Vormischbrenner für die Heissgaserzeugung

Abstract

 Bei einem Vormischbrenner, der aus zwei aufeinander positio­nierten hohlen Teilkegelkörpern (1, 2) mit in Strömungsrich­tung zunehmender Kegelneigung besteht, geschieht die Brenn­stoffzuführung über eine zentrale Brennstoffdüse (3) und/oder über mehrere Brennstoffdüsen (17), die entlang der Einströmung der Verbrennungsluft (15) in den Innenraum (14) des Brenners plaziert sind. Die Verbrennungsluft (15) selbst ist ein Gemich aus Frischluft und Abgas. Die Frischluft wird über einen ersten Strömungstrichter (23a, 23b) herangeführt, über einen zweiten Strömungstrichter (22a, 22b) findet eine Abgasrückfüh­rung statt. Diese beiden Gase vermischen sich vorgänging ihrer tangentialen Einströmung in den Innenraum 14. Im Bereich der Rückströmzone (6) entsteht eine optimale, homogene Brennstoff­konzentration über den Querschnitt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für die Heissgaserzeugung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Vor­mischbrenners.

Stand der Technik

[0002] Aus EP-A1-0 210 462 ist ein Brenner bekannt geworden, welcher aus mindestens zwei mit je einem tangentialen Lufteintritt be­aufschlagten doppelgekrümmten hohlen Teilkegelkörpern gebildet ist. Diese Körper entfalten sich in Strömungsrichtung entlang von kegelstrahlig sich öffnenden Diagonalen auseinander. Dabei bildet der eine gekrümmte Körper einen Innenkegel mit in Ab­strömungsrichtung zunehmender Kegelöffnung, während der andere gekrümmte Körper einen Aussenkegel bildet, mit in Abströmungs­richtung abnehmender Kegelöffnung. Die Innenkegel tragen end­seitig, auf ihrer ganzen axialen Ausdehnung, je eine Brenn­stoffleitung für die Zuführung des gasförmigen Brennstoffes, der durch mehrere Brennstoffdüsen in den Innenraum des Bren­ners strömt, um sich dort mit der tangential einströmenden Verbrennungsluft zu vermischen. Der Brenner weist des weiteren eine separate Zuführung eines flüssigen Brennstoffes auf, womit man hier mit einem Dualbrenner zu tun. Die Eindüsung des flüssigen Brennstoffes ist axial auf die Aussenkegel gerich­tet, dergestalt, dass sich dort, je nach Stärke der Eindüsung, einen verschieden langen und konsistenten Brennstoffilm bil­det. Nebst der natürlichen Verdampfung des flüssigen Brenn­ stoffes durch die dort vorherrschende Strahlungswärme, kommt eine gewichtige Brennstoff-Vermischung durch die tangential herangeführte Verbrennungsluft zustande, welche durch ihre Drallbewegung in axialer Richtung den Brennstoffilm schichten­weise aufrollt, wodurch die Erzeugung einer starken Verwirbe­lung überflüssig wird. Dadurch, dass der Impuls der Eindüsung des flüssigen Brennstoffs der Last der Maschine angepasst wird, ist das Gemisch nie zu mager oder zu fett.

[0003] Folgendes lässt sich damit unmittelbar erreichen:
- Die Vorzüge eines Brenners mit Vormischstrecke, nämlich wenig NO_X und CO, stellen sich ein, womit man hier mit einem Vormischbrenner zu tun hat.
- Eine gute Flammenstabilität in einem breiten Betriebsbereich ist gewährleistet, womit auf Massnahmen gegen einen Flammen­rückschlag ins Innere des Brenners verzichtet werden kann.

[0004] Des weiteren ergibt sich aus der konstruktiven Gestaltung dieses Brenners eine Wirbelströmung, welche einerseits im Zen­trum drallarm ist, andererseits aber einen Axialgeschwindig­keitsüberschuss aufweist. Weil nun die Drallzahl in axialer Richtung stark zunimmt und am Ende des Brenners den Breakdown-­Wert erreicht, ergibt dies eine positionsstabile Wirbelrück­strömung.

