DE69730702T2

DE69730702T2 - Vorrichtung und verfahren zur verbrennung von brennstoff

Info

Publication number: DE69730702T2
Application number: DE69730702T
Authority: DE
Inventors: Katsuji Mukai; Yoshihiko 1 SUMITANI; Toshiyuki 1 ISHINOHACHI
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: DE69730702T3; EP0887589B2; CN1214765A; DE69730702D1; DE69728191D1; US6230635B1; EP1156274A3; US20010032572A1; US6439140B2; EP0887589A4; EP0887589B9; CN1316197C; EP0887589B1; DE69728191T2; EP1156274A2; KR100330538B1; JP3322887B2; EP1156274B1; US20010007233A1; TW353133B

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbrennen mindestens eines Brennstoffs, der ausgewählt ist aus Pulverbrennstoffen und Flüssigbrennstoffen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, um beispielsweise in einem Drehrohrofen zur Herstellung von Zementklinker, Magnesiaklinker oder Kalk einen Pulverbrennstoff, beispielsweise einen Festpulverbrennstoff, wie etwa ein feines Kohlepulver oder Kokspulver, und einen Pulverbrennstoff, der brennbaren Abfall, wie z. B. Kunststoffpulver, Abfallpulver, Holzspäne und Spreu enthält, oder einen Pulverbrennstoff und einen Flüssigbrennstoff, beispielsweise einen Brennstoff in flüssigem Zustand, wie etwa Schweröl oder Altöl, und eine Brennstoffaufschlämmung, die ein brennbares Pulver, wie z. B. Kohlepulver oder Kokspulver, zu verbrennen.
STAND DER TECHNIK
Zum Verbrennen eines Pulverbrennstoffs, wie z. B. eines feinen Kohlepulvers, kann eine Verbrennungsvorrichtung der Zylinderbauart für das feine Kohlepulver, wie in der japanischen geprüften Patentveröffentlichung Nr. 57-35368 aufgezeigt, verwendet werden. In der Verbrennungsvorrichtung sind eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen in dem Mittelabschnitt der Vorrichtung angeordnet, sind eine Vielzahl (4 bis 8) Feinkohlepulver-Ausstoßöffnungen zum Ausstoßen einer Mischung aus feinem Kohlepulver und Luft zum Transport des Kohlepulvers um die inneren Primärluftausstoßöffnungen angeordnet und voneinander durch Trennwände getrennt, und ferner ist ein äußerer Umfangs-Primärluftausstoßschlitz mit einem ringförmigen Querschnittsprofil um die Feinkohlepulver-Ausstoßöffnungen angeordnet. In dieser Vorrichtung wird das feine Kohlepulver in Form von 4 bis 8 Ausstoßströmen durch die voneinander getrennten Ausstoßöffnungen ausgestoßen und eine Vielzahl von inneren geraden Primärluftausstoßströmen und ein ringförmiger gerader Primärluftausstoßstrom werden in der Weise ausgestoßen, dass die Ausstoßströme des feinen Kohlepulvers zwischen die inneren Primärluftausstoßströme und den ringförmigen Primärluftausstoßstrom gelegt sind. Da die Strömungsgeschwindigkeit der Ausstoßströme des feinen Kohlepulvers niedriger ist als diejenige der inneren und äußeren geraden Primärluftausstoßströme, werden die Ausstoßströme des feinen Kohlepulvers durch die inneren und äußeren geraden Primärluftausstoßströme beschleunigt und das feine Kohlepulver wird weit weggeblasen. Während des vorstehend beschriebenen Ausstoßvorganges wird Hochtemperatur-Sekundärluft von einer Produktkühlvorrichtung, die stromabwärts der Brennkammer angeordnet ist, in die Brennkammer eingeführt, tritt durch Lücken des äußeren geraden Primärluftausstoßstroms, tritt in das Innere des äußeren geraden Primärluftausstoßstroms ein und wird in die Ausstoßströme des feinen Kohlepulvers eingesaugt und darin diffundiert, um das feine Kohlepulver zu verbrennen.
Auch der in der japanischen geprüften Patentveröffentlichung Nr. 2-22,289 aufgezeigte Brenner zum Verbrennen eines feinen partikelförmigen Festbrennstoffs ist mit einer Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen, die in Ringform um den Mittelabschnitt des Brenners angeordnet sind und voneinander durch Trennwände getrennt sind, einer Vielzahl von Ausstoßöffnungen für feinen partikelförmigen Festbrennstoff/Förderluft, die in Ringform um die inneren Primärluftausstoßöffnungen angeordnet sind, und äußeren Primärluftausstoßöffnungen versehen, die in Ringform um die vorstehend genannten Ausstoßöffnungen für feinen partikelförmigen Festbrennstoff/Förderluft angeordnet sind. In dem Brenner werden die Strömungswiderstände des feinen partikelförmigen Festbrennstoffs an den Ausstoßendoberflächen voneinander verschieden gemacht und die Verteilungsdichte des feinen partikelförmigen Festbrennstoffs wird ungleichmäßig gemacht, um dadurch die Verbrennungsgeschwindigkeit zu steigern und eine kurze Flamme zu formen.
Wenn ein Pulverbrennstoff und Primärluft ausgestoßen werden und Hochtemperatur-Sekundärluft in die ausgestoßenen Pulverbrennstoff- und Primärluftströme gemischt wird, um den Pulverbrennstoff zu verbrennen, wird allgemein die Verbrennung des Pulverbrennstoffs durch die gesamte Primärluftmenge und die Sekundärluft in einer Menge, die der Differenz zwischen der theoretischen Verbrennungsluftmenge und der gesamten Primärluftmenge entspricht, bewirkt. In diesem Fall ist die Temperatur der Primärluft 60 bis 80°C und die Temperatur der Sekundärluft 800 bis 1000°C. Daher ist die Verbrennungsleistung von dem Primärluftverhältnis (das sich auf ein Verhältnis der gesamten Primärluftmenge zu der theoretischen Verbrennungsluftmenge bezieht) abhängig, und je niedriger das Primärluftverhältnis ist, desto besser ist die Verbrennung.
Wenn jedoch das Primärluftverhältnis verringert wird, um die Verbrennung zu fördern, wird die Strömungsgeschwindigkeit der Primärluftausstoßströme entsprechend vermindert, die Vermischung der Sekundärluft in das Verbrennungsgemisch wird ungenügend und somit verursacht die vorstehend genannte Verringerung insofern einen Nachteil, als die Verbrennungsgeschwindigkeit des Pulverbrennstoffs abnimmt, die Brennpunkttemperatur verringert wird und eine unvollständige Verbrennung der feinen partikelförmigen Kohle auftritt. Aus diesen Gründen ist bei der herkömmlichen Vorrichtung und bei dem herkömmlichen Verfahren zum Verbrennen des Pulverbrennstoffs das Primärluftverhältnis allgemein etwa 20 bis 25%, und es ist schwierig, in der Praxis ein Primärluftverhältnis unter dem vorstehend genannten Niveau anzuwenden.
Auch ist es bei der herkömmlichen Vorrichtung und dem Verfahren zum Verbrennen des Pulverbrennstoffs möglich, in einem gewissen Ausmaß die Position des Brennpunkts durch Steuerung des Verhältnisses der Strömungsgeschwindigkeit der inneren geraden Primärluftausstoßströme zu den inneren drehenden Primärluftausstoßströmen einzustellen. In der Praxis ist jedoch die vorstehend genannte Steuerung eines Brenners schwierig. Es ist erforderlich, die Konstruktion der Ausstoßöffnungen für die inneren geraden Primärluftströme und der Ausstoßöffnungen für die inneren drehenden Primärluftströme ansprechend auf die Leistung des Drehrohrofens zu verändern. Auch in diesem Fall hat dann, wenn die inneren geraden Primärluftströme zu stark sind, die resultierende Verbrennungsflamme die Form einer langen Flamme mit schmalem Winkel und die Brennpunkttemperatur ist ungenügend. Auch wenn die inneren drehenden Primärluftströme zu stark sind, hat die resultierende Verbrennungsflamme die Form einer kurzen Flamme mit breitem Winkel. Während in diesem Fall die Brennpunkttemperatur hoch ist, ist der Winkel der Flamme zu breit und somit wird die Ofenwand stark beschädigt. Im schlimmsten Fall wird die Ofenwand zerstört.
Auch wenn ein Flüssigbrennstoff in einer Vorrichtung und bei einem Verfahren zum Verbrennen eines Flüssigbrennstoffs verwendet wird, bei dem der Flüssigbrennstoff in einen Verbrennungsofen eingespritzt wird, wird der eingespritzte Flüssigbrennstoff mit Primärluft und des weiteren mit Hochtemperatur-Sekundärluft vermischt und verbrannt. In diesem Fall wird die Verbrennung eines brennbaren Stoffes in dem Flüssigbrennstoff in Reaktion auf die mit dem Flüssigbrennstoff gemischte Primärluftgesamtmenge und die Sekundärluftmenge bewirkt, die der Differenz zwischen der theoretischen Verbrennungsluftmenge und der Primärluftgesamtmenge entspricht. Gewöhnlich ist die Temperatur der Primärluft 60 bis 80°C und die Temperatur der Sekundärluft ist 800 bis 1000°C. Daher variiert die Verbrennungsleistung in Reaktion auf das Primärluftverhältnis (was sich auf ein Verhältnis der Primärluftgesamtmenge zu der theoretischen Verbrennungsluftmenge bezieht). Je kleiner das Primärluftverhältnis, desto höher ist die Temperatur der für die Verbrennung verwendeten Luft, und als Resultat steigt die Verbrennungstemperatur an und die Brennpunkttemperatur steigt an, womit eine gute Verbrennung auftritt.
Wenn jedoch das Primärluftverhältnis verringert wird, um die Verbrennungsbedingungen zu verbessern, treten Nachteile auf, wie z. B. die Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit des Primärluftausstoßes, die unzureichende Vermischung der Sekundärluft, die Abnahme der Brennpunkttemperatur und die unvollständige Verbrennung des Flüssigbrennstoffs. Wenn C-Schweröl in der herkömmlichen Vorrichtung und bei dem herkömmlichen Verfahren zum Verbrennen des Flüssigbrennstoffs als Brennstoff verwendet wird, wird das Primärluftverhältnis auf etwa 12 bis 15% gesteuert. Wenn das Primärluftverhältnis weiter unter das vorstehend genannte Niveau vermindert wird, ist eine gute Verbrennung des Flüssigbrennstoffs in der Praxis schwierig zu erreichen.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung und dem Verfahren zum Verbrennen des Flüssigbrennstoffs ist es schwierig, die Position des Brennpunkts durch Steuerung des Strömungsgeschwindigkeitsverhältnisses der in einen Verbrennungsofen eingespritzten Flüssigbrennstoffströme zu den gleichzeitig mit den Flüssigbrennstoffströmen gebildeten Primärluftausstoßströmen einzustellen. Daher hat die in dem Verbrennungsofen gebildete Verbrennungsflamme die Form einer schmalwinkligen langen Flamme, wobei die Brennpunkttemperatur möglicherweise nicht ausreichend hoch ist, oder die Form einer breitwinkligen kurzen Flamme, bei der die Brennpunkttemperatur ausreichend hoch ist, während die Flamme zu breit gespreizt ist und somit die Ofenwand stark beschädigt wird. Im schlimmsten Fall wird die Ofenwand zerstört.
