[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger
und/oder fester Brennstoffe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. Patentanspruches
14.
[0002] Im Laufe der Jahre sind verschiedenste Varianten zum Verbrennen sowohl flüssiger
Brennstoffe, wie Öl oder dergleichen als auch fester Brennstoffe, insbesondere Kohle,
Torf oder dergleichen in pulverisierter Form vorgeschlagen worden, wobei letztere
meist mit einer Trägerflüssigkeit, wie Wasser und/oder öl vermischt als Emulsion in
einen Verbrennungsraum eingeleitet werden. Die Einleitung der Brennstoffe in den Verbrennungsraum
erfolgt in der Regel unter Ausbildung eines rezirkulierenden Strömungsprofiles, wobei
dieses durch eine rotierende äußere Luftströmung begrenzt wird. Die Verbrennung einer
Suspension von pulverisierter Kohle in Flüssigkeit hat sich in der Praxis als relativ
schwierig herausgestellt; vor allem galt es, Verstopfungen der in den Verbrennungsraum
mündenden Brennstoff-Eintrittsöffnungen bzw. Brennerdüsen zu verhindern. Auch war
der Wirkungsgrad der Verbrennung begrenzt. Zur Überwindung dieser Probleme wird in
der DD-PS 145 316 ein Brenner vorgeschlagen, welcher eine Kombination eines sogenannten
Rotationsbrenners mit einem Toroidal-Brenners darstellt. Versuche haben jedoch gezeigt,
daß auch mit diesem Brenner sich nur relativ geringe Wirkungsgrade erzielen lassen,
vor allem in der kritischen Startphase. Der Grund liegt vermutlich darin, daß die
Zerstäubung der Brennstoffe unzulänglich ist, so daß gerade in der Startphase Entzündungsprobleme
auftreten. Auch ist die Anreicherung bzw. Vermischung der Brennstoffe mit Luft mangelhaft,
worunter ebenfalls der Wirkungsgrad leidet.
[0003] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger und/oder fester
Brennstoffe in pulverisierter Form zu schaffen, bei dem bzw. mit der auf minimaler
Distanz im Verbrennungsraum eine praktisch vollständige Verbrennung möglich ist, wobei
die Verbrennung auch bei Zufuhr fester Brennstoffe in trockender Form mit hohem Wirkungsgrad
aufrechterhalten werden kann.
[0004] Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Maßnahmen
des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden
Maßnahmen des Patentanspruches 14 gelöst.
[0005] Durch die Erfindung werden die Brennstoffe fein verteilt in den Verbrennungsraum
eingeleitet. Feste und flüssige Brennstoffe werden unmittelbar nach der Einleitung
in den Verbrennungsraum miteinander vermischt, wodurch gerade in der Startphase die
Verbrennung leicht in Gang gesetzt werden kann. Die Brennstoffe werden durch jeweils
eine (kleine Brenner) oder mehrere Düsen fein verteilt in Form von Sprühkegeln in
den Verbrennungsraum eingeleitet, wobei durch die abwechselnde Anordnung von Düsen
bzw. Eintrittsöffnungen für feste und flüssige Brennstoffe eine gute Vermischung derselben
und damit leichte Zündung erreicht wird. Insbesondere werden die eingeleiteten Brennstoffe
"aufgebrochen" in kleinste Brennstoffpartikel bzw. -tröpfchen. Man erhält auf diese
Weise eine maximale Brennstoffoberfläche, wodurch die praktisch vollständige Verbrennung
auf extrem kurzer Distanz erreicht wird. Entsprechend kurz kann der Verbrennungsraum
gebaut sein.
[0006] Nach dem Start ist es möglich, die ölzufuhr stark zu drosseln oder gar abzustellen
und nur noch die in den Verbrennungsraum eingeleitete Kohle oder dergleichen trocken
oder vermischt mit Wasser, öl etc. zu verbrennen. In diesem Falle ist es zweckmäßig,
wenn die äußere Luftströmung eine Temperatur von etwa 100°C besitzt.Wenn die Temperatur
der äußeren Luftströmung niederiger als 100°C ist, ist es zweckmäßig, zusätzlich wieder
öl einzuleiten, um einen hohen Verbrennungswirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
[0007] Auch ist es möglich, die Kohle - oder dergleichen - zufuhr abzusperren und nur öl
zu verbrennen, insbesondere Schweröle. Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung
(Brenner) eigent sich also sowohl zur Verbrennung von festen Brennstoffen als auch
von flüssigen Brennstoffen, und zwar getrennt voneinander oder in einem vorgegebenen
Mischungsverhältnis.
[0008] Bevorzugte verfahrenstechnische und vorrichtungstechnische Maßnahmen sind in den
Ansprüchen 2 bis 13 bzw. 15 bis 34 näher beschrieben. Von besonderer Bedeutung ist
dabei die zentrale Einblasung von Druckluft in den Verbrennungsraum wodurch Ablagerungen
an der dem Verbrennungsraum zugewandten Stirnfläche der Brennerdüse sicher vermieden
werden, bedingt durch die zentrale Rezirkulation der heißen Verbrennungsgase und der
durch diese mitgeführten unverbrannten Brennstoffpartikel. Gleichermaßen wird durch
die Maßnahme nach den Ansprüchen 5 bzw. 15, d.h. durch die radiale Drucklufteinblasung
verhindert, daß in den Verbrennungsraum eintretende Kohle- oder ölpartikel sich auf
Grund des im Zentrum unmittelbar hinter der Brennerdüse bzw. dem Düsenkörper herrschenden
Unterdrucks an der dem Verbrennungsraum zugewandten Stirnfläche des Düsen- , körpers
ablagern.
