DD253469A1 - HIGH PERFORMANCE BURNING CHAMBER FOR HIGH-SPEED BURNER - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsbrennkammer fuer Hochgeschwindigkeitsbrenner, die in Industrieoefen zum Einsatz kommen. Das Ziel besteht darin, die Haltbarkeit der Brennkammern von Hochgeschwindigkeitsbrennern bei gleichzeitiger Zunahme der maximal zulaessigen Brennkammerbelastung zu erhoehen. Aufgabe ist es, eine Hochleistungsbrennkammer zu entwickeln, mit der die Vorteile des Hochgeschwindigkeitseffektes besser genutzt werden koennen. Die erfindungsgemaesse Brennkammer besteht im wesentlichen aus einem keramischen Feuerfestteil und einem sich daran anschliessenden Edelstahlteil. In Abhaengigkeit von der zum Einsatz kommenden Brennstoffart werden die Laengen der beiden Brennkammerteile festgelegt. Durch die konstruktive Gestaltung des Edelstahlteiles erfolgt gleichzeitig die Kuehlung mit der Verbrennungsluft. Fig. 1The invention relates to a high performance combustion chamber for high speed burners used in industrial furnaces. The goal is to increase the durability of the combustors of high speed burners while increasing the maximum allowable combustor load. The task is to develop a high-performance combustion chamber that can make better use of the advantages of the high-speed effect. The inventive combustion chamber consists essentially of a ceramic refractory part and a subsequent thereto stainless steel part. Depending on the type of fuel used, the lengths of the two combustion chamber parts are determined. Due to the structural design of the stainless steel part, the cooling with the combustion air takes place at the same time. Fig. 1
Description
L2 - L Ses " L1 L 2 - L S it " L 1
festgelegt sind.are fixed.
2. Hochleistungsbrennkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß beim Einsatz von mehreren Brennstoffen mit unterschiedlichen Verbrennungsgeschwindigkeiten die Dimensionierung der Teillängen (L1; L2) nach dem Brennstoff mit der kleinsten Verbrennungsgeschwindigkeit erfolgt.2. High-performance combustion chamber according to claim 1, characterized in that the dimensioning of the partial lengths (L 1 ; L 2 ) takes place after the fuel with the lowest combustion rate when using multiple fuels with different combustion speeds.
3. Hochleistungsbrennkammer nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Zylinder (3) zum Stirnring (4) einen definierten Abstand besitzt und damit einen Umlenkspalt (14) für die Verbrennungsluft bildet und mit seinem großen Kegelstumpf (6) formschlüssig am Luftgehäuse (1) angeordnet ist und die luftgekühlte Brennkammer in einen äußeren (12) und inneren (13) Ringraum unterteilt.3. High-performance combustion chamber according to claim 1 and 2, characterized in that the cylinder (3) to the end ring (4) has a defined distance and thus forms a deflection gap (14) for the combustion air and with its large truncated cone (6) form-fitting manner on the air housing ( 1) is arranged and the air-cooled combustion chamber divided into an outer (12) and inner (13) annulus.
Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsbrennkammer für Hochgeschwindigkeitsbrenner, die in Industrieöfen zum Einsatz kommen.The invention relates to a high-performance combustion chamber for high-speed burners, which are used in industrial furnaces.
Es sind Brennkammern von Hochgeschwindigkeitsbrennern unterschiedlicher Konstruktion bekannt.There are known combustion chambers of high-speed burners of different construction.
