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Verfahren zur vollständigen Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen in Öfen und Feuerungsanlagen und
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur russlosen Verbrennung von flüssigen Brennstoffen durch vorherige Verdampfung, insbesondere von wenig vorgewärmtem, schwerem Heizöl, und von gasförmigen Brennstoffen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die bisher bekannten Brennereinrichtungen für die Verbrennung von flüssigem Brennstoff, insbesondere von wenig vorgewärmtem, schwerem Heizöl, beruhen auf der mechanischen Aufbereitung des öles durch Dampf oder Luft als Zerstäubungsmedium, das mit Druck in irgendeine Mischvorrichtung einströmt und den flüssigen Brennstof in kleine Tropfen zerteilt. Im nachfolgenden Brenn-oder Reaktionsraum erfolgte eine Beimischung von Verbrennungsluft, wobei durchwegs mit hohem Luftüberschuss gearbeitet werden musste, um eine vollkommen russfreie Verbrennung zu erzielen. Dabei ist es notwendig, dass z. B. wenig vorgewärmtes schweres Heizöl vor Eintritt in den Brenner auf 110 bis 1300C aufgewärmt wird, da sonst zu grosse Tropfen entstehen.
Bei dem Grossteil der bekannten Brenner für Schweröl wird als Zerstäubungsmedium Sattdampf oder Luft mit Temperaturen bis zu 1500C verwendet. Diese Temperatur setzt nur die Viskosität des öles im Augenblick der Zerstäubung herab, sie bewirkt aber nicht eine Verdampfung oder Vergasung des Brennstoffes. Nur wenige der bisher bekannten Brenner arbeiteten mit überhitztem Dampf, der eine teilweise Verdampfung oder Vergasung des eingebrachten Heizöles verursachte. Diese Brennereinrichtungen, die mit überhitztem Dampf als Zerstäubungsmedium arbeiten, konnten aber z.
B. auf keramischen Brennöfen nicht verwendet werden, weil die bei diesen Brennöfen aus physikalischen und technologischen Gründen des Brenngutes notwendige Vielzahl von Brennstellen (bis zu 90 Stück) die Anbringung genannter Brenner mit überhitztem Dampf als Zerstäubungsmedium wegen Platzmangel, übergrossem Aufwand in der Konstruktion, Notwendigkeit einer mit einem zweiten Brennstoff beheizten Dampferzeugungsanlage und damit zu grossen Kosten nicht möglich war.
Nach dem heutigen Stand der Technik verwendet man z. B. für die Befeuerung von keramischen Brennöfen unter anderem die sogenannten Luftvormischbrenner, denen Luft mit 80 bis 1500C als Zerstäubungsmedium durch einen Ventilator mit mässigem Druck zugeführt wird. Aus den oben beschriebenen Gründen ist ein hoher Luftüberschuss notwendig, um eine vollkommene Verbrennung zu erreichen, was die Wirschaftlichkeit erheblich herabsetzt (bis zu 20% mehr Brennstoffverbrauch). Ein weiterer Nachteil dieser Brenner besteht darin, dass das öl an der Wand des Mischrohres, das der Strahlung aus dem Brennraum ausgesetzt ist, nach einer Betriebszeit von ein bis zwei Wochen verkokt und sich feste Rückstände ansetzen, die die Funktion des Brenners sehr verschlechtern, wenn sie nicht regelmässig entfernt werden.
Auch bei Mittel-oder Hochdruckzerstäubungsbrennern, die ebenfalls für solche Zwecke verwendet werden, tritt immer eine Russbildung auf, wenn nicht mit übermässigem Luftüberschuss im Brennraum gearbeitet wird.
