DD276907A1

DD276907A1 - Drallbrenner fuer gasfoermige, fluessige und feste staubfoermige brennstoffe

Info

Publication number: DD276907A1
Application number: DD27454285A
Authority: DD
Inventors: Guenter Slowik; Juergen Kohlmann
Original assignee: Leuna Werke Veb