Hochgeschwindigkeitsbrenner bestehen aus der Zuführungsvorrichtung für den Brennstoff und die Verbrennungsluft, sowie dem charakteristischen Merkmal, der Brennkammer mit dem verengten Brennkammeraustritt als Brennkammerdüse. Die Auskleidung der Brennkammer ist materialmäßig abhängig von den in ihr herrschenden Betriebstemperaturen sowie möglichen f emperaturschwankungen. Es sind Hochgeschvvindigkeitsbrenner kleiner Leistung (bis ca. 20OkW) bekannt, bei denen die keramische Brennkammer aus einem Stück gefertigt ist (DD-PS 151 653). Stahlanker im Feuerfestmaterial schaffen die Verbindung zu einer Stahlplatte an der Brennkammer, die als Befestigung an der Ofenverplattung dient. Die keramische Brennkammer kann auch mit einem Blechmantel umgeben sein, der mit dem Brennerflansch verbunden ist. In beiden Fällen muß bei Verschleiß des Brenners der gesamte Brenner gewechselt werden.High-speed burners consist of the fuel supply device and the combustion air, as well as the characteristic feature of the combustion chamber with the narrowed combustion chamber outlet as the combustion chamber nozzle. The lining of the combustion chamber is materially dependent on the operating temperatures prevailing in it and possible temperature fluctuations. There are Hochgeschvvindigkeitsbrenner low power (up to 20OkW) known in which the ceramic combustion chamber is made of one piece (DD-PS 151 653). Steel anchors in the refractory material make the connection to a steel plate on the combustion chamber, which serves as an attachment to the Ofenverplattung. The ceramic combustion chamber may also be surrounded by a metal jacket, which is connected to the burner flange. In both cases, when the burner is worn, the entire burner must be replaced.
Auch mittlere Brennergrößen (bis 80OkW) sind bereits nach diesem Prinzip gebaut worden. Nachteilig wirkt sich bei diesen größeren Brennertypen die zunehmende Rißanfälligkeit der keramischen Teile infolge unterschiedlicher Temperaturbelastung und damit verbundenen Spannungsunterschieden als Ursache aus. Diese Risse bilden den Ausgangspunkt des Durchtrittes der heißen Gase bis an die Ofenverplattung, wodurch sich diese einerseits aufheizt und zerstört werden kann, andererseits durch den Druckabfall der Hochgeschwindigkeitsbrennereffekt herabgemindert bzw. aufgehoben wird.Even medium burner sizes (up to 80OkW) have already been built according to this principle. The disadvantage of these larger types of burners, the increasing susceptibility to cracking of the ceramic parts as a result of different temperature stress and associated voltage differences as a cause. These cracks form the starting point of the passage of the hot gases up to the Ofenverplattung, whereby these on the one hand heats up and can be destroyed, on the other hand reduced or canceled by the pressure drop of the high-speed burner effect.
Bei noch größeren Hochgeschwindigkeitsbrennern (bis ca. 2000kW) wurde versucht, der unkontrollierten Rißbildung dadurch zu begegnen, indem die Brennkammern horizontal geteilt wurden und hochfeuerfeste keramische Halbschalen, bzw. separate Düsenringe gleichen Materials so eingefügt wurden, daß keine Schnittfugen entstanden (DD-PS 153218). Dies hat zu Verbesserungen des Betriebsverhaltens geführt, schließt aber Ausbesserungen während der Ofenreise nicht aus. Damit ist ein störungsfreier Langzeitbetrieb nicht gewährleistet. Es sind auch Brennkammern bekannt, bei denen zur Erhöhung der Haltbarkeit im zylindrischen Teil der Brennkammer tangentiale Bohrungen vorhanden sind, durch die der axial und radial aufgeteilte Luftstrom zur Kühlung der Brennkammerinnenwand genutzt wird (DD-PS 195856). Bei rekuperativ hochvorgewärmter Verbrennungsluft und dadurch begünstigten hohen Verbrennungstemperaturen ist auch hier die Langzeitbelastung nicht gewährleistet. Entstehende Schäden in der Brennkammer führen wiederum zu den genannten Nachteilen, bis zur Nichterreichung des geplanten Reparaturzyklus des Ofengefäßes.In even larger high-speed burners (up to about 2000kW) was trying to counteract the uncontrolled cracking by the combustion chambers were divided horizontally and highly refractory ceramic shells, or separate nozzle rings of the same material were inserted so that no kerfs were created (DD-PS 153218 ). This has led to improvements in performance, but does not exclude repairs during the oven trip. Thus, a trouble-free long-term operation is not guaranteed. There are also known combustion chambers in which to increase the durability in the cylindrical part of the combustion chamber, tangential bores are present through which the axially and radially split air flow is used for cooling the combustion chamber inner wall (DD-PS 195856). In recuperatively highly preheated combustion air and thus favored high combustion temperatures, the long-term load is not guaranteed here. Emerging damage in the combustion chamber in turn lead to the aforementioned disadvantages, until the failure to achieve the planned repair cycle of the furnace vessel.