[0009] Überraschenderweise werden die erfindungsgemäßen Maßnahmen bei in der Stirnwand des
Verbrennungsraumes versenkter Anordnung des Düsenkörpers bzw. Brennstoffeinlasses
Ablagerungen an der dem Brennstoffeinlass gegenüberliegenden und die dem Brennstoffeinlass
nächstliegende Luftströmung begrenzenden Seitenwand sicher vermieden.
[0010] Von besonderer Bedeutung für eine optimale Verbrennung sind noch die konstruktiven
Maßnahmen nach den Ansprüchen 20 und 21. Durch diese Merkmale wird der in den Verbrennungsraum
eingeleitete pulverisierte Brennstoff regelrecht aufgebrochen und aufgefächert. Man
erhält eine hohe Feinverteilung der Brennstoffe und damit schnelle Entflammung, vor
allem bei Vermischung mit flüssigem Brennstoff wie öl oder dergleichen.
[0011] Ferner sind von Bedeutung die Maßnahmen nach den Ansprüchen 23 bis 34, die die äußere
Luftströmung betreffen und durch die die Verbrennung ganz wesentlich beeinflußt werden
kann, insbesondere auch das Strömungsprofil hinter dem Brennstoffeinlaß. Durch diese
Maßnahmen wird eine spontane Auffächerung der in den Verbrennungsraum eingeleiteten
Brennstoffe unterstützt. Vor allem wird dadurch ein hohlkegelartiges Strömungsprofil
erzielt, das eine etwa glocken- bzw. apfelförmige Gestalt annimmt. Die Form des Strömungsprofils
wird bestimmt durch das Gleichgewicht der auf die Brennstoffe einwirkenden Zentrifugalkräfte
und zentralen "Unterdruck"-Kräfte.
[0012] Wird als Trägerflüssigkeit für die festen pulverisierten Brennstoffe Wasser verwendet,
hat die zentrale Rezirkulation eines Teils heißer Verbrennungsgase zusätzlich den
ganz großen Vorteil, daß dabei auch ein Teil dissoziierten Wassers und damit freigewordener
Sauerstoff zentral zum Brennstoffeinlaß zurückströmt, wodurch die Verbrennung zusätzlich
vom inneren des hohlen Brennstoff-Sprühkegels her initiiert wird.
[0013] Beim Start der Verbrennung wird vorzugsweise nur reines öl eingespritzt, um dann
zunehmend pulverisierte feste Brennstoffe einzuleiten. Wie dargelegt, kann dann bei
ausreichend hoher Temperatur der äußeren Luftströmung sowie auch der zentral eingeblasenen
Druckluft und gegebenenfalls der dem festen Brennstoff beigemischten Druckluft die
Ölzufuhr ganz abgeschaltet werden. Beim Abschalten der Verbrennung wird umgekehrt
vorgegangen. Es wird zunehmend der pulverisierte Brennstoff weggenommen, bis schließlich
nur noch Öl als Brennstoff übrig bleibt.
[0014] Dadurch wird beim Abschalten eine Verklumpung oder Verstopfung der Eintrittsöffnungen
für feste Brennstoffe sicher vermieden.
[0015] Wie ferner oben dargelegt worden ist, eignet sich die erfindungsgemäße Lösung auch
ganz ausgezeichnet zur Verbrennung von öl, insbesondere Schweröl. Man erhält auf Grund
der erfindungsgemäßen Maßnahmen eine höchste Feinverteilung bzw. Zerstäubung des in
den Verbrennungsraum eingeleiteten öls und damit eine extrem große freie Verbrennungsfläche
mit der Folge, daß auf kürzester Distanz eine nahezu vollständige Verbrennung erhalten
wird.
[0016] Als feste Brennstoffe kommen vornehmlich Kohle in Frage, z.B. Steinkohle, bitumenhaltige
Kohle, gasreiche Kohle oder ein Gemisch davon.
[0017] Nachstehend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Teile einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
(Brennerteil) im schematischen Längsschnitt,
Fig. 2 den Düsenkörper der Vorrichtung nach Figur 1 im Längsschnitt,
Fig. 3 den Düsenkörper nach Figur 2 in Vorderansicht,
Fig. 4 den Einlaß für feste Brennstoffe bzw. Brennstoffemulsion im Schnitt und vergrößertem
Maßstab,
Fig. 5 einen Teil einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
(Brennerteil) im schematischen Längsschnitt,
Fig. 6 den Düsenkörper der Vorrichtung nach Figur 5 im Längsschnitt, und
Fig. 7 den Düsenkörper nach Figur 6 im Querschnitt längs Linie VII-VII.
[0018] Der in Figur 1 im schematischen Längsschnitt dargestellte öl- und/oder Kohlebrenner
weist einen Düsenkörper 32 mit in den Verbrennungsraum 16 mündenden Brennstoff-Eintrittsöffnungen
10, 12' auf, der in der Stirnwand 33 des Verbrennungsraum versenkt angeordnet ist
und von mehreren Gaskanälen 35, 37, 39, 41 und 43 konzentrisch umgeben ist. Der den
Düsenkörper 32 unmittelbar umgebende Gaskanal 35 mündet in den Verbrennungsraum 16
durch eine Eintrittsöffnung 36, die dem Brennstoffeinlaß nächstgelegen ist. Durch
den Kanal 35 strömt eine sogenannte "primäre Primärluft", die mit Verbrennungsgasen
höherer Temperatur angereichert sein kann, wobei das aus der Öffnung 36 austretende
Gas eine Strömungsgeschwindigkeit von 100 bis 200 m/s vorzugsweise etwa 130 m/s, besitzt.