Aufgabe der Erfindung

[0005] Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde einen Brenner der eingangs genann­ten Art zu erweitern, um die Schadstoff-Emissionswerte bei jedem Betrieb noch weiter zu minimieren, dies sowohl bei einem Betrieb mit flüssigen als auch mit gasförmigen Brennstoffen, sowie bei einem Mischbetrieb aus den beiden.

[0006] Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch den Einsatz einer Abgasrückführung gleichzeitig auf die Brennstoffverdampfung und auf die Flammentemperatur im Brennraum eingegriffen wird. Wird der Brenner mit flüssigem Brennstoff betrieben, so sorgt die Abgasrückführung, welche die Verbrennungsluft kalorisch aufbereitet, dafür, dass ein vollständiges verdampftes Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch der Verbrennung zugeführt werden kann. Diese durch die Abgas­rückführung bedingte Optimierung des Gemisches beeinflusst dann auch die Flammentemperatur im Brennraum solcherart, dass dort lokale Spitzentemperaturen, welche für die NO_x-Bildung verantwortlich sind, nicht mehr auftreten. Wird demgegenüber der Brenner mit gasförmigem Brennstoff betrieben, so liegt zwar bereits ein gasförmiges Gemisch vor, indessen erfährt die Flammentemperatur auch hier jene vorne beschriebene positive Beeinflussung. Bei einem Mischbetrieb mit flüssigem und gas­förmigem Brennstoff kommen die Vorteile der Abgasrückführung gleichzeitig zum Tragen.

[0007] Ein solcherart betriebener Brenner weist bezüglich Schadstof­femissionen Verbesserungen auf, die sich nicht bloss auf wenige Prozentpunkte beschränken, sondern allein die NO_x-Emis­sionen werden dergestalt minimiert, dass vielleicht nur noch 10 % dessen gemessen wird, was die gesetzlichen Grenzwerte to­lerieren. Somit ist eine ganz neue Qualitätsstufe auf diesem Weg erreicht worden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Abgasrückführung nunmehr die Möglichkeit besteht, atmosphärische Feuerungsanlagen bei nah­stöchiometrischer Fahrweise hinsichtlich Schadstoffemissionen optimal zu betreiben.

[0008] Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in einer bevorzugten Ausgestaltung des Brenners begründet. Trotz einfachster geome­trischer Ausgestaltung muss auch hier keine Gefahr eines Rück­zündens der Flamme aus dem Brennraum in den Brenner befürchtet werden. Die wohlbekannten Probleme bei der Einsetzung von Drallerzeugern im Gemischstrom, so jene, die durch Abbrennen von Belägen mit Zerstörung der Drallschaufeln entstehen können, treten hier somit nicht auf. Auch die Verbesserung be­züglich Schadstoffemissionen bleibt erhalten.

[0009] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungs­gemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An­sprüchen gekennzeichnet.

[0010] Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erfoderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtungen der verschiedenen Medien sind mit Pfeilen angegeben. In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Figuren

[0011] Es zeigt:

Fig .1 eine schematische Darstellung des kompletten Bren­ners,

Fig.2 eine perspektivische Darstellung des Brennerkörpers, entsprechend angeschnitten, wobei die tangentiale Luftzuführung dargestellt ist und

Fig.3 eine schematische Darstellung der Luftzuführung und Abgasrückführung als Schnitt III-III aus Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0012] Um den Aufbau des Brenners besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn bei der Lektüre des hier beschriebenen Beispiels die Figuren 1 - 3 gleichzeitig herangezogen werden: Um die einzelnen Figuren nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind einzelne Teilaspekte des Brenners auf verschiedene Figu­ren verteilt worden. Bei der Beschreibung der einzelnen Figu­ren wird auf diesen Tatbestand hingewiesen.