Ferner sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen von Pulverbrennstoff und Flüssigbrennstoff bekannt, bei dem ein Pulverbrennstoff und ein Flüssigbrennstoff zusammen verwendet werden. Bei der Vorrichtung und dem Verfahren werden der Pulverbrennstoff und der Flüssigbrennstoff zusammen mit Primärluft ausgestoßen und des weiteren mit der Hochtemperatur-Sekundärluft gemischt. In diesem Fall wird allgemein die Verbrennung dieser Brennstoffe in Reaktion auf die Primärluftgesamtmenge und die Sekundärluft in einer Menge, die der Differenz zwischen der theoretischen Verbrennungsluftmenge und der Primärluftgesamtmenge entspricht, bewirkt. Bei dieser Verbrennung ist die Temperatur der Primärluft 60 bis 80°C und die Temperatur der Sekundärluft ist 800 bis 1000°C, sodass die Verbrennungsleistung in Abhängigkeit von dem Primärluftverhältnis (was sich auf ein Verhältnis der Primärluftgesamtmenge zu der theoretischen Verbrennungsluftmenge bezieht) variiert, und je niedriger das Primärluftverhältnis ist, desto höher ist die Temperatur der für die Verbrennung verwendeten Luft, und als Resultat nimmt die Verbrennungsgeschwindigkeit zu, die Brennpunkttemperatur wird hoch und eine gute Verbrennung tritt auf.
Wenn jedoch das Primärluftverhältnis verringert wird, um die Verbrennungsbedingungen zu verbessern, treten Nachteile auf, wie z. B. die Abnahme der Ausstoßströmungsgeschwindigkeit und damit die unzureichende Vermischung der Sekundärluft, die Absenkung der Verbrennungsgeschwindigkeit des Pulverbrennstoffs und des Flüssigbrennstoffs, die Abnahme der Brennpunkttemperatur und die unvollständige Verbrennung der Brennstoffe. Aus diesen Gründen ist bei der herkömmlichen Vorrichtung und dem Verfahren zur Mischverbrennung der Brennstoffe das Primärluftverhältnis gewöhnlich etwa 20 bis 25%, und es ist in der Praxis schwierig, die Mischverbrennung bei einem verminderten Primärluftverhältnis mit einer gesteigerten Verbrennungsgeschwindigkeit und einer gesteigerten Brennpunkttemperatur durchzuführen. Ferner ist es bei der herkömmlichen Vorrichtung und dem Verfahren zur Mischverbrennung in einem bestimmten Ausmaß möglich, die Brennpunktposition durch Steuerung des Strömungsgeschwindigkeitsverhältnisses der geraden inneren Primärluftströme und der drehenden inneren Primärluftströme, die zusammen mit den geraden Strömen gebildet werden, einzustellen. In der Praxis ist die vorstehend beschriebene Regelung eines Brenners schwierig und es ist somit erforderlich, die Konstruktion der Ausstoßöffnungen für die inneren geraden Primärluftströme und der Ausstoßöffnung für die inneren drehenden Primärluftströme in Reaktion auf die Eigenschaften des Drehrohrofens zu verändern. Wenn in diesem Fall die inneren geraden Primärluftströme zu stark werden, hat die resultierende Verbrennungsflamme die Form einer langen Flamme mit schmalem Winkel, in der die Brennpunkttemperatur unzureichend niedrig ist. Wenn die inneren drehenden Primärluftströme zu stark werden, wird die resultierende Verbrennungsflamme eine kurze Flamme mit breitem Winkel, in der die Brennpunkttemperatur ausreichend hoch ist, wobei die Flamme zu breit wird und somit die Ofenwand stark beschädigt wird. Im schlimmsten Fall wird die Ofenwand zerstört.
Die EP 0 440 281 beschreibt einen Brenner zum Zuliefern eines Brennstoffs zu einem Hochofen. Der Brenner enthält ein zentrales Rohr zum Zuliefern von flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff und einen Kanal zum Zuliefern von Verbrennungsluft in Form von Primärluft in die Verbrennungszone. Der Kanal hat ein ringförmiges Querschnittsprofil und umgibt das zentrale Rohr konzentrisch. Das Kanalprofil umgibt das zentrale Rohr konzentrisch. Der Kanal enthält eine Einrichtung, um der Geschwindigkeit der Luft in der Verbrennungszone einen Wirbel und/oder eine radiale Komponente zu verleihen. Ein den Kanal konzentrisch umgebender Kanal ist vorgesehen, um pneumatisch einen Festbrennstoff in die Verbrennungszone zuzuliefern, und ein weiteres Kanalsystem zum Zuliefern einer Menge von Verbrennungsluft in die Verbrennungszone ist außerhalb des konzentrischen Kanals vorgesehen.
Die EP 0 619 458 beschreibt einen Brenner für einen Hochofen, der aus drei ringförmigen Rohren besteht, die koaxial Nahe aneinander angeordnet sind. Durch das äußere und das innere Rohr wird Primärluft in die Verbrennungszone des Brenners zugeliefert, während durch das mittlere Rohr Kohlenstaub als Brennstoff in die Verbrennungszone transportiert wird. Die Primärluft von dem äußeren Rohr wird durch Düsen ausgestoßen, wodurch eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsstrahlen erzeugt werden, die einen Druckbereich zwischen sich erzeugen, der heiße Sekundärluft ansaugt, die den Brenner in der Verbrennungszone umgibt.
Die JP 1-74432 U beschreibt einen Brennerspitze, die eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen hat, die auf mindestens zwei konzentrischen Umfängen angeordnet sind, um eine wechselseitige Beeinflussung der ausgestoßenen Brennstoffströme zu bieten. In der Brennerspitze wird ein Flüssigbrennstoff, beispielsweise eine Aufschlämmung eines Pulverbrennstoffs, insbesondere eines niederkalorischen Brennstoffs, durch eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen in Richtungen ausgestoßen, die von der Mittellinie der Brennerspitze nach außen geneigt sind. Die in diesem Dokument beschriebene Brennerspitze hat keine Ausstoßöffnungen nur für Primärluft.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren zur Verbrennung besteht ein großer Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren, die in der Lage sind, eine Verbrennungsflamme mit kurzer Flammenform mit schmalem Winkel zu bilden, die Brennpunkttemperatur unter Verwendung eines Pulverbrennstoffs oder eines Flüssigbrennstoffs oder unter Verwendung eines Pulverbrennstoffs zusammen mit einem Flüssigbrennstoff ausreichend zu erhöhen und eine gute Verbrennung ohne Beschädigung der Ofenwand zu erzielen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs zu schaffen, die in der Lage sind, eine Verbrennungsflamme in Form einer kurzen Flamme mit schmalem Winkel zu bilden, die eine ausreichend hohe Brennpunkttemperatur hat, und zwar unter Verwendung beispielsweise eines Pulverbrennstoffs oder eines Pulverbrennstoffs zusammen mit einem Flüssigbrennstoff, während die Beschädigung der Wand des Verbrennungsofens verhindert oder reduziert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs zu schaffen, welche in der Lage sind, einen Brennstoff, beispielsweise einen Pulverbrennstoff oder einen Pulverbrennstoff und einen Flüssigbrennstoff mit hoher Effizienz zu verbrennen, und die keine übermäßige Erwärmung der Wand des Verbrennungsofens verursachen.
Die Vorrichtung und das Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff gemäß vorliegender Erfindung ermöglichen die Verwendung eines preiswerten Brennstoffs, beispielsweise eines Kohlepulvers oder eines Kokspulvers, der einen sehr geringen Gehalt an flüchtigen Komponenten hat und somit als unbrauchbar betrachtet wird. Ferner ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff gemäß vorliegender Erfindung nicht nur die Verwendung eines Flüssigbrennstoffs, wie z. B. Schweröl, sondern auch einer Aufschlämmung aus preiswertem Brennstoff, wie z. B. Kohlepulver oder Kokspulver, was eine Reduzierung der Brennstoffkosten ermöglicht.
Die Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff gemäß vorliegender Erfindung enthält eine Einrichtung zum Ausstoßen eines Pulverbrennstoffs, enthaltend ein Pulverbrennstoffausstoßrohr, das eine ringförmige Ausstoßöffnung hat, durch die ein Pulverbrennstoff zusammen mit Luft zum Fördern des Pulverbrennstoffs ausgestoßen wird; ein äußeres Primärluftausstoßrohr, das an der Außenseite der Brennstoffausstoßeinrichtung angeordnet ist und eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen hat, durch welche die Primärluft parallel zu der Brennstoffausstoßrichtung der Brennstoffausstoßeinrichtung ausgestoßen wird; und ein inneres Primärluftausstoßrohr, das an der Innenseite der Brennstoffausstoßeinrichtung angeordnet ist und eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen hat, durch welche die Primärluft parallel zu der Brennstoffausstoßrichtung der Brennstoffausstoßeinrichtung ausgestoßen wird, wobei sowohl die innere als auch die äußere Primärluftausstoßöffnung auf konzentrischen Umfängen angeordnet sind. Die ringförmige Ausstoßöffnung des Pulverbrennstoffausstoßrohrs ist zwischen den äußeren Luftausstoßöffnungen und den inneren Luftausstoßöffnungen angeordnet und die inneren Primärluftausstoßöffnungen sind abseits von geraden Linien angeordnet, die durch die Mittelpunkte der äußeren Primärluftausstoßöffnungen und den Mittelpunkt der konzentrischen Umfänge verlaufen.
Das Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff gemäß vorliegender Erfindung wird unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff gemäß vorliegender Erfindung ausgeführt und enthält das Ausstoßen mindestens eines Elements, das ausgewählt ist aus Pulverbrennstoffen und Flüssigbrennstoffen, durch die Brennstoffausstoßeinrichtung; und das Ausstoßen von Primärluft durch die äußeren und inneren Primärluftausstoßöffnungen in der gleichen Richtung wie die Brennstoffausstoßrichtung, um äußere und innere Primärluftausstoßströme zu bilden, zwischen welchen der Brennstoffausstoßstrom liegt.
