Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff unter Zuführung von Luft mit einem Brenner

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in Form von Kohlenstaub, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff unter Zuführung von Luft mit einem Kohlenstaubbrenner, bei dem dieser mit einer unterstöchiometrischen Menge von Luftdurch einen Strahlbrenner in einen Feuerraum eingeblasen wird, dort in einer ersten Reaktionszone größtenteils als unverbrannte Komponente vorliegt und in einer in Austrittsrichtung des Brennstoffs gesehen nachfolgenden zweiten Reaktionszone verbrannt word, wobei zusätzliche Luft um den aus dem Brenner austretenden Brennstoff-Luft-Strom in den Feuerraum eingeführt wird, ist zur Verringerung der NOx^- Emission vorgesehen, daß die erste Reaktionszone frei von Rauchgasrückführung gehalten wird und die Zone des Kohlenstaubes gegen Ende der ersten Reaktionszone durch Beaufschlagung des von dem Brenner erzeugten Strahls mit mindestens einem im wesentlichen quer zum Strahl gerichteten Impulsfeld vorgegebener Feldbreite erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des vorstehenden Anspruchs 1 genannten Art.

[0002] Aus der DE-OS 3110186 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem Kohlenstaub unter Zuführung von Verbrennungsluft mit einer vorgegebenen Menge an Abgas vermischt wird und in einer Reaktionszone, die in der ersten Verbrennungsstufe gebildet wird, Luft in einer vorgegebenen Menge der zur Verbrennung notwendigen Luft zugeführt wird.

[0003] Durch die Zumischung von Abgas wird erreicht, daß der Kohlenstaub langsam bei niedriger Temperatur mit geringem Anteil an 0₂ verbrennt und die bei der Verbrennung entstehenden unverbrannten Komponenten NH₃, HCN und CO und Kohlenwasserstoffe, die Zwischenprodukte aktivieren, die zur Denitrations-Reaktion geeignet sind, in großen Mengen gebildet werden, über einen längeren Zeitraum unverbrannt vorhanden sind und an dem Abbau des gebildeten NO wirksam beteiligt sind. Dabei wird Kohle, die in großer Menge als unverbrannte Komponente in der ersten Reaktionszone niedriger Temperatur vorliegt, in der zweiten Reaktionszone verbrannt.

[0004] Bei dem bekannten Verfahren kommt es noch zur einer erheblichen Bildung von Stickoxiden in der ersten Reaktionszone, da der Kohlenstaub bereits in der ersten Zone gezündet sein muß, d.h., die erste Reaktionszone ist eine Flammenzone.

[0005] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einem Strahlbrenner anzugeben, bei dem zumindest während des Leistungsbetriebs des Brenners Vorverbrennung und Endverbrennung des Brennstoffs im wesentlichen zeitlich und räumlich voneinander getrennt erfolgen.

[0006] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

[0007] Vorzugsweise herrscht in an sich bekannter Weise (DE-OS 31 10 186) bei der Verbrennung von Kohlenstaub in der ersten Reaktionszone eine die Pyrolyse des Kohlenstaubs ermöglichende Temperatur.

[0008] Die Einleitung einer Zündung durch ein Impulsfeld kann mit Vorteil auch bei der Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe eingesetzt werden.

[0009] Bei Kohlenstaub als Brennstoff kann die eine Pyrolyse ermöglichende Temperatur bis zu 800° C betragen und liegt vorzugsweise bei 600- 700° C. Ohne Rauchgasrückführung, insbesondere ohne innere Rauchgasrückführung, d.h., beim im wesentlichen laminarer Trägerluft-Strömung und Sekundärluft-Strömung in der ersten Reaktionszone, erfolgt bei Leistungsbetrieb des Strahlbrenners in der ersten Reaktionszone eine reine Pyrolyse des aus dem Brennermund austretenden Kohlenstaubs durch die aus dem Feuerraum einfallende Strahlung (IR-Strahlung). Es wird dabei davon ausgegangen, daß die für eine Zündung erforderliche Konzentration an OH-Radikalen in der ersten Reaktionszone zu gering ist. Der Sauerstoffgehalt in der ersten Reaktionszone liegt vorzugsweise im Bereich von 3 - 6_%, vorzugsweise 5%.