Bekannt sind auch Lösungen von Brennkammern, bei denen ein Teil des Verbrennungsluftstromes zur Kühlung der Brennkammerinnenfläche verwendet wird.Also known are solutions of combustion chambers, in which a part of the combustion air flow is used for cooling the combustion chamber inner surface.
Zum Stand der Technik gehören auch Brennkammern, die vollständig aus hitze-und zunderbeständigem Stahl hergestellt sind und die durch die Verbrennungsluft gekühlt werden (DE-OS 2408542). Der Nachteil dieser Lösung ist, daß diese Brennkammer nur für Ofenraumtemperaturen bis 1 000°C eingesetzt werden kann und daß die ganze Innenfläche der Brennkammer keine glühenden Stellen aufweist, was sich negativ auf die Brennstabilität auswirkt.The prior art also includes combustion chambers, which are made entirely of heat and scale-resistant steel and which are cooled by the combustion air (DE-OS 2408542). The disadvantage of this solution is that this combustion chamber can only be used for furnace room temperatures up to 1 000 ° C and that the entire inner surface of the combustion chamber has no glowing points, which has a negative effect on the firing stability.
Der nützliche Effekt der Erfindung besteht darin, durch eine geeignete konstruktive Lösung der Brennkammer von Hochgeschwindigkeitsbrennern die Haltbarkeit der Brennkammern bei gleichzeitiger Zunahme der maximal zulässigen Brennkammerbelastung zu erhöhen, wodurch die Vorteile des Hochgeschwindigkeitseffektes besser ausgenutzt werden können.The useful effect of the invention is to increase the durability of the combustion chambers while increasing the maximum allowable combustion chamber load by a suitable constructive solution of the combustion chamber of high-speed burners, whereby the advantages of the high-speed effect can be better utilized.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochleistungsbrennkammer für Hochgeschwindigkeitsbrenner zu entwickeln, durch die die Vorteile des Hochgeschwindigkeitseffektes besser genutzt werden können.The object of the invention is to develop a high-performance combustion chamber for high-speed burners, through which the advantages of the high-speed effect can be better utilized.
Die Brennkammer ist so auszuführen, daß bei optimaler Fertigungstechnologie ein leichter Einbau und eine hohe Haltbarkeit aller Brennkammerteile erreicht wird, wobei eine Anpassung der Brennkammerausführung an die Brennstoffart ein Wesensmerkmal ist.The combustion chamber is to be designed so that with optimal manufacturing technology easy installation and high durability of all combustor parts is achieved, with an adaptation of the combustion chamber design to the fuel is an essential feature.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Temperaturspannungen im keramischen Brennkammermaterial so zu verringern, daß keine Spannungsrisse auftreten.Another object is to reduce the temperature stresses in the ceramic combustor material so that no stress cracks occur.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Gewährleistung der effektiven Verbrennung des Brennstoffluftgemisches in der Brennkammer, um ein Abreißen der Flamme bei Maximallast zu verhindern.Another object of the invention is to ensure the effective combustion of the fuel air mixture in the combustion chamber to prevent flame bursting at maximum load.
Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, daß die Brennkammer in Längsrichtung in zwei Teile geteilt ist, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind. Der vordere, dem Ofenraum zugewandte Teil der Brennkammer'mit der Brennkammerdüse, aus der die heißen Verbrennungsgase die Brennkammer verlassen, ist aus keramischem Feuerfestmaterial hergestellt. Die Länge dieses Keramikteiles wird brennstoffspezifisch ausgeführt, da das Feuerfestmaterial sehr teuer ist und nicht die Haltbarkeit aufweist wie der sich anschließende luftgekühlte Edelstahlteil der Brennkammer. Die minimale Länge des Feuerfestteils wird so festgelegt, daß eine ausreichend glühend heiße Innenfläche der Brennkammer vorliegt, die für die Brennstabilität des Brenners notwendig ist. Die optimale Länge des Feuerfestteiles richtet sich damit nach der zum Einsatz gelangenden Brennstoffart. Brennstoffe mit hoher Zündgeschwindigkeit ermöglichen ein kurzes Feuerfestteil, während bei Brennstoffen mit niedriger Zündgeschwindigkeit das Feuerfestteil verlängert werden muß.According to the invention this is achieved in that the combustion chamber is divided in the longitudinal direction into two parts, which are made of different materials. The front part of the combustion chamber facing the furnace chamber with the combustion chamber nozzle from which the hot combustion gases leave the combustion chamber is made of ceramic refractory material. The length of this ceramic part is carried out fuel-specific, since the refractory material is very expensive and does not have the durability as the subsequent air-cooled stainless steel part of the combustion chamber. The minimum length of the refractory part is determined so that there is a sufficiently hot glowing inner surface of the combustion chamber, which is necessary for the burning stability of the burner. The optimal length of the refractory part depends on the type of fuel used. High firing rate fuels allow for a short refractory portion, while for low firing rate fuels, the refractory portion must be extended.
Dazu wurde folgende Abhängigkeit der Länge des keramischen Teiles der Brennkammer ermittelt:For this purpose, the following dependence of the length of the ceramic part of the combustion chamber was determined:
ί 0,05 I L,-ί 0.05 I L, -
Vverbr. = Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffes in cm pro Sekunde Die Länge des metallischen Teiles ergibt sich dann aus der Beziehung:Vverbr. = Combustion rate of the fuel in cm per second The length of the metallic part then results from the relationship:
U = Lges - LiU = Lges - Li
Die Gesamtlänge der Brennkammer ergibt sich aus bekannten Beziehungen der Verbrennungstechnik in Abhängigkeit von der Brennerleistung.The total length of the combustion chamber results from known relationships of combustion technology as a function of the burner output.
Werden im gleichen Hochgeschwindigkeitsbrenner zeitlich nacheinander Brennstoffe mit unterschiedlichen Verbrennungsgeschwindigkeiten eingesetzt, so sind die Längen des Feuerfestteils und des luftgekühlten Teils nach dem Brennstoff mit der geringeren Verbrennungsgeschwindigkeit festzulegen.If fuels of different combustion rates are used in succession in the same high-speed burner, the lengths of the refractory part and of the air-cooled part are to be determined according to the fuel with the lower combustion speed.
Der hintere Teil der Brennkammer, in den die Verbrennungsmedien eintreten, wird aus hitze- und zunderbeständigem Stahl (Edelstahl) hergestellt. Da dieTem'peraturdauerbelastung in der Brennkammerfür Edelstahl zu hoch ist, muß dieser Teil gekühlt werden. Dazu wird in diesem Fall die Verbrennungsluft genutzt.The rear part of the combustion chamber into which the combustion media enter is made of heat and scale resistant steel (stainless steel). Since the thermal endurance in the stainless steel combustor is too high, this part must be cooled. For this purpose, the combustion air is used in this case.
