Feststoffgefeuerter Brenner

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen feststoffgefeuerten Brenner (10) mit einer Brennstoffzuführung (12), einer Brennermuffel (20) sowie mindestens einer Verbrennungsluftzuführung (30). Es ist vorgesehen, dass die Brennermuffel in eine Hauptlastmuffel (22) und eine Teillastmuffel (21) unterteilt ist, wobei die Hauptlastmuffel und die Teillastmuffel eine rotationssymmetrische Grundform aufweisen und die Rotationsachsen (25) zusammenfallen. Die Hauptlastmuffel schließt sich unmittelbar an die Teillastmuffel an.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines feststoffgefeuerten Brenners (10), bei dem die Verbrennungsluftzuführung (30) derart geregelt ist, dass die Flamme bis ca. 30% der Maximalleistung des feststoffgefeuerten Brenners (10) sich im Wesentlichen in der Teillastmuffel (21) befindet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen feststoffgefeuerten Brenner mit einer Brennstoffzuführung mittels Förderluft, mit einer Brennermuffel und mit mindestens einer Verbrennungsluftzuführung.

[0002] Derartige feststoffgefeuerte Brenner werden beispielsweise in einem Heißgaserzeuger in verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt. Beispiele hierfür sind Mahltrocknungsanlagen zur Mahlung von Kohle, Zementklinker, Hüttensand, Rohmehl oder anderen feuchten, insbesondere mineralischen, zu zerkleinernden Stoffen. Auch in der Gips-, Zucker- und Kaliindustrie werden mit Braunkohlen- oder Steinkohlenstaub befeuerte Heißgaserzeuger verwendet. Gattungsgemäße Brenner können aber auch in anderen Feuerungssystemen wie beispielsweise für Abhitzekessel zur Dampferzeugung eingesetzt werden.

[0003] Es sind verschiedenste Brennertechnologien für Öle, Gase und feste Brennstoffe bekannt. Es besteht aufgrund erhöhter Brennstoffkosten und ressourcenbedingt der Wunsch, Edelenergieträger wie Erdgas und Öl durch feste Brennstoffe zu substituieren. Durch die Entwicklung von verbesserten Feststoffbrenner-Systemen Im Sinne der Erfindung können als feste Brennstoffe beispielsweise Stein- oder Braunkohlestaub, Biomassestaub oder Mischungen derselben angesehen werden.

[0004] Ein gattungsgemäßer Brenner ist beispielsweise aus der DE 197 06 077 A1 bekannt. Bei diesem Brenner wird Feststoff, welcher zerkleinert ist und als Brennstaub bezeichnet wird, pneumatisch in eine Verbrennungskammer befördert und unter Zuführung von Verbrennungsluft verbrannt. Ausgangsseitig sind am Brenner eine Brennermuffel, eine Zuführung für das anzuheizende Gas und ein Mischteil vorgesehen, welches anschließend an die Brennermuffel angeordnet ist.

[0005] Ein anderer Brenner ist aus der DE 102 32 373 A1 bekannt, welcher eine Weiterentwicklung des Brenners der DE 197 25 613 A1 zur Befeuerung mit Feststoffen darstellt. Dieser Brennertyp wird vom Hersteller auch als Impulsbrenner bezeichnet.

[0006] Bei diesen Brennern wird Kohlenstaub mit einem gasförmigen Trägermedium, welches vorzugsweise Luft sein kann, transportiert und mittels einer Einblaslanze in einen Reaktionsraum eingeblasen. Die Einblaslanze führt vom Brennerkopf bis zum Punkt des größten Durchmessers des konischen Reaktionsraumes und weist am austrittsseitigen Ende eine Umlenkhaube auf.

[0007] Die Verbrennungsluft wird über ein radiales Schaufelgitter am kopfseitigen Ende des Reaktionsraumes zugeführt. Das Schaufelgitter und ein Teil des Reaktionsraumes sind von einem Luftsammelgehäuse umgeben, in dem die Verbrennungsluft beruhigt werden soll und aus welchem die Verbrennungsluft über das Schaufelgitter in den Reaktionsraum gelangen soll. Der Brenner erzeugt aufgrund seines Strömungsbildes einen großen Bereich turbulenter Schwankungsbewegungen. Hierdurch wird der Brennerstaub nach seinem Austritt aus der Umlenkhaube bis zur Luftleitschaufel, welche im Bereich des Brennerkopfes vorgesehen ist, zurücktransportiert und von einer wirbelnden, schraubenförmigen Flamme auf ca. 1.000°C aufgeheizt und gezündet. Der Flammenstrahl selbst hat einen sehr starken Impuls und erzeugt eine sehr schnelle Rezirkulation des Gases. Bei der Weiterentwicklung wurde das Hauptaugenmerk auf die Erhöhung der Flammenstabilität und die Flammenstrahlgeschwindigkeit gelegt.

[0008] Derartige und andere auf dem Markt verfügbare feststoffgefeuerte Brenner weisen allerdings lediglich einen Regelbereich von 1:4 auf. Wie im folgenden Beispiel gezeigt, ist dieser Regelbereich jedoch für viele Anwendungsbereiche eines Brenners nicht ausreichend. Daher wird zurzeit immer noch auf Brenner mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen zurückgegriffen, welche jedoch durch die Verbrennung von Edelenergieträgern im Betrieb teurer sind. Ein Ansatz, dies zu beheben, ist die Verwendung von sogenannten Dualbrennern, die je nach geforderter Leistung entweder feststoffgefeuert betrieben werden oder in Bereichen, in denen ein Betrieb mit Feststoffbrennstoffen nicht möglich ist, mit Gas oder Öl befeuert werden. Bei Dualbrennern werden manche Betriebszustände auch durch ein gleichzeitiges Verbrennen von Festbrennstoffen mit Gas oder Öl gemeinsam erreicht.

[0009] Ein Anwendungsbereich von Brennern sind Heißgaserzeuger. Heißgaserzeuger werden beispielsweise in Mahltrocknungsanlagen bei der Vermahlung von Kohle eingesetzt, um heißes Prozessgas zu erzeugen. Die gemahlene Kohle kann beispielsweise in der Kohlevergasung oder der Roheisen- oder Stahlherstellung im PCI-Verfahren (Pulverized Coal Injection) eingesetzt werden.

[0010] In Kohlemahlanlagen mit einer Luftstrommühle, beispielsweise einer Pendelrollenmühle, einer Walzenringmühle oder einer Vertikalwälzmühle des Loesche-Typs, wird feuchte Rohkohle unter Zuführung von Heißgasen der angesprochenen Mahltrocknung unterzogen und zu Kohlenstaub vermahlen. In einem nachgeschalteten Trennaggregat, etwa einem Filter, wird der gemahlene Kohlenstaub aus dem KohlenstaubGas-Gemisch getrennt. Weitere Einsatzgebiete von Heißgaserzeugern, findet man in Trocknungsanlagen für eine Vielzahl von organischen und mineralischen Stoffen.

[0011] Die notwendigen Regelbereiche des Brenners beziehungsweise des Heißgaserzeugers werden von den Parametern der nachfolgenden wärmeverbrauchenden Anlagen bestimmt. Dieser Verbrauch richtet sich insbesondere nach der zum Teil stark schwankenden Feuchtigkeit des zu mahlenden und trocknenden Materials, des notwendigen Durchsatzes der wärmeverbrauchenden Apparatur, in diesem Fall des Mahlaggregates, und der Umgebungstemperatur.