Die vorstehend beschriebene Brennstoffausstoßeinrichtung, die für die Vorrichtung und das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung verwendbar ist, kann aus einem Pulverbrennstoffausstoßrohr mit einer ringförmigen Ausstoßöffnung bestehen, durch welche ein Pulverbrennstoff zusammen mit Pulverbrennstoffförderluft ausgestoßen wird, kann aus einer Vielzahl von Flüssigbrennstoffspritzrohren bestehen, die Flüssigbrennstoffausstoßöffnungen haben, die auf dem selben Umfang angeordnet sind und durch die ein Flüssigbrennstoff radial gespritzt wird, oder kann aus einem Pulverbrennstoffausstoßrohr bestehen, das eine ringförmige Ausstoßöffnung hat, durch welche ein Pulverbrennstoff zusammen mit Pulverbrennstoffförderluft ausgestoßen wird, und einer zusätzlichen Brennstoffausstoßeinrichtung, die aus Flüssigbrennstoffspritzrohren besteht, die an der Innenseite der inneren Primärluftausstoßrohre angeordnet sind und Flüssigbrennstoffspritzöffnungen haben, durch welche der Flüssigbrennstoff radial gespritzt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erläuternde Darstellung, die eine Anordnung der Verbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung in ihrer Verwendung in einem Drehrohrofen zeigt,
2 ist eine erläuternde Seitenansicht eines Heizofens, der eine Ausführungsform der Verbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung enthält, nämlich eine Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff,
3(A) in 3 ist eine erläuternde Seitenansicht im Querschnitt, die den Aufbau einer Ausführungsform der Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff gemäß vorliegender Erfindung zeigt,
3(B) in 3 ist eine erläuternde Vorderansicht der in 3(A) gezeigten Vorrichtung,
4 ist eine erläuternde Seitenansicht eines Heizofens, der eine Verbrennungsvorrichtung enthält, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, nämlich eine Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff,
5(A) in 5 ist eine erläuternde Seitenansicht im Querschnitt, die den Aufbau der Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff gemäß 4 zeigt,
5(B) in 5 ist eine erläuternde Vorderansicht der in 5(A) gezeigten Vorrichtung,
6 ist eine erläuternde Seitenansicht eines Heizofens, der eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung enthält, nämlich eine Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff und Flüssigbrennstoff,
7(A) in 7 ist eine erläuternde Seitenansicht im Querschnitt, die den Aufbau einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung zur Mischverbrennung eines Pulverbrennstoffs und eines Flüssigbrennstoffs zeigt,
7(B) in 7 ist eine erläuternde Vorderansicht der Vorrichtung aus 7(A).
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
Die Verbrennungsvorrichtung und das Verbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung werden in vorteilhafter Weise in Drehrohröfen zur Herstellung von Zementklinker, Magnesiaklinker oder Kalk verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Brennstoff mindestens ein Element, das ausgewählt ist aus Pulverbrennstoffen und Flüssigbrennstoffen.
Wie 1 zeigt, ist ein Austragabschnitt eines Drehrohrofens 1 mit einem Einlassabschnitt einer Produktkühlvorrichtung 2 verbunden, eine Verbrennungsvorrichtung 3 für Brennstoff ist in den Austragabschnitt des Drehrohrofens 1 eingesetzt und auf den Einlassabschnitt des Drehrohrofens gerichtet. Ein in dem Drehrohrofen 1 hergestelltes Produkt wird in das Produktkühlsystem 2 eingeführt, von in die Kühlvorrichtung 2 eingeführter Kühlluft 4 gekühlt, und durch einen Wärmeaustausch in dem Kühlsystem 2 erzeugte Hochtemperaturluft 5 wird als Sekundärluft durch den Einlassabschnitt der Kühlvorrichtung 2 in den Drehrohrofen 1 rückgeführt und zum Verbrennen eines Brennstoffs verwendet.
2 zeigt eine erläuternde Seitenansicht einer Ausführungsform eines Heizofens, der eine Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff gemäß vorliegender Erfindung enthält, wenn bei der vorliegenden Erfindung ein Pulverbrennstoff als Brennstoff verwendet wird. In 2 ist eine zylindrische Verbrennungsvorrichtung 11 für Pulverbrennstoff in einen Heizofen, beispielsweise einen Drehrohrofen, durch eine Ofenwand 12 eingeführt. Die Verbrennungsvorrichtung 11 enthält ein Pulverbrennstoffausstoßrohr, das eine ringförmige Ausstoßöffnung hat, durch welche ein Pulverbrennstoff zusammen mit Luft zum Fördern des Pulverbrennstoffs ausgestoßen wird; ein inneres Primärluftausstoßrohr, das eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen hat, und einen äußeres Primärluftausstoßrohr, das eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen hat, wobei das innere beziehungsweise das äußere Ausstoßrohr jeweils entlang der inneren und der äußeren Umfangsfläche des Pulverbrennstoffausstoßrohrs angeordnet sind.
In 2 ist in einem Endabschnitt 13 der Verbrennungsvorrichtung 11 für Pulverbrennstoff, der außerhalb des Heizofens angeordnet ist, ein Pulverbrennstoffzulieferrohr 14 zum Zuliefern eines Mischstromes aus einem Pulverbrennstoff und Brennstoffförderluft angeordnet. Das Zulieferrohr 14 ist mit dem vorstehend beschriebenen Pulverbrennstoffausstoßrohr verbunden. Ferner ist in dem Endabschnitt 13 ein Primärluftzulieferrohr 15 angeordnet. Das Zulieferrohr 15 ist in ein äußeres Primärluftzulieferrohr 16 und ein inneres Primärluftzulieferrohr 17 verzweigt, wobei das äußere Primärluftzulieferrohr 16 mit dem äußeren Primärluftausstoßrohr verbunden ist und das innere Primärluftzulieferrohr 17 mit dem inneren Primärluftausstoßrohr verbunden ist. In der Verbrennungsvorrichtung aus 2 sind zwei Schweröl- bzw. Gasbrenner 18 zur Zündung im Mittelabschnitt der Vorrichtung angeordnet.
In der Vorrichtung aus 2 wird ein Pulverbrennstoffstrom 19 durch eine ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen, eine Vielzahl von inneren geraden Primärluftströmen 20 wird in das Innere des ringförmigen Pulverbrennstoffstroms ausgestoßen und eine Vielzahl von äußeren geraden Primärluftströmen wird an der Außenseite des ringförmigen Pulverbrennstoffstroms ausgestoßen, um so einen Verbundstrom aus den vorstehend genannten Strömen zu bilden, und in den Verbundstrom werden Hochtemperatur-Sekundärluftströme 5 gemischt, um den Pulverbrennstoff zu verbrennen.
Die Verbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung für einen Pulverbrennstoff enthält ein Pulverbrennstoffausstoßrohr mit einer ringförmigen Ausstoßöffnung, durch welche ein Pulverbrennstoff zusammen mit Luft zum Fördern des Brennstoffs ausgestoßen wird, eine äußeres, entlang der äußeren Umfangsfläche des Pulverbrennstoffausstoßrohrs angeordnetes Primärluftausstoßrohr, das eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen hat, durch welche die Primärluft in der gleichen Richtung wie die Richtung des Pulverbrennstoffausstoßes durch die ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen wird, und ein entlang der inneren Umfangsfläche des Pulverbrennstoffausstoßrohrs angeordnetes inneres Primärluftausstoßrohr, das eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen hat, durch welche die Primärluft in der gleichen Richtung wie die Richtung des Pulverbrennstoffausstoßes durch die ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen wird.
Ebenso enthält das Verbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung, das die vorstehend genannte Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff verwendet, die folgenden Schritte: ein Pulverbrennstoff wird zusammen mit Pulverbrennstoff-Förderluft durch die vorstehend genannte ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen und Primärluft wird durch die Vielzahl von äußeren und inneren Primärluftausstoßöffnungen in der gleichen Richtung wie der Pulverbrennstoffausstoßstrom ausgestoßen, um äußere und innere gerade Primärluftströme zu bilden, zwischen welche der Pulverbrennstoff-Ausstoßstrom zwischengelegt ist.
Eine erläuternde seitliche Schnittansicht und eine erläuternde Vorderansicht einer Ausführungsform der Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff gemäß vorliegender Erfindung sind in 3(A) und 3(B) gezeigt. 3(A) ist eine erläuternde Schnittansicht der in 3(B) gezeigten Vorrichtung entlang einer gekrümmten Linie X-X'.
In 3(A) und (B) ist ein äußeres Primärluftausstoßrohr 23 innerhalb einer äußersten Umfangswand 22 einer zylindrischen Verbrennungsvorrichtung 11 angeordnet und in einem Ausstoßende des Rohres 23 sind eine Vielzahl, beispielsweise 6 bis 16, vorzugsweise 8 bis 14, äußere Primärluftausstoßöffnungen 24 gebildet. An der Innenseite des äußeren Primärluftausstoßrohrs 23 ist ein Pulverbrennstoffausstoßrohr 25 zum Ausstoßen einer Mischung aus Pulverbrennstoff mit Pulverbrennstoffförderluft in konzentrisch kreisförmiger Beziehung zu dem äußeren Primärluftausstoßrohr 23 angeordnet, und in dem Ende des Rohres 25 ist eine ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung 26 gebildet. Ferner ist an der Innenseite des Pulverbrennstoffausstoßrohrs 25 ein inneres Primärluftausstoßrohr 27 angeordnet und in dem Ausstoßende des Rohres 27 sind eine Vielzahl, beispielsweise 6 bis 16, vorzugsweise 8 bis 14 innere Primärluftausstoßöffnungen 28 gebildet.
Die vorstehend beschriebene ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung 26, die äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 und die inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 sind so gebildet, dass deren Ausstoßrichtungen gleich sind (bzw. zueinander parallel sind). Entsprechend wird der Pulverbrennstoff durch die ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung 26 ausgestoßen und bildet einen Pulverbrennstoffstrom 19, der ein ringförmiges Querschnittsprofil hat, und wird die Primärluft durch eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 ausgestoßen und bildet eine Vielzahl von äußeren geraden Primärluftströmen. Diese Ströme verlaufen entlang dem äußeren Umfang des Pulverbrennstoffstroms 19. Ferner wird die Primärluft durch eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 ausgestoßen und bildet eine Vielzahl von inneren geraden Primärluftströmen, die entlang dem inneren Umfang des Pulverbrennstoffstroms mit ringförmigem Querschnitt verlaufen. Demgemäß liegt der Pulverbrennstoffstrom zwischen den inneren und äußeren geraden Primärluftströmen und wird dadurch beschleunigt und verteilt. Der verteilte Pulverbrennstoff wird mit Hochtemperatur-Sekundärluft gemischt, die durch zwischen den äußeren geraden Primärluftströmen gebildete Spalten geführt wird, und wird verbrannt. Da bei diesem Vorgang die äußeren Primärluftströme in einer Vielzahl von unterteilten geraden Strömen mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden, kann die Hochtemperatur-Sekundärluft ohne weiteres durch die Spalten zwischen der Vielzahl von äußeren geraden Primärluftströmen treten und kann mit hoher Effizienz mit dem Pulverbrennstoffstrom gemischt werden, um eine Verbrennungsflamme mit kurzer Flammenform mit schmalem Winkel zu bilden und eine hohe Brennpunkttemperatur zu erzeugen. Ferner dient bei diesem Verbrennungsvorgang die Vielzahl der inneren geraden Primärluftströme effektiv dazu, die Verteilung des Pulverbrennstoffs zu fördern und gleichzeitig die Bildung eines inneren Zirkulationsstroms mit hoher Temperatur in der Verbrennungsflamme zu verursachen, um die Flamme zu stabilisieren.