[0013] Fig. 1, als schematische Darstellung des Gegenstandes, zeigt lediglich den grundsätzlichen Aufbau des Brenners. Der Bren­nerkörper besteht aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die, wie dann aus Fig.2 abschliessender hervorgeht, ver­setzt zueinander aufeinander liegen. Bedingt durch diesen geo­metrischen Aufbau wird im folgenden von einem "Doppelkegelbrenner" gesprochen. Eine Düse 3 sorgt für die Zu­fuhr des flüssigen Brennstoffes 12; beide Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine Brennstoffleitung 8, 9 auf, die mit Öffnungen 17 versehen sind, durch welche der gasförmige Brennstoff 13 strömt, um sich dann mit Verbrennungsluft 15 zu vermischen. Diese Verbrennungsluft 15 ist wie in Fig. 3 ersichtlich, ein Luft/Abgas-Gemisch. Dieses Luft/Abgas-Gemisch entsteht aus einer Frischluftzufuhr 23a, 23b und aus einem Abgas 22a, 22b, das aus der Verbrennung im Doppelkegelbrenner stammt. Über die Vorteile einer solchen Abgas-Rückführung wird unter Fig.3 näher eingetreten. Bezüglich der Bewandtnisse der schematisch dargestellten Rückströmzone 6 wird auf die Beschreibung von Fig.2 hingewiesen.