[0012] Im Folgenden wird ein erforderlicher Regelbereich anhand eines Beispiels für eine Mahltrocknung von Steinkohle mit einer Vertikalwälzmühle des Loesche-Typs näher erläutert.

[0013] Der mögliche minimale und maximale Durchsatz einer derartigen Wälzmühle liegt zwischen 40% und 100%. Dies bedeutet, dass die Mühle ein Regelverhältnis von 1:2,5 aufweist.

[0014] Wenn ein minimaler Durchsatz mit einer sehr geringen Feuchte des zu mahlenden Materials und einer relativ hohen Außentemperatur zusammenfällt, wird nur eine relativ geringe Wärmeenergie zur Trocknung benötigt. Ein maximaler Wärmeenergieverbrauch ergibt sich bei maximalem Durchsatz der Wälzmühle, bei maximal zulässiger Feuchte des zu vermahlenden und zu trocknenden Materials sowie einer relativ niedrigen Außentemperatur.

[0015] So werden bei der Vermahlung von Steinkohle beim minimalen Durchsatz von 32 t/h mit einer Feuchtigkeit von 5% und eine Außentemperatur von 35°C ungefähr 1,695 MW zur Trocknung benötigt. Im Maximalfall wird bei einem angenommenen Maximaldurchsatz von 80 t/h, einer Feuchtigkeit von 15% sowie einer Außentemperatur von nur 5°C eine Wärmemenge von 13,8 MW benötigt.

[0016] Hierdurch ergibt sich ein notwendiges Regelverhältnis von 13,8:1,695, um die beiden extremen Betriebspunkte und alle dazwischenliegenden Betriebspunkte zu erreichen, welches ungefähr einem Verhältnis von 1:8,14 entspricht. Ein derartig hohes Regelverhältnis kann mit den bekannten feststoffgefeuerten Brennern nicht erreicht werden. Diese weisen meist, wie bereits beschrieben, ein maximales Regelverhältnis von 1:4 auf. Daher werden bei Heißgaserzeugern überwiegend Gas- oder Ölbrenner eingesetzt. Diese werden beispielsweise bei Kohlevergasungsanlagen mit Synthesegas und bei PCI-Anlagen für den Hochofenprozess mit Gichtgas befeuert.

[0017] Um die bekannten öl- beziehungsweise gasgefeuerten Brenner mit feststoffgefeuerten Brennern zu ersetzen, müssen die feststoffgefeuerten Brenner ein Regelverhältnis von 1:8 bis 1:10 erreichen.

[0018] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen feststoffgefeuerten Brenner sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, welcher ein hohes Regelverhältnis von 1:8 oder höher erreicht.

[0019] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen feststoffgefeuerten Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb eines feststoffgefeuerten Brenners mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

[0020] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie in den Figuren angegeben.

[0021] Gemäß der Erfindung ist der gattungsgemäße feststoffgefeuerte Brenner dadurch weitergebildet, dass die Brennermuffel in eine Hauptlastmuffel und eine Teillastmuffel unterteilt ist, wobei die Teillastmuffel 5% bis 10% des Volumens der Hauptlastmuffel aufweist. Die Teillastmuffel selbst ist im Wesentlichen konisch mit einer rotationssymmetrischen Grundform, welche eine Rotationsachse aufweist, ausgebildet. Die Hauptlastmuffel wiederum weist ebenfalls eine rotationssymmetrische Grundform mit einer Rotationsachse auf. Die Rotationsachse der Hauptlastmuffel und die Rotationsachse der Teillastmuffel liegen in Verlängerung zueinander. Anders ausgedrückt, kann es sich hierbei auch um eine einzige Rotationsachse handeln. Ferner ist die Hauptlastmuffel unmittelbar anschließend an die Teillastmuffel vorgesehen.

[0022] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass gattungsgemäße Brenner üblicherweise nur für einen Arbeitspunkt, meist bei 100% Brennerleistung, ausgelegt werden. Wird nun ein so dimensionierter Brenner mit einer geringeren Last gefahren, so wird sowohl die zugeführte Verbrennungsluftmenge als auch die zugeführte Brennstoffmenge verringert. Hierbei wurde erkannt, dass ab ca. 30% bis 40% der maximalen Last bei einem Brenner, welcher für die Maximallast optimiert ist, die Geschwindigkeiten am Brennerkopf so gering sind, dass eine ordnungsgemäße selbsterhaltende Verbrennung nicht mehr aufrechterhalten werden kann und der Brenner ausfällt, da die Flamme in sich zusammenfällt. Dies ist zum einen dadurch begründet, dass die Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsluft und des Brennstoffs sehr gering werden, so dass keine ausreichende Vermischung der Verbrennungsluft mit dem pulverisierten Brennstoff vorhanden ist und zum anderen dadurch, dass die stützende Wirkung der Brennermuffel entfällt, da sich die Flamme zu weit von dieser entfernt hat. Zusätzlich spielt hierbei eine unzureichende Abstimmung des Verbrennungsluft-Brennstoffverhältnisses mit hinein.

[0023] Daher ist es ein Grundgedanke der Erfindung, den Brenner für Teillast und Volllast in Art eines zweistufigen Systems zu dimensionieren, zu planen und auszuführen. Erfindungsgemäß ist die Brennermuffel in eine Hauptlastmuffel und eine Teillastmuffel unterteilt. Die Teillastmuffel weist ein deutlich kleineres Volumen als die Hauptlastmuffel auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass, sofern der Brenner mit beispielsweise nur 20% seiner maximalen Leistung betrieben wird, sich die Flamme in die Teillastmuffel zurückziehen kann und da diese ein geringeres Volumen hat, dennoch von der Muffelwandung gestützt werden kann. Durch das kleinere Volumen sind auch die Ausströmgeschwindigkeiten der Verbrennungsluft als auch des Brennstoffes ausreichend, so dass die Flamme nicht verlischt. Wird jedoch der Brenner in Volllastbetrieb oder nahe diesem gefahren, so kann sich die Flamme des Brenners von der Teillastmuffel auf die Hauptlastmuffel ausdehnen und den gesamten Platz in der Brennermuffel, welcher auch als Reaktionsraum bezeichnet wird, einnehmen. In diesem Fall wird der Teil der Flamme, welcher sich außerhalb der Teillastmuffel befindet, durch die Hauptlastmuffel gestützt.

[0024] In diesem Zusammenhang befindet sich der Brennerkopf, also der Bereich, in dem zumindest der Brennstoff der Brennermuffel beziehungsweise der Brennkammer zugeführt wird, nahe oder am Beginn der Teillastmuffel. Anders ausgedrückt besteht die Brennermuffel aus einer kleinvolumigen Teillastmuffel, die sich in Richtung des Brennermundes erweitert und zur großvolumigen Hauptlastmuffel wandelt. Dies kann beispielsweise in Form von zwei konzentrisch auf derselben Rotationsachse angeordneten Zylindern oder konusähnlichen Gebilden erreicht werden, wobei ein Übergang von der Teillastmuffel auf die Hauptlastmuffel im Wesentlichen in radialer Richtung vorgesehen ist.

[0025] Bevorzugt ist es, wenn die Verbrennungsluftzuführung mindestens dreigeteilt ausgeführt ist. Hierbei sind eine erste Verbrennungsluftzuführung und eine zweite Verbrennungsluftzuführung zum Zuführen von Verbrennungsluft in die Teillastmuffel ausgebildet. Eine dritte Verbrennungsluftzuführung ist zum Zuführen von Verbrennungsluft in die Hauptlastmuffel vorgesehen.

