Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung, die einen Brenner aufweist, mit dem eine Flamme erzeugt wird, und einen Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus Dokument Patent Abstracts of Japan, vol 18, no. 677 (M-1727) 20 Dezember 1994 schon bekannt.
Bei industriellen Verbrennungsanlagen wie Gasturbinenbrennkammern, Winderhitzern, Rückstandsverbrennungsanlagen oder Industrieöfen, aber auch bei Kleinfeuerungen wie Gasboilern oder Heizkesseln im häuslichen Nutzungsbereich treten unter bestimmten, durch die feuerungstechnischen Betriebsparameter wie thermische Leistung und Luftzahl festgelegten Bedingungen instabile Betriebszustände auf, die durch zeitperiodische Änderungen der Flamme gekennzeichnet sind, die einhergehen mit Änderungen insbesondere des statischen Druckes in der Brennkammer sowie in dieser vor- oder nachgeschalteten Anlagenteilen. Diese instabilen Zustände treten auch auf bei Feuerungen, deren Flammen durch bekannte Maßnahmen wie Drallströmungen, Staukörper etc. ausreichend zündstabilisiert sind.
Ein Beispiel für eine entsprechende industrielle Verbrennungsanlage findet sich beispielsweise in der japanischen Veröffentlichung Nr. 0 515 7239. Hier wird ein Brenner beschrieben, bei dem verschiedene Maßnahmen ergriffen werden zur Reduzierung von NOx. Insbesondere wird der Verbrennungsluft zusätzlich Luft zugeführt. Verbrennungsinstabilitäten wie oben angesprochen werden hier nicht behandelt.
Das Auftreten dieser Verbrennungsinstabilitäten bewirkt oftmals ein gegenüber dem stationären Betrieb der Anlage verändertes Verhalten und verursacht neben einer erhöhten Lärmbelästigung auch eine verstärkte mechanische und/oder thermische Beanspruchung der Brennkammer bzw. der Brennkammerauskleidung. Derartige Flammen-/Druckschwingungen können unter ungünstigen Verhältnissen bis zur Zerstörung der Anlage führen, in der sie auftreten, so daß viel Aufwand getrieben wird, um derartige Flammen-/Druckschwingungen zu vermeiden. So verändert man beispielsweise die Brennkammergeometrie durch spezielle Einbauten, was aber häufig nur zu einer Verschiebung der auftretenden Schwingungsfrequenzen führt und somit nicht zu einer generellen Lösung des Problemes beiträgt. Ansonsten werden bei auftretenden Flammen-/Druckschwingungen jeweils spezielle Maßnahmen auf empirischer Basis ergriffen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem derartige Flammen-/Druckschwingungen mit nicht tolerierbaren Druckamplituden zu verhindern sind.
Zur Erfüllung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Flamme des Brenners mit einer Strömung aus Gas möglichst eng zu ummanteln, die eine höhere Strömungsgeschwindigkeit in Flammenausbreitungsrichtung aufweist als die Außen- bzw. Randbereiche der Flamme bzw. der brennstoffhaltigen Brennerhauptströmung. Damit wird eine Übertragung von Axialimpuls auf die Außenbereiche der Flamme bzw. der brennstoffhaltigen Brennerausströmung bewirkt.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die Schwingungen im wesentlichen durch sich im Randbereich der Flamme ausbildende Ringwirbel verursacht bzw. verstärkt werden. Diese Ringwirbel, die durch Aufrollung der Randbereiche der brennstoffhaltigen Brennerströmung entstehen, schließen bei ihrer Bildung heiße Rauchgase mit ein, die ein schnelles Aufheizen des ebenfalls im Ringwirbel enthaltenen Brennstoff/Luft-Gemisches und eine impulsartige, druckschwingungsanregende Abreaktion des Brennstoffes bewirken.
Um die Ringwirbelbildung zu verhindern, wird die Flamme mit einer in möglichst geringem radialen Abstand zur Flamme bzw. zur Brennerhauptströmung austretenden Gasmantelströmung umgeben, die eine höhere Strömungsgeschwindigkeit in Flammenausbreitungsrichtung aufweist als die Außen- bzw. Randbereiche der Flamme. Damit kommt es zwischen Mantelströmung und Flamme bzw. Brenngas/Luftströmung zu einem Axialimpulsaustausch, der eine Beschleunigung der freien Flammen- bzw. Strömungsgrenzschicht des Brennstoff/Luftgemisches bewirkt und damit der Entstehung von reaktionsfähigen Wirbeln in diesem Bereich wirkungsvoll entgegenwirkt.
Soweit dann an der Grenzschicht zwischen der Gasmantelströmung und dem Umgebungsmedium (im eingeschlossenen Fall i. allg. Rauchgase) entsprechende Ringwirbel auftreten, ist es am günstigsten, wenn die Gasmantelströmung keinen Brennstoff enthält, da sich dann aus der (brennstofffreien) Mantelströmung keine Brennstoff einschließenden Wirbel bilden können, die zu einer periodischen Abreaktion von Brennstoff und damit zu einer Anregung von Flammen-/Druckschwingungen führen können, wie sie bei einer ungemantelten Flamme bzw. Brenngas/Luftströmung auftreten.