Die die öffnung 36 begrenzenden Seitenwandungen 60 und 62 sind jeweils kegelförmig
ausgebildet unter Ausbildung einer Ringdüse. Unmittelbar vor dem Austritt des "primären
Primärgases" wird dieses durch Drallelemente 46 in Form von Leitschaufeln um etwa
70° umgelenkt und damit in Rotation um die Längsachse 14 des Düsenkörpers bzw. Verbrennungsraums
versetzt. Das primäre Primärgas wird in den Gaskanal 35 mit einem Druck von etwa 1000
bis 1200 mm Wassersäule eingeblasen.
[0019] Der Gaskanal 35 wird von einem weiteren Gaskanal 37 konzentrisch umgeben, dessen
ringförmige, in den Verbrennungsraum 16 mündende Eintrittsöffnung 38 ebenfalls durch
kegelförmige Seitenwandungen 64 und 66 begrenzt ist. Die Seitenwandungen 64, 66 sind
jedoch so gerichtet, daß sie der aus der Ringöffnung 38 austretenden Gasströmung ein
kegelartiges Strömungsprofil aufprägen, das das entgegengerichtete Strömungsprofil
der Brennstoffe sowie der aus der Ringöffnung 36 austretenden "Primären Primärluft"
durchdringt. Dadurch und durch die Zurückversetzung des Brennstoffeinlasses und der
Ringöffnung 36 für die primäre Primärluft gegenüber der Ringöffnung 38 für die sogenannte
"sekundäre Primärluft" wird durch die aus dieser Ringöffnung austretende Gas- bzw.
Luftströmung ein Aufbrechen des Strömungsprofils des sich bereits in Rotation befindenden
Brennstoffs bzw. Brennstoffgemisches erreicht, also eine zusätzliche Vergrößerung
der freien Oberfläche des
[0020] Brennstoffs kurz nach dem Austritt aus dem Düsenkörper bzw. kurz nach Eintritt in
den Verbrennungsraum 16 erzielt.
[0021] Vor Austritt der den Gaskanal 37 durchströmenden sogenannten "sekundären Primärluft"
wird diese ebenfalls durch im Bereich der Ringöffnung 38 angeordnete Drallelemente
48 in Form von Leitschaufeln umgelenkt, und zwar um etwa 40 bis 45 ° zur Längsachse
14, also in Rotation um die Längsachse 14 versetzt. Die Austrittsgeschwindigkeit der
"sekundären Primärluft" beträgt etwa 120 bis 180 m/s, vorzugsweise 140 m/s. Die Ringspaltweite
der Öffnung 38 ist ebenso wie die Ringspaltweite der öffnung 36 durch Veränderung
der Relativlage der sie begrenzenden Seitenwandungen 64, 66 veränderbar. In entsprechender
Weise ist natürlich die Austrittsgeschwindigkeit der "sekundären Primärluft" variabel.
Auch die "sekundäre Primärluft" wird mit einem Druck von etwa 1000 bis 1200 mm Wassersäule
in den Ringkanal 37 eingeblasen. Die Ablenkung der "sekundären Primärluft" durch die
Drallelemente 48 erfolgt in der gleichen Richtung wie die Ablenkung der "primären
Primärluft" durch die im Bereich der öffnung 36 angeordneten Drallelemente 46.
[0022] Die "sekundäre Primärluft" ist vorzugsweise nicht mit heißen Verbrennungsgasen angereichert,
da sie weniger als Trägermedium für den in den Verbrennungsraum 16 eingeleiteten Brennstoff
dient als vielmehr zur Vergrößerung der freien Oberfläche desselben und der Anreicherung
bzw. Versorgung der Brennstoffpartikel bzw. -tröpfchen mit Sauerstoff.
[0023] Der den Düsenkörper 32, den diesen unmittelbar umgebenden Ringkanal 35 und den von
der "sekundären Primärluft" durchströmten Ringkanal 37 umfassende Bauteil ist als
ganzes in die Stirnwand 33 des Verbrennungsraums 16 bzw. in das noch zu beschreibende
Gasregister 39, 41, 43 einsetzbar und somit auch leicht durch ein entsprechendes,
etwas modifiziertes Bauteil austauschbar.
[0024] Der Gaskanal 37 für die "sekundäre Primärluft" ist wiederum von einem konzentrischen
Gaskanal 39, dieser von einem weiteren Gaskanal 41 und dieser schließlich noch von
einem Gaskanal 43 jeweils konzentrisch umgeben. Die entsprechenden in den Verbrennungsraum
16 mündenden Ringöffnungen sind mit den Bezugsziffern 40, 42 und 44 gekennzeichnet.
Die Ringkanäle 39, 41 und 43 werden selektiv, vorzugsweise von Luft, durchströmt,
wobei die Einblasung unter einem Druck von etwa 200 bis 300 mm Wassersäule erfolgt.
Vor dem Austritt der Luft aus den ringförmigen Gas- bzw. Lufteintrittsöffnungen 40,
42, 44 wird diese durch im Bereich der Öffnungen angeordnete Drallelemente 50, 52,
54 in Form von Leitblechen umgelenkt und somit um die Längsachse 14 in Rotation versetzt,
und zwar in derselben Richtung wie die "primäre Primärluft" bzw. "sekundäre Primärluft"
durch die Drallelemente 46 und 48.