[0026] Durch eine Aufteilung der Verbrennungsluftzufuhr in verschiedene Teilströme kann eine gute und zielgerichtete Verbrennung des Brennstoffes erreicht werden, da gezielt ein bestimmtes Verhältnis der Verbrennungsluft zum Brennstoff eingehalten werden kann. So kann beispielsweise, wenn der Brenner nur mit 30% seiner Maximallast betrieben wird, und sich die Brennerflamme im Wesentlichen in der Teillastmuffel befindet, auch über die verschiedenen Verbrennungsluftzuführungen die Verbrennungsluft hauptsächlich in die Teillastmuffel zugeführt werden. Dies dient zum einen für eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft, was wiederum eine effiziente Verbrennung ermöglicht und zum anderen wird so ein Zusammenfallen der Flamme verhindert. Ein weiterer Vorteil durch die Aufteilung ist, dass die einzelnen Zuführungen der Verbrennungsluftzuführung jeweils kleiner sind. Hierdurch werden die Verbrennungsluftzuführungen mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten betrieben, was die Stabilität der Flamme positiv beeinflusst.

[0027] Dies ist insbesondere in einem niedrigen Last- oder Leistungsbereich vorteilhaft, da so gezielt an bestimmten Stellen nur geringe Mengen an Verbrennungsluft zugeführt werden können.

[0028] Ein wichtiger Grundsatz bei der Verbrennung von Feststoffen ist die Einhaltung der Temperatur im Brennraum unterhalb des sogenannten Ascheerweichungspunktes. Würde diese Temperatur überschritten werden, würden Anbackungen an der Brennermuffel entstehen, die die Effizienz des Brenners reduzieren-oder den Betrieb bereits nach kurzer Zeit verhindern würde. Daher werden Feststoffbrenner im Allgemeinen mit einem Lambda-Wert zwischen 1,4 und 2,0 betrieben.

[0029] Daraus resultiert, dass zum Einhalten des Lambda-Wertes die Verbrennungsluftmengen sowohl örtlich als auch zeitlich in Abhängigkeit der Feuerungswärmeleistung unterschiedlich an den staubförmigen Brennstoff angepasst werden müssen. Diese örtliche und zeitliche Zuleitung der Verbrennungsluft kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Aufteilung der Verbrennungsluftzuführung erreicht werden

[0030] Wird nun der erfindungsgemäße Brenner im Teillastbetrieb beispielsweise bei 30% der maximalen Last betrieben, muss sichergestellt werden, dass der erforderliche Lambda-Wert im Bereich der Flamme vorliegt. Dies kann wiederum dadurch erreicht werden, dass der Volumenstrom der Verbrennungsluft für die dritte Verbrennungsluftzuführung relativ gering gehalten wird und der Großteil der Verbrennungsluft über die erste und/oder zweite Verbrennungsluftzuführung direkt in die Teillastmuffel geleitet wird, da sich in diesem Betriebszustand die Flamme im Wesentlichen in der Teillastmuffel befindet. Anders ausgedrückt wird ein Großteil der Verbrennungsluft in die Teillastmuffel geleitet.

[0031] Grundsätzlich können die erste und die zweite Verbrennungsluftzuführung beliebig im Bereich der Teillastmuffel angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, wenn die erste Verbrennungsluftzuführung und die zweite Verbrennungsluftzuführung als Ringspalt um die Rotationsachse ausgeführt sind, wobei die erste Verbrennungsluftzuführung näher an der Rotationsachse vorgesehen ist als die zweite Verbrennungsluftzuführung. Mit dieser Konstruktion wird zum einen erreicht, dass die Verbrennungsluft gut und gleichmäßig in die Teillastmuffel eingeblasen werden kann. Unter der Annahme, dass der Brennstoff relativ nah an der Rotationsachse eingeblasen wird, stellt sich so auch eine gute Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff ein. Zum anderen wird hierdurch dem Brennstoff ein ausreichendes Maß an Verbrennungsluft zur Verbrennung angeboten.

[0032] Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung - die erste Verbrennungsluftzuführung näher an der Rotationsachse als die zweite Verbrennungsluftzuführung - ist, dass das Prinzip, welches bereits in Bezug auf die Hauptlastmuffel und die Teillastmuffel beschrieben wurde, auch hier weitergeführt wird. Wird der Brenner am unteren Ende seines Leistungsbereiches, beispielsweise bei 10% der maximalen Leistung, betrieben, so wird die benötigte Verbrennungsluft tendenziell eher durch die erste Verbrennungsluftzuführung, welche sich näher an der Rotationsachse befindet, zugeführt, da in diesem Betriebszustand auch die Flamme kleiner ist. Wird der Brenner jedoch bei 30% oder 80% seiner maximalen Last betrieben, so kann auch Verbrennungsluft zusätzlich durch die zweite Verbrennungsluftzuführung in die Teillastmuffel eingeführt werden, was zu einer ausreichenden Verbrennungsluftzufuhr für die entsprechenden Lastzustände führt.

[0033] Diesbezüglich ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis der Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der ersten Verbrennungsluftzuführung zu den Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der zweiten Verbrennungsluftzuführung 1:8 bis 1:10 beträgt. Dies bedeutet, dass die Austrittsquerschnittsflächen der ersten Verbrennungsluftzuführung kleiner ausgeführt sind als die der zweiten Verbrennungsluftzuführung. Dies wiederum ermöglicht, dass der Volumenstrom bei angenommener gleicher Austrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft der ersten Verbrennungsluftzuführung geringer ist als der zweiten Verbrennungsluftzuführung. Hierdurch wird wiederum erreicht, dass die Flamme optimal gestützt wird und ausreichend Verbrennungsluft je nach Lastzustand des Brenners zur Verfügung gestellt werden kann.

[0034] Grundsätzlich können die Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der dritten Verbrennungsluftzuführung beliebig groß ausgeführt sein. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis der Summe der Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der ersten Verbrennungsluftzuführung und der zweiten Verbrennungsluftzuführung zu den Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der dritten Verbrennungsluftzuführung 1:7 bis 1:11 beträgt. Anders ausgedrückt ist die Dimensionierung der Austrittsquerschnittsflächen derart, dass bei einer angenommenen gleichen Strömungsgeschwindigkeit durch die Austrittsquerschnittsflächen der dritten Verbrennungsluftzuführung, welche Verbrennungsluft in die Hauptlastmuffel leiten, deutlich mehr Verbrennungsluft zugeführt werden kann als durch die beiden Verbrennungsluftzuführungen, welche Verbrennungsluft in die Teillastmuffel leiten.

[0035] Hierdurch wird erreicht, dass in einem Lastzustand von beispielsweise 70% oder mehr insbesondere in der Hauptlastmuffel ausreichend Verbrennungsluft zur Verfügung steht, um eine möglichst optimale Verbrennung des Brennstoffes zu erreichen. Auch wird dadurch die Ausdehnung der Brennerflamme im Hauptlastbetrieb, welcher beispielsweise im Bereich zwischen 30% und 100% der maximalen Last liegen kann, unterstützt.