In der Verbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung für den Pulverbrennstoff gibt es keine Beschränkung hinsichtlich der Form, der Abmessungen und der Anordnung der inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 und der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24. Vorzugsweise ist der Teilkreisdurchmesser (P. D. C.) der äußeren und der inneren Primärluftausstoßöffnungen 24 und 28 300 bis 800 mm.
Wie in 3(A) und 3(B) gezeigt, sind eine Vielzahl der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 des äußeren Ausstoßrohres 23 und eine Vielzahl der inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 des inneren Ausstoßrohres 27 auf zwei konzentrischen Umfängen positioniert, zwischen welchen die ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung 26 des Ausstoßrohres 25 liegt, und die inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 sind abseits von geraden Linien angeordnet, die durch die Mittelpunkte der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 und den Mittelpunkt der konzentrischen Kreise verlaufen. Ferner ist vorzugsweise jede der inneren Primärluftausstoßöffnungen zwischen einem Paar von geraden Linien 32 und 33 positioniert, die durch jeden der Mittelpunkte eines Paares von einander benachbarten äußeren Primärluftausstoßöffnungen und den Mittelpunkt 31 der konzentrischen Kreise verlaufen. Die vorstehend beschriebene Anordnung der Primärluftausstoßöffnungen ermöglicht es, dass Luftwirbel sowohl an der inneren als auch der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Pulverbrennstoffausstoßstroms sicher geschaffen werden. Da ferner die inneren und die äußeren Primärluftströme aus vielen geraden Strömen aufgebaut sind, ist die Luftwirbeloberfläche sehr groß und somit kann der vorteilhafte Effekt erzielt werden, dass der Pulverbrennstoff mit hoher Effizienz stark verbrannt werden kann. In der vorstehend beschriebenen Verbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist eine Einrichtung zum Erzeugen von herkömmlichen inneren drehenden Primärluftströmen, die bei herkömmlichen Verbrennungsvorrichtungen als erforderlich betrachtet wurde, nicht erforderlich. Selbstverständlich kann optional eine Einrichtung zum Bilden des inneren drehenden Primärluftstroms wie vorstehend beschrieben zu der Verbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung hinzugefügt werden.
Das Verbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung für Pulverbrennstoff verwendet die Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff gemäß vorliegender Erfindung. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverbrennstoff zusammen mit Luft zum Fördern des Pulverbrennstoffs durch die ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen wird und die Primärluft durch die äußeren und die inneren Primärluftausstoßöffnungen in der gleichen Richtung wie der Pulverbrennstoffausstoßstrom ausgestoßen wird, um äußere und innere gerade Primärluftströme zu bilden, zwischen welchen der Pulverbrennstoffausstoßstrom liegt.
Bei dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird der Pulverbrennstoff zusammen mit der Pulverbrennstoffförderluft durch die ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen und die Primärluft wird durch eine Vielzahl von äußeren und inneren Primärluftausstoßöffnungen in der gleichen Richtung wie der Pulverbrennstoffausstoßstrom ausgestoßen, um die äußeren und inneren geraden Primärluftströme zu bilden, zwischen welchen der Pulverbrennstoffausstoßstrom verläuft.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Art des Pulverbrennstoffs. Allgemein werden Festpulverbrennstoffe, wie z. B. Kohlepulver und Kokspulver verwendet. Des weiteren können verschiedene Abfallstoffe, beispielsweise brennbares Kunststoffharzpulver, Abfallpulver, Holzabfälle (Holzpulver) und Spreu verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Drehrohröfen, die zur Herstellung von Zementklinker, Magnesiaklinker und Kalk verwendbar sind, sehr effektiv genutzt. In diesem Fall wird Hochtemperatur-Sekundärluft durch eine stromabwärts des Drehrohrofens angeordnete Produktkühlvorrichtung in den Drehrohrofen eingespeist. Die Hochtemperatur-Sekundärluft wird in Verbundströme gemischt, die die äußeren geraden Primärluftströme, den Pulverbrennstoffstrom mit einem ringförmigen Querschnitt und die inneren geraden Primärluftströme umfassen, und der Pulverbrennstoff kann mit hoher Effizienz verbrannt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das Pulverbrennstoff nutzt, wird der Pulverbrennstoff durch die ringförmige Ausstoßöffnung mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 30 bis 50 m/s, vorzugsweise 35 bis 45 m/s ausgestoßen, und gleichzeitig werden die inneren und die äußeren Primärluftströme durch die äußeren und die inneren Ausstoßöffnungen mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 200 bis 300 m/s, vorzugsweise 250 bis 300 m/s ausgestoßen, wohingegen bei den herkömmlichen Verfahren die Primärluftausstoßgeschwindigkeit etwa 100 m/s betrug.
Wenn die Ausstoßgeschwindigkeiten wie vorstehend beschrieben eingestellt werden, wird das Primärluftverhältnis, das sich auf ein Verhältnis der Gesamtmenge der durch die ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung und die äußeren und die inneren Primärluftausstoßöffnungen ausgestoßenen Luft zu der theoretischen Verbrennungsluftmenge bezieht, von dem herkömmlichen Wert von etwa 20 bis 25% auf 8 bis 15%, vorzugsweise 8 bis 12% reduziert. Bei dem Verbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung, das die Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt, kann nämlich das Ausstoßstrommoment um 25 bis 35% gesteigert werden und das Begleitmoment und die Begleitzeit der Sekundärluft kann auf einem Niveau ähnlich demjenigen des herkömmlichen Verfahrens gehalten werden. Das Ausstoßstrommoment und das Sekundärluft-Begleitmoment können gemäß den nachfolgend angeführten Gleichungen (1) und (2) berechnet werden. Go = moUo (1) Ge = K·(mo(X/2R)0,5 – 1)· Ve (2)
In den Gleichungen (1) und (2) bezeichnen
G_o: Ausstoßstrommoment
G_e: Sekundärluft-Begleitmoment
m_o: Ausstoßstrom-Massenstrom (kg/s)
U_o: Ausstoßstrom-Geschwindigkeit (m/s)
X: Ausstoßstrom-Achsendistanz (m)
R: Ausstoßstrom-Durchmesser (m)
V_e: Ausstoßstrom-Sauggeschwindigkeit (m/s)
K: Konstante
Wenn bei dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung die Ausstoßgeschwindigkeit (U_o) von etwa 100 m/s wie bei den herkömmlichen Verfahren auf 200 bis 300 m/s erhöht wird, um das Ausstoßstrommoment (G_o) zu erhöhen, verursacht diese Steigerung der Ausstoßgeschwindigkeit die Erhöhung des Sekundärluft-Begleitmoments (G_e) proportional zu dem Ausstoßstrommoment (G_o). Wenn jedoch das Sekundärluft-Begleitmoment (G_e) und die Begleitzeit auf ähnlichen Niveaus wie bei dem herkömmlichen Verfahren gehalten werden, kann, da die Mischung des Flammenausstoßstroms mit Luft und die Verbrennung in einer Anfangsstufe in einem ähnlichen Ausmaß wie bei dem herkömmlichen Verfahren ausgeführt werden, die Primärluftmenge reduziert werden. In diesem Fall kann die Reduzierung der Primärluftmenge durch die Hochtemperatur-Sekundärluft ausgeglichen werden, und daher kann die Verbrennungsgeschwindigkeit verbessert werden und die Verbrennungseffizienz verbessert werden.
Durch Verwendung der Verbrennungsvorrichtung und des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung für den Pulverbrennstoff kann eine Verbrennungsflamme in Form einer kurzen Flamme mit schmalem Winkel unter Verwendung von Pulverbrennstoff gebildet werden, und somit kann die Wirbelzahl (eine dimensionslose Zahl, die die durch die nachfolgende Gleichung (3) angegebene Drehungsintensität darstellt) auf Null gebracht werden und ein natürlicher Ausstoßstrom kann gebildet werden. Ferner muss in der herkömmlichen Vorrichtung und dem herkömmlichen Verfahren der Gehalt an flüchtiger Substanz in der für die herkömmliche Vorrichtung und das herkömmliche Verfahren verwendbaren Kohle 18% oder mehr betragen. Durch Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung kann der untere Grenzwert des Gehalts an flüchtiger Substanz der verwendbaren Kohle auf etwa 10% vermindert werden. SW = GØ/GxR (3)
In Gleichung (3) bezeichnen
SW: Wirbelzahl
GØ: Winkelmomentfluß in axialer Richtung
G_x: Schub in axialer Richtung
R: Durchmesser der Brennerdüse
In der vorliegenden Erfindung kann als Brennstoff ein Flüssigbrennstoff verwendet werden. 4 zeigt eine erläuternde Seitenansicht eines Heizofens, eine Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff enthält, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist.
In 4 ist eine zylindrische Verbrennungsvorrichtung 11a für Flüssigbrennstoff in einen Heizofen, beispielsweise einen Drehrohrofen 1, durch eine Heizofenwand 12 des Heizofens eingesetzt. In dieser Verbrennungsvorrichtung 11a sind eine Vielzahl von Flüssigbrennstoffspritzrohren 25a mit Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a zum radialen Einspritzen des Flüssigbrennstoffs auf dem gleichen Umfang angeordnet und ein inneres Primärluftausstoßrohr 27, das eine oder mehrere innere Primärluftausstoßöffnungen 28 zum Ausstoßen der Primärluft hat, und ein äußeres Primärluftausstoßrohr 23, das eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 zum Ausstoßen der Primärluft hat, sind jeweils entlang der Innenseite bzw. der Außenseite des Umfangs angeordnet, auf dem die Flüssigbrennstoffspritzrohre 25a angeordnet sind.
Wie 4 zeigt, ist ein Flüssigbrennstoffzulieferrohr 14a in einem Endabschnitt 13 der Verbrennungsvorrichtung 11a für Flüssigbrennstoff angeordnet, das außerhalb des Heizofens liegt, und mit dem vorstehend genannten Flüssigbrennstoffspritzrohr verbunden. Ferner ist ein Primärluftzulieferrohr 15 in dem Endabschnitt 13 angeordnet. Das Primärluftzulieferrohr 15 ist in ein äußeres Primärluftzulieferrohr 16 und ein inneres Primärluftzulieferrohr 17 verzweigt. Das äußere Primärluftzulieferrohr 16 ist mit dem äußeren Primärluftausstoßrohr verbunden und das innere Primärluftzulieferrohr ist mit dem inneren Primärluftausstoßrohr verbunden. In der Verbrennungsvorrichtung 11a aus 4 können ein oder mehrere Schwerölbrenner oder Gasbrenner (in 4 nicht dargestellt) zur Zündung angeordnet sein.