[0025] Durch die Drallelemente 50 erfolgt eine Umlenkung der Gas- bzw. Luftströmung um etwa
70°. Die Drallelemente 52 und 54 bewirken eine Umlenkung der Gas- bzw. Luftströmung
um etwa 40 bis 50° bzw. 0 bis 40°. Sämtliche Drallelemente, insbesondere die äußersten
Drallelemente 54 sind hinsichtlich ihrer Winkelstellung veränderbar und damit an den
zu verbrennenden Brennstoff bzw. Brennstoffgemisch anpaßbar.
[0026] Die Strömungsgeschwindigkeit der aus der Ringöffnung 40 austretenden Luft beträgt
beim Start der Verbrennung etwa 40 m/s, bei Vollast etwa 70 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit
der aus den Ringöffnungen 42 und 44 austretenden Luft variiert zwischen 0 m/s beim
Start der Verbrennung bis 70 m/s bei Vollast.
[0027] Die Austrittsgeschwindigkeiten der "primären Primärluft" und "sekundären Primärluft"
bleiben in allen Betriebszuständen zwischen Start und Vollast etwa gleich. Nur die
Austrittsmenge bzw. der Durchsatz werden verändert durch entsprechende Vergrößerung
oder Verkleinerung der Spaltweiten der Ringöffnungen bzw. Ringspalte 36 und 38. Die
Veränderung der Spaltweiten erfolgt gleichermaßen. Zu diesem Zweck ist ein zwischen
den beiden Ringöffnungen bzw. Spalten 36 und 38 angeordnetes Ringmundstück 68, das
die beiden benachbarten bzw. einander zugewandten Seitenwandungen 62 und 64 der beiden
Ringöffnungen 36 und 38 umfaßt, in axialer Richtung bzw. in Richtung der Längsachse
14 hin- und her-verschiebbar gelagert. Das Ringmundstück 68 ist bei der Ausführungsform
nach Figur 1 mit dem die beiden Primärluft-Kanäle 35,37 voneinander trennenden Rohrmantel
70 verbunden, so daß die axiale Verschiebung des Ringmundstücks 68 durch entsprechende
Einwirkung auf den Rohrmantel 70 erfolgt. Beim Start wird das Ringmundstück 68 in
Figur 1 nach rechts verschoben, so daß die Spaltweiten der Ringöffnungen 36 und 38
und damit die Menge der austretenden Primärluft ein Minimum sind. Bei Vollast sind
die Verhältnisse umgekehrt, d.h. das Ringmundstück 68 ist in Figur 1 nach links verschoben,
so daß die Ringöffnungen 36 und 38 maximal geöffnet sind. Entsprechend maximal ist
die Austrittsmenge der "primären" und "sekundären" Primärluft.
[0028] Die äußerste Gas- bzw. Luftströmung durch den Ringkanal 43 dient vor allem zur Reduzierung
des NO
x-Gehalts außerhalb der Flamme im Verbrennungsraum 16. Ferner begrenzt diese Strömung
die radiale Ausdehnung der Flamme und verhindert Ablagerungen an den Seitenwänden
des Verbrennungsraumes 16.
[0029] Durch den Ringkanal 39 kann auch pulverisierter Brennstoff, z.B. Kohlepulver eingeblasen
werden, und zwar vermischt mit Sekundärluft oder anstatt der Sekundärluft. Dies ist
insbesondere bei Vollast möglich und zweckmäßig, wenn Energiespitzen auftreten.
[0030] Das Kernstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Konfiguration des Düsenkörpers
32 mit der dargestellten Anordnung der Eintrittsöffnungen 10 und 12' für öl und feste
Brennstoffe. Diese Konfiguration wird nun anhand der Figuren 2 bis 4 näher beschrieben.
[0031] Der Brennstoffeinlaß ist durch mehrere, nämlich 16, gleichmäßig über einen Kreisumfang
11 bzw. 13 verteilt angeordnete Eintrittsöffnungen 10, 12' gebildet, wobei die Eintrittsöffnungen
10 für flüssigen Brennstoff, insbesondere öl, und die Eintrittsöffnungen 12' für festen
Brennstoff bzw. eine Brennstoffemulsion abwechselnd längs des Umfangs angeordnet sind.
Die Eintrittsöffnungen 10 für flüssigen Brennstoff sind längs eines nach innen versetzten
Kreisumfanges 13 radial nach außen gerichtet, während die Eintrittsöffnungen 12' für
festen Brennstoff längs eines weiter außen liegenden bzw. dem Verbrennungsraum 16
näherliegenden Kreisumfangs 11 bezogen auf die Längsachse 14 des Verbrennungsraumes
16 in Strömungsrichtung nach außen geneigt gerichtet sind.