[0010] Um am Ende der ersten Reaktionszone, d.h. im Falle von Kohlenstaub nach Beendigung der Pyrolyse, die Endverbrennung des Brennstoffs zu erzielen, wird die Flamme am Ende der ersten Reaktionszone mit einem im wesentlichen quer zur Flamme gerichteten Impulsfeld vorgegebener Breite bestrahlt.

[0011] Es wird dabei davon ausgegangen, daß durch das Impulsfeld aus dem Feuerraum von der Verbrennung in der zweiten Reaktionszone (eigentliche Flammenzone) herrührende OH-Radikale im Zündbereich zumindest in den äußeren Mantel der Reaktionszone eingetragen werden und dort zu einer Zündung des Kohlenstaubs führen, d.h., das Rauchgas wird durch das Impulsfeld in die Reaktionszone eingemischt. Die Verbrennung in der zweiten Zone erfolgt vorzugsweise unter Luftüberschuß. Durch die zeitliche und räumliche Trennung von Vorverbrennung bzw. Pyrolyse und Verbrennung mit Luftüberschuß wird erreicht, daß Brennstoff-Stickstoff in erster Linie zu molekularem H₂ umgewandelt wird bzw. die Bildung von "promptem NO auf dem Umweg über CN- und NH-Verbindungen weitgehend vermieden wird.

[0012] Da sich unter Umständen bei Laständerung die Flammenlänge verändert, ist es von Vorteil, wenn das Impulsfeld längs der Flammenachse verschiebbar ist. Der vorstehende Anspruch 1 fordert, daß das Impulsfeld im wesentlichen quer zur Flamme gerichtet sei. Somit fällt unter die Erfindung sowohl die Verschiebung eines senkrecht zur Flammenachse sich erstreckenden Impulsfeldes längs der Flammenachse als auch eine Verschwenkung des Impulsfeldes bezüglich der Flammenachse, soweit eine wesentliche Feldkomponente senkrecht zur Flammenachse ausgerichtet ist. Es kann jedoch auch möglich sein, daß in Richtung der Flammenachse gesehen die Breite des Impulsfeldes ausreicht, eine sichere Zündung bei verschiedenen Lastverhältnissen zu gewährleisten.

[0013] Als Impulsfeld wird vorzugsweise ein Ultraschallfeld verwendet. Es ist aber auch möglich, das Impulsfeld von einem Gasstrahl höherer Geschwindigkeit aufzubauen, z.B. einem Luftstrahl, Rauchgasstrahl oder einer weiteren im wesentlichen senkrecht zur Flamme brennenden anderen Flamme gebildet werden.

[0014] Die Erfindung ist auch auf eine Feuerung zur Durchführung des Verfahrens mit mindestens einem Strahlbrenner und einem Feuerraum gerichtet. Erfindungsgemäß ist dabei zum einen vorgesehen, daß dem Strahlbrenner mindestens ein Ultraschallgeber zugeordnet ist, dessen Ultraschallfeld im wesentlichen senkrecht zur Flammenachse des Brenners steht, und zum anderen, daß dem Strahlbrenner mindestens eine Gasstrahlquelle zugeordnet ist, dessen Gasstrahl im wesentlichen senkrecht zur Flamme des Brenners steht.

[0015] Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Skizze im Zusammenhang mit der Verbrennung von Kohlenstaub und einem Ultraschallfeld näher erläutert werden.