[0014] Der Kernkörper des Doppelkegelbrenners gemäss Fig .2 besteht aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die versetzt zu­einander aufeinander liegen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse 1b, 2b der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintritt frei (siehe Fig.3) durch welchen Verbrennungsluft 15 in den Innenraum des Doppelkegelbrenners, d.h. in den Kegelhohlraum 14 strömt. Die beiden Teilkegelkör­per 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a, die ebenfalls analog den Teilkegelkörpern 1, 2 versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintritte vom Anfang an vorhanden sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a ist eine Düse 3 untergebracht, deren Brennstoffeindüsung 4 mit dem engsten Querschnitt des durch die zwei Teilkegelkörper 1, 2 gebildeten kegeligen Hohlraumes 14 zusammenfällt. Die Grösse dieser Düse 3 richtet sich nach der Art des Brenners. Selbst­verständlich kann der Doppelkegelbrenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 1a, 2a, ausgeführt sein. Beide Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine Brennstoffleitung 8, 9 auf, die mit Brennstoffdüsen 17 versehen sind, durch welche der gasförmige Brennstoff 13 strömt, der der durch die tangen­tialen Lufteintritte strömenden Verbrennungsluft 15 zugemischt wird. Was die Lage dieser Brennstoffleitungen 8, 9 betrifft, so sind sie am Ende der tangentialen Lufteintritte angebracht, so dass dort auch die Zumischung 16 dieses Brennstoffes 13 mit der einströmenden Verbrennungsluft 15 stattfinden kann. Selbstverständlich ist ein Mischbetrieb mit beiden Brenn­stoffarten möglich. Brennraumseitig 22 weist der Doppelkegel­brenner eine Platte auf, welche die Kesselwand 10 bildet. Der durch die Düse 3 strömende flüssige Brennstoff 12 wird in einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 14 eingedüst, derge­stalt, dass sich in der Brenneraustrittsebene ein möglichst homogener kegeliger Brennstoffspray einstellt. Bei der Brenn­stoffeindüsung 3/4 kann es sich auch um eine luftunterstützte Düse oder um einen Dualbrenner mit gasförmiger und flüssiger Brennstoffzuführung handeln, wie dies beispielsweise in EP-A1 210 462 beschrieben wird. Das kegelige Flüssigbrennstoffprofil 5 aus Düse 3 wird nun von der tangential anströmenden Verbren­nungsluft 15 rotierend umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des flüssigen Brennstoffes 12 fortlaufend durch die einströmende Verbrennungsluft 15 abgebaut. Wird gas­förmiger Brennstoff 13 eingedüst 16, geschieht die Gemischbil­dung mit der Verbrennungsluft 15 direkt am Ende der tangen­tialen Lufteintritte. Bei der Eindüsung des flüssigen Brenn­stoffs 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Be­reich der Rückströmzone 6, die optimale, homogene Brennstoff­konzentration über den Querschnitt dadurch erreicht, dass die durch die Öldüse erzeugten Brennstofftröpfchen von der Wirbel­strömung eine Drehgeschwindigkeitskomponente aufgezwungen er­halten. Die dadurch erzeugte Fliehkraft treibt die Tröpfchen des flüssigen Brennstoffes 12 radial nach aussen. Gleichzeitig wirkt aber die Verdampfung. Das Zusammenspiel von Fliehkraft und Verdampfung führt im Auslegungsfall dazu, dass die Innen­wände der Teilkegelkörper 1, 2 nicht benetzt werden, und dass im Bereich der Rückströmzone 5 ein sehr gleichförmiges Brenn­stoff/Luftgemisch zustande kommt. Die Zündung selbst erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 6; erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 7 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners, wie dies bei bekannten Vor­mischstrecken stets zu befürchten ist, wogegen dort mit kom­plizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, hätte hier keine fatalen Folgen. Der Grad der Verdampfung ist selbstver­ständlich von der Grösse des Brenners, der Tropfengrössenver­teilung bei flüssigem Brennstoff und der Temperatur der Ver­brennungsluft 15 abhängig. Im Falle der vollständigen Verdamp­fung vor dem Eintritt in die Verbrennungszone sind die Schadstoffemissionswerte am niedrigsten. Bei der Gestaltung der Teilkegelkörper 1, 2 hinsichtlich Kegelneigung und der Breite der tangentialen Lufteintritte sind enge Grenzen einzu­halten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Luft mit ihrer Rückströmzone 6 im Bereich der Brennerermüdung zur Flam­menstabilisierung einstellt. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintritte die Rückströmzone 6 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung käme. Immerhin ist hier festzustel­len, dass die einmal geometrisch fixierte Rückströmzone 6 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strö­mungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners zu. Die Konstruktion dieses Doppelkegelbrenners eignet sich vorzüg­lich, bei vorgegebener Baulänge des Brenners, die Grösse der tangentialen Lufteintritte zu verändern, indem die Teilkegel­körper 1, 2 anhand einer lösbaren Verbindung mit der Kessel­wand 10 fixiert sind. Durch radiale Verschiebung der beiden Teilkegelkörper 1, 2 zu- oder auseinander verkleinert bzw. vergrössert sich der Abstand der beiden Mittelachsen 1b, 2b, und dementsprechend verändert sich die Spaltgrösse der tangen­tialen Lufteintritte, wie dies aus Fig.3 besonders gut nach­ vollziehbar ist.
Fig.2 zeigt nur andeutungsweise den einen Einlauf 20a, der die Verbrennungsluft 15 tangential in den Hohlraum 14 leitet. Der andere nicht ersichtliche Einlauf 20b sowie die Gesamtausge­staltung derselben gehen aus Fig.3 hervor.