Bevorzugterweise handelt es sich bei dem nicht-brennstoffhaltigen Gas um Luft, die überall in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Es ist aber auch denkbar, hier ein inertes Gas zu verwenden, was allerdings einen gewissen Kostennachteil zur Folge hätte.
Auch wenn die Gasmantelströmung Brennstoff enthält, kann der erfindungsgemäße Effekt einer Beschleunigung der Außenbereiche der Brennerausströmung (bzw. der die Flamme bildenden Hauptströmung) erzielt werden, wobei sich hierbei in bezug auf das Medium der Gasmantelströmung verschiedene Fälle unterscheiden lassen:
Sollte die Gasmantelströmung aus einem nicht zündfähigen Gemisch aus Gas und Brennstoff bestehen, verhält sich die Gasmantelströmung hinsichtlich ihrer Wirkung bei der Unterdrückung der Bildung reaktionsfähiger Ringwirbel im wesentlichen als cb sie keinen Brennstoff enthält. D.h. eventuell in der Grenzschicht zwischen Gasmantelströmung und Umgebungsmedium entstehende Wirbel können nicht abreagieren und somit nicht zur Anregung bzw. Verstärkung von Flammen-/Druckschwingungen führen. Bei diesem nicht zündfähigen Gemisch aus Gas und Brennstoff kann es sich bei dem Gas sowohl um Inertgas (z.B. Stickstoff, Wasserdampf oder ausgebrannte Abgase) als auch um Luft handeln, wobei im ersteren Fall die Brennstoffkonzentration irrelevant ist, da Inertgas mit Brennstoff in keinem Mischungsverhältnis reagieren d.h. verbrennen kann, während im zweiten Fall die Brennstoffkonzentration außerhalb der Zündgrenzen des jeweiligen Brennstoffes liegt, so daß auch hier aus der Gasmantelströmung entstehende Ringwirbel nicht abreagieren können.
Grundsätzlich kann als Medium der Gasmantelströmung auch ein Brennstoff/Luftgemisch mit Brennstoffkonzentrationen innerhalb der vom jeweiligen Brennstoff abhängigen Zündgrenzen verwendet werden, wenn die im wesentlichen axiale Ausströmgeschwindigkeit dieser im Prinzip brennbaren Gasmantelströmung gegenüber der Brennerhauptströmung, die die Flamme bildet, so hoch gewählt wird, daß einerseits eine ausreichende Übertragung von Axialimpuls und damit eine ausreichende Beschleunigung der Außenbereiche der Flamme bzw. der Brennerhauptströmung gewährleistet wird, andererseits jedoch die Ausbildung einer eigenständigen, stabilen Flamme (oder mehrerer Flammen im Falle mehrerer einzelner Austrittsöffnungen der Gasmantelströmung) aus der Gasmantelströmung verhindert wird. Das heißt, daß die Austrittsgeschwindigkeit der Gasmantelströmung deutlich höher ist, als die Abblasegrenzgeschwindigkeit für eine Flamme.
Der Gasmantelströmung verläuft vorzugsweise parallel zur Mittelachse der Flamme, sie kann aber auch in bezug auf diese Flammen- bzw. Hauptströmungsrichtung der Brennstoff/ Luftströmung zusätzlich eine gewisse Radial- und/ oder Tangentialkomponente aufweisen, woraus eine gewisse Aufweitung des Gasmantels entlang der Richtung der Flamme folgt, wobei zu berücksichtigen ist, daß nicht alle Brenner Flammen mit sich im kritischen Bereich nicht verändernden Querschnitten haben, sondern daß Flammen ebenfalls die beschriebene konische Form einnehmen können. Wesentlich ist dabei immer, daß die Gasmantelströmung einen im Vergleich zur ungemantelten Flamme bzw. Brennstoff/Luftströmung ausreichend hohen Impuls in Axialrichtung besitzt.
Zur Durchführung dieses Verfahrens zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung weist eine erfindungsgemäße Feuerung mit einem Brenner zur Erzeugung einer Flamme und einem Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, mindestens eine Gasaustrittsöffnung auf, aus der das Gas die Flamme mantelförmigen umschließend ausströmt.
Der Abstand zwischen der Gasaustrittsöffnung und dem Rand des Brennaustritts aus dem das Brennstoff/Luftgemisch ausströmt, soll dabei möglichst gering gehalten werden.
Da sich das oben angegebene erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei einer vorgemischten Verbrennungsführung als auch bei Diffusionsverbrennung insbesondere mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoff anwenden läßt, sind demgemäß die Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens jeweils in bekannter Weise an diese erwähnten Arten der Verbrennungsführung angepaßt.
Bevorzugterweise ist die Gasaustrittsöffnung zur Erzeugung der Gasmantelströmung als Spalt bzw. als Spaltdüse ausgebildet und umschließt den Brenneraustritt eng, wobei der Brenneraustritt sowohl rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann als auch eine längliche Querschnittsform haben kann.