[0032] Ferner ist ein zentraler Einlaß 18, der sich koaxial zur Längsachse des Düsenkörpers
32 bzw. Verbrennungsraums 16 erstreckt, zum Einblasen von Druckluft vorgesehen. Dadurch
wird eine Ablagerung von Kohle oder Kohlenstaub an der dem Verbrennungsraum zugewandten
Stirnfläche des Düsenkörpers 32 sicher vermieden. Vor dem zentralen Druckluft-Einlaß
18 zweigen Verbindungsleitungen 20 ab, die an den Eintrittsöffnungen 12' für festen
Brennstoff münden, und zwar konkret in die Eintrittsöffnungen 12' für festen Brennstoff
jeweils bildende Mundstücke 24 (siehe Figuren 2 und 4). Die Mundstücke 24 umfassen
jeweils einen Ring 26 mit dreieckförmigem Querschnitt, wobei eine Ringkante 28 dieses
Querschnitts die in den Verbrennungsraum 16 mündende Eintrittsöffnung 12' definiert
bzw. begrenzt. In den Mundstücken 24 sind auf die Eintrittsöffnung 12' gerichtete
Druckluftkanäle 30 vorgesehen, die mit den oben erwähnten Druckluft-Verbindungsleitungen
bzw. Abzweigungen 20 innerhalb des Düsenkörpers 32 fluidverbunden sind. Die Fluidverbindung
erfolgt dabei über einen äußeren Ringraum, der einerseits durch den Düsenkörper und
andererseits durch eine Ringnut 11 im Mundstück 24 begrenzt ist, wobei in diesen Ringraum
die Druckluft-Verbindungsleitung bzw. Abzweigung mündet und ferner an diesenRingraum
mehrere, etwa gleichmäßig über den Umfang des Mundstücks 24 verteilt angeordnete Druckluftkanäle
30 anschließen (siehe Figuren 2 und 3).
[0033] Durch die relativ spitze bzw. scharfe Ringkante 28, durch die die Eintrittsöffnung
12' für festen Brennstoff begrenzt ist, wird die Brennstoff-Strömung unter Ausbildung
eines "Sprühkegels" aufgebrochen. Dieser Effekt wird zusätzlich durch die Einblasung
von Druckluft durch die Druckluftkanäle 30 hindurch unterstützt. Mittels der eingeblasenen
Druckluft kann die Ausbildung eines "Sprühkegels" gut variiert bzw. eingestellt werden
an die jeweils gewünschten Bedingungen bzw. an die Art und Qualität des Brennstoffs,
den es zu verbrennen gilt. Durch die beschriebene Konstruktion wird der eingeleitete
Brennstoff also bereits auf mehrere Einzeldüsen verteilt und an diesen zusätzlich
extrem "aufgebrochen" mit der Folge einer maximalen Feinverteilung und der Entstehung
einer maximalen freien bzw. verbrennungsaktiven Oberfläche.
[0034] Vorzugsweise sind die Mundstücke 24 auswechselbar im Düsenkörper angeordnet, z.:
B. eingeschraubt. Damit ist eine Anpassung an die zu verbrennenden Brennstoffe möglich.
Die verschiedenen Düsenkörper können sich durch unterschiedlich große Eintrittsöffnungen
12' und/oder unterschiedlich große Anzahl von Druckluftkanälen 30 bzw. unterschiedlich
dimensionierte Druckluftkanäle 30 unterscheiden. Auch ist es möglich, Mundstücke 24
einzusetzen, deren die Eintrittsöffnung 12' begrenzende Ringkante 28 etwas abgerundet,
gestuft oder abgeflacht ist. Am besten eignet sich jedoch eine spitz auslaufende Ringkante
28.
[0035] Der zentrale Drucklufteinlaß 18 kann ebenfalls innerhalb eines Einsatzteils 19 angeordnet
sein, der an der dem Verbrennungsraum 16 zugewandten Stirnseite des Düsenkörpers 32
einschraubbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, durch Verwendung eines anderen
Einsatzkörpers 19 den freien Querschnitt sowie die Form des Einlasses 18 zu verändern
(siehe Figur 2 im Vergleich zu Figur 1, wo die Form des Einlasses 18 etwa derjenigen
der Eintrittsöffnung 12' für festen Brennstoff entspricht).
[0036] Wie bereits dargelegt, werden durch die zentrale Drucklufteinblasung durch den Einlaß
18 Ablagerungen an der dem Verbrennungsraum zugewandten Stirnfläche des Düsenkörpers
32 vermieden. Die zentral rezirkulierenden etwa 1500 bis 1700°C heißen Verbrennungsgase
erfahren dort eine Umlenkung und werden von eingeleiteten Brennstoff, insbesondere
vom durch die Eintrittsöffnungen 12' eingeleiteten Fest-Brennstoff wieder zurück in
den Verbrennungsraum 16 mitgerissen. Die heißen Verbrennungsgase bewirken dabei unmittelbar
nach dem Austritt der relativ kalten Brennstoffe bzw. Brennstoffemulsion eine Entflammung
derselben, so daß der Verbrennungsvorgang relativ nahe hinter dem Brennstoffeintritt
12' in Gang gesetzt wird, wobei diese Entflammung zusätzlich - vor allem während der
Startphase - unterstützt wird durch das radial eingeleitete öl (durch die Eintrittsöffnungen
10). Der Flammenmantel wird bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen den durch die
Rotation bedingten Zentrifugalkräften sowie den durch den außerhalb des Flammenmantels
im Bereich der Stirnwand 33 herrschenden Unterdruck bedingten Kräften einerseits und
den durch den zentralen Unterdruck vor dem Düsenkörper innerhalb des Flammenmantels
bedingten Gegenkräften andererseits. Beim Starten der Verbrennung werden die beiden
äußeren Gas- bzw. Luftkanäle 52, 54 geschlossen. Die Ringöffnung 40 wird so eingestellt,
daß die Geschwindigkeit der austretenden Luft etwa 40 m/s beträgt. Das Ringmundstück
68 wird - wie dargelegt - in Richtung zum Verbrennungsraum 16 hin verschoben, so daß
die Ringspalte zwischen den Seitenwandungen 60, 62 bzw. 64, 66 verkleinert werden,
wodurch die Austrittsmenge der "primären" und "sekundären" Primärluft bei etwas erhöhter
Austrittsgeschwindigkeit reduziert wird. Durch die etwas erhöhte Austrittsgeschwindigkeit
insbesondere der "sekundären Primärluft" aus der zum eingeleiteten Brennstoff hin
gerichteten Ringöffnung 38 wird ein hoher Aufbrecheffekt erhalten. Die Primärluft
wird beim Start so aufgeteilt, daß etwa 60 bis 70 %, vorzugsweise 90 % derselben,
aus der dem Brennstoffeinlaß am nächsten gelegenen Ringöffnung 36 und nur etwa 30
bis 40% vorzugsweise 10% derselben aus der zweitnächsten Ringöffnung 38 ausströmen.
