Verfahren für die Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brenner

Abstract

 Bei der vormischartigen Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brenner ohne Vormischstrecke wird im Innenraum (14) des Brenners eine in Strömungsrichtung sich ausbreitende kegel­förmige Flüssigbrennstoffsäule (5) gebildet, welche von einem tangential in den Brenner einströmenden rotierenden Verbrennungs­luftstrom (15) umschlossen wird. Die Zündung des Gemisches findet am Ausgang des Brenners statt, wobei sich im Bereich der Brennermündung eine Rückströmzone (6) bildet. Der Brenner selbst besteht aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (1, 2), welche in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen. Die Teilkegelkörper (1, 2) sind zueinander versetzt, wodurch sich tangentiale Lufteintrittsschlitze (19, 20) bilden. Eine am Brennerkopf plazierte Düse (3) sorgt für die Eindüsung des flüssigen Brenn­stoffes (12) in den Innenraum (14) des Brenners.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die vor­mischartige Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brenner ohne Vormischstrecke sowie einen Brenner für die Heiss­gaserzeugung, bestehend aus hohlen, sich zu einem Körper er­gänzenden Teilkegelkörpern, mit tangentialen Lufteintritts­schlitzen und Zuführungen für gasförmige und flüssige Brenn­stoffe.

STAND DER TECHNIK

[0002] Aus EP-A1-0 210 462 ist ein Brenner bekannt geworden, welcher aus mindestens zwei mit tangentialem Lufteintritt beaufschlagten doppelgekrümmten hohlen Teilkegelkörpern gebildet ist. Diese Körper sind in Strömungsrichtung entlang von kegelstrahlig nach aussen hin sich öffnenden Diagonalen gefalzt. Dabei bildet die eine gekrümmte Falzseite einen Innenkegel mit in Abströ­mungsrichtung zunehmender Kegelneigung, während die andere gekrümmte Falzseite einen Aussenkegel bildet, mit in Abströ­mungsrichtung abnehmender Kegelneigung. Die Innenkegel tragen endseitig, auf ihrer ganzen axialen Ausdehnung, je eine Brenn­ stoffleitung 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 Brennstoffilm bildet. Nebst der natür­lichen Verdampfung des flüssigen Brennstoffes durch die dort herrschende Strahlungswärme, wird eine gewichtige Vermischung durch die tangential herangeführte Verbrennungsluft übernommen, welche durch ihre Drallbewegung in axialer Richtung den Brenn­stoffilm schichtenweise aufrollt, wodurch die Erzeugung einer starken Vermischung überflüssig wird. Dadurch, dass der Impuls der Eindüsung von flüssigem Brennstoff der Last der Maschine angepasst wird, ist das Gemisch nie zu mager oder zu fett.

[0003] Zwei Ziele lassen sich damit unmittelbar erreichen:
- Die Vorzüge eines Vormishbrenners, nämlich wenig NO_x und CO, stellen sich ein.
-Eine gute Flammenstabilität in einem weiteren Betriebsbereich ist gewährleistet.

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

[0005] Obwohl die Vorteile des hier gewürdigten Brenners nicht wegzu­leugnen sind, hat es sich doch gezeigt, dass die NO_x- und CO-Emissionswerte, obwohl sie durch seinen Einsatz bereits tiefer liegen gegenüber den gesetzlichen Grenzwerten, zukünftig substantiell vermindert werden müssen. Des weiteren hat es sich auch gezeigt, dass Verkokungsprobleme des Aussenkegels aus der Oelverbrennung nicht auszuschliessen sind, und die Brennstoffeindüsung nicht einfach zu handhaben ist.

[0006] Des weiteren ist die Oeleindüsung konstruktiv relativ aufwendig gelöst. Aber auch die Gestaltung der gefalzten Kegelabschnitte und deren Abstimmung zueinander ist nicht einfach zu handhaben.

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0007] Hier greift die Erfindung ein. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren sowie einem Brenner der eingangs genannten Arten die körperliche Ausgestaltung des Brenners zu vereinfachen und gleichzeitig die NO_x-Emissionswerte aus der vormischartigen Verbrennung von flüssigem Brennstoff zu minimieren, ohne das Strömungsfeld im Brenner mit der stabilen Wirbelrückströmzone zu verändern.

[0008] Die wesentlichen Vorteile der Erfindung hinsichtlich der Ausge­staltung sind darin zu sehen, dass im Fehlen der sonst üblichen Vormischzone keine Gefahr eines Rückzündens in den Brenner zu befürchten ist. Des weiteren entfallen die wohlbekannten Probleme bei der Einsetzung von Drallerzeugern im Gemischstrom, beispielsweise jene Unzulänglichkeiten, die durch Abbrennen von Belägen mit Zerstörung der Drallschaufeln entstehen.