In der Verbrennungsvorrichtung 11a aus 4 werden Flüssigbrennstoffströme 19a durch die Spritzöffnungen radial eingespritzt, innere gerade Primärluftströme 20 werden innerhalb der Flüssigbrennstoffströme 19a ausgestoßen und äußere gerade Primärluftströme 21 werden außerhalb der Flüssigbrennstoffströme 19a ausgestoßen, um dadurch einen Verbundstrom aus diesen Strömen zu bilden, und Hochtemperatur-Sekundärluft 5 wird in den Verbundstrom gemischt, um den Flüssigbrennstoff zu verbrennen.
Diese Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff enthält eine Vielzahl von Flüssigbrennstoffspritzrohren, die auf dem gleichen Umfang angeordnet sind und Flüssigbrennstoffspritzöffnungen haben, durch die ein Flüssigbrennstoff radial gespritzt wird; ein äußeres Primärluftausstoßrohr, das eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen hat, die an der Außenseite der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen angeordnet sind und durch welche die Primärluft parallel zur Mittelachsenrichtung der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen ausgestoßen wird; und ein inneres Primärluftausstoßrohr, das mindestens eine innere Primärluftausstoßöffnung hat, die an der Innenseite der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen angeordnet ist und durch welche die Primärluft parallel zu der Mittelachsenrichtung der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen ausgestoßen wird.
Auch das Verbrennungsverfahren für Flüssigbrennstoff, das diese Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff verwendet, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigbrennstoff durch Flüssigbrennstoffspritzöffnungen radial eingespritzt wird und die Primärluft durch die äußeren Primärluftausstoßöffnungen und die inneren Primärluftausstoßöffnungen parallel zu der Mittelachsenrichtung der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen ausgestoßen wird, um dadurch die versprühten Flüssigbrennstoffströme mit den äußeren und inneren geraden Primärluftströmen zu vermischen und den eingespritzten Flüssigbrennstoff zu verbrennen.
5(A) und 5(B) zeigen eine erläuternde seitliche Schnittansicht bzw. eine erläuternde Vorderansicht dieser Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist. 5(A) zeigt eine erläuternde seitliche Schnittansicht der Vorrichtung aus 5(B) entlang einer gekrümmten Linie Y-Y'.
In 5(A) und 5(B) ist ein äußeres Primärluftausstoßrohr 23 innerhalb der äußersten Umfangswand 22 einer zylindrischen Verbrennungsvorrichtung 3 für Flüssigbrennstoff angeordnet und eine Vielzahl, beispielsweise 5 bis 20, vorzugsweise 8 bis 18 äußere Primärluftausstoßöffnungen 24 sind in dem Ausstoßende des Ausstoßrohrs 23 gebildet. An der Innenseite des äußeren Primärluftausstoßrohrs 23 sind ein oder mehrere, beispielsweise 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 Flüssigbrennstoffspritzrohre 25a zum Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs angeordnet. In einem Ende jedes Spritzrohrs ist eine Flüssigbrennstoffspritzöffnung 26a zum radialen Verspritzen des Flüssigbrennstoffs gebildet. Eine oder mehrere Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a sind auf demselben Umfang um einen Mittelpunkt 31 angeordnet und die Mittelachsen der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a sind parallel zueinander. Ferner ist ein inneres Primärluftausstoßrohr 27 an der Innenseite des Flüssigbrennstoffspritzrohrs 25a angeordnet und in einem Ende des Rohrs sind eine oder mehrere, beispielsweise 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 8 innere Primärluftausstoßöffnungen 28 gebildet.
Die vorstehend beschriebenen äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 und die inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 sind so gebildet, dass die Ausstoßrichtungen der Öffnungen gleich (parallel zu) den Mittelachsenrichtungen der vorstehend beschriebenen Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a sind. Der Flüssigbrennstoff wird durch jede der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a verspritzt und bildet einen radialen Strom, und die Primärluft wird durch die äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24, die außerhalb der Spritzöffnungen angeordnet sind, ausgestoßen und bildet äußere gerade Primärluftströme, die außerhalb der Flüssigbrennstoffströme verlaufen und mit dem verspritzten Flüssigbrennstoff gemischt werden. Ferner wird die Primärluft durch eine oder mehrere innere Primärluftausstoßöffnungen 28 ausgestoßen und bildet innere gerade Primärluftströme 20, die innerhalb der Flüssigbrennstoffströme verlaufen und mit dem verspritzten Flüssigbrennstoff gemischt werden. Demgemäß werden die Flüssigbrennstoffströme mit den äußeren und den inneren geraden Primärluftströmen gemischt, die jeweils außerhalb bzw. innerhalb der Flüssigbrennstoffströme verlaufen, und durch die Primärluftströme beschleunigt und verteilt und des weiteren mit der Hochtemperatur-Sekundärluft gemischt, die durch die äußeren geraden Primärluftströme geführt wird, und verbrannt. Bei diesem Verfahren wird der äußere Primärluftstrom mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, um einen geraden Strom, vorzugsweise eine Vielzahl von unterteilten geraden Strömen zu bilden. Daher kann die Hochtemperatur-Sekundärluft ohne weiteres zwischen der Vielzahl der äußeren geraden Primärluftströme durchtreten und mit den Flüssigbrennstoffströmen mit hoher Effizienz gemischt werden, um eine Verbrennungsflamme mit kurzer Flammenform mit schmalem Winkel zu bilden, die eine hohe Brennpunkttemperatur hat. Wenn ferner eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen 24 gebildet ist, dienen die resultierenden inneren geraden Primärluftströme in vorteilhafter Weise dazu, die Verteilung der Flüssigbrennstoffströme zu fördern und gleichzeitig innere zirkulierende Hochtemperaturströme in der Verbrennungsflamme zu bilden, sodass die Flamme stabilisiert wird.
Bei dieser Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Form und der Abmessungen der inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 und der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24. Gewöhnlich betragen die Teilkreisdurchmesser (P. C. D.) der äußeren und der inneren Primärluftausstoßöffnungen 24 und 28 vorzugsweise 300 bis 800 Millimeter.
Ferner bildet jedes der Flüssigbrennstoffspritzrohre 25a, welche die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen aufweisen, eine sich nach außen erweiternde, kegelförmige Spritzdüse. Wenn beispielsweise C-Schweröl als Flüssigbrennstoff verwendet wird, wird das C-Schweröl vorzugsweise auf eine Temperatur von 85 bis 100°C erwärmt, um seinen Viskositätswiderstand auf 20 bis 30 cst zu vermindern, und unter einen Druck von 30 bis 40 kg/cm²G gesetzt.
Wie 5(A) und 5(B) zeigen, ist es dann, wenn das innere Primärluftausstoßrohr 27 eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 hat, bevorzugt, dass die Vielzahl der inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 und die Vielzahl der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 auf konzentrischen Umfangslinien um den Mittelpunkt 31 der Umfangslinie, auf welcher die Vielzahl der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a liegt, platziert sind. Wenn ferner das innere Primärluftausstoßrohr 27 nur eine innere Primärluftausstoßöffnung 28 hat, ist es bevorzugt, dass der Mittelpunkt der einen inneren Primärluftausstoßöffnung identisch mit dem Mittelpunkt 31 der Umfangslinie ist, auf der die Vielzahl der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a angeordnet ist, und dass die Vielzahl der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 auf einer Umfangslinie angeordnet ist, die konzentrisch mit der Umfangslinie um den Mittelpunkt 31 ist, auf welcher Umfangslinie die Vielzahl der Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a angeordnet ist. Die vorstehend beschriebene Anordnung der Primärluftausstoßöffnungen 24 und 28 ermöglicht es, dass Wirbel sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite der Flüssigbrennstoffströme sicher erzeugt werden und die Primärluft gleichmäßig mit dem Flüssigbrennstoff vermischt wird. Vorzugsweise sind sowohl die äußeren als auch die inneren Primärluftströme jeweils in Form von zahlreichen geraden Strömen gebildet. In diesem Fall ist es möglich, dass die Wirbeloberfläche groß wird und somit der Flüssigbrennstoff mit hoher Effizienz stark verbrannt werden kann. In dieser Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff ist die herkömmliche Einrichtung zum Bilden von inneren drehenden Primärluftströmen, die bei der herkömmlichen Vorrichtung benötigt wird, nicht erforderlich. Die herkömmliche Vorrichtung zum Bilden der inneren drehenden Primärluftströme kann jedoch optional zu der Verbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung hinzugefügt werden.
Das entsprechende Verbrennungsverfahren für Flüssigbrennstoff verwendet die vorstehend beschriebene Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist. Bei diesem Verfahren wird der Flüssigbrennstoff durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen radial eingespritzt und die Primärluft wird durch die äußeren und die inneren Primärluftausstoßöffnungen parallel zu der Mittelachsenrichtung der Flüssigbrennstoffrohre ausgestoßen, um dadurch die eingespritzten Flüssigbrennstoffströme mit den äußeren und den inneren Primärluftströmen zu mischen und den Flüssigbrennstoff zu verbrennen.
Bei diesem Verfahren gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Art des Flüssigbrennstoffs. Gewöhnlich kann der Flüssigbrennstoff aus Brennstoffen in flüssigem Zustand ausgewählt werden, beispielsweise Schweröle, Abfallöle und regenerierte Öle und Brennstoffaufschlämmungen, die ein brennbares Pulver enthalten, beispielsweise Kohlepulver, Kokspulver und brennbares Kunststoffpulver oder ein Abfallpulver, wie z. B. Müll, Holzabfälle (Holzpulver) und Spreu. Das Medium für die Aufschlämmung kann ein Brennstoff in flüssigem Zustand (beispielsweise Schweröl, Abfallöl oder regeneriertes Öl) oder Wasser sein.
Dieses Verfahren kann sehr vorteilhaft in einem Drehrohrofen verwendet werden, der für die Herstellung von Zementklinker, Magnesiaklinker und Kalk genutzt werden kann. Bei dieser Verwendung wird Hochtemperatur-Sekundärluft durch eine stromabwärts des Drehrohrofens angeordnete Produktkühlvorrichtung in den Drehrohrofen gespeist. Die Hochtemperatur-Sekundärluft wird in einen Verbundstrom gemischt, der aus den geraden äußeren Primärluftströmen, den Flüssigbrennstoffeinspritzströmen und den geraden inneren Primärluftströmen besteht, um den Flüssigbrennstoff mit hoher Effizienz zu verbrennen.
Bei dem Verfahren wird der Einspritzvorgang des Flüssigbrennstoffs durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 26a in dem Ausmaß gesteuert, dass die eingespritzten Flüssigbrennstofftröpfchen eine Größe von vorzugsweise 10 bis 300 μm, bevorzugter 10 bis 150 μm haben. Die Tröpfchengröße wird in bezug auf die Art und die Viskosität des Flüssigbrennstoffs und die Form und Abmessungen der Spritzöffnungen festgelegt. Die gewünschte Tröpfchengröße kann durch Regeln des an den Flüssigbrennstoff angelegten Drucks und die Form und Abmessungen der Spritzöffnungen erzielt werden.