[0015] Fig.3 ist ein Schnitt etwa in der Mitte des Doppelkegelbren­ners, gemäss Schnittebene III-III aus Fig. 1. Die spiegelbild­lich tangential angeordneten Einläufe 20a, 20b sind als Diffu­soren ausgebildet, dies zur Verstärkung der Wirkung des je­weils am Anfang des Diffusors vorgesehenen Jet-Injektors 21a, 21b. Der Luftzuführungskanal 23a, 23b, als Fortsetzung der Einläufe 20a, 20b, beinhaltet einen Abgasrückführtrichter 22a, 22b, dessen Ausgang mit der Wirkungsebene des Jet-Injektors 21a, 21b zusammenfällt. Daraus geht hervor, dass die Verbren­nungsluft 15 ein Luft/Abgas-Gemisch ist, wie dies bereits kurz unter Fig.1 erwähnt wurde. Diese Rückführung einer Menge eines teilgekühlten Abgases mit einer Temperatur von ca. 950°C ist für einen optimalen Betrieb des Doppelkegelbrenners erforder­lich, wenn dieser in atmosphärischen Feuerungsanlagen bei nah­stöchiometrischer Fahrweise eingesetzt ist. Das optimale Mas­senstromverhältnis, d.h. das Verhältnis zwischen rückgeführtem Abgas und zugeführtem Frischluft, beträgt etwa 0,7. Bei einer Frischlufttemperatur von beispielsweise 15°C und einer Abgastemperatur von ca. 950°C wird eine Mischtemperatur des Luft/Abgas-Gemisches 15 von ca. 400°C erreicht. Diese Ver­hältnisse führen bei einem Doppelkegelbrenner von etwa 100 -­200 KW thermischer Leistung zu optimalen Verdampfungsbedingun­gen für den flüssigen Brennstoff und zu einer Minimierung der NO_x/CO/UHC-Emissionen.

Ansprüche

1. Vormischbrenner für die Heissgaserzeugung, bestehend aus mindestens zwei hohlen, sich zu einem Brennerkörper er­gänzenden Teilkegelkörpern, mit tangentialen Verbren­nungslufteintrittsöffnungen zum Innenraum des Brennerkör­pers und mit Zuleitungen für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Strömungseinleitungen zu den einzelnen tangentialen Ver­brennungslufteintrittsöffnungen (20a, 20b) eine Mischein­richtung (21a, 22a, 23a; 21b, 22b, 23b) für Gase befin­det.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner aus zwei aufeinander positio­nierten hohlen Teilkegelkörpern (1, 2) mit in Strömungs­richtung zunehmender Kegelneigung besteht, deren Mittel­achse (1b, 2b) in Längsrichtung der Teilkegelkörper (1, 2) zueinander versetzt verlaufen, wobei in dem von den Teilkegelkörpern (1, 2) gebildeten Innenraum (14) minde­stens eine Brennstoffdüse (3) plaziert ist, deren Brenn­stoffeindüsung (4) zwischen den zueinander versetzten Mittelachsen (1b, 2b) der Teilkegelkörper (1, 2) liegt, in den tangentialen Verbrennungslufteintrittsöffnungen (20a, 20b) weitere Brennstoffdüsen (17) plaziert sind, und wobei die Mischeinrichtung (21a, 22a, 23a; 21b, 22b, 23b) aus einem ersten Strömungstrichter (23a, 23b) und einem zweiten Strömungstrichter (22a, 22b) besteht, deren gemeinsame Mündung in die tangentialen Verbrennungsluft­eintrittsöffnungen (20a, 20b), mit der Form eines Diffu­sors, einen Jet-Injektor (21a, 21b) bilden.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Brennstoffdüse (3) einen flüssigen Brenn­stoff und durch die Brennstoffdüsen (17) einen gasförmi­gen Brennstoff zuführbar ist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsung (4) aus der Brennstoffdüse (3) mittig der zueinander versetzten Mittelachsen (1b, 2b) der Teilkegelkörper (1, 2) liegt.

5. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den ersten Strömungstrichter (23a, 23b) Frischluft zuge­führt wird, über den zweiten Strömungstrichter (22a, 22b) eine Abgasrückführung aus der Verbrennung stattfindet, dergestalt, dass die einströmende Verbrennungsluft (15) in den Vormischbrenner ein quantitatives und qualitatives Gemisch aus den beiden Gasen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen rückgeführtem Abgas über die zweiten Strömungstrichter (22a, 22b) und zugeführter Frischluft über die ersten Strömungstrichter (23a, 23b) 0,7 beträgt.

Zeichnung