Beim rotationssymmetrischen Brenneraustritt ist der Spalt dann als Ringspaltdüse ausgebildet, die insbesondere konzentrisch und eng beabstandet um den Brenneraustritt angeordnet ist.
Anstelle eines einzelnen Spaltes bzw. einer einzelnen Spaltdüse können auch eine Vielzahl von kleineren Gasaustrittsöffnungen den Brenneraustritt umgeben, die eng zueinander beabstandet sind. Auch hierbei gilt, daß der Brenneraustritt und die Gesamtanordnung der als Viertel Kreisdüsen ausgebildeten Gasaustrittsöffnungen konzentrisch angeordnet sind und daß auch durch die Vielzahl der Gasaustrittsöffnungen bzw. Düsen eine die Flamme des Brenners vollständig umgebende Gasmantelströmung erzeugt wird, die die Entstehung von Ringwirbeln unterdrückt.
Es muß dabei gesehen werden, daß grundsätzlich Brenneraustritt und Düse(n) nicht in einer Ebene angeordnet sein müssen, solange sichergestellt ist, daß der die Flamme umströmende Gasmantel in den kritischen Bereichen, in denen Ringwirbel entstehen können, eine ausreichende Beschleunigung der Randbereiche der Flamme bewirken können, um eine Wirbelbildung zu unterbinden.
Dies wird insbesondere dann erfüllt, wenn die Ausströmrichtung der Düsen im wesentlichen parallel zur Brennerachse ist. Aber auch durch eine entsprechende Winkelanstellung der Düsen gegen die Brennerachse kann erreicht werden, daß ein die Flamme in ihrem Randbereich ummantelnder Gasstrom aus den Düsen austritt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt
In der Figur 1 ist ein Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt: Es handet sich um einen Drallbrenner, dem eine vorgemischte Brenngas-/Luftmischung 1 über ein Brennerrohr 2 zugeführt wird. Dieses Brennerrohr endet an einem Drallgeschränk 3, das rotationssymmetrisch ist und an seinem Außenumfang geneigte Leitschaufeln 4 aufweist. Diese Leitschaufeln haben eine Neigung von etwa 30°, wodurch das ausströmende Brenngas-/Luftgemisch eine Ablenkung und damit einen Drall erfährt. Des weiteren sind radial etwas weiter innen als die Leitschaufeln 4 über den Umfang verteilt mehrere durch das Drallgeschränk 3 hindurchlaufende Lochbohrungen 5 angebracht, durch die ein Teilstrom des Brenngas- /Luftgemisches hindurchströmen kann und so durch Pilotflammenbildung zur Flammenstabilisierung beiträgt. Auf der Außenseite 6 des Drallgeschränks wird das aus dem Brenner austretende Brenngas-/Luftgemisch entzündet und bildet eine Flamme 12, die in eine in der Figur 1 nicht dargestellte Brennerkammer eintritt.
Die Flamme 12 des Brenners wird von einem Mantel aus Gas umströmt. Dieser Mantel wird durch eine Gasströmung 8 bewirkt, die durch einen Ringkanal 7 parallel zum Brennerrohr 2 durch den Brenner hindurchgeführt wird und an einem Ringspalt 9 aus dem Brenner austritt, der das Drallgeschränk 3 eng beabstandet umgibt. Um die Gasströmung 8 vor ihrem Austreten aus dem Ringkanal zu beschleunigen, ist in den Endbereich des Ringkanals eine Viertelkreisdüse 10 eingebaut, die eine starke Beschleunigung insbesondere der Außenbereiche der Gasmantelströmung in Axialrichtung (das heißt parallel zur Achse 11 des Brenners) bewirken.
Die Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Ringspalt 9 austretenden Gasmantelströmung ist aufgrund der Viertelkreisdüse 10 soweit beschleunigt, daß die Geschwindigkeit in Richtung der Achse 11 erheblich höher ist als die in Richtung der Flamme des verbrennenden Brenngas-/Luftgemisches hinter dem Drallgeschränk 3, wodurch im Bereich zwischen dem in einer Flamme verbrennenden Brenngas-/ Luftgemisch und der ihn eng umschließenden Gasmantelströmung eine Grenzschichtbeschleunigung des verbrennenden Brenngas-/Luftgemisches erfolgt. Damit wird wirksam verhindert, daß es im Randbereich des Brenngas/Luftgemisches zur Ausbildung periodischer, kohärenter Ringwirbelstrukturen kommt, die durch eine schnelle Abreaktion des in ihnen enthaltenen Brennstoffes durch phasenrichtige Energiezufuhr Flammen-/Druckschwingungen anregen und verstärken.
Somit wird eine einfache aber wirkungsvolle Möglichkeit angegeben, derartige Flammen-/Druckschwingungen sicher zu unterbinden und damit die Betriebssicherheit entsprechender Feuerungsanlagen zu erhöhen.