DE19521505B4

DE19521505B4 - Verfahren zum Verbrennen von Kohle mit weniger als 10 % flüchtigen Bestandteilen

Info

Publication number: DE19521505B4
Application number: DE19521505A
Authority: DE
Inventors: Michael Streffing; Alfons Leisse
Original assignee: Babcock Borsig Power Systems GmbH
Current assignee: Mitsubishi Power Europe GmbH
Priority date: 1995-06-13
Filing date: 1995-06-13
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2015-06-14
Also published as: DE19521505A1; US5687658A; UA35629C2; RU2155298C2; ES2112795B1; ES2112795A1; CN1150228A

Abstract

Verfahren zum Verbrennen von Kohle mit weniger als 10% flüchtigen Bestandteilen in einem Brenner mit Hilfe von Verbrennungsluft, bei dem die Kohle in einer Mühle gemahlen und mit Hilfe von Luft als Trägergas in Form eines Kohlenstaub-Trägergas-Gemisches dem Brenner zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eintritt in den Brenner der Kohlenstaub aus dem Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch abgetrennt wird, daß der abgetrennte Kohlenstaub mit vorgewärmter Luft gemischt und in ein
Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch mit erhöhter Temperatur und geringer Kohlenstaubbeladung übergeführt wird, daß der Kohlenstaub aus diesem Gemisch erneut abgetrennt und mit erwärmter Luft gemischt und in ein
Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch mit erhöhter Temperatur und erhöhter Kohlenstaubbeladung übergeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Kohle mit weniger als 10% flüchtigen Bestandteilen in einem Brenner mit Hilfe von Verbrennungsluft mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Bei dem bekannten Verfahren (Jahrbuch der Dampferzeugungstechnik, 3. Ausgabe 1976/77, Vulkan-Verlag Essen, Seiten 629 – 631) kann der Kohlenstaub direkt aus der Mühle, halbdirekt nach einer Zwischenabscheidung oder indirekt aus einem Staubbunker mit Hilfe des Trägergases dem Brenner zugeführt werden.

Soll ein Brennstoff-Luftgemisch an einem definierten Ort zünden, müssen zwei Randbedingungen erfüllt sein: Zum einen muß die Strömungsgeschwindigkeit an diesem Ort niedriger sein als die Rückzündgeschwindigkeit des Gemisches. Zum anderen muß in dem Brennstoff-Luftgemisch die Luftzahl n zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert liegen (n_min < n < n_max). Dabei ist die Luftzahl eine Funktion des Druckes und der Temperatur des Gemisches.

Die für eine stabile Anzündung und Aufheizung des Brenn- bzw. Primärgases benötigte Energie kann bei der Verbrennung von Kohle im Brennernahfeld nur durch die Verbrennung der bereits aus der Kohle freigesetzten flüchtigen Bestandteile der Kohle bereitgestellt werden. Gelingt es den gesamten Anteil der flüchtigen Bestandteile freizusetzen und am Brenneraustritt zu verbrennen, errechnet sich selbst für einen Anthrazit mit einem Anteil an flüchtigen Bestandteilen von 5% (waf) eine adiabate Temperaturerhöhung von 1000 K. Die daraus resultierende Temperatur in der Kernflamme würde ausreichen, den Restkoks ebenfalls aufzuheizen und zu verbrennen. Ist dagegen die Temperatur des Gemisches aus Primärgas und Luft zu niedrig, um einen erheblichen Anteil der flüchtigen Bestandteile aus der Kohle auszugasen, erlischt die Flamme wegen Brennstoffmangels. Die lokale Luftzahl ist zu hoch, und das Brennstoff/Luftgemisch ist zu mager. Diese Verhältnisse sind zu erwarten, wenn bei der Verbrennung von Kohle mit weniger als 10% flüchtigen Bestandteilen in einem Staubbrenner keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden.

Aus der DE-AS 11 07 876 ist ein Verfahren zur Verbrennung eines schwer verbrennlichen, gasarmen Kohlenstaubes bekannt, der in einer Mühle erzeugt und mit Hilfe von Luft in Form eines Kohlenstaub-Trägergas-Gemisches dem Brenner zugeführt wird. Vor dem Eintritt in den Brenner wird der Kohlenstaub in mehreren Stufen in besonderen Vorwärmeinrichtungen durch ein Vorwärmmedium, das Luft sein kann, vorgewärmt. Nach jeder Stufe wird der Kohlenstaub von dem Vorwärmmedium getrennt.