[0009] Der wesentliche Vorteil der Erfindung hinsichtlich der NO_x- Emissionswerte ist darin zu sehen, dass diese schlagartig auf einen Bruchteil dessen sinken, was man bis heute als maximal erreichbar betrachtet hat. Die Verbesserung weist also nicht bloss ein paar Prozentpunkte auf, sondern man bewegt sich nun in der Grössenordnung von verschwindend kleinen 10 - 15 % der gesetzlichen Grenzwerte, womit eine ganz neue Qualitäts­stufe erreicht ist.

[0010] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Möglich­keit heraus, dass der erfindungsgemässe Brenner auch in Gas­turbinen eingesetzt werden kann, deren Druckverhältnis - über etwa 12 - so hoch ist, dass prinzipbedingt keine Vorverdampfung des Flüssigbrennstoffes mehr möglich ist, weil zuvor Selbst­zündung des Brennstoffes einsetzen würde. Schliesslich ist der erfindungsgemässe Brenner auch noch in solchen Fällen einsetzbar, in denen keine oder nur eine für die Verdampfung unzureichende Luftvorerwärmung erreicht werden kann.

[0011] Nicht zuletzt ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung auch darin zu sehen, dass der erfindungsgemässe Brenner aus wenigen Bestandteilen besteht, die einfach herzustellen und zu montieren sind.

[0012] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungs­gemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

[0013] Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen 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 ERFINDUNG

[0014] Es zeigt:

Fig. 1 einen Brenner in perspektivischer Darstellung, entspre­chend aufgeschnitten und

Fig. 2, 3, 4 entsprechende Schnitte durch die Ebenen II-II (Fig. 2), III-III (Fig. 3) und IV-IV (Fig. 4), wobei diese Schnitte nur eine schematische, vereinfachte Darstellung des Brenners sind.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0015] Um den Aufbau des Brenners besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn der Leser gleichzeitig zu Fig. 1 die einzelnen Schnitte nach Fig. 2 -4 heranzieht. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach Fig. 2 - 4 schematisch gezeigten Leitbleche 21a, 21b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden werden auch bei der Beschreibung von Fig. 1 wahlweise, nach Bedarf, auf die restlichen Fig. 2 - 4 hingewiesen.

[0016] Der Brenner gemäss Fig. 1 besteht aus zwei halben hohlen Tei­kegelkörpern 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 Lufteintritts­schlitz 19, 20 frei, (Fig. 2 - 4), durch welche die Verbren­nungsluft 15 in den Innenraum des Brenners, 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 Lufteintrittsschlitze 19, 20 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. Sebst­verständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindri­sche Anfangsteile 1a, 2a, ausgeführt sein. Beide Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine Brennstoffleitung 8, 9 auf, die mit Oeff­nungen 17 versehen sind, durch welche der gasförmige Brennstoff 13, der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 strömenden Verbrennungsluft 15 zugemischt wird. Die Lage dieser Brennstoffleitungen 8, 9 geht schematisch aus Fig. 2 - 4 hervor: Die Brennstoffleitungen 8, 9 sind am Ende der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 angebracht, so dass dort auch die Zumischung 16 des gasförmigen Brennstoffes 13 mit der einströmenden Verbrennungsluft 15 stattfindet. Brennraumseitig 22 weist der Brenner eine kragenförmige als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Abschlussplatte 10 mit einer Anzahl Bohrungen 11 auf, durch welche nötigenfalls Verdünnungs­luft bzw. Kühlluft 18 dem vorderen Teil des Brennraumes 22 bzw. dessen Wand zugeführt werden kann. 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, wobei streng darauf zu achten ist, dass die Innenwände der Teilkegelkörper 1, 2 vom eingedüsten flüssigen Brennstoff 12 nicht benetzt werden. Bei der Brenn­stoffeindüsung 4 kann es sich um eine luftunterstützte Düse oder um einen Druckzerstäuber handeln. Das kegelige Flüssig­brennstoffprofil 5 wird von einem tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom 15 umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Flüssigbrennstoffes 12 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 15 abge­baut. Wird gasförmiger Brennstoff 13/16 verbrannt, geschieht die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 15 direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 19, 20. Bei der Eindüsung von flüssi­gem Brennstoff 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 6, die optimale, homogene Brenn­stoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung 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 Vor­mischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit kompli­zierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 15 vorgeheizt, so stellt sich eine natürliche Verdampfung des flüssigen Brenn­stoffes 12 ein, bevor der Punkt am Ausgang des Brenners erreicht ist, an dem die Zündung des Gemisches stattfinden kann. Der Grad der Verdampfung ist selbstverständlich von der Grösse des Brenners, der Tropfengrössenverteilung und der Temperatur der Verbrennungsluft 15 abhängig. Unabhängig aber davon, ob neben der homogenen Tropfenvormischung durch Verbrennungsluft 15 niedriger Temperatur oder zusätzlich nur eine partielle oder die vollständige Tropfenverdampfung durch vorgeheizte Verbrennungsluft 15 erreicht wird, fallen die Stickoxid- und Kohlenmonoxidemissionen niedrig aus, wenn der Luftüberschuss mindestens 60 % beträgt. Im Falle der vollständigen Verdampfung vor dem Eintritt in die Verbrennungszone sind die Schadstoff­emissionswerte am niedrigsten. Gleiches gilt auch für den nahstöchiometrischen Betrieb, wenn die Ueberschussluft durch rezirkulierendes Abgas ersetzt wird. Bei der Gestaltung der Teilkegelkörper 1, 2 hinsichtlich Kegelneigung und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Luft mit ihrer Rückströmzone 6 im Bereich der Brennermündung zur Flammenstabilisierung einstellt. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze 19, 20 die Rück­strömzone 6 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung käme. Immerhin ist hier zu sagen, 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 des Brenners eignet sich vorzüglich, bei vorgegebener Baulänge des Brenners, die Grösse der tangen­tialen Lufteintrittsschllitze 19, 20 zu verändern, indem die Teilkegelkörper 1, 2 anhand einer lösbaren Verbindung mit der Abschlussplatte 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 Lufteintrittsschlitze 19, 20, wie dies aus Fig. 2 - 4 besonders gut hervorgeht. Selbstverständlich sind die Teilkegelkörper 1, 2 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben ange­steuert werden kann. Ja, es ist sogar möglich, die Teilkegel­körper 1, 2 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiral­artig eineinander zu verschieben. Somit hat man es in der Hand, die Form und die Grösse der tangentialen Lufteintritte 19, 20 beliebig zu variieren, womit der Brenner ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.