Die äußere und die innere Primärluft werden mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von vorzugsweise 200 bis 300 m/s, bevorzugter 250 bis 300 m/s an jeder Ausstoßöffnung ausgestoßen, wohingegen die herkömmliche Ausstoßgeschwindigkeit etwa 100 m/s betrug. Unter den vorstehend beschriebenen Verhältnissen kann das Primärluftverhältnis (das sich auf ein Verhältnis der Gesamtmenge der durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen und die äußeren und die inneren Primärluftausstoßöffnungen ausgestoßenen Luft zu der theoretischen Verbrennungsluftmenge bezieht) von dem herkömmlichen Wert von 12 bis 15% auf 5 bis 10%, vorzugsweise 6 bis 9% reduziert werden. Bei dem Verbrennungsverfahren, das die vorstehend beschriebene Verbrennungsvorrichtung verwendet, kann nämlich das Einspritzstrommoment des Flüssigbrennstoffs gegenüber dem herkömmlichen Moment um 25 bis 35% verbessert werden, während das Sekundärluftbegleitmoment und die Begleitzeit auf ähnlichem Niveau wie bei dem herkömmlichen Verfahren gehalten werden.
Das Einspritzstrommoment des Flüssigbrennstoffs und das Begleitmoment der Sekundärluft können gemäß den vorstehend angeführten Gleichungen (1) und (2) in der gleichen Weise wie bei Pulverbrennstoff berechnet werden.
Wenn bei dem entsprechenden Verfahren die Ausstoßgeschwindigkeit (U_o) der Primärluft von dem Wert des herkömmlichen Verfahrens von etwa 100 m/s auf 200 bis 300 m/s erhöht wird, um das Einspritzstrommoment (G_o) zu steigern, veranlasst diese Steigerung die Erhöhung des Sekundärluftbegleitmoments (G_e) proportional zu dem Einspritzstrommoment (G_o). Wenn in diesem Fall das Sekundärluftbegleitmoment (G_e) und die Begleitzeit auf einem ähnlichen Niveau wie bei dem herkömmlichen Verfahren gehalten werden, werden die Vermischung des Flammenstroms mit Luft und die Anfangsphase der Verbrennung in einem Ausmaß ähnlich wie bei dem herkömmlichen Verfahren ausgeführt, und somit kann die Menge der Primärluft vermindert werden. Da in diesem Fall die Reduzierung der Primärluftmenge durch die Hochtemperatur-Sekundärluft ausgeglichen werden kann, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit verbessert und die Verbrennungseffizienz gesteigert.
Durch Verwendung der vorstehend beschriebenen Verbrennungsvorrichtung und des Verfahrens für Flüssigbrennstoff, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt sind, kann eine Verbrennungsflamme in Form einer kurzen Flamme mit schmalem Winkel in ähnlicher Weise wie bei der Verwendung von Pulverbrennstoff erzeugt werden. Daher kann die Wirbelzahl (eine dimensionslose Zahl, die die durch die vorstehend angeführte Gleichung (3) definierte Drehungsintensität wiedergibt) auf Null gebracht werden und ein natürlicher Ausstoßstrom kann gebildet werden. Ferner besteht bei der herkömmlichen Vorrichtung und dem herkömmlichen Verfahren eine Beschränkung hinsichtlich der Art der verwendbaren Brennstoffe. Durch Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens kann jedoch der Umfang der nutzbaren Flüssigbrennstoffe erweitert werden.
In der vorliegenden Erfindung kann ein Pulverbrennstoff zusammen mit dem Flüssigbrennstoff verwendet werden. 6 zeigt eine erläuternde Seitenansicht einer Ausführungsform eines Heizofens, der eine derartige Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung enthält.
Wie 6 zeigt, ist eine zylindrische Mischverbrennungsvorrichtung 11b für einen Pulverbrennstoff und einen Flüssigbrennstoff in einen Heizofen, beispielsweise einen Drehrohrofen, durch eine Wand 12 des Heizofens eingesetzt. Diese Mischverbrennungsvorrichtung, die unter Bezug auf 7 nachfolgend beschrieben wird, enthält ein Pulverbrennstoffausstoßrohr 25 mit einer ringförmigen Ausstoßöffnung 26 zum Ausstoßen des Pulverbrennstoffs zusammen mit Förderluft für den Pulverbrennstoff; ein inneres Primärluftausstoßrohr 27 mit einer Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 zum Ausstoßen von Primärluft, das entlang dem inneren Umfang des Pulverbrennstoffausstoßrohrs 25 angeordnet ist; ein äußeres Primärluftausstoßrohr 23 mit einer Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 zum Ausstoßen von Primärluft, das entlang dem äußeren Umfang des Pulverbrennstoffausstoßrohrs 25 angeordnet ist; und ein Flüssigbrennstoffspritzrohr 39 mit Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 38 zum radialen Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs, das innerhalb des inneren Primärluftausstoßrohrs 24 angeordnet ist.
Wie 6 zeigt, ist in einem Endabschnitt 13 der Mischverbrennungsvorrichtung 11b, der außerhalb des Heizofens angeordnet ist, ein Pulverbrennstoffzulieferrohr 14 zum Zuliefern eines Mischstromes aus Pulverbrennstoff mit Pulverbrennstoffförderluft angeordnet, und das Pulverbrennstoffzulieferrohr 14 ist mit dem vorstehend genannten Pulverbrennstoffausstoßrohr verbunden. Ferner ist in dem Endabschnitt 13 ein Primärluftzulieferrohr 15 angeordnet und dieses Zulieferrohr ist in ein äußeres Primärluftzulieferrohr 16 und ein inneres Primärluftzulieferrohr 17 verzweigt, wobei das äußere Primärluftzulieferrohr 16 mit dem äußeren Primärluftausstoßrohr verbunden ist und das innere Primärluftzulieferrohr 17 mit dem inneren Primärluftausstoßrohr verbunden ist.
In der Mischverbrennungsvorrichtung 11b aus 6 sind ein oder mehrere Flüssigbrennstoffzulieferrohre 18 in dem zentralen Abschnitt der Vorrichtung angeordnet. Ferner können in dem zentralen Abschnitt ein oder mehrere Schwerölbrenner oder Gasbrenner zur Zündung angeordnet sein.
In der Mischverbrennungsvorrichtung aus 6 wird der Pulverbrennstoffstrom 19 durch die ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen, die inneren geraden Primärluftströme 20 werden in das Innere des ringförmigen Pulverbrennstoffstroms ausgestoßen, die äußeren geraden Primärluftströme 21 werden an der Außenseite des ringförmigen Pulverbrennstoffstroms ausgestoßen und radiale Flüssigbrennstoffeinspritzströme 37 werden in das Innere der geraden inneren Primärluftströme eingespritzt, um dadurch einen Verbundstrom aus den vorstehend genannten Strömen zu bilden, und Hochtemperatur-Sekundärluft 5 wird in den Verbundstrom gemischt, um den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff zu verbrennen.
Die Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung für den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff enthält ein Pulverbrennstoffausstoßrohr, das eine ringförmige Ausstoßöffnung zum Ausstoßen eines Pulverbrennstoffs zusammen mit Pulverbrennstoffförderluft hat; ein äußeres Primärluftausstoßrohr, das eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen hat, die entlang dem äußeren Umfang des Pulverbrennstoffausstoßrohrs angeordnet sind und in der Lage sind, Primärluft in der gleichen Richtung wie die Richtung des Pulverbrennstoffausstoßes durch die ringförmige Öffnung auszustoßen; und ein inneres Primärluftausstoßrohr, das eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen hat, die entlang dem inneren Umfang des Pulverbrennstoffausstoßrohrs angeordnet sind und in der Lage sind, Primärluft in der gleichen Richtung wie die Richtung des Pulverbrennstoffausstoßes durch die ringförmige Ausstoßöffnung auszustoßen; und ein Flüssigbrennstoffspritzrohr, das Flüssigbrennstoffspritzöffnungen hat, die innerhalb des inneren Primärluftausstoßrohrs angeordnet sind und in der Lage sind, einen Flüssigbrennstoff radial einzuspritzen.
Das Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung für den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff verwendet die vorstehend beschriebene Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung für den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff und umfasst das Ausstoßen eines Pulverbrennstoffs zusammen mit Luft zum Fördern des Pulverbrennstoffs durch die ringförmige Ausstoßöffnung; das Ausstoßen von Primärluft durch die Vielzahl von äußeren und inneren Primärluftausstoßöffnungen in der gleichen Richtung wie die Richtung des Pulverbrennstoffausstoßstroms, um äußere und innere gerade Primärluftströme zu bilden, zwischen welchen der Pulverbrennstoffausstoßstrom liegt; und das radiale Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen, um dadurch den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff mit den Primärluftströmen zu mischen und den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff zu verbrennen.
7(A) und 7(B) zeigen eine erläuternde geschnittene Seitenansicht bzw. eine erläuternde Vorderansicht einer Ausführungsform der Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung für den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff. 7(A) ist eine erläuternde geschnittene Seitenansicht der in 7(B) gezeigten Vorrichtung entlang einer gekrümmten Linie Z-Z'.
Wie 7(A) und 7(B) zeigen, ist ein äußeres Primärluftausstoßrohr 23 innerhalb einer äußersten Umfangswand 22 einer zylindrischen Mischverbrennungsvorrichtung angeordnet und in einem Ausstoßende des Ausstoßrohrs 23 sind eine Vielzahl, beispielsweise 5 bis 20, vorzugsweise 8 bis 18 äußere Primärluftausstoßöffnungen angeordnet. Innerhalb des äußeren Primärluftausstoßrohrs 23 ist ein Pulverbrennstoffausstoßrohr 25 zum Ausstoßen eines Pulverbrennstoffs zusammen mit Luft zum Fördern des Pulverbrennstoffs in konzentrisch kreisförmiger Beziehung zu dem äußeren Primärluftausstoßrohr 23 angeordnet und in einem Ende des Pulverbrennstoffausstoßrohrs ist eine ringförmige Ausstoßöffnung gebildet. Ferner ist ein inneres Primärluftausstoßrohr 27 an der Innenseite des Pulverbrennstoffausstoßrohrs 25 angeordnet und eine Vielzahl, beispielsweise 6 bis 16, vorzugsweise 8 bis 14 innere Primärluftausstoßöffnungen 28 sind in einem Ende des inneren Primärluftausstoßrohrs 27 gebildet.