[0037] Bei Vollast beträgt bei erhöhter Gesamtmenge der Primärluft das Mengenverhältnis
zwischen "primärer Primärluft" und "sekundärer Primärluft" etwa 3:7. Diese Ausführungen
zeigen, daß beim Start eine konzentrierte starke Gasströmung in unmittelbarer Umgebung
des eingeleiteten Brennstoffs benötigt wird, um diesen aufzubrechen und damit die
Verbrennung aufgrund der vergrößerten Oberfläche des Brennstoffs leichter in Gang
bringen zu können. Das Aufbrechen des Brennstoffs in kleinste Partikel bzw. Tröpfchen
wird zusätzlich erleichtert durch die Tatsache, daß der Brennstoff durch eine Vielzahl
von Eintrittsöffnungen in den Verbrennungsraum eingeleitet wird. Der relativ kompakte
Brennstoff wird also bereits aufgeteilt in den Verbrennungsraum eingeleitet bzw. eingespritzt,
wobei
[0038] eine erste Aufbrechung im Bereich der Eintrittsöffnungen stattfindet und eine sekundäre
Aufbrechung durch die äußere Gas- bzw. Luftströmung. Die beschriebene Änderung des
Mengenverhältnisses zwischen "primärer" und "sekundärer" Primärluft bei gleichzeitiger
Änderung der Kapazität bzw. Austrittsmenge insgesamt erhält man in einfacher Weise
durch entsprechende Konfiguration des axial beweglichen Ringmundstücks 68, z.B. wie
in Figur 1 oder 5 dargestellt mit jeweils etwa trapezförmigem Querschnitt.
[0039] Wie oben bereits dargelegt worden ist, ist die Ablenkung der radial äußersten Einzel-Gas-
bzw. Luftströmung durch die Leitschaufeln bzw. Drallelemente 54 geringer und kann
sogar 0 betragen. Dadurch wird ganz erheblich die radiale Ausdehnung des Flammenmantels
beeinflußt.
[0040] Die oben erwähnte Beimischung von Verbrennungsgasen zu der "primären Primärluft"
hat zwei Vorteile. Zum einen soläßt sich/wohl der flüssige als auch der feste Brennstoff
längs ihrer Wege durch die Kanäle 34, 36, 38 vorwärmen. Zum anderen kann eine gewisse
Nachverbrennung und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Diese beiden Vorteile
wiegen den Nachteil eines geringeren Sauerstoffanteils auf. Bei reiner Kohleverbrennung
ist es jedoch zweckmäßig, auf die Beimischung von Verbrennungsgasen zu verzichten.
Im übrigen könnte der Nachteil eines geringeren Sauerstoffanteils durch eine Sauerstoffanreicherung
der übrigen Einzel-Gas- bzw- Luftströmungen ("Sekundärluft") kompensiert werden. Bei
Verbrennung eines Kohle-Wasser-Gemisches werden vorzugsweise Benetzungsmittel zugesetzt,
die eine gleichmäßige Verteilung der Kohlepartikel im Wasser gewährleisten.
[0041] Die Ausführungsform nach den Figuren 5 bis 7 unterscheidet sich von derjenigen nach
den Figuren 1 bis 4 nur durch einen unterschiedlichen Aufbau des Düsenkörpers. Alle
übrigen Maßnahmen sind gleich geblieben und auch mit den entsprechenden Bezugsziffern
versehen, so daß man sich nachstehend mit der Beschreibung des Düsenkörpers anhand
der Figuren 6 und 7 beschränken kann.
[0042] Der Düsenkörper 32 nach denFiguren 6 und 7 umfaßt eine zentrale Zuleitung 34 für
feste Brennstoffe, wie pulverisierte Kohle mit oder ohne Wasser, öl oder dergleichen,
eine diese Zuleitung konzentrisch umgebende Ringleitung 36'für flüssigen Brennstoff,
wie Öl oder dergleichen sowie diese öl-Ringleitung konzentrisch umgebende Druckluft-Zuführung
38'in Form von mehreren gleichmäßig über einen Kreisumfang verteilt angeordneten Leitungsbohrungen.
Die Zuleitungen 34 und 36' für festen und flüssigen Brennstoff münden in radial gerichtete
Eintrittsöffnungen 10 bzw. 12, die abwechselnd gleichmäßig über den Umfang verteilt
angeordnet sind, wie Figur 7 gut erkennen läßt. Insgesamt sind ebenso wie bei der
Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 4 jeweils acht Eintrittsöffnungen 10 bzw. 12
für festen und flüssigen Brennstoff vorgesehen.
[0043] Die Druckluft-Bohrungen 38', die sich parallel zur Längsachse 14 des Düsenkörpers
32 bzw. des Verbrennungsraums 16 erstrecken und die mit "primärer Primärluft" aus
dem den Düsenkörper 32 unmittelbar umgebenden Gas- bzw. Luftkanal 35 mit Druckluft
versorgt werden, münden in einen radial offenen Ringspalt 22, der in Strömungsrichtung
hinter dem radial gerichteten Eintrittsöffnungen 10, 12 liegt. Der Ringspalt 22 wird
durch eine an die Stirnseite des Düsenkörpers 32 angesetzte Abdeckscheibe 23 gebildet,
und zwar unter Freilassung des erwähnten, sich radial erstreckenden Ringspaltes 22
(siehe auch Figur 5).