Dieses Brennkammerteil wird deshalb aus drei ineinander angeordneten Zylindern hergestellt, deren Abstand zueinander durch Stegbleche gesichert ist. Der mittlere Zylinder endet jedoch an der zum Feuerfestteil weisenden Seite des Edelstahlbrennkammerteils um einen definierten Betrag vor einem Stirnring. Der Abstand wird nach der durchzusetzenden Luftmenge berechnet. Dadurch entsteht ein Umlenkspalt für die Luftzuführung. Der Stirnring zwischen äußerem und innerem Zylinder komplettiert die Luftumlenkung.This combustion chamber part is therefore made of three nested cylinders whose distance from each other is secured by web plates. However, the middle cylinder ends at the refractory part facing side of the stainless steel combustion chamber part by a defined amount in front of a front ring. The distance is calculated according to the amount of air to be transmitted. This creates a deflection gap for the air supply. The front ring between outer and inner cylinder completes the air deflection.
Am anderen Ende des Edelstahlbrennkammerteils paßt sich der mittlere Zylinder mit dem großen Kegelstumpf formschlüssig an die Kontur des Luftgehäuses an. Dadurch wird für die Verbrennungsluft eine Zwangsführung erreicht, da siezwischen äußerem und mittlerem Zylinder in Richtung Stirnring strömen muß, durch den Stirnring um 180° umgelenkt wird, zwischen mittlerem und innerem Zylinder zurückströmen muß und nach weiterer Umlenkung in den Verbrennungsraum der Brennkammer gelangt, wo sie sich mit dem Brennstoff mischt.At the other end of the stainless steel combustion chamber part, the middle cylinder with the large truncated cone fits positively against the contour of the air housing. As a result, a forced guidance is achieved for the combustion air, since it must flow between the outer and middle cylinder in the direction of the end ring, is deflected by the end ring 180 °, must flow back between the middle and inner cylinder and passes for further deflection in the combustion chamber of the combustion chamber, where mixes with the fuel.
Durch diese Zwangsführung werden vor allem Stirnring und der innere Zylinder luftgekühlt, wodurch diese Bauteile den hohen Brennkammertemperaturen standhalten können. Durch die Luftkühlung treten in den Edelstahlteilen nur geringe Temperaturdifferenzen auf, so daß an diesen Teilen auch nur geringe Wärmespannungen entstehen. Der Feuerfestteil und der Edelstahlteil der Brennkammer werden durch einen Brennerstein aus Feuerfestmaterial formschlüssig gehalten. Die Lagerung des Brennersteins erfolgt nach bekannten Verfahren.Through this forced guidance, especially the front ring and the inner cylinder are air-cooled, whereby these components can withstand the high combustion chamber temperatures. Due to the air cooling occur in the stainless steel parts only small temperature differences, so that even small thermal stresses occur at these parts. The refractory part and the stainless steel part of the combustion chamber are held in a form-fitting manner by a burner block of refractory material. The storage of the burner block is carried out by known methods.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch den Brenner.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. Fig. 1 shows the longitudinal section through the burner.
Die Luft strömt in das äußere Luftgehäuse 1 ein. Durch die formschlüssige Anordnung des mit dem mittleren Zylinder 3 verschweißten großen Kegelstumpfes 6 zur Luftgehäuse 1 wird die Luft gezwungen, zwischen dem äußeren Zylinder 2 und dem mittleren Zylinder 3 in Richtung Stirnring 4 zu strömen. Da der mittlere Zylinder 3 ein definiertes Maß vor dem Stirnring 4 endet, erfolgt eine Umlenkung der Luftzuführung um 180° und die Luft strömt zwischen mittlerem Zylinder 3 und innerem Zylinder 5 zurück in Richtung Luftgehäuse. Im inneren Teil des Luftgehäuses erfolgt wiederum eine Umlenkung der Luft, die nun zwischen dem kleinen Kegelstumpf 7 und Gasteil 8 in die Brennkammer 9 strömt und sich dort mit dem Brennstoff vermischt. Die heißen Verbrennungsgase verlassen durch die Brennkammerdüse 11 die Brennkammer. Durch diese Zwangsluftführung werden vor allem der innere Zylinder 5 und der Stirnring 4 gekühlt.The air flows into the outer air housing 1. Due to the positive arrangement of the welded with the middle cylinder 3 large truncated cone 6 to the air housing 1, the air is forced to flow between the outer cylinder 2 and the middle cylinder 3 in the direction of the end ring 4. Since the middle cylinder 3 ends a defined amount in front of the end ring 4, there is a deflection of the air supply by 180 ° and the air flows between the middle cylinder 3 and inner cylinder 5 back towards the air housing. In the inner part of the air housing in turn, a deflection of the air, which now flows between the small truncated cone 7 and the gas part 8 into the combustion chamber 9 and there mixed with the fuel. The hot combustion gases leave the combustion chamber through the combustion chamber nozzle 11. By this forced air flow, especially the inner cylinder 5 and the end ring 4 are cooled.