Wenn ein gasförmiger Brennstoff verbrannt werden sollte, musste man entweder wieder mit
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grossem Luftüberschuss arbeiten oder den in den Brennraum eintretenden Gasstrom durch komplizierte Vorrichtungen zerhacken, um die für eine einwandfreie Verbrennung notwendige grosse Oberfläche des Gases zur Mischung mit der vorhandenen Luft zu erreichen.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad aufweist und alle genannten Nachteile der bekannten Feuerungen ausschaltet. Dies wird bei einem Verfahren zur vollständigen Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, vorzugsweise von wenig vorgewärmtem Schweröl, in öfen und Feuerungsanlagen wobei in einer eigenen Einrichtung die flüssigen Brennstoffe verdampfen und die gasförmigen stark vorgewärmt und intensivst mit Luft gemischt werden, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass mit Umgebungstemperatur angesaugte Luft (Primärluft)
verdichtet und anschliessend beim Durchströmen einer am Rand des
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koaxial geführter Rohrleitungen ein Wärmeaustausch zwischen der Primärluft und dem mit geringer Vorwärmung in die Brennereinrichtung einströmenden Brennstoff vorgenommen wird, wonach der Brennstoff im Mischraum einer Düse von mindestens einem, meist aber mehreren Primärluftstrahlen mit einem eingebrachten Luftgewicht von nur einem Bruchteil des stöchiometrisch für die Verbrennung notwendigen Luftgewichtes mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zerteilt, mit der Primärluft innig vermischt und durch deren eingebrachte Wärme sofort verdampft wird und in Gasform zusammen mit der Primärluft durch die Düsenöffnung in den Feuerraum strömt,
wo in bekannter Weise das gasförmige Primärluft-Brennstoffgemisch unter Mitwirkung von bereits im Brennraum vorhandenem oder gegebenenfalls zusätzlich eingebrachtem Sauerstoff verbrannt wird. Durch die Verwendung von komprimierter Luft mit sehr hoher Temperatur als Zerstäubungsmedium wird eine vollständige Verdampfung des Brennstoffes auch bei nur geringer Vorwärmung desselben und eine besonders innige Vermischung des Brennstoffes mit der Primärluft erreicht ; da die Einrichtung der Primärluft durch die im Feuerraum zur Verfügung stehende Wärme ohne Verwendung irgendwelcher anderer Einrichtungen erfolgt, ist bei geringstem apparativem Aufwand ein optimaler Wirkungsgrad erreichbar.
Zur Einstellung einer oxydierenden Feuerraumatmosphäre oder zur Veränderung der Reichweite des aus der Düse austretenden Gasgemischstrahles kann es gemäss einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zweckmässig sein, dass dem Feuerraum koaxial zur Düse Sekundärluft vorzugsweise über einen veränderlichen Querschnitt zugeführt wird, so dass sich die Sekundärluft mit dem aus der Düse austretenden Primärluft-Brennstoffstrahl zumindest teilweise mischt.
Ziel der Erfindung ist weiters die Schaffung einer besonders vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der von dem zum Verdichten der Primärluft vorgesehenen Kompressor zur Düse führenden Primärluft-Leitung am Rande des Feuerraumes oder in diesen zumindest teilweise hineinragend angeordnet ist, wobei dieser Teil der Primärluft-Leitung als Kammer oder Rohrschlange ausgebildet ist, dass gegebenenfalls ein vor der Düse befindlicher Teil der Primärluft-Leitung koaxial innerhalb der oder koaxial um die Brennstoff-Leitung geführt ist, dass ferner die Düsen einen rotationskörperförmigen, z.
B. zylindrischen, Mischraum aufweist, in welchen mindestens ein mit der Brennstoff-Leitung verbundener Kanal für den Eintritt des Brennstoffes in den Mischraum und mindestens ein mit der Primärluft-Leitung verbundener Kanal für den Eintritt der Primärluft münden, wobei die Achsen dieser Kanäle einander schneiden.