[0016] Ein Kohlenstaubstrahlbrenner 1 ist in der Wandung eines Feueraums 2 angeordnet und wird wie bei 3 gezeigt, mit einem Strom aus Kohlenstaub und Trägerluft beaufschlagt. In dem von der Wandung 2 begrenzten Feuerraum 3 bildet sich eine Flamme F mit zwei in Strahlrichtung hintereinander liegenden Zonen Zl und Z2 aus. Dem Feuerraum wird Sekundärluft 4 im wesentlichen parallel zum Kohlestaubstrom und mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit zugeführt. Weiterhin wird in den Feuerraum Tertiärluft 5 eingeleitet, die auf die zweite Zone Z2 ausgerichtet ist. In der ersten Zone Zl herrscht eine Temperatur von 600 - 700° C derart, daß in der Flammenzone Z1 unter dem Einfluß der schematisch dargestellten Strahlung IR des Feuerraums eine Pyrolyse erfolgt.

[0017] Bei der gezeigten Ausführungsform ist in der Feuerraumwandung ein Ultraschallgeber 6 derart angeordnet, daß sein Ultraschallfeld im wesentlichen senkrecht zur Achse der Flamme ausgerichtet ist. Das Ultraschallfeld bewirkt eine Zündung des Kohlenstaubs am Ende der ersten Zone Zl und der Kohlenstaub verbrennt in der Zone Z2 bei Luftüberschuß, der durch die zugeführte Sekundärluftmenge 4 und ggf. Tertiärluftmenge 5 eingestellt wird.

[0018] Falls die Feuerung auch unter unterschiedlichen Lastverhältnissen betrieben wird, ist vorgesehen, daß der Ultraschallgeber 6 entweder in Richtung des bei 7 dargestellten Pfeiles verschoben oder bei 8 dargestellten Pfeiles verschwenkt wird. Einem Brenner 1 kann eine Vielzahl von Ultraschallgebern zugeordnet sein. Durch die räumliche und zeitliche Trennung von Pyrolyse und Verbrennung, wobei die Verbrennung durch das Ultraschallfeld ausgelöst wird, wird eine minimale NO-Bildung erzielt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in Form von Kohlenstaub, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, bei dem dieser mit einer unterstöchiometrischen Menge von Luft durch einen Strahlbrenner in einen Feuerraum eingeblasen wird, dort in einer ersten Reaktionszone größtenteils als unverbrannte Komponente vorliegt und in einer in Austrittsrichtung des Brennstoffs gesehen nachfolgenden zweiten Reaktionszone verbrannt wird, wobei zusätzliche Luft um den aus dem Brenner austretenden Brennstoff-Luft-Strom in den Feuerraum eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Reaktionszone frei von Rauchgasrückführung gehalten wird und die Zone des Kohlenstaubes gegen Ende der ersten Reaktionszone durch Beaufschlagung des von dem Brenner erzeugten Strahls mit mindestens einem im wesentlichen quer zum Strahl gerichteten Impulsfeld vorgegebener Feldbreite erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Verbrennung von Kohlenstaub in an sich bekannter Weise in der ersten Reaktionszone eine die Pyrolyse des Kohlenstaubs ermöglichende Temperatur herrscht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Impulsfeld ein Ultraschallfeld ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Impulsfeld von einem Gasstrahl höherer Geschwindigkeit aufgebaut wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoffgehalt in der ersten Reaktionszone im Bereich von 3 - 6%, vorzugsweise von 5% liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennung in der zweiten Reaktionszone mit Luftüberschuß erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Impulsfeld längs der Flammenachse verschiebbar ist.

8. Feuerung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 3, 5 - 7 mit mindestens einem Strahlbrenner und einen Feuerraum, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Strahlbrenner (1) mindestens ein Ultraschallgeber (6) zugeordnet ist, dessen Ultraschallfeld im wesentlichen senkrecht zur Flammenachse des Brenners steht.

9. Feuerung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 - 7 mit mindestens einem Strahlbrenner mit einem Feuerraum, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Strahlbrenner mindestens eine Gasstrahlquelle zugeordnet ist, dessen Gasstrahl im wesentlichen senkrecht zur Flamme des Brenners steht.

Zeichnung