[0036] Um noch besser unterschiedliche Verbrennungsluftmengen abhängig von dem Lastzustand des Brenners der Flamme anbieten zu können, ist vorgesehen, dass Gebläse zum Fördern der Verbrennungsluft zu den Verbrennungsluftzuführungen vorhanden sind und dass die maximale Auslegungsgeschwindigkeit der ersten und der zweiten Verbrennungsluftzuführungen 1,8 bis 2,5 mal größer als die maximale Auslegungsgeschwindigkeit der dritten Verbrennungsluftzuführung ist. Durch eine derartige Auslegung wird erreicht, dass zum einen eine ausreichende Verbrennungsluft abhängig von den verschiedenen Betriebszuständen des Brenners zur Verfügung steht, jedoch auch ein ausreichend hoher Lambda-Wert vorhanden ist, um das Erreichen des Ascheerweichungspunktes zu verhindern. Die unterschiedlichen maximalen Auslegungsgeschwindigkeiten beeinflussen auch eine Verdrallung der Verbrennungsluft in der Brennermuffel, wodurch eine bessere Verbrennung erreicht wird.

[0037] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zweite und/oder die dritte Verbrennungsluftzuführung in jeweils zwei oder mehrere jeweils unabhängige Verbrennungsluftzuführungen mit unabhängigen Querschnitten ausgeführt. Dies ist besonders vorteilhaft bei Brennern mit einer maximalen Leistung von mehr als 10 MW. Dieser Aufteilung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass, ähnlich wie zuvor allgemein beschrieben, auch bei Brennern, die beispielsweise für eine Maximallast von mehr als 100 MW ausgelegt sind, es vorteilhaft ist, die Verbrennungsluftzuführungen weiter aufzuteilen, so dass jeweils eine optimale Zuführung zum einen der Verbrennungsluftmenge als auch in Bezug auf die Position der Zuleitung in die Brennermuffel der Verbrennungsluft möglich ist. Dies ermöglicht zum einen ausreichend hohe Lambda-Werte und zum anderen eine ausreichend hohe Vermischung innerhalb der Brennermuffel, so dass eine gute Verbrennung zustande kommt.

[0038] Diesbezüglich ist es bevorzugt, wenn die zweite und/oder dritte Verbrennungsluftzuführung jeweils im Verhältnis von ca. 30:70 der Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft aufgeteilt sind, wobei der Austritt für den jeweils kleineren Verbrennungsluftstrom näher an den Rotationsachsen vorgesehen ist. Anders ausgedrückt wird beispielsweise die zweite Verbrennungsluftzuführung in zwei separate Verbrennungsluftzuführungen aufgespalten, wobei der weiter in der Nähe der Rotationsachse liegende Teil der zweiten Verbrennungsluftausführung 30% der Querschnittsfläche und der weiter außen liegende Teil der zweiten Verbrennungsluftzuführung 70% der Austrittsquerschnittsfläche aufweist. In selber Weise kann auch die dritte Verbrennungsluftzuführung zweigeteilt werden, wobei ein Teil 30% und der andere 70% der gesamten Austrittsquerschnittsflächen aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Aufteilung besonders gut den Erfordernissen der unterschiedlichen Betriebszustände genügt. Hierbei ist auch berücksichtigt, dass im Bereich der Wand der Brennermuffel ein Kühlluftstrom von Vorteil ist, um die thermische Belastung auf die Brennermuffel zu verringern. Dies wird dadurch unterstützt, dass die außen gelegenen Querschnittsflächen größer dimensioniert sind als die innen gelegenen, so dass hier eine größere Luftmenge einströmen kann. Die beiden Teile der zweiten oder dritten Verbrennungsluftzuführung können auch mit jeweils unterschiedlichen maximalen Auslegungsgeschwindigkeiten betrieben werden.

[0039] In einer bevorzugten Ausführungsform sind am Austritt zumindest der ersten und der zweiten Verbrennungsluftzuführungen Dralleinrichtungen zum Beeinflussen der Verbrennungsluftströmungen in einer Kreisbahn um die Rotationsachsen innerhalb der Teillast- und Hauptlastbrennermuffel vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass eine sogenannte Drall- oder Wirbelbrennkammer erzeugt wird. Anders ausgedrückt stellt sich eine Gasströmung ein, die sich um die Rotationsachsen spiralförmig oder schraubenartig dreht beziehungsweise verläuft. Das so in der Brennkammer erzeugte Wirbelprofil der Gasströmung zwingt die Brennstoffpartikel aufgrund der wirkenden Zentrifugalbeschleunigung auf eine Kreisbahn an den Außenwänden der Brennkammer. Hierdurch wird die Verweilzeit der Brennstoffpartikel in der Brennermuffel beziehungsweise in der Ausbrandzone der Brennkammer, welche durch die Brennermuffel mit ausgebildet wird, erhöht, wodurch eine bessere vollständigere Verbrennung erreicht werden kann.

[0040] Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines feststoffgefeuerten Brenners. Ein derartiger Brenner weist mindestens eine erste Verbrennungsluftzuführung, eine zweite Verbrennungsluftzuführung und eine dritte Verbrennungsluftzuführung auf. Außerdem besitzt er eine Brennermuffel, die aus einer Teillastmuffel und einer Hauptlastmuffel besteht, wobei die erste und die zweite Verbrennungsluftzuführung zur Zuführung von Verbrennungsluft in die Teillastmuffel ausgelegt sind. Die dritte Verbrennungsluftzuführung ist zur Zuführung von Verbrennungsluft in die Hauptlastmuffel ausgelegt. Erfindungsgemäß ist der feststoffgefeuerte Heißgaserzeuger in einem kontinuierlichen Betriebszustand zwischen ca. 10% bis 100% seiner maximalen Leistung betreibbar. Ferner ist vorgesehen, dass die Verbrennungsluftzuführung derartig geregelt wird, dass sich eine Flamme bis ca. 30% der maximalen Leistung des feststoffgefeuerten Heißgaserzeugers im Wesentlichen innerhalb der Teillastmuffel befindet.

[0041] Auch dem Verfahren liegt die erläuterte Erkenntnis zugrunde, dass es bei gattungsgemäßen feststoffgefeuerten Brennern nicht möglich ist, Betriebszustände zu erreichen, die unterhalb von ca. 40% der maximalen ausgelegten Leistung sind. Der Grund dafür ist, dass bei einem Lastbereich von 20% bis 30% der maximalen Last die Strömungsgeschwindigkeiten sowohl der Verbrennungsluft wie auch der Brennstoffzufuhr derart niedrig sind, dass es zu einem Abreißen beziehungsweise Zusammenbrechen der Flamme kommt. Dies wird auch dadurch verursacht, dass die Flamme von der Brennermuffel derart weit entfernt ist, dass keine Stützwirkung durch die Brennermuffel mehr vorhanden ist.

[0042] Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die Verbrennungsluftzufuhr derart geregelt wird, dass sich die Flamme ab einem Betrag von ca. 30% der maximalen Leistung von der gesamten Brennermuffel, welche durch die Hauptlastmuffel und die Teillastmuffel gebildet wird, im Wesentlichen in die Teillastmuffel zurückzieht. Diese ist kleinvolumiger als die großvolumige Hauptlastmuffel. Hierdurch wird zum einen die Flamme in der Teillastmuffel besser gestützt. Zum anderen wird bei geringerem Strömungsvolumen der Verbrennungsluft wie auch Fördervolumen der Brennstoffzuführung eine ausreichend gute Vermischung und damit eine Verbrennung erreicht, so dass die Flamme nicht zusammenbricht. Hierdurch ist es möglich, den feststoffgefeuerten Brenner kontinuierlich zwischen 10% oder weniger bis zu 100% seiner maximalen Leistung zu betreiben.

[0043] Bevorzugt ist es vorgesehen, dass beim Betrieb um 10% der maximalen Leistung des feststoffgefeuerten Brenners die zweite und dritte Verbrennungsluftzuführung mit ca. 10% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit betrieben werden und dass die erste Verbrennungsluftzuführung mit ca. 70% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit betrieben wird.