Zweckmässig kann dabei die Düse aus einem Düsenkörper und einem Zwischenstück bestehen, welche Teile den Mischraum begrenzen, wobei der Düsenkörper in ein als Primärluft-Zuleitung dienendes Rohr, das in einem Brennerkopf fixiert ist, eingeschraubt ist, und dass das zum Teil kegelstumpfförmig, zum Teil zylindrisch ausgebildete Zwischenstück in seiner konischen, sich gegen den Düsenkörper abstützenden Fläche mit Rillen versehen ist, die die Primärluftkanäle bilden und ausserdem mindestens einen zentralen Brennstoffkanal aufweist,
wobei das Zwischenstück mit seinem zylindrischen Teil in ein koaxial im Primärluft-Zuleitungsrohr angeordnetes und ebenfalls im Brennerkopf fixiertes Brennstoff-Zuleitungsrohr eingreift und bei Einschrauben des Düsenkörpers in das PrimärluftZuleitungsrohr mit seiner zwischen dem kegelstumpfförmigen und zylindrischen Teil ausgebildeten Schulterfläche gegen die scharfe Dichtkante des Endes des Brennstoff-Zuleitungsrohres, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Dichtung, dichtend anpressbar ist.
Dadurch ist bei einfachster Konstruktion und Handhabung eine ausreichende Abdichtung zwischen Brennstoff-und Primärluft-Leitung bzw. zwischen Primärluft-Leitung und Feuerraum gewährleistet, obwohl alle diese Teile im Betriebszustand hohen Temperaturen von 600 bis 1000 C
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ausgesetzt sind.
Zur Veränderung der Reichweite des aus der Düse austretenden Gasgemischstrahles kann der Neigungswinkel zwischen den den Brennstoff bzw. die Primärluft in den Mischraum führenden Kanälen zwecks Beeinflussung der Reichweite des die Düse verlassenden Gasgemischstrahles veränderbar sein.
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 eine Abänderung dieses Ausführungsbeispieles und Fig. 3 in vergrössertem Massstab einen Längsschnitt durch den beim erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Brenner.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wird die mit--PL--in einen Kompressor--K-- beliebiger Konstruktion eintretende Primärluft zunächst auf 3 bis 6 atü verdichtet und durchströmt anschliessend eine Leitung--l--bzw. einen Behälter, z. B. eine Rohrschlange oder Rohrspirale, die bzw. der am Rand des Feuerraumes--F--liegt oder ganz oder teilweise in diesen hineinragt. Diese Leitung ist daher so stark den Wärmeeinwirkungen aus dem Feuerraum ausgesetzt, dass die durchströmende Primärluft je nach Temperatur im Feuerraum auf 300 bis 7000C erwärmt wird. Durch diese grosse Erwärmung von z. B. 600C beim Eintritt in die Rohrschlange auf z.
B. 5000C am Ende derselben vergrössert sich das Volumen der Luft etwa auf das Doppelte, so dass in der nachfolgenden Brennereinrichtung grosse Luftgeschwindigkeiten trotz relativ kleiner Kompressorfördermengen erzielt werden können.
Bei--PLn--ist die Möglichkeit angedeutet, die verdichtete Primärluft aus dem Kompressor --K-- auch noch zu andern Brennstellen zu leiten.
Die heisse Primärluft strömt bei der Ausführungsform nach Fig. 1 durch ein Rohr-2-zur
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volumetrisch oder als Durchflussregulierung mit Querschnittsveränderung erfolgen. Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. l lediglich dadurch, dass sich das Rohr--2--in einem Rohr--4--befindet, so dass der Brennstoff somit in dem verbleibenden Ringraum des Rohres - der Düse zuströmt. Dieses Aneinander-Entlangströmen von heisser Primärluft und Brennstoff bewirkt eine ausgezeichnete Vorwärmung desselben, weshalb das beispielsweise als Brennstoff verwendete Schweröl nur mit einer Temperatur von 60 bis 80 C der Brennereinrichtung zugeführt zu werden braucht.