In der DE-PS 12 25 334 ist ein Verfahren zum Betreiben von Feuerungen mit backendem Kohlenstaub beschrieben. Dieser Kohlenstaub wird durch Vermischen mit erhitzter Luft vor dem Eintritt in die Brenner auf eine Temperatur vorgewärmt, bei der der Kohlenstaub so weit voroxidiert wird, daß die Backbitumen in der äußeren Kornschicht zerstört werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, um staubförmige Kohle mit weniger als 10% flüchtigen Bestandteilen in einem Staubbrenner sicher zünden und verbrennen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Abtrennung des Kohlenstaubes und die Vermischung mit vorgewärmter Luft wird die Kohlenstaubbeladung in dem Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch erhöht, wodurch der absolute Gehalt an flüchtigen Bestandteilen in dem Kohlenstaub gesteigert wird. Es wird damit eine ausreichend große Menge an flüchtigen Bestandteilen zur Verfügung gestellt, die bei der erhöhten Temperatur des Gemisches ausgasen. Durch die bei der Verbrennung dieser ausgegasten flüchtigen Bestandteile freigesetzte Verbrennungswärme wird in einer Art Kettenreaktion die Zündtemperatur des Restkokses erreicht. Bei einer halbdirekten Feuerung erfolgt eine zweifache Zwischenabtrennung des Kohlenstaubes und bei einer indirekten Feuerung eine einfache Zwischenabtrennung. Die Temperatur und die Kohlenstaubbeladung des Kohlenstaub-Trägergas-Gemisches lassen sich durch die Abtrennung und die Vermischung mit der vorgewärmten Luft nahezu unabhängig voneinander in weiten Bereichen variieren.

Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Verfahrensschema für die halbdirekte Einblasung von Kohlenstaub in einen Brenner,
2 ein Verfahrensschema für die indirekte Einblasung von Kohlenstaub in einen Brenner,
3 einen Längsschnitt durch einen Brenner und
4 ein Diagramm.
In einer Mühle 1 wird Kohle mit einem Gehalt an flüchtigen Bestandteile von unter 10% (Anthrazit) gemahlen. Der so aufbereitete Kohlenstaub wird mit Hilfe von erwärmter Luft als Trägergas aus der Mühle 1 über eine Staubleitung 2 abgezogen. Aufgrund der in der Mühle 1 herrschenden Verhältnisse beträgt die Kohlenstaubbeladung μ in dem die Mühle 1 verlassenden Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch etwa 0,4 kg Kohlenstaub je kg Trägergas. Die Temperatur liegt bei etwa 100 °C. Um ein solches Gemisch in einem Staubbrenner sicher zünden und verbrennen zu können, wird der Anthrazit-Kohlenstaub, wie nachfolgend beschrieben, behandelt.
Das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch wird einem ersten Abscheider 3, der als Zyklon ausgebildet sein kann, zugeführt. In diesem Abscheider 3 wird der Kohlenstaub vom Trägergas abgetrennt. Das Trägergas (Brüden) wird über die Brüdenleitung 4 dem Feuerraum 5 eines Dampferzeugers zugeführt. Der abgetrennte Kohlenstaub gelangt über einen Zuteiler, z. B. eine Zellenradschleuse 6 in eine Staubleitung 7. In die Staubleitung 7 wird über eine Leitung 8 vorgewärmte Luft zugeführt. Die Temperatur der vorgewärmten Luft beträgt vorzugsweise etwa 400 °C. Diese Luft wird zweckmäßigerweise dem Luftvorwärmer des Dampferzeugers entnommen. Die Luft dient als Trägergas für den Kohlenstaub und wärmt das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch auf. Die Luftmenge wird in Abhängigkeit von der Menge des Kohlenstaubes so groß gewählt, daß die Temperatur des Gemisches auf 358 °C angehoben und die Kohlenstaubbeladung μ auf etwa 0,2 kg/kg eingestellt wird. Dieses Gemisch wird einem zweiten Abscheider 9 oder Zyklon zugeleitet, in dem der Kohlenstaub wieder von dem Trägergas abgetrennt wird. Die Brüden werden über eine zweite Brüdenleitung 10 in den Feuerraum 5 des Dampferzeuger eingeleitet. Der abgetrennte Kohlenstaub wird über eine zweite Zellenradschleuse 11 erneut mit vorgewärmter Luft von etwa 400 °C aus einer Leitung 12 gemischt und über eine weitere Staubleitung 13 einem Staubbrenner 14 zugeführt wird. Mehrere derartiger Staubbrenner 14 sind in der Wand des Feuerraumes 5 angeordnet. Je nach der Menge der zugeführten Luft beträgt die Temperatur des Gemisches in der weiteren Staubleitung 13 unmittelbar vor dem Eintritt in den Staubbrenner 379 °C bei einer Kohlenstaubbeladung von μ = 1,4 kg/kg oder 371 °C bei einer Kohlenstaubbeladung von μ = 3,0 kg/kg.
Anstelle der in 1 dargestellten halbdirekten Feuerung mit einer zweifachen Abtrennung des Kohlenstaubes kann auch die in 2 dargestellte indirekte Feuerung verwendet werden. Bei dieser Verfahrensweise wird der in einer Mühle gemahlene Kohlenstaub in einem Staubbunker 15 zwischengelagert. Dieser Staubbunker 15 erfüllt die gleiche Aufgabe wie der erste Abscheider 3 bei dem in 1 dargestellten Verfahren der halbdirekten Feuerung. Es genügt hierbei eine einfache Abtrennung des Kohlenstaubes. Diese erfolgt in dem zweiten Abscheider 9, nachdem der Kohlenstaub über die zweite Zellenradschleuse 11 aus dem Staubbunker abgezogen und in der weiteren Staubleitung 13 mit vorgewärmter Luft aus der Leitung 12 gemischt wurde.
Der verwendete Staubbrenner 14, der in 3 detaillierter dargestellt ist, ist zur Unterstützung des oben beschriebenen Verfahrens so ausgebildet, daß sich durch die Ausbildung eines Strömungsschattens im Zündbereich eine Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenstaub-Trägergas-Gemisches einstellt, die niedriger ist als die Rückzündgeschwindigkeit. Ein solcher Staubbrenner ist z. B. in der DE-PS 42 17 879 beschrieben. Er zeichnet sich durch einen konzentrischen Aufbau der Strömungsquerschnitte aus.
Im einzelnen weist der Staubbrenner 14 ein zentrales Kernluftrohr 16 auf, das eine Ölbrennerlanze 17 aufnimmt und das von einem Staubrohr 18 umgeben ist. Der Einlauf des Staubrohres 18 ist mit der Staubleitung 13 verbunden. Koaxial um das Staubrohr 18 ist ein Sekundärluftrohr 19 angeordnet, das mit einem spiralförmigen Eintrittsgehäuse 20 verbunden ist. Innerhalb des Sekundärluftrohres 19 sind verstellbare Axialdrallklappen 21 angeordnet, durch die die Sekundärluft in eine stabile Drallströmung versetzt wird. Koaxial um das Sekundärluftrohr 19 ist ein Tertiärluftrohr 22 angeordnet, das ebenfalls mit einem spiralförmigen Eintrittsgehäuse 23 verbunden ist. Innerhalb des Tertiärluftrohres 22 sind wiederum verstellbare Axialdrallklappen 24 angeordnet, durch die die Tertiärluft in eine stabile Drallströmung versetzt wird. Die Verbrennungsluft wird durch das Kernluftrohr 16, das Sekundärluftrohr 19 und das Tertiärluftrohr 22 in drei Teilströme aufgeteilt aufgegeben.
Innerhalb des Staubrohres 18 befindet sich in einem bestimmten Abstand vor dessen Mündung auf dem zentralen Kernluftrohr 16 ein Drallkörper 25. Der Drallkörper 25 versetzt den Strom des Kohlenstaub-Trägergas-Gemisches in eine Rotationsströmung, wodurch eine Vergleichmäfligung der Durchströmung innerhalb des Staubrohres 18 bei gleichzeitiger Anreicherung des Staubes am äufleren Umfang der Staubrohres 18 bewirkt wird. Am Austritt des Staubrohres 18 ist ein Stabilisierungsring 26 angebracht, der an seinem Umfang mit einzelnen mit seitlichem Abstand voneinander angeordneten Segmenten versehen ist. Die Segmente des Stabilisierungsringes 26 ragen vom Außenumfang her in das Staubrohr 18 hinein und reißen dadurch den Staubstrom gleichmäßig auf, lenken ihn nach innen ab und bauen so eine zündunterstützende Rezirkulationszone in dem Strömungsschatten des Stabilisierungsringes 26 auf.
Unmittelbar am Austritt des Staubrohres 18 ist als Verlängerung des Staubrohres 18 eine Sekundärluftabweiskehle 27 angeordnet. Das Tertiärluftrohr 22 mündet in einer Tertiärluftabweiskehle 28. Durch die Form und Gestaltung der spiralförmigen Eintrittsgehäuse 20, 23 für die Sekundärluft und die Tertiärluft sowie durch die Anordnung der Luftabweiskehlen 27, 28 wird die Verbrennungsluft zu einer stabilen Drallströmung ausgebildet, die den inneren Flammenkern umgibt. Um die Turbulenzen an den Grenzflächen und damit die frühzeitige Vermischung der Einzelströme gering zu halten, ist deren Drehrichtung gleich.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielte Wirkung sei an Hand der 4 erläutert. In der 4 ist der Zusammenhang zwischen der Beladung (linke Y-Achse), der Gemischtemperatur (X-Achse) und der Freisetzung der flüchtigen Bestandteile (rechte Y-Rchse) am Beispiel eines Anthrazites mit 5% flüchtigen Bestandteilen gezeigt. Die Kurve A stellt in Verbindung mit der rechten y-Achse die Freisetzung der flüchtigen Bestandteile in Abhängigkeit von der Gemischtemperatur dar. Es zeigt sich, daß mit steigender Temperatur des Gemisches der Anteil an flüchtigen Bestandteilen ansteigt, der in dem Gemisch aus der Kohle freigesetzt wird. Bei einer Gemischtemperatur von 100 °C, die am Austritt der Mühle erreicht wird, werden bei einer Beladung von μ = 0,4 kg/kg (Punkt B) aus dem Anthrazit keine flüchtigen Bestandteile freigesetzt. Es steht somit bei einer direkten Feuerung gemäß dem Stand der Technik am Brenneraustritt kein Brenngas zur Verfügung, so daß es nicht möglich ist, die Flamme am Brenneraustritt zu zünden. Dagegen wird bei einer halbdirekten Feuerung mit einer zweifachen Abtrennung des Kohlenstaubes und einer Gemischtemperatur von 360 bis 400 °C gemäß der Kurve C unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht, daß ein nennenswerter Anteil der flüchtigen Bestandteile am Brenneraustritt bereits ausgegast ist und zündet. Wie sich der 4 entnehmen läßt, sind in einem Gemisch mit einer Beladung von μ = 2,0 kg/kg und einer Temperatur 370 °C 1,6% der flüchtigen Bestandteile ausgegast. Durch die eingeleitete Initialzündung steigt die Gemischtemperatur weiter an, und gemäß der Kurve A gasen weitere Bestandteile aus und verbrennen. Derselbe Effekt läßt sich auch durch den Einsatz einer indirekten Feuerung mit einer einfachen Abtrennung erreichen.