[0044] Die Abdeckplatte 23 hat eine flache Stirnfläche 56, während die dem Verbrennungsraum
16 zugewandte Stirnfläche 58 des Düsenkörpers nach den Figuren 1 bis 4 kegelstumpfförmig
ausgebildet ist. Selbstverständlich ist eine entsprechende Ausbildung der Stirnfläche
56 denkbar.
[0045] Durch die durch den Ringspalt 22 radial ausströmende "primäre Primärluft" wird zum
einen eine Ablagerung von austretendem festen oder flüssigen Brennstoff an der Stirnfläche
56 und zum anderen eine Ablagerung von Brennstoffen oder Brennstoffresten an der dem
Brennstoff- einlaß gegenüberliegenden Begrenzungswand 62 der dem Düsenkörper 32 nächstgelegenen
Gas- bzw. Lufteintrittsöffnung 36' sicher vermieden. Zusätzlich kann bei der Ausführungsform
nach den Figuren 5 bis 7 eine zentrale Drucklufteinblasung entsprechend der Ausführungsform
nach den Figuren 1 bis 4 vorgesehen sein.
[0046] Es ist auch denkbar, den Düsenkörper 32 in axialer Richtung bzw. in Richtung der
Längsachse 14 hin- und herverschiebbar innerhalb des Gasregisters anzuordnen, wodurch
zum einen die Spaltweite der Ringöffnung 36 für den Austritt der "primären Primärluft"
und zum anderen die Versenkung des Düsenkörpers und damit des Brennstoffeinlasses
in der Stirnwand 33 des Verbrennungsraums 16 veränderbar bzw. einstellbar sind abhängig
von der Konstitution des Brennstoffs und der Art des Brennstoffs.
[0047] Bei kleineren Brennern ist das äußere Gasregister für Sekundärluft entbehrlich.
[0048] Sämtliche in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik
neu sind.
1. Verfahren zum Verbrennen flüssiger Brennstoffe, wie öl oder dergleichen, und/oder
fester Brennstoffe, insbesondere Kohle, Torf oder dergleichen, in pulverisierter Form,
wobei letztere trocken oder mit einer Trägerflüssigkeit wie Wasser und/oder öl vermischt
als Emulsion zusammen mit dem flüssigen Brennstoff unter Ausbildung eines rezirkulierenden
Strömungsprofiles in einen Verbrennungsraum eingeleitet werden und dieses Strömungsprofil
durch eine rotierende äußere Luftströmung begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die festen und flüssigen Brennstoffe getrennt und - bei mehreren Brennstoffeintritten
abwechselnd- in vorbestimmtem Winkelabstand voneinander längs eines Umfangs, insbesondere
längs eines gedachten Kreisumfanges in den Verbrennungsraum eingeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die festen als auch
flüssigen Brennstoffe bezogen auf die Längsachse des Verbrennungsraums radial nach
außen hin gerichtet in den Verbrennungsraum eingeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste und/oder flüssige
Brennstoff bezogen auf die Längsachse des Verbrennungsraums in Strömungsrichtung nach
außen hin geneigt in den Verbrennungsraum eingeleitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zentral
Druckluft in den Verbrennungsraum eingeblasen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft in unmittelbarer
Nähe des Brennstoffeintritts radial in den Verbrennungsraum eingeblasen wird, wobei
die Einblasung vorzugsweise etwa gleichmäßig über den Umfang eines Ringspaltes oder
dergleichen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den festen
Brennstoffen bzw. der Brennstoffemulsion beim Eintritt in den Verbrennungsraum zusätzlich
noch Druckluft beigemischt wird, vorzugsweise unmittelbar vor dem Eintritt in den
Verbrennungsraum unter gleichzeitiger Aufbrechung des zugeführten Brennstoffes.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft gegen den
zugeführten Brennstoff gerichtet wird, insbesondere in Strömungsrichtung des Brennstoffs
geneigt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Luftströmung in mehreren konzentrischen Teilströmungen in den Verbrennungsraum eingeblasen
wird, wobei die Teilströmungen hinsichtlich Durchsatz jeweils variierbar sind und
ihre Strömungsgeschwindigkeiten von innnen nach außen abnehmen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der dem Brennstoffeintritt
am nächsten gelegenen Luftströmung Verbrennungsgase zugemischt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Start der Verbrennung
der Luftdurchsatz etwa 20 bis 40 % des Durchsatzes bei Vollast beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
dem Brennstoffeintritt nächst gelegenen Luftströmungen eine etwa gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit
bei allen Betriebszuständen aufweisen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung
der dem Brennstoffeintritt benachbarten Luftströmung ("primäre Primärluft") in einem
Winkel von etwa 10 bis 30°, vorzugsweise 15°, zur Radialen erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die radial weiter außen
liegende Gasströmung ("sekundäre Primärluft") so gerichtet wird, daß ein auf das Brennstoff-Strömungsprofil,
das etwa hohlkegelförmig ausgebildet ist, hin gerichtetes hohlkegelförmiges Gas- bzw.
Luft-Strömungsprofil entsteht, das das Brennstoffströmungsprofil zu durchdringen versucht
und aufbricht.
14. Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger Brennstoffe, wie öl oder dergleichen, und/oder
fester Brennstoffe, insbesondere Kohle, Torf oder dergleichen, die in pulverisierter
Form entweder trocken oder mit einer Trägerflüssigkeit, wie Wasser und/oder öl, vermischt
als Emulsion zusammen mit dem flüssigen Brennstoff durch einen Einlaß hindurch in
einen Verbrennungsraum einleitbar sind, wobei der Brennstoff-Einlaß konzentrisch von
einem Lufteintritt umgeben ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffeinlaß durch mehrere etwa gleichmäßig über einen Umfang, insbesondere Kreisumfang
(11 bzw. 13), verteilt angeordnete Eintrittsöffnungen (10, 12 bzw. 10, 12') gebildet
ist, wobei die Eintrittsöffnungen (10) für flüssigen Brennstoff und die Eintrittsöffnungen
(12 bzw. 12') für festen Brennstoff bzw. Brennstoffemulsion abwechselnd längs des
Umfangs angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen
entweder radial (10, 12) und/oder in Strömungsrichtung bezogen auf die Längsachse
(14) des Verbrennungsraums (16) nach außen geneigt (12') gerichtet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentraler
Einlaß (18) für Druckluft vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß vom zentralen Drucklufteinlaß
(18) bzw. von der zu diesem führenden Druckluftleitung (38) Verbindungsleitungen (20)
zum Einlaß (Eintrittsöffnungen 12') für festen Brennstoff abzweigen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen
(20) am Brennstoffeinlaß unmittelbar vor den Eintrittsöffnungen (12') münden, und
zwar vorzugsweise in Strömungsrichtung des zugeführten Brennstoffs geneigt gegen diesen
gerichtet.
19. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein in radialer
Richtung offener Ringspalt (22) als Drucklufteinlaß vorgesehen ist, und zwar vorzugsweise
in Strömungsrichtung hinter dem Brennstoffeinlaß (Eintrittsöffnungen 10, 12).
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der
Einlaß für feste Brennstoffe durch ein Mundstück (24) gebildet ist mit einer in den
Verbrennungsraum (16) mündenden Eintrittsöffnung (12'), die durch die Kante (28) eines
Ringabschnitts (26) mit etwa dreieckförmigem Querschnitt begrenzt ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Mundstück (24) auf
die Eintrittsöffnung (12') gerichtete Druckluftkanäle (30) aufweist, die über die
Verbindungsleitung (20) mit dem zentralen Drucklufteinlaß (18) oder der zu diesem
Einlaß führenden Druckluftleitung (38) fluidverbunden sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
festen und flüssigen Brennstoffe sowie gegebenenfalls Druckluft durch koaxial in einem
Düsenkörper (32) angeordnete Kanäle (34, 36, 38) den jeweiligen Eintrittsöffnungen
(10, 12; 12'; 18, 22) zuführbar sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der
Lufteintritt als Register mit mindestens vier konzentrischen Lufteintrittsöffnungen
(36, 38, 40, 42, 44) ausgebildet ist, wobei jeder Lufteintrittsöffnung Drallelemente
(46, 48, 50, 52, 54) zugeordnet und die Ringspaltweite der beiden dem Brennstoffeinlaß
nächstgelegenen Lufteintrittsöffnungen (36, 38) kontinuierlich verstellbar sind, während
die übrigen, vom Brennstoffeinlaß radial etwas weiter entfernt liegenden Lufteintrittsöffnungen
(40, 42, 44) individuell verschließbar bzw. öffenbar sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Brennstoffeinlaß
umfassender Düsenkörper (68) in Richtung seiner Längsachse bzw. der Längsachse (14)
des Verbrennungsraums (16) verschiebbar gelagert ist, insbesondere jedoch in eine
Lage bringbar ist, in der der Brennstoffeinlaß gegenüber der Stirnwand (33) des Verbrennungsraumes
(16) zurückversetzt bzw. versenkt angeordnet ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale,
dem Verbrennungsraum (16) zugewandte Stirnfläche des Düsenkörpers (6S) entweder eben
(56) oder kegelstumpfförmig (58), kugelkalottenförmig (konvex oder konkav) kegelförmig
oder dergleichen ausgebildet ist.
26..Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ringspaltweite der beiden dem Brennstoffeinlaß nächstgelegenen Lufteintrittsöffnungen
(36, 38) jeweils durch Veränderung der Relativlage der die Eintrittsöffnungen begrenzenden
Seitenwandungen (60, 62 bzw. 64, 66) veränderbar ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ringspaltweite der beiden dem Brennstoffeinlaß nächstgelegenen Lufteintrittsöffnungen
(36, 38) in gleicher Weise veränderbar ist, nämlich durch Verschiebung eines die beiden
benachbarten Seitenwandungen (62, 64) der beiden Lufteintrittsöffnungen (36, 38) umfassenden
Ringmundstücks (38) in Richtung der Längsachse (14) des Düsenkörpers (32) bzw. Verbrennungsraums
(16), wobei das Ringmundstück (68) vorzugsweise Teil des die beiden dem Brennstoffeinlaß
nächstgelegenen Teil-Luftströmungen voneinander trennenden Rohr-oder dergleichen -
mantels (70) ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die
gegenüber dem Brennstoffeinlaß zweitnächste Lufteintrittsöffnung (38) so gerichtet
ist, daß die entsprechende Luftströmung ein zum etwa hohlkegelförmigen Strömungsprofil
des eintretenden Brennstoffs hin gerichtetes ebenfalls etwa hohlkegelförmiges Strömungsprofil
annimmt.