Innerhalb des inneren Primärluftausstoßrohrs 27 sind eine oder mehrere (2 in 7(A) und 7(B)) Flüssigbrennstoffspritzrohre 39 angeordnet und eine Flüssigbrennstoffspritzöffnung 38 zum radialen Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs ist in einem Ende jedes Spritzrohrs 39 gebildet. In der Flüssigbrennstoffspritzöffnung 38 ist, wie beispielsweise in 7(A) gezeigt, ein kreisförmiger, kegelförmiger, sich nach außen erweiternder Spritzdüsenraum in der Weise gebildet, dass die Ausstoßrichtungen durch die Öffnungen einander gleich (parallel) sind. Daher wird der Pulverbrennstoff durch die ringförmige Ausstoßöffnung 26 ausgestoßen und bildet einen Pulverbrennstoffstrom 19 mit einem ringförmigen Querschnitt, und der durch die Flüssigbrennstoffausstoßrohre 39 zugelieferte Flüssigbrennstoff wird durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen radial eingespritzt. Ferner wird Primärluft durch eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 ausgestoßen und bildet eine Vielzahl von äußeren geraden Primärluftströmen, die entlang der Außenseite des Pulverbrennstoffstroms 19 verlaufen. Ferner wird die Primärluft durch eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 ausgestoßen und bildet eine Vielzahl von inneren geraden Primärluftströmen, die entlang der Innenseite des Pulverbrennstoffstroms 19 mit dem ringförmigen Querschnittsprofil verlaufen. Demgemäß liegt der Pulverbrennstoffstrom 19 zwischen den äußeren und den inneren geraden Primärluftströmen und wird dadurch beschleunigt und verteilt und mit der Hochtemperatur-Sekundärluft gemischt, die zwischen den äußeren geraden Primärluftströmen durchtritt, und verbrannt. Da in diesem Fall die äußeren Primärluftströme mit hoher Geschwindigkeit in Form von geraden Strömen ausgestoßen werden, vorzugsweise als eine Vielzahl von unterteilten geraden Strömen, kann die Hochtemperatur-Sekundärluft ohne weiteres zwischen der Vielzahl der mittleren geraden Primärluftströme durchtreten und sich mit dem Pulverbrennstoffstrom 19 und den Flüssigbrennstoffströmen mit hoher Effizienz vermischen, und somit kann eine Verbrennungsflamme mit kurzer Flammenform mit schmalem Winkel gebildet werden und eine hohe Brennpunkttemperatur erzeugt werden. Auch tragen in diesem Fall die inneren geraden Primärluftströme zur Förderung der Verteilung des Pulverbrennstoffstroms 19 und der Flüssigbrennstoffeinspritzströme 37 bei sowie zur gleichzeitigen Bildung von inneren zirkulierenden Hochtemperaturströmen in der Verbrennungsflamme, um die Flamme zu stabilisieren.
Bei der Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Form und der Abmessungen der inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 und der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24. Gewöhnlich beträgt der Teilkreisdurchmesser (P. C. D.) der äußeren und der inneren Primärluftausstoßöffnungen 24 und 28 300 bis 800 mm. Ferner bilden die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen 38 des Flüssigbrennstoffspritzrohrs 39 eine sich nach außen erweiternde, kreisförmige, kegelförmige Spritzdüse. Wenn beispielsweise C-Schweröl als Flüssigbrennstoff verwendet wird, wird das C-Schweröl auf eine Temperatur von 80 bis 100°C erwärmt, um den Viskositätswiderstand des Brennstoffs auf 20 bis 30 cst zu verringern, und wird unter einen Druck von 30 bis 40 kg/cm²G gesetzt.
Wie 7(A) und 7(B) zeigt, sind die Vielzahl der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 des äußeren Primärluftausstoßrohrs 23 und die Vielzahl der inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 des inneren Primärluftausstoßrohrs 27 jeweils auf einer äußeren bzw. inneren konzentrischen Umfangslinie angeordnet, zwischen welchen die ringförmige Öffnung 26 des Pulverbrennstoffausstoßrohrs 25 liegt. Ferner sind vorzugsweise die inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 abseits von geraden Linien positioniert, die durch die Mittelpunkte der äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 und den Mittelpunkt der vorstehend genannten konzentrischen Umfangslinien verlaufen. Ferner ist bevorzugter jede der inneren Primärluftausstoßöffnungen 28 zwischen einem Paar von geraden Linien 32 und 33 angeordnet, die durch die jeweiligen Mittelpunkte eines Paares von einander benachbarten äußeren Primärluftausstoßöffnungen 24 und den Mittelpunkt 31 der vorstehend genannten konzentrischen Umfangslinien verlaufen.
Die vorstehend genannte Anordnung der Primärluftausstoßöffnungen trägt dazu bei, Wirbelströme sowohl an der Außenseite als auch der Innenseite des ringförmigen Pulverbrennstoffstroms sicher zu erzeugen. Vorzugsweise bestehen sowohl die inneren als auch die äußeren Primärluftströme aus zahlreichen geraden Strömen. In diesem Fall wird die Oberfläche der Wirbelströme sehr groß und als vorteilhaftes Ergebnis können der Pulverbrennstoff und der Flüssigbrennstoff mit hoher Effizienz stark verbrannt werden. In der vorstehend beschriebenen Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist die herkömmliche Einrichtung zum Bilden von inneren drehenden Primärluftströmen, die bei der herkömmlichen Vorrichtung benötigt wird, nicht erforderlich. Die Einrichtung zum Bilden der inneren drehenden Primärluftströme kann jedoch optional zu der Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung hinzugefügt werden. Ferner können ein oder mehrere Zündbrenner (Schwerölbrenner oder Gasbrenner) in dem Mittelabschnitt der Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung je nach Erfordernis angeordnet werden.
Das Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung für den Pulverbrennstoff und den Flüssigbrennstoff verwendet die Mischverbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff und Flüssigbrennstoff gemäß vorliegender Erfindung. Bei diesem Verfahren wird der Pulverbrennstoff zusammen mit Luft zum Fördern des Pulverbrennstoffs durch die ringförmige Ausstoßöffnung ausgestoßen, die Primärluft wird durch die Vielzahl der äußeren und der inneren Primärluftausstoßöffnungen in der gleichen Richtung wie der Pulverbrennstoffausstoßstrom ausgestoßen, um äußere und innere gerade Primärluftströme zu bilden, zwischen welchen der Pulverbrennstoffausstoßstrom liegt, und ferner wird der Flüssigbrennstoff durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen radial eingespritzt und mit der Primärluft gemischt, um dadurch eine Mischverbrennung des Pulverbrennstoffs und des Flüssigbrennstoffs durchzuführen.
Bei dem Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung gibt es keine Beschränkungen hinsichtlich des Pulverbrennstoffs. Gewöhnlich umfasst der Pulverbrennstoff einen Festpulverbrennstoff, beispielsweise Kohlepulver oder Kokspulver. Ferner können als Pulverbrennstoff Abfallmaterial, beispielsweise brennbares Kunststoffpulver, Abfälle, Abfallholz (Holzpulver) und Spreu verwendet werden.
Hinsichtlich der Art des für das Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung verwendbaren Flüssigbrennstoffs besteht keine Einschränkung. Gewöhnliche Brennstoffe in flüssigem Zustand, beispielsweise Schweröle, Abfallöle und regenerierte Öle und brennbares Pulver enthaltende Brennstoffaufschlämmungen, beispielsweise Kohlepulver, Kokspulver, brennbares Kunststoffpulver und brennbares Gummipulver enthaltende Aufschlämmungen werden vorzugsweise verwendet. Ferner können als Medium für die Aufschlämmung Wasser und Brennstoffe in flüssigem Zustand (Schweröle, Abfallöle und regenerierte Öle) verwendet werden.
Das Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung kann sehr vorteilhaft in einem Drehrohrofen zur Herstellung von Zementklinker, Magnesiaklinker und Kalk verwendet werden. In diesem Fall wird Hochtemperatur-Sekundärluft von einer stromabwärts des Drehrohrofens angeordneten Produktkühlvorrichtung in den Drehrohrofen gespeist. Die Hochtemperatur-Sekundärluft wird in einen Verbundstrom, der aus den äußeren geraden Primärluftströmen, dem Pulverbrennstoffstrom mit einem ringförmigen Querschnitt, dem inneren geraden Primärluftstrom und den radial sich ausbreitenden Flüssigbrennstoffströmen gebildet ist, eingeführt und mit diesem gemischt, sodass der Flüssigbrennstoff und der Pulverbrennstoff mit hoher Effizienz verbrannt werden können.
Bei dem Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung wird der Pulverbrennstoff vorzugsweise durch die ringförmige Ausstoßöffnung 26 mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 30 bis 50 m/s, bevorzugter 35 bis 45 m/s ausgestoßen und gleichzeitigen werden die äußere Primärluft und die innere Primärluft vorzugsweise jeweils durch die äußeren bzw. die inneren Ausstoßöffnungen mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 200 bis 300 m/s, bevorzugter 250 bis 300 m/s ausgestoßen, wohingegen die herkömmliche Ausstoßgeschwindigkeit der Primärluft etwa 100 m/s beträgt. Ferner wird bei dem Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung die Tröpfchengröße des durch die Spritzöffnungen eingespritzten Flüssigbrennstoffs vorzugsweise auf 10 bis 300 μm, bevorzugter auf 10 bis 150 μm gesteuert. Durch Ausführung des Pulverbrennstoffausstoßes, des Primärluftausstoßes und der Flüssigbrennstoffeinspritzung in der vorstehend beschriebenen Weise kann das Primärluftverhältnis, das sich auf ein Verhältnis der durch die ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung und die äußeren und die inneren Primärluftausstoßöffnungen ausgestoßenen Primärluftgesamtmenge zu der theoretischen Verbrennungsluftmenge bezieht, von dem herkömmlichen Wert von 20 bis 25% auf 8 bis 15%, vorzugsweise 8 bis 12% reduziert werden und die Verminderung der Primärluftmenge wird durch eine Erhöhung der Hochtemperatur-Sekundärluftmenge ausgeglichen, sodass somit die Verbrennung in einem Ausmaß bewirkt werden kann, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit ansteigt, die Verbrennungsflamme in Form einer kurzen Flamme mit schmalem Winkel gebildet wird und die Brennpunkttemperatur ausreichend erhöht werden kann, während die Ofenwand nicht beschädigt wird. Bei dem Verbrennungsverfahren, das die Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung verwendet, kann nämlich das Ausstoßstrommoment basierend auf demjenigen bei dem herkömmlichen Verfahren und 25 bis 35% gesteigert werden, während das Sekundärluftbegleitmoment und die Begleitzeit auf ähnlichen Niveaus wie bei dem herkömmlichen Verfahren gehalten werden.
In der vorliegenden Erfindung kann die Einstellung der Tröpfchengröße des eingespritzten Flüssigbrennstoffs auf 10 bis 300 μm durch geeignetes Steuern des an den Flüssigbrennstoff angelegten Einspritzdrucks und die Form und die Abmessungen der Spritzöffnungen in Reaktion auf die Art und die Viskosität des Flüssigbrennstoffs, die Einspritzrate und die Einspritztemperatur erfolgen. Die Tröpfchengröße des eingespritzten Flüssigbrennstoffs kann gemäß der nachfolgenden Formel berechnet werden.
dmax = (2 – 2,5)d d: durchschnittliche Tröpfchengröße [m]
V_e: Brennstoffeinspritzgeschwindigkeit [m/s]
δ_g: Umgebungsgasdichte [kg/m³]
δ_e: Brennstoffdichte [kg/m³]
σ_e: Oberflächenspannung des Brennstoffs [N/m]
D: Durchmesser der Spritzöffnung [m]
dmax: größte Tröpfchengröße [m]
μ_e: Viskosität des Brennstoffs [Pa·S]
Das Ausstoßstrommoment und das Begleitmoment der Sekundärluft können gemäß den vorstehend genannten Gleichungen (1) und (2) berechnet werden.