Claims

Verfahren zum Verbrennen von Kohle mit weniger als 10% flüchtigen Bestandteilen in einem Brenner mit Hilfe von Verbrennungsluft, bei dem die Kohle in einer Mühle gemahlen und mit Hilfe von Luft als Trägergas in Form eines Kohlenstaub-Trägergas-Gemisches dem Brenner zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eintritt in den Brenner der Kohlenstaub aus dem Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch abgetrennt wird, daß der abgetrennte Kohlenstaub mit vorgewärmter Luft gemischt und in ein Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch mit erhöhter Temperatur und geringer Kohlenstaubbeladung übergeführt wird, daß der Kohlenstaub aus diesem Gemisch erneut abgetrennt und mit erwärmter Luft gemischt und in ein Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch mit erhöhter Temperatur und erhöhter Kohlenstaubbeladung übergeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstaub aus der Mühle halbdirekt dem Brenner zugeführt und die erste Abtrennung des Kohlenstaubes in einem der Mühle nachgeschalteten Abscheider vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstaub aus der Mühle indirekt dem Brenner zugeführt und die erste Abtrennung des Kohlen taubes in einem der zweiten Abtrennung vorgeschalteten Staubunker vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewärmte Luft auf etwa 400°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstaubbeladung in dem durch Zufuhr einer entsprechenden Menge an vorgewärmter Luft nach der ersten Abtrennung auf unter 0,5, vorzugsweise unter 0,2 kg Kohlenstaub/kg Luft und nach der zweiten Abtrennung auf über 1,0 kg Kohlenstaub/kg Luft eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch auf 360 bis 400°C erwärmt wird.