In manchen Fällen ist es aber auch möglich, auf diese Vorwärmung zu verzichten und die Primärluft und die Brennstoff-Leitung getrennt bis zur Düse zu führen.
In der Düse --3-- dieser Brennereinrichtung findet sodann die Mischung der heissen Primärluft mit dem jetzt gut vorgewärmten Brennstoff statt. Dort münden in einen Mischraum--5--, der die Form eines Rotationskörpers, meist eines Zylinders, hat, einige kleine Kanäle bzw. Bohrungen--6--, die Brennstoff bzw. Primärluft führen. Wenn in diesem Mischraum kein Drall erzeugt werden soll, so sind diese Kanäle in bekannter Weise so angeordnet, dass sich ihre Längsachsen mit der Düsenlängsachse schneiden. Wenn ein Drall erzeugt werden soll, so kreuzen in bekannter Weise die Längsachsen der Primärluftkanäle oder der Brennstoffkanäle die Düsenlängsachse, ohne sie zu schneiden.
In jedem Fall ist die Anordnung der Kanäle--6--so, dass die Brennstoffstrahlen von dem Primärluftstrahl oder den Primärluftstrahlen getroffen, zerteilt und mit diesem innigst vermischt werden. Vor allen die Querschnitte der Kanäle bzw. Bohrungen für die Primärluft sind so bemessen, dass bei der Primärluft grosse Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Diese liegen je nach Wahl des Kompressorausgangsdruckes und des Durchmessers der Düsenöffnung--7--bei Schallgeschwindigkeit oder etwas darunter. Bei entsprechender Ausbildung der Kanäle --6-- ist es auch möglich, Überschallgeschwindigkeiten zu erreichen.
Bei dieser innigen Mischung von Primärluft und Brennstoff wird letzterer infolge der hohen Temperatur der Primärluft in bisher nur bei Spezialeinrichtungen bekannter Weise vernebelt und ein grosser Teil der von der Primärluft eingebrachten Wärme geht an den Brennstoff über. Bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen, z. B. von Schweröl, findet dann augenblicklich eine vollkommene Verdampfung statt. Da weiters das Gewicht der zugeführten Primärluft nur ungefähr 1/10 bis 1/5 stöchiometrisch zur Verbrennung des zugeführten Brennstoffes erforderlichen Menge beträgt und die Strömungsgeschwindigkeiten in der Düse ausserordentlich hoch sind, wird eine Zündung oder eine Verbrennung schon in der Düse mit Sicherheit vermieden.
Bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen ist die beschriebene, augenblickliche Verdampfung des Brennstoffes durch die intensive Mischung des Brennstoffdampfes mit der heissen Pressluft so vollkommen, dass am Düsenaustritt keine flüssigen Brennstoffbestandteile mehr vorhanden sind. Die Versuche haben diese Vorgänge bewiesen. So
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konnten nach dem Austritt aus der Düse keine auch noch so feinen Tröpfchen festgestellt werden, die bei vielen andern Brennern, besonders z. B. bei den genannten ölvormischverbrennern, als helleuchtende Kohlenstoffteilchen funkenähnlich im Feuerraum verbrennen.
Feste Rückstände treten bei diesem Verbrennungsverfahren nicht auf, weil die Änderung des Aggregatzustandes des flüssigen Brennstoffes nicht durch die Berührung irgendwelcher heisser Konstruktionselemente, wie Umlenkkanten, Prallscheiben usw., erfolgt, an denen sich solche Rückstände ansetzen, sondern ausschliesslich durch die in den Mischraum der Düse strömende heisse Primärluft hervorgerufen wird. Durch die auftretenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten werden die festen Bestandteile des Brennstoffes, die wegen der ausgezeichneten Zerstäubung nur in feinster Form auftreten, durch die Düsenbohrung hinausgeblasen.