[0017] Aus Fig. 2 - 4 geht auch die Lage der Leitbleche 21a, 21b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktionen, wobei sie, verschieden lang, das jeweilige Ende der Teilkegelkörper 1 und 2 in Anströmungsrichtung der Verbrennungsluft 15 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft in den Kegelhohlraum 14 kann durch Oeffnung bzw. Schliessung der Leitbleche 21a, 21b um den Drehpunkt 23 optimiert werden, insbesondere ist dies dann vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangen­tialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird.

Ansprüche

1. Verfahren für die vormischartige Verbrennung von flüssi­gem Brennstoff in einem Brenner ohne Vormischstrecke dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (14) des Brenners eine in Strömungsrichtung sich ausbreitende, die Wände des Innen­raumes (14) nicht benetzende kegelförmige Flüssigbrennstoff­säule (5) gebildet wird, welche von einem tangential in den Brenner einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom (15) umschlossen wird, wobei die Zündung des Gemisches ab Ausgang des Brenners stattfindet, und wobei im Bereich der Brennermündung durch eine Rückströmzone (6) eine Flammen­stabilisierung erstellt wird.

2. Brenner für die Heissgaserzeugung, bestehend aus hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern, mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen und Zuführungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner aus mindestens zwei aufeinander positionier­ten hohlen Teilkegelkörpern (1, 2) mit in Strömungsrichtung zunehmender Kegelneigung besteht, deren Mittelachsen (1b, 2b) in Längsrichtung der Teilkegelkörper (1, 2) zueinander versetzt verlaufen, wobei im Innenraum des von den Teilkegel­körpern (1, 2) gebildeten kegelhohlförmigen Innenraumes (14) am Brennerkopf eine Brennstoffdüse (3) plaziert ist, deren Brennstoffeindüsung (4) mittig der zueinander versetz­ten Mittelachsen (1b, 2b) der Teilkegelkörper (1, 2) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbrennungsluftstrom (15) vorgängig seiner Einströmung in den Innenraum (14) des Brenners gasförmiger Brennstoff (13/16) zugeführt wird.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkegelkörper (1, 2) zu- oder voneinander verschiebbar sind.

5. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsung (4) eine luftunterstützende Düse ist.

6. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) ein Druckzerstäuber ist.

7. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkegelkörper (1, 2) anströmungsseitig mit beweglichen Leitblechen (21a, 21b) versehen sind.

Zeichnung