[0044] Neben den Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluftzuführungen definiert die Geschwindigkeit, mit der die Verbrennungsluft ausgeblasen wird, das Verbrennungsluftvolumen pro Zeiteinheit. Dies ist maßgeblich für die Beeinflussung des Brennverhaltens. Die Strömungsgeschwindigkeit ist eine gängige Größe, um dieses Volumen der Verbrennungsluft pro Zeiteinheit zu beeinflussen, da die Austrittsquerschnittsflächen konstruktionsbedingt festgelegt sind.

[0045] Im Rahmen der Erfindung kann unter maximaler Auslegungsgeschwindigkeit insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit verstanden werden, die vorliegt, wenn der Brenner mit 100% seiner Leistung betrieben wird.

[0046] Durch den Betrieb der zweiten und dritten Verbrennungsluftzuführung bei ca. 10% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit und der ersten Verbrennungsluftzuführung bei ca. 70% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit wird erreicht, dass bei einem Betrieb um 10% der maximalen Leistung des Brenners die relativ kleine Flamme hauptsächlich durch die erste Verbrennungsluftzuführung mit Verbrennungsluft versorgt wird. Liegt diese Verbrennungsluftzuführung relativ nah an den Rotationsachsen und dem Austritt der Förderluft der Brennstoffzuführung, so wird hierdurch die Flamme ausreichend mit Verbrennungsluft versorgt und zusätzlich unterstützt. Ist die erste Verbrennungsluftzuführung derart ausgebildet, dass sie ihre Verbrennungsluft in die Teillastmuffel leitet, so wird durch die erfindungsgemäße Verfahrenssteuerung auch erreicht, dass vor allem Verbrennungsluft in die Teillastmuffel gelangt. Hierdurch wird eine Versorgung der Flamme, welche sich in die Teillastmuffel zurückgezogen hat, zusätzlich unterstützt.

[0047] Bei einem Betrieb des Brenners zwischen ca. 10% und ca. 30% der maximalen Leistung des feststoffgefeuerten Brenners ist es bevorzugt, die erste Verbrennungsluftzuführung kontinuierlich von 70% bis 100% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit zu erhöhen beziehungsweise hochzufahren. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann auch die zweite Verbrennungsluftzuführung kontinuierlich von 10% bis 20% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit erhöht werden. Durch eine oder beide dieser Maßnahmen wird erreicht, dass zwar ausreichend mehr Verbrennungsluft der Flamme zugeführt wird, so dass sie mit bis zu 30% der maximalen Leistung brennen kann, jedoch die Zuführung hauptsächlich durch die Verbrennungsluftzuführungen in der Teillastmuffel erfolgt. Somit wird erreicht, dass sich die Flamme weiterhin hauptsächlich in der Teillastmuffel befindet. Hier wird sie ausreichend gestützt und fällt nicht zusammen, so dass überhaupt ein Betrieb des Brenners bei nur 10% bis 30% der maximalen Leistung des feststoffgefeuerten Brenners möglich ist.

[0048] Vorteilhaft ist es, bei einem Betrieb zwischen 30% und 100% der maximalen Leistung des feststoffgefeuerten Brenners die zweite Verbrennungsluftzuführung kontinuierlich von 20% bis 100% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Durch diese Ausführung wird dem erhöhten Verbrennungsluftbedürfnis der Flamme Rechnung getragen. Die zweite Verbrennungsluftzuführung befindet sich am Rand der Teillastmuffel, so dass durch Erhöhung des Volumenstroms durch die zweite Verbrennungsluftzuführung die Flamme zum einen gut mit zusätzlicher Luft im Bereich der Teillastmuffel versorgt wird, zum anderen auch ein Erstrecken der Flamme in die Hauptlastmuffel unterstützt wird.

[0049] Grundsätzlich kann im Betrieb ab 30% der maximalen Leistung auch die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft durch die dritte Verbrennungsluftzuführung erhöht werden. Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Strömungsgeschwindigkeit bei einem Betrieb zwischen 40% und 100% der maximalen Leistung des feststoffgefeuerten Brenners kontinuierlich von 10% bis 100% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit erhöht wird.

[0050] Durch eine derartige Auslegung wird ab 40% ein wesentlicher Teil der Verbrennungsluft über die dritte Verbrennungsluftzuführung zugeführt. Diese führt ihre Verbrennungsluft direkt in die Hauptlastmuffel ein. Da sich, wie bereits erwähnt, ab 30% die Brennflamme tendenziell auch in die Hauptlastmuffel erstreckt, ist es nun erforderlich, auch hier genug Verbrennungsluft zur Verfügung zu stellen. Durch eine deutlich größere Dimensionierung der maximal möglichen Fördermenge an Verbrennungsluft durch die dritte Verbrennungsluftzuführung wird erreicht, dass insbesondere im oberen Leistungsbereich, hauptsächlich Verbrennungsluft direkt in die Hauptlastmuffel zugeführt wird. Somit wird eine ausreichend gute Verbrennung ermöglicht.

[0051] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen näher erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1:

einen Schnitt durch eine vereinfachte Konstruktion des erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 2:

einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner mit verdeutlichter Verbrennungsluftzufuhr;

Fig. 3:

ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 4:

einen Schnitt durch den Bereich der Teillastmuffel eines erfindungsgemäßen Brenners; und

Fig. 5:

eine vergrößerte Ansicht der Zuführungen zur Teillastmuffel aus Fig. 4.

[0052] In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Brenners 10 dargestellt. Bei dem dargestellten Brenner handelt es sich um einen feststoffgefeuerten Brenner 10. Die Feststoffzuführung erfolgt über die Brennstoffzuführung 12 am Brennerkopf, bei der beispielsweise Kohlenstaub mittels Förderluft in eine Brennermuffel 20 eingeblasen wird.

[0053] Die Brennermuffel 20 ist beim erfindungsgemäßen Brenner 10 zweiteilig ausgebildet. Sie besteht aus einer Teillastmuffel 21 und einer Hauptlastmuffel 22, welche sich an die Teillastmuffel 21 anschließt. Die Teillastmuffel 21 wie auch die Hauptlastmuffel 22 sind rotationssymmetrisch aufgebaut und so angeordnet, dass die jeweilige Rotationssymmetrieachse 25 übereinstimmt. Die Teillastmuffel 21 weist ungefähr 5% bis 10% des Volumens der Hauptlastmuffel 22 auf.

[0054] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der hier skizzenhaft dargestellte feststoffgefeuerte Brenner 10 ein hohes Regelverhältnis von 1:10 aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass durch die zweigeteilte Brennermuffel 20 ein Teillastbereich I sowie ein Hauptlastbereich II im Reaktionsraum definiert werden. Der Reaktionsraum ist das Innenvolumen der Brennermuffel 20. Wird der Brenner 10 bei einer niedrigen Last oder Leistung, beispielsweise 10% seiner maximalen Last betrieben, so werden die Betriebsparameter derart eingestellt, dass sich die Brennerflamme im Wesentlichen im Teillastbereich I befindet. Wird der Brenner 10 hochgefahren und beispielsweise mit 70% seiner Maximallast oder Maximalleistung betrieben, so erstreckt sich die nun vorhandene Brennerflamme vom Teillastbereich I bis weit in den Teillastbereich II hinein.