Die Brennkammer 9 mit der Länge Lges besteht aus dem vorher beschriebenen luftgekühlten Edelstahlteil der Länge L2 und dem Feuerfestteil 10 der Länge L1. Für Brennstoffe mit niedriger Verbrennungsgeschwindigkeit (z. B. Eigenerdgas mit Vverbr. = 19cm/ s) werden die Länge des keramischen Feuerfestteils L1 und die Länge des luftgekühlten Edelstahlteils L2 wie folgt gewähltThe combustion chamber 9 with the length L tot consists of the previously described air-cooled stainless steel part of length L 2 and the refractory part 10 of length L 1st For low combustion rate fuels (eg natural gas with Vverbr. = 19cm / s), the length of the refractory ceramic L 1 and the length of the air-cooled stainless steel L 2 are selected as follows
L1 = (0,4 ± 0,05) Lges L2 = (0,6 + 0,05) LgesL 1 = (0.4 ± 0.05) L tot L 2 = (0.6 + 0.05) Lges
Für Brennstoffe mit hoher Verbrennungsgeschwindigkeit (z.B. Importerdgas mit VVerbr. = 39cm/s) wird das keramische Feuerfestteil verkürzt und der luftgekühlte Teil der Brennkammer um das entsprechende Maß verlängert. Die Teillängen werden wie folgt gewählt:For fuels with a high combustion rate (eg imported gas with V Ver br. = 39cm / s), the ceramic refractory part is shortened and the air-cooled part of the combustion chamber is extended by the appropriate amount. The partial lengths are chosen as follows:
L1 = (0,28 ± 0,05) Lges L2 = (0,72 + 0,05) Lges L 1 = (0.28 ± 0.05) Lges L 2 = (0.72 + 0.05) L tot
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD86295338A DD253469A1 (en) | 1986-10-17 | 1986-10-17 | HIGH PERFORMANCE BURNING CHAMBER FOR HIGH-SPEED BURNER |
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| DD86295338A DD253469A1 (en) | 1986-10-17 | 1986-10-17 | HIGH PERFORMANCE BURNING CHAMBER FOR HIGH-SPEED BURNER |
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| Publication Number | Publication Date |
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| DD253469A1 true DD253469A1 (en) | 1988-01-20 |
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| DD86295338A DD253469A1 (en) | 1986-10-17 | 1986-10-17 | HIGH PERFORMANCE BURNING CHAMBER FOR HIGH-SPEED BURNER |
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|---|---|
| DD (1) | DD253469A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4436728A1 (en) * | 1994-10-14 | 1996-04-18 | Abb Research Ltd | Method of burning liq. or gas fuel with low harmful emission, e.g. for producing steam |
-
1986
- 1986-10-17 DD DD86295338A patent/DD253469A1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4436728A1 (en) * | 1994-10-14 | 1996-04-18 | Abb Research Ltd | Method of burning liq. or gas fuel with low harmful emission, e.g. for producing steam |
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