Bei gasförmigen Brennstoffen bewirkt diese Art der Mischung mit der heissen Primärluft eine bisher nicht mögliche Vorwärmung des Brennstoffgases und ebenfalls intensivste Mischung mit dem Primärluftsauerstoff bei geringster, weit unter dem stöchiometrischen Bedarf liegender zugeführter Luftmenge.
Von der Düse-3--tritt das Brennstoff-Primärluftgemisch je nach Austrittsöffnung mit mehr oder weniger grosser Geschwindigkeit durch die Düsenöffnung--7--in den Feuerraum, in dem, wenn nicht anderer Sauerstoff zugeführt wird, eine reduzierende Atmosphäre entsteht.
Um die Reichweite dieses Gasgemischstrahles verändern zu können, was besonders bei keramischen Brennöfen von Bedeutung ist, oder um auch im Bedarfsfalle eine stark oxydierende Feuerraumatmosphäre zu erzielen, wird durch den Anschlussstutzen --8-- und das Aussenrohr --9-- konzentrisch zum Gasgemischstrahl oder auch durch eine separate Leitung Sekundärluft
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verschiedenen Austrittsdurchmessern--10--oder eine Höhenverstellung der Düse --3-- samt den Rohren --2 und 4-- (wie durch den Doppelpfeil --HV-- in Fig.1 angedeutet ist), verwendet werden. Letztere Art bewirkt eine Veränderung des Ringquerschnittes zwischen der Düse--3--und dem Austrittskonus --11--.
Wenn durch die besonderen Gegebenheiten des Feuerraumes nur kleine und kleinste Reichweiten des Gasgemischstrahles gefordert sind, so können diese auch durch Änderung des Brennstoff-und Primärluftdruckes sowie Änderung der Neigungswinkel zwischen den Kanälen --6-- und der Düsenmittelachse beeinflusst werden. Die erforderliche Sekundärluft kann auch separat an verschiedenen andern Stellen des Feuerraumes eingeblasen werden, wenn die endgültige Verbrennung des Gasgemisches an bestimmten Stellen gewünscht wird oder über eine grössere Strebe bzw. Fläche des Feuerraumes verteilt werden soll.
Bei dem in Fig. 3 im Längsschnitt dargestellten Brenner wird bei --PL-- die Primärluft und bei --B-- der Brennstoff zugeführt ; es können diese beiden Zuführungen aber auch vertauscht werden.
Bei --SL-- wird die Sekundärluft zugeführt. Der Brennstoff gelangt durch das Rohr--4-, die Primärluft durch das Rohr--2--zu der aus zwei Teilen--12, 13-- bestehenden Düse bzw. zum Mischraum --5-- in der Düse. Sowohl das Rohr-2-als auch das Rohr --4-- sind im
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welches in axialer Richtung teils kegelstumpfförmig, teils zylindrisch ausgebildet ist.
Durch Zusammenwirken von in der konischen Stirnfläche --13a-- des Zwischenstückes --13-ausgebildeten Rillen mit der entsprechenden Gegenfläche des Düsenkörpers --12-- werden Kanäle --6a-- für die Zuführung der Primärluft zur Mischkammer --5-- geschaffen. Das Zwischenstück --13-- besitzt ausserdem mindestens eine Bohrung--6b--für die Zuführung des Brennstoffes zur Mischkammer--5--. Durch Einschrauben des Düsenkörpers--12--in das Rohr --2-- wird auch das Zwischenstück --13ö mit seiner Schulterfläche--13b--an die scharfe Dichtkante--15- des unteren Randes des Innenrohres --4--, erforderlichenfalls unter Zwischenschaltung einer Dichtung, angepresst.
Dadurch ist bei einfachster Konstruktion und Handhabung eine ausreichende Abdichtung zwischen Primärluft-Leitung und Brennstoff-Leitung einerseits bzw. Primärluft-Leitung und Feuerraum anderseits im Düsenbereich gewährleistet.