[0055] Dieses Verhalten der Flamme wird durch die Steuerung von Verbrennungsluftzuführungen 30 erreicht. In Fig. 1 sind hierfür drei Verbrennungsluftzuführungen 31, 32, 33 vorgesehen. Die erste und die zweite Verbrennungsluftzuführung 31, 32 führen ihre Verbrennungsluft in die Teillastmuffel 21 zu. Die dritte Verbrennungsluftzuführung 33 ist derart angeordnet, dass ihre Verbrennungsluft direkt in die Hauptlastmuffel 22 zugeführt wird.

[0056] Bei Feststoffbrennern des Standes der Technik war es nicht möglich, einen Lastbetrieb von 30% oder weniger der Maximalleistung zu erreichen. Entsprechend der Erfindung wurde erkannt, dass dies unter anderem aufgrund einer ungenügenden Unterstützung der Flamme durch die Brennermuffel 20 erfolgte. Ebenfalls ist im Stand der Technik die Luftzuführung unzureichend angeordnet, so dass es zu einem Abreißen und Ausgehen der Flamme kommt, da an den notwendigen Stellen nicht genug Verbrennungsluft zur Verfügung steht.

[0057] Dem wurde entsprechend der Erfindung entgegengewirkt, indem eine zweiteilig ausgeführte Brennermuffel 20 vorgesehen wurde. Hierdurch ist es möglich, in einem Niederlast- oder Teillastbetrieb, der sich bis ca. 30% der maximalen Leistung des Brenners 10 erstreckt, eine Flamme im Wesentlichen nur im Teillastbereich I vorzusehen. Um dennoch eine hohe Leistung zu erreichen, ist der Hauptlastbereich II volumenmäßig viel größer ausgebildet, so dass genug Platz für eine ausreichende Verbrennung mit ausreichend Brennstoff zur Verfügung steht.

[0058] In Fig. 2 ist eine weitere Skizze eines Schnittes durch einen erfindungsgemäßen Brenner 10 gezeigt, in dem nun auch die verschiedenen Zuführungen in den Brennerinnenraum beziehungsweise die Brennermuffel 20 dargestellt sind.

[0059] Die Brennermuffel des Brenners 10 ist wiederum zweigeteilt ausgeführt und weist eine Teillastmuffel 21 sowie eine Hauptlastmuffel 22 auf. Die Teillastmuffel 21 weist eine im Wesentlichen konische Form auf. Sie erweitert sich vom Brennerkopf in Richtung der Hauptlastmuffel 22. Der Winkel des Konuses beträgt hier bevorzugt zwischen 15° und 25°.

[0060] An die Teillastmuffel 21 schließt sich die Hauptlastmuffel 22 an. Diese hat zu Beginn eine konusartige Grundform, welche später in eine zylinderähnliche Form übergeht. Beide Teile der Muffel 20 sind rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse 25 ausgeführt.

[0061] Im Zentrum der Rotationsachse 25 befindet sich am Beginn des Brennerkopfs an der Teillastmuffel 21 ein Startbrenner 13. Um den Startbrenner 13 ist ein Ringspalt vorgesehen, welcher als Brennstoffzuführung 12 vorgesehen ist. Durch diesen Ringspalt kann beispielsweise Kohlenstaub mittels eines Trägermediums wie Luft in den Brennerinnenraum beziehungsweise Reaktionsraum eingeblasen werden. Grundsätzlich können natürlich auch andere feste, zerkleinerte Brennstoffe hierdurch eingeblasen werden.

[0062] Um den Ringspalt der Brennstoffzuführung 12 ist ein weiterer Ringspalt konzentrisch vorgesehen. Dieser ist mit der ersten Verbrennungsluftzuführung 31 verbunden. Im Bereich des Austrittes der ersten Verbrennungsluft in den Teillastbereich I am Brennerkopf sind Dralleinrichtungen 41 vorgesehen, um der austretenden Verbrennungsluft einen Richtungsimpuls mitgeben zu können.

[0063] Anschließend an den Ringspalt für die erste Verbrennungsluftzuführung 31 ist ein zweiter Ringspalt vorgesehen, welcher mit der zweiten Verbrennungsluftzuführung 32 verbunden ist. Auch dieser Ringspalt endet in der Teillastmuffel 21. Am Übergang des Ringspaltes für die zweite Verbrennungsluft 32 in den Teillastbereich I sind ebenfalls Dralleinrichtungen 42 vorgesehen, um der einströmenden Verbrennungsluft einen Drallimpuls mitgeben zu können.

[0064] Ferner sind noch Öffnungen zur Zuführung der dritten Verbrennungsluft 33 im Bereich der Hauptlastmuffel 22 vorgesehen. Wesentlich ist hierbei an deren Position, dass die Öffnungen direkt in die Hauptlastmuffel, also in den Hauptlastbereich II führen und nicht in den Teillastbereich I. Somit kann der Anteil der Verbrennungsluft, welcher über die dritte Verbrennungsluftzuführung 33 zugeführt wird, direkt in die Hauptlastmuffel geleitet werden.

[0065] Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 nun die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Brenners 10 näher erläutert. Hierbei wird von einer Anordnung der ersten, zweiten und dritten Verbrennungsluftzuführungen 31, 32, 33 entsprechend der Fig. 2 ausgegangen.

[0066] In dem Diagramm von Fig. 3 ist auf der Abszisse die Leistung P des erfindungsgemäßen Brenners 10 in Prozent angegeben. Auf der Ordinate ist das Verhältnis der Austrittsgeschwindigkeit zur maximal ausgelegten Austrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluftzuführungen 31, 32, 33 dargestellt. Hierbei stellt der Wert 1 eine vorhandene Austrittsgeschwindigkeit entsprechend der maximal ausgelegten Geschwindigkeit dar.

[0067] Mittels der Austrittsgeschwindigkeit und des Austrittsquerschnitts der entsprechenden Verbrennungsluftzuführung 31, 32, 33 kann der jeweilige Volumenstrom an Verbrennungsluft berechnet werden. Die maximalen Auslegungsgeschwindigkeiten für die Verbrennungsluftzuführung 31, 32, 33 können in Abhängigkeit von dem verwendeten Brennstoff, beispielsweise Braunkohle oder Steinkohle, sowie dem Einsatzzweck des Brenners bestimmt werden.

[0068] Im Diagramm sind drei verschiedene Kurven dargestellt, welche mit a, b und c bezeichnet sind. Die Kurve a betrifft die erste Verbrennungsluftzuführung 31, die Kurve b die zweite Verbrennungsluftzuführung 32 und die Kurve c die dritte Verbrennungsluftzuführung 33. Die Addition der über die verschiedenen Verbrennungsluftzuführungen 31, 32, 33 zugeführten Verbrennungsluft ergibt die gesamte Verbrennungsluftmenge. Diese kann aus dem gewünschten Lamdawert und der gewünschten Brennerlast hergeleitet werden. Die Gesamtverbrennungsluftzuführung wird dann auf die verschiedenen Verbrennungsluftzuführungen 31, 32, 33 aufgeteilt.

[0069] Bei einer Leistung von 10% der maximal möglichen Leistung des Brenners wird die erste Verbrennungsluftzuführung 31 mit 70% ihrer Auslegungsgeschwindigkeit betrieben. Die zweite Verbrennungsluftzuführung 32 und die dritte Verbrennungsluftzuführung 33 werden jeweils mit 10% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit betrieben. Dieser Betriebszustand mit 10% der maximalen Auslegungsgeschwindigkeit wird auch als Kühlluftstellung bezeichnet. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Verbrennungsluft in den Teillastbereich I eingeblasen wird. Dies wiederum hat zur Folge, dass, da auch relativ wenig Brennstoff in die kombinierte Brennermuffel 20 eingeblasen wird, sich die Flamme hauptsächlich im Teillastbereich I befindet.

