Der Oxydationsmittelzuführungsraum 3 wird durch ein Wasserkühlsystem 5 umhüllt, das die Inneneinbauten und die Düse des Pilotbrenners vor thermischer Belastung schützt. Um die Wasserkühlung 5 des Pilotbrenners ist ein weiteres Rohr 19 angeordnet, das als Träger für austauschbare Wirbelkörper 14 im Hauptbrenneroxydationsmittelkanal dient. Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung der Hülle um den Pilotbrenner kann bei Demontage des Pilotbrenners schnell und einfach der Wirbelkörper 14 in der Hauptbrenneroxydationsmittelzu- führung gewechselt werden und somit die Hauptbrennerflamme optimal an die Reaktionsraumkontur des Reaktors angepasst werden .

Durch die Ausführung der Oxydationsmittelzuführung mit Wirbelkörpern/Drallschaufeln wird der austretende Sauerstoff- ström stark in Rotation versetzt, in den die über die speziell gestalteten Zuführungselemente 15 austretenden Staubstrahlen eingesaugt werden.

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

In einer gestalterischen Variante des erfindungsgemäßen Kohlenstaubkombinationsbrenners können die Ringräume der Oxida-

tionsmittelzuführung (3) und der Brenngaszuführung (2) einander vertauscht angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, die Oxidationsmittelzuführung Hauptbrenner (13) mit dem Brennstaubkanal (18) in ihrer Position zu vertauschen. In diesem Fall sind die Kohlenstaubzuführungsrohre (15) im neuen Brennstaubkanal und die Wirbelkörper (14) und das Wirbelkörperträgerrohr (19) in der neuen Oxidationsmittelzuführung Hauptbrenner anzuordnen. Auch eine Kombination beider Varianten ist möglich.

Die Erfindung umfasst einen Kombinationsbrenner für die Vergasung staubförmiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Umgebungs- oder höheren Drücken, sowie Temperaturen zwischen 800-1800 ⁰ C, wobei der Kombinationsbrenner aus einem gasbeaufschlagten Pilotbrenner mit Zündeinrichtung und Flammenüberwachung, der im Zentrum des Kombinationsbrenners angeordnet ist und einem Brenner für staubförmigen Brennstoff, der symmetrisch um den Pilotbrenner angeordnet ist besteht, wobei alle Betriebskanäle voneinander durch wasserdurchströmte Kühlkanäle getrennt zum Brennermund geführt und die Medien erst am Brennermund gemischt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kombinationsbrenner ein äußeres Wasserkühlteil (16) und 2 bis 6 Koh- lenstaubzuführungsrohre (15), welche über den Umfang verteilt sind, dessen inneres Wasserkühlteil (7) die Begrenzung zur Aufnahme eines zentral angeordneten Pilotbrenners mit außen liegenden Wirbelkörpern (14) dient und gleichzeitig die Oxidationsmittelzuführung Hauptbrenner (13) bildet. Weiterhin dient der zentral angeordnete Pilotbrenner, bestehend aus einem Zentralrohr (1) als optischer Einblick in den Vergasungsraum mit außen liegender Flammüberwachung (6), einer Brenngaszuführung (2) mit Einschraubdüse (9), einer Oxidationsmittelzuführung (3) und wasserdurchströmten Kühlräumen (5) zur Inbetriebnahme der Kohlenstaubbrennereinheit, bestehend aus innerem Wasserkühlteil (7), Oxidationsmittelzuführung Hauptbrenner (13), Wirbelkörper (14), Kohlenstaubzuführungsrohren (15), äußeres Wasserkühlteil (16) und Brennstaubkanal (18) ..

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

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung geht der Kanal der

Oxydationsmittelzuführung (3) im Bereich des Medienaustritts mittels eines Einschraubteiles (10) mit Düsenbohrungen (4) über, die je nach gewünschter Flammenform in Austrittsrichtung und Austrittswinkel anpassbar sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bildet die äußere Hülle des Pilotbrenners mit dem inneren Kühlteil (7) des Hauptbrennerteiles den Hauptbrenneroxydationsmittelkanal (13) , der am Medienaustritt mit austauschbaren Wirbelkörpern (14) ausgerüstet ist, die auf dem Wirbelkörperträgerrohr (19) des Pilotbrenners befestigt sind und mit deren Hilfe die Flammengeometrie im Reaktionsraum anpassbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein in einer La- serquelle (8) generierter Laserstrahl mittels Adapter (11) durch das Zentralrohr (1) in den Reaktionsraum geführt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der durch das Zentralrohr (1) in den Reaktionsraum geführte Laserstrahl derart fokussiert, dass der Brennpunkt im Mischgebiet von O- xidationsmittel und Brenngas (17) liegt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiedichte im Brennpunkt des Laserstrahls so groß, dass die Brenngas- Oxidationsmittel-Mischung im Mischgebiet von Oxidationsmittel und Brenngas (17) zur Zündung gebracht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Oxidations- mittelzuführung Hauptbrenner (13) einschließlich Wirbelkörper (14) und Wirbelkörperträgerrohr (19) sowie der Brennstaubkanal (18) einschließlich der Kohlenstaubzuführungsrohre (15) vertauscht angeordnet

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Oxidations- mittelzuführung Pilotbrenner (3) und die Brenngaszuführung (2) vertauscht angeordnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl die Oxi- dationsmittelzuführung Hauptbrenner (13) einschließlich Wirbelkörper (14) und Wirbelkörperträgerrohr (19) sowie der Brennstaubkanal (18) einschließlich der Kohlenstaubzufüh- rungsrohre (15) als auch die Oxidationsmittelzuführung Pilotbrenner (3) und die Brenngaszuführung (2) vertauscht angeordnet .

Bezugs zeichenliste

1 Zentralrohr, Stickstoffgespült

2 Brenngaszuführung 3 Oxidationsmittelzuführung Pilotbrenner

4 Düsenbohrungen

5 Wasserdurchströmte Kühlräume

6 Flammenüberwachung

7 Inneres Wasserkühlteil 8 Laserquelle

9 Einschraubdüse

10 Einschraubteil mit Bohrungen

11 Adapter

12 Quarzglas 13 Oxidationsmittelzuführung Hauptbrenner

14 Wirbelkörper im Hauptbrenneroxidationsmittelstrom

15 Kohlenstaubzuführungsrohre, 2 bis 6 Stück über den Umfang verteilt

16 äußeres Wasserkühlteil 17 Mischgebiet von Oxidationsmittel und Brenngas

18 Brennstaubkanal

19 Wirbelkörperträgerrohr