CH674561A5 - - Google Patents

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CH674561A5
CH674561A5 CH4980/87A CH498087A CH674561A5 CH 674561 A5 CH674561 A5 CH 674561A5 CH 4980/87 A CH4980/87 A CH 4980/87A CH 498087 A CH498087 A CH 498087A CH 674561 A5 CH674561 A5 CH 674561A5
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burner
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fuel
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liquid fuel
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CH4980/87A
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Inventor
Jakob Dr Keller
Thomas Dr Sattelmayer
Daniel Styner
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Bbc Brown Boveri & Cie
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Description

BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die vormischartige Verbrennung von flüssigem Brennstoff gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus EP-AI-0 210 462 ist ein Brenner bekanntgeworden, welcher aus mindestens zwei mit tangentialem Lufteintritt beaufschlagten doppelgekrümmten hohlen Teilkegelkörpern gebildet ist. Diese Körper sind in Strömungsrichtung entlang von kegel-strahlig 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 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 hat. Die Eindüsung des flüssigen Brennstoffes ist axial auf die Aussenkegel gerichtet, dergestalt, dass sich dort je nach Stärke der Eindüsung ein verschieden langer Brennstoffïlm 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 Eindü-5 sung von flüssigem Brennstoff der Last der Maschine angepasst wird, ist das Gemisch nie zu mager oder zu fett.
Zwei Ziele lassen sich damit unmittelbar erreichen:
Die Vorzüge eines Vormischbrenners, nämlich wenig NOx und CO, stellen sich ein.
io Eine gute Flammenstabilität in einem weiteren Betriebsbereich ist gewährleistet.
Des weiteren ergibt sich aus der konstruktiven Gestaltung dieses Brenners eine Wirbelströmung, welche im Zentrum drallarm ist, aber einen Axialgeschwindigkeitsüberschuss aufweist. Weil 15 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 Wirbelrückströ-mung.
Obwohl die Vorteile des hier gewürdigten Brenners nicht weg-20 zuleugnen sind, hat es sich doch gezeigt, dass die NOx- 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 25 Ölverbrennung nicht auszuschliessen sind und die Brennstoffeindüsung nicht einfach zu handhaben ist.
Des weiteren ist die Öleindüsung konstruktiv relativ aulwendig gelöst. Aber auch die Gestaltung der gefalzten Kegelabschnitte und deren Abstimmung zueinander ist nicht einfach zu 3o handhaben.
Hier greift die Erfindung ein. Der Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren sowie einem Brenner der eingangs genannten Arten die körperliche Ausgestaltung des Brenners zu 35 vereinfachen und gleichzeitig die NOx-Emissionswerte aus der vormischartigen Verbrennung von flüssigem Brennstoff zu minimieren, ohne das Strömungsfeld im Brenner mit der stabilen Wir-belrückströmzone zu verändern.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung hinsichtlich der Aus-40 gestaltung 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 Gemischtstrom, beispielsweise jene Unzulänglichkeiten, die durch Abbrennen von 45 Belägen mit Zerstörung der Drallschaufeln entstehen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung hinsichtlich der NOx-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 50 paar Prozentpunkte auf, sondern man bewegt sich nun in der Grössenordnung von verschwindend kleinen 10 bis 15 Prozent der gesetzlichen Grenzwerte, womit eine ganz neue Qualitätsstufe erreicht ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Mög-35 lichkeit 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 erfin-60 dungsgemässe Brenner auch noch in solchen Fällen einsetzbar, in denen keine oder nur eine für die Verdampfung unzureichende Luftvorerwärmung erreicht werden kann.
Nicht zuletzt ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung auch darin zu sehen, dass der erfindungsgemässe Brenner aus wenigen 65 Bestandteilen besteht, die einfach herzustellen und zu montieren sind.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfin-dungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprü
3
674 561
chen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung erläutert. Alle fur 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.
Es zeigt:
Figur 1 einen Brenner in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten und
Figuren 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.
Um den Aufbau des Brenners besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn der Leser gleichzeitig zu Figur 1 die einzelnen Schnitte nach Figur 2 bis 4 heranzieht. Des weiteren, um Figur 1 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach Figur 2 bis 4 schematisch gezeigten Leitbleche 21a, 21b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird auch bei der Beschreibung von Figur 1 wahlweise nach Bedarf auf die restlichen Figuren 2 bis 4 hingewiesen.
Der Brenner gemäss Figur 1 besteht aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1,2, die versetzt zueinander aufeinanderliegen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse lb, 2b der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 19, 20 frei (Fig. 2-4), durch welchen 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 la, 2a, die ebenfalls analog den Teilkegelkörpern 1, 2 versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19,20 von Anfang an vorhanden sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil la, 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. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile la, 2a, ausgeführt sein. Beide Teilkegelkörper 1,2 weisen je eine Brennstoffleitung 8,9 auf, die mit Öffnungen 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 Figur 2 bis 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. Brenn-raumseitig 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 Rückström-5 zone 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, woge-gen 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 eiTeicht ist, an dem die Zündung des Gemisches stattfinden kann. 15 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 20 oder die vollständige Tropfenverdampfung durch vorgeheizte Verbrennungsluft 15 erreicht wird, fallen die Stickoxid- und Kohlen-monoxidemissionen niedrig aus, wenn der Luftüberschuss mindestens 60 Prozent beträgt. Im Falle der vollständigen Verdampfung vor dem Eintritt in die Verbrennungszone sind die Schadstoff-25 emissionswerte am niedrigsten. Gleiches gilt auch für den nahstö-chiometrischen Betrieb, wenn die Überschussluft 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 30 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 35 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 Kegel-form des Brenners zu. Die Konstruktion des Brenners eignet sich vorzüglich, bei vorgegebener Baulänge des Brenners die Grösse 40 der tangentialen Lufteintrittsschlitze 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 lb, 2b, 45 und dementsprechend verändert sich die Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20, wie dies aus Figur 2 bis 4 besonders gut hervorgeht. Selbstverständlich sind die Teilkegelkörper 1, 2 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung derselben angesteuert werden kann. Ja, 50 es ist sogar möglich, die Teilkegelkörper 1, 2 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig einander 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 55 ist.
Aus Figur 2 bis 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 60 Kanalisierung der Verbrennungsluft in den Kegelhohlraum 14 kann durch Öffnung bzw. Schliessung der Leitbleche 21 a, 21b um den Drehpunkt 23 optimiert werden, insbesondere ist dies dann vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird.
G
2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

674 561 PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren fur 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 im Bereich der Brennermündung durch eine Rückströmzone (6) eine Flammenstabilisierung erstellt wird.
2. Brenner zur Durchfuhrung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teil-kegelkörpern, mit tangentialen Lufleintrittsschlitzen und Zufuhrungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen, sich in Strömungsrichtung erweiternden Teilkegelkörpern (1,2) besteht, deren Mittelachsen (lb, 2b) in Längsrichtung der Teilkegelkörper (1,2) zueinander versetzt verlaufen, wobei im Innenraum des von den Teilkegelkörpern (1,2) gebildeten kegelförmigen Innenraumes (14) am Brennerkopf eine Brennstoffdüse (3) plaziert ist, deren Brennstoffeindüsung (4) mittig der zueinander versetzten Mittelachsen (lb, 2b) der Teilkegelköiper (1,2) hegt.
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.
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