[0070] Beim Hochfahren des Brenners von 10% auf 30% der maximalen Leistung wird die erste Verbrennungsluftzuführung 31 kontinuierlich auf ihren Maximalwert erhöht. Die zweite Verbrennungsluftzuführung 23 wird auf ca. 20% ihrer maximalen Auslegegeschwindigkeit kontinuierlich erhöht, wohingegen die dritte Verbrennungsluftzuführung 33 weiterhin mit 10% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit betrieben wird. Dieses kontinuierliche Hochfahren der Luftzufuhr über die erste und zweite Verbrennungsluftzuführung 31, 32 hat den Effekt, dass in dem Teillastbereich I ein höheres Verbrennungsluftvolumen zur Verfügung steht. Dieses Verbrennungsluftvolumen wird durch die Flamme beansprucht, welche mit dem festen Brennstoff betrieben wird. Selbstverständlich wird beim Hochfahren der Last von 10% auf 30% auch die Brennstoffmenge pro Zeit erhöht. Durch die erfindungsgemäße Auslegung verbleibt die Flamme des Brenners 10 weiterhin im Wesentlichen im Teillastbereich I und kann so durch die Teillastmuffel 21 weiterhin gestützt werden.

[0071] Soll nun der Brenner vom 30%-igen Lastbereich auf Volllast hochgefahren werden, so wird die erste Verbrennungsluftzuführung 31 weiterhin auf Volllast, das heißt mit ihrer maximalen Auslegegeschwindigkeit betrieben. Die zweite Verbrennungsluftzuführung 32 wird kontinuierlich erhöht. Das heißt, dass die Ausblasgeschwindigkeit von 20% der maximalen Auslegegeschwindigkeit auf 100% der maximalen Auslegegeschwindigkeit kontinuierlich erhöht wird, so dass 100% der maximalen Auslegegeschwindigkeit bei 100% der Leistung des Brenners 10 vorhanden sind.

[0072] Die Ausblasgeschwindigkeit der dritten Verbrennungsluftzuführung 33 wird bis ca. 40% der maximalen Last des Brenners bei 10% der Auslegegeschwindigkeit beibehalten. Ab dem Bereich um 40% der maximalen Brennerleistung steigt diese ebenfalls kontinuierlich an, bis sie bei 100% der maximalen Brennerleistung auch ihre maximale Auslegegeschwindigkeit erreicht hat.

[0073] Durch diese Steuerung insbesondere der zweiten und dritten Verbrennungsluftzuführung 32, 33 erstreckt sich die Brennerflamme erst ab ca. 30% der maximalen Leistung des Brenners auch in den Hauptlastbereich II. Ab 30% beziehungsweise 40% hat die Flamme auch eine derartige Stärke, dass nicht mehr die Gefahr besteht, dass sie aufgrund eines Strömungsabrisses der Verbrennungsluft abreißt beziehungsweise erlischt. Anders ausgedrückt wandert die Flamme ab ca. 30% der maximalen Leistung sukzessive aus der Teillastmuffel 21 in die Hauptlastmuffel 22.

[0074] Eine weitere Funktionalität der über die dritte Verbrennungsluftzuführung 33 zugeführten Verbrennungsluft ist, dass hiermit auch die wandnahen Ausbrandzonen der Muffel 20 gekühlt werden können. Hierdurch können geringere Anforderungen an die Materialien der Brennermuffel 20 gestellt werden.

[0075] Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den erfindungsgemäßen Feststoffbrenner 10 von einer 10%-igen Leistung bis zur 100%-igen Leistung kontinuierlich zu betreiben. Dies bedeutet einen Regelbereich von 1:10.

[0076] Somit ist es damit möglich, auch feststoffgefeuerte Brenner für Heißgaserzeuger bei Mahltrocknungsanlagen einzusetzen, wie sie exemplarisch in der Beschreibungseinleitung erörtert wurden.

[0077] In Fig. 4 ist eine detailliertere Ansicht eines Schnittes durch einen erfindungsgemäßen Brenner 10 dargestellt und in Fig. 5 ist eine Vergrößerung des Brennerkopfes an der Teillastmuffel 21 aus Fig. 4 gezeigt.

[0078] Im Folgenden wird nun auf eine detailliertere Konstruktion der Luftzuführungen sowie weiterer in diesem Bereich angeordneter Elemente des erfindungsgemäßen Brenners 10 unter Bezugnahme auf beide Figuren 4 und 5 eingegangen. Der Bereich, welcher in Fig. 4 mit A bezeichnet ist, ist in Fig. 5 vergrößert dargestellt.

[0079] Wie bereits ausgeführt, ist der erfindungsgemäße Brenner 10 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Zentral im Bereich der Rotationsachse 25 ist ein Startbrenner 13 mit seiner Zuführung 52 angeordnet. Dieser wird beispielsweise mit Gas oder Öl betrieben. Er dient dazu, den erfindungsgemäßen Brenner 10 zu starten. Hierzu wird der Startbrenner 13 zuerst eine Zeit lang betrieben, bis in der Muffel 20 eine ausreichend hohe Temperatur vorhanden ist, um den eigentlichen feststoffgefeuerten Brenner 10 zu starten.

[0080] Um den Startbrenner 13 herum erstreckt sich ein Ringspalt, welcher mit einer Brennstoffzuführung 12 verbunden ist. Über diese kann beispielsweise Kohlenstaub mit Förderluft in den Teillastbereich I eingeblasen werden.

[0081] Mit einem weiteren Ringspalt um den Ringspalt für die Brennstoffzuführung 12 ist die erste Verbrennungsluftzuführung 31 verbunden. Vor dem Eintritt in den Teillastbereich I innerhalb der Teillastmuffe 21 sind im Ringspalt Dralleinrichtungen 41, welche auch als Drallschaufeln bezeichnet werden können, angeordnet, um der eingeblasenen Verbrennungsluft einen Drall in Schraubenform um die zentrale Achse 25 mitgeben zu können.

[0082] In ähnlicher Weise ist um den Ringspalt für die erste Verbrennungsluftzuführung 31 ein weiterer Ringspalt für die zweite Verbrennungsluftzuführung 32 angeordnet. Auch hierbei sind kurz vor dem Austritt wiederum Dralleinrichtungen 42 beziehungsweise Drallschaufeln vorgesehen, um die Verbrennungsluft, die hierdurch ausgeblasen wird, zu verdrallen.

[0083] An die Teillastmuffel 21 schließt sich die Hauptlastmuffel 22 an. In diese wird die dritte Verbrennungsluftzuführung 31 geführt. Diese Zuführung ist in der hier dargestellten Ausführungsform nicht erneut über einen Ringspalt ausgeführt, sondern eine Zuführung 60 für die dritte Verbrennungsluft führt in einen Luftverteiler 61 für die dritte Verbrennungsluft. Diese wiederum ist mit Austrittsöffnungen 62 für die dritte Verbrennungsluft verbunden. Diese Öffnungen führen in den Hauptlastbereich II, also in den Innen- oder Reaktionsraum der Hauptlastmuffel 22. Anders ausgedrückt ist die Luftverteilung 61 mittels einer Maske, welche die Austrittsöffnung 62 aufweist, mit dem Innenraum der Hauptlastmuffel 22 verbunden. Durch die Öffnungen 62 für die dritte Verbrennungsluftzuführung kann der Verbrennungsluft ebenfalls ein Drall aufgegeben werden.