Bei dem Mischverbrennungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung wird die Ausstoßgeschwindigkeit (U_o) der Primärluft von dem herkömmlichen Wert von etwa 100 m/s auf ein Niveau von etwa 200 bis 300 m/s gesteigert, um das Ausstoßstrommoment (G_o) zu erhöhen, und das Begleitmoment (G_e) der Sekundärluft nimmt proportional zu dem Ausstoßstrommoment (G_o) zu. Wenn jedoch das Begleitmoment (G_e) und die Begleitzeit der Sekundärluft auf ähnlichen Niveaus wie bei dem herkömmlichen Verfahren gehalten werden, werden das Mischen des Flammenausstoßstroms mit Luft und die Verbrennung in einer Anfangsstufe unter ähnlichen Bedingungen wie bei dem herkömmlichen Verfahren bewirkt, und daher kann die Primärluftmenge reduziert werden. In diesem Fall wird die Reduzierung der Primärluftmenge durch Hochtemperatur-Sekundärluft ausgeglichen und somit wird die Verbrennungsgeschwindigkeit verbessert und die Verbrennungseffizienz gesteigert.
Durch die Nutzung der Mischverbrennungsvorrichtung und des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung kann eine Verbrennungsflamme mit kurzer, schmalwinkliger Flammenform erzeugt werden, und somit kann die Wirbelzahl (bei der es sich um eine dimensionslose Zahl handelt, die eine durch die vorstehende Gleichung (3) definierte Drehungsintensität darstellt), auf Null gebracht werden und der Flammenstrom kann zu einem natürlichen Ausstoßstrom geformt werden.
BEISPIELE
Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
In Beispiel 1 wird eine Verbrennungsvorrichtung für Pulverbrennstoff gemäß vorliegender Erfindung, wie in 2, 3(A) und 3(B) gezeigt, für einen Drehrohrofen zur Zementcalcinierung verwendet, und in dem Drehrohrofen wurde unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen Zement hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
In Vergleichbeispiel 1 wurde unter Verwendung einer herkömmlichen Kohlepulververbrennungsvorrichtung unter den Tabelle 1 angegebenen Bedingungen Zement hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Anmerkungen zur Tabelle 1

(*)1 ... jeder Wert aus Beispiel 1 ist ein Relativwert zu dem Wert 100 von Vergleichsbeispiel 1.

Wie Tabelle 1 deutlich zeigt, konnte in Beispiel 1 auch dann, wenn das Sekundärluftbegleitmoment und die Begleitzeit auf ähnlichen Niveaus wie in Vergleichsbeispiel 1 gehalten wurden, das Ausstoßstrommoment um 25 bis 35% gesteigert werden, die Wirbelzahl konnte vermindert werden, die Produktionsrate konnte gesteigert werden, das Verbrennungsverhältnis konnte vermindert werden und die Ofenendtemperatur konnte abgesenkt werden.
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2
In Beispiel 2 wird eine Verbrennungsvorrichtung für Flüssigbrennstoff, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, wie in 4, 5(A) und 5(B) gezeigt, für einen Drehrohrofen zur Zementcalcinierung verwendet, und in dem Drehrohrofen wurde unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen Zement hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
In Vergleichbeispiel 2 wurde unter Verwendung einer herkömmlichen Schwerölverbrennungsvorrichtung unter den Tabelle 2 angegebenen Bedingungen Zement hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Wie Tabelle 2 deutlich zeigt, konnte in Beispiel 2 auch dann, wenn das Sekundärluftbegleitmoment und die Begleitzeit auf ähnlichen Niveaus wie in Vergleichsbeispiel 2 gehalten wurden, das Ausstoßstrommoment um 25 bis 35% gesteigert werden, die Wirbelzahl konnte vermindert werden, die Produktionsrate konnte gesteigert werden, das Verbrennungsverhältnis konnte vermindert werden und die Ofenendtemperatur konnte abgesenkt werden.
Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 3
In Beispiel 3 wird eine Mischverbrennungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, wie in 6, 7(A) und 7(B) gezeigt, für einen Drehrohrofen zur Zementcalcinierung verwendet, und in dem Drehrohrofen wurde unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen Zement hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
In Vergleichbeispiel 3 wurde unter Verwendung einer herkömmlichen Kohlepulver- und Flüssigbrennstoff-Verbrennungsvorrichtung unter den Tabelle 3 angegebenen Bedingungen Zement hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
Wie Tabelle 3 deutlich zeigt, konnte in Beispiel 3 auch dann, wenn das Sekundärluftbegleitmoment und die Begleitzeit auf ähnlichen Niveaus wie in Vergleichsbeispiel 3 gehalten wurden, das Ausstoßstrommoment um 25 bis 35% gesteigert werden, die Wirbelzahl konnte vermindert werden, die Produktionsrate konnte gesteigert werden, das Verbrennungsverhältnis konnte vermindert werden und die Ofenendtemperatur konnte abgesenkt werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Durch Verwendung der Verbrennungsvorrichtung und des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung können einen Pulverbrennstoff oder ein Pulverbrennstoff und ein Flüssigbrennstoff verbrannt werden, um eine Flamme mit kurzer Flammenform mit schmalem Winkel zu bilden, und die Brennpunkttemperatur kann ausreichend erhöht werden, ohne dass die Ofenwand beschädigt wird. Die praktischen Auswirkungen der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung sind daher sehr gut.

Claims

Vorrichtung zum Verbrennen eines Pulverbrennstoffs, enthaltend: eine äußerste zylindrische Umfangswand (22); eine Einrichtung zum Ausstoßen eines Pulverbrennstoffs, enthaltend ein Pulverbrennstoffausstoßrohr (25) mit einer ringförmigen Ausstoßöffnung (26), durch welche ein Pulverbrennstoff zusammen mit Luft zum Fördern des Pulverbrennstoffs ausgestoßen wird; ein äußeres Primärluftausstoßrohr (23), das innerhalb der äußersten zylindrischen Umfangswand (22) und an der Außenseite der Brennstoffausstoßeinrichtung angeordnet ist und eine Vielzahl von äußeren Primärluftausstoßöffnungen (24) hat, durch welche Primärluft parallel zu der Brennstoffausstoßrichtung der Brennstoffausstoßeinrichtung ausgestoßen wird; und ein inneres Primärluftausstoßrohr (27), das an der Innenseite der Brennstoffausstoßeinrichtung angeordnet ist und eine Vielzahl von inneren Primärluftausstoßöffnungen (28) hat, durch welche Primärluft parallel zu der Brennstoffausstoßrichtung der Brennstoffausstoßeinrichtung ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Luftausstoßöffnungen (24) des äußeren Primärluftausstoßrohrs (23) und die Vielzahl von Luftausstoßöffnungen (28) des inneren Primärluftausstoßrohrs (27) auf konzentrischen Umfängen in der Weise angeordnet sind, dass die ringförmige Ausstoßöffnung des Pulverbrennstoffausstoßrohrs zwischen den äußeren Luftausstoßöffnungen und den inneren Luftausstoßöffnungen angeordnet ist, und die inneren Primärluftausstoßöffnungen getrennt von geraden Linien positioniert sind, die durch die Mittelpunkte der äußeren Primärluftausstoßöffnungen und den Mittelpunkt der konzentrischen Umfänge verlaufen.
Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 1, ferner enthaltend: eine zusätzliche Brennstoffausstoßeinrichtung, die an der Innenseite des inneren Primärluftausstoßrohrs (27) angeordnet ist und mindestens ein Flüssigbrennstoffspritzrohr (39) enthält, das eine Flüssigbrennstoffspritzöffnung (38) hat, durch die ein Flüssigbrennstoff radial gespritzt wird.
Verfahren zum Verbrennen eines Pulverbrennstoffs unter Verwendung der Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 1, enthaltend das Ausstoßen eines Pulverbrennstoffs zusammen mit der Pulverbrennstoffförderluft durch die ringförmige Brennstoffausstoßöffnung; und das Ausstoßen von Primärluft durch die äußeren und die inneren Primärluftausstoßöffnungen in der gleichen Richtung wie der Pulverbrennstoffausstoßstrom, um äußere und innere gerade Primärluftausstoßströme zu bilden, zwischen welchen der Pulverbrennstoffausstoßstrom verläuft.
Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 3, bei welchem dann, wenn der Pulverbrennstoff in einem Drehrohrofen verbrannt wird, Hochtemperatur-Sekundärluftströme von einem stromabwärts von dem Drehrohrofen angeordneten Produktkühlsystem in den Drehrohrofen eingeführt werden; und die eingeführte Hochtemperatur-Sekundärluft der Verbrennungsflamme des Pulverbrennstoffs beigemischt wird.
Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 3, bei welchem der Pulverbrennstoff mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 30 bis 50 m/s durch die ringförmige Brennstoffausstoßöffnung ausgestoßen wird, und die äußeren und inneren geraden Primärluftströme mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 200 bis 300 m/s durch die Luftausstoßöffnungen ausgestoßen werden; und die Gesamtmenge der durch die ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung und die äußeren und die inneren Primärluftausstoßöffnungen ausgestoßenen Luft so geregelt wird, dass sie auf der Basis der theoretischen Verbrennungsluftmenge innerhalb von 8 bis 15% liegt.
Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner enthaltend, unter Verwendung der Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 2, das radiale Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen, um ihn den Primärluftströmen beizumischen, um eine Mischverbrennung des Pulverbrennstoffs und des Flüssigbrennstoffs zu veranlassen.
Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 6, bei welchem der Flüssigbrennstoff ausgewählt ist aus Brennstoffen in flüssigem Zustand und Brennstoffaufschlämmungen, die ein brennbares Pulver enthalten.
Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 6, bei welchem der Pulverbrennstoff mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 30 bis 50 m/s durch die ringförmige Brennstoffausstoßöffnung ausgestoßen wird; die äußeren und inneren geraden Primärluftausstoßströme mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von 200 bis 300 m/s durch die äußeren und inneren Ausstoßöffnungen ausgestoßen werden; die Größe der durch die Flüssigbrennstoffspritzöffnungen eingespritzten Flüssigbrennstofftröpfchen so geregelt wird, dass sie innerhalb von 10 bis 300 μm liegt; und die Gesamtmenge der durch die ringförmige Pulverbrennstoffausstoßöffnung und die äußeren und inneren Primärluftausstoßöffnungen ausgestoßenen Luft so geregelt wird, dass sie auf der Basis der theoretischen Verbrennungsluftmenge innerhalb von 8 bis 15% liegt.