[0084] In die Muffel 20 ragt seitlich ein Zündbrenner 51 hinein. Dieser wird verwendet, um den Startbrenner 13 zu starten.

[0085] Grundsätzlich kann als Verbrennungsluft durch die erste, zweite und dritte Verbrennungsluftzuführung 31, 32, 33 normale Außenluft zugeführt werden. Wird der erfindungsgemäße Brenner 10 in einem Heißgaserzeuger, insbesondere für Kohlemahlanlagen, verwendet, so ist es vorteilhaft, über die dritte Verbrennungsluftzuführung 33 ein Gemisch aus Außenluft sowie sauerstoffarmer Luft beziehungsweise rezirkulierter Luft zuzuführen. Dies ist erforderlich, da die heißen Prozessgase, welche bei einer Mahltrocknung in Kohlemahlanlagen verwendet werden, einen maximalen Sauerstoffgehalt von 10% aufweisen dürfen, um Staubexplosionen vorzubeugen.

[0086] Mit der erfindungsgemäßen Brennerkonstruktion sowie dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist es demnach möglich, einen Feststoffbrenner anzugeben und zu betreiben, welcher ein Regelverhältnis von bis zu 1:10 aufweist.

Ansprüche

1. Feststoffgefeuerter Brenner (10)
mit einer Brennstoffzuführung (12) mittels Förderluft,
mit einer Brennermuffel (20) und
mit mindestens einer Verbrennungsluftzuführung (30)
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennermuffel (20) in eine Hauptlastmuffel (22) und eine Teillastmuffel (21) unterteilt ist,
dass die Teillastmuffel (21) 5% bis 10% des Volumens der Hauptlastmuffel (22) aufweist,
dass die Teillastmuffel (21) eine konische, rotationssymmetrische Grundform mit einer Rotationsachse (25) aufweist,
dass die Hauptlastmuffel (22) eine rotationssymmetrische Grundform mit einer Rotationsachse (25) aufweist,
wobei die Rotationsachse (25) der Hauptlastmuffel (22) in einer Verlängerung der Rotationsachse (25) der Teillastmuffel (21) liegt, und
dass die Hauptlastmuffel (22) unmittelbar anschließend an die Teillastmuffel (21) vorgesehen ist.

2. Feststoffgefeuerter Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbrennungsluftzuführung (30) mindestens dreigeteilt ausgeführt ist, dass eine erste Verbrennungsluftzuführung (31) und eine zweite Verbrennungsluftzuführung (32) zum Zuführen von Verbrennungsluft in die Teillastmuffel (21) ausgebildet sind und
dass eine dritte Verbrennungsluftzuführung (33) zum Zuführen von Verbrennungsluft in der Hauptlastmuffel (22) ausgebildet ist.

3. Feststoffgefeuerter Brenner nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Verbrennungsluftzuführung (31) und die zweite Verbrennungsluftzuführung (32) als Ringspalt um die Rotationsachsen (25) ausgeführt sind und
dass die erste Verbrennungsluftzuführung (31) näher an den Rotationsachsen (25) vorgesehen ist als die zweite Verbrennungsluftzuführung (32).

4. Feststoffgefeuerter Brenner nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis der Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der ersten Verbrennungsluftzuführung (31) zu den Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der zweiten Verbrennungsluftzuführung (32) 1:8 bis 1:10 beträgt.

5. Feststoffgefeuerter Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis der Summe der Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der ersten Verbrennungsluftzuführung (31) und der zweiten Verbrennungsluftzuführung (32) zu den Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft der dritten Verbrennungsluftzuführung (33) 1:7 bis 1:11 beträgt.

6. Feststoffgefeuerter Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass Gebläse zum Fördern der Verbrennungsluft zu den Verbrennungsluftzuführungen (31, 32, 33) vorgesehen sind und
dass die maximale Auslegungsgeschwindigkeit der ersten (31) und der zweiten (32) Verbrennungsluftzuführungen 1,8 bis 2,5 mal größer als die maximale Auslegungsgeschwindigkeit der dritten Verbrennungsluftzuführung (33) ist.

7. Feststoffgefeuerter Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite (32) und/oder die dritte (33) Verbrennungsluftzuführung bei einem Brenner mit einer maximalen Leistung von mehr als 10 MW in jeweils zwei oder mehr jeweils unabhängigen Verbrennungsluftzuführungen (32, 33) mit unabhängigen Querschnitten ausgeführt sind.

8. Feststoffgefeuerter Brenner nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite (32) und/oder die dritte (33) Verbrennungsluftzuführung jeweils im Verhältnis von ca. 30:70 der Austrittsquerschnittsflächen der Verbrennungsluft aufgeteilt sind, wobei der Austritt für den jeweils kleineren Verbrennungsluft-strom näher an den Rotationsachsen (25) vorgesehen ist.

9. Feststoffgefeuerter Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass am Austritt zumindest der ersten und der zweiten Verbrennungsluftzuführungen (31, 32) Dralleinrichtungen (41, 42) zum Beeinflussen der Verbrennungsluftströmungen in einer Kreisbahn um die Rotationsachsen (25) innerhalb der Teillast- (21) und Hauptlastmuffel (22) vorgesehen sind.

10. Verfahren zum Betrieb eines feststoffgefeuerten Brenner (10)
mit mindestens einer ersten Verbrennungsluftzuführung (31), einer zweiten Verbrennungsluftzuführung (32) und einer dritten Verbrennungsluftzuführung (33),
mit einer Teillastmuffel (21) und einer Hauptlastmuffel (22),
wobei die erste (31) und die zweite (32) Verbrennungsluftzuführung zur Zufuhr von Verbrennungsluft in die Teillastmuffel (21) ausgelegt sind und die dritte Verbrennungsluftzuführung (33) zur Zuführung von Verbrennungsluft in die Hauptlastmuffel (22) ausgelegt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der feststoffgefeuerte Brenner (1) in einem kontinuierlichen Betriebszustand zwischen 10% bis 100% seiner maximalen Leistung (P) betreibbar ist und
dass die Verbrennungsluftzuführungen (31, 32, 33) derart geregelt werden, dass sich eine Flamme bis ca. 30% der maximalen Leistung P des feststoffgefeuerten Brenners (1) im Wesentlichen innerhalb der Teillastmuffel (21) befindet.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Betrieb um 10% der maximalen Leistung (P) des feststoffgefeuerten Brenners (1) die zweite (32) und dritte (33) Verbrennungsluftzuführung mit ca. 10% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit betrieben werden und
dass die erste Verbrennungsluftzuführung (31) mit ca. 70% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit betrieben wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Betrieb zwischen ca. 10% und ca. 30% der maximalen Leistung (P) des feststoffgefeuerten Brenners (1) die erste Verbrennungsluftzuführung (31) kontinuierlich von 70% bis 100% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit erhöht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Betrieb zwischen ca. 10% und ca. 30% der maximalen Leistung (P) des feststoffgefeuerten Brenners (1) die zweite Verbrennungsluftzuführung (32) kontinuierlich von 10% bis 20% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit erhöht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Betrieb zwischen ca. 30% und 100% der maximalen Leistung (P) des feststoffgefeuerten Brenners (10) die zweite Verbrennungsluftzufuhr (32) kontinuierlich von 20% bis 100% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit erhöht wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Betrieb zwischen ca. 40% und 100% der maximalen Leistung (P) des feststoffgefeuerten Brenners (10) die dritte Verbrennungsluftzuführung (33) kontinuierlich von 10% bis 100% ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit erhöht wird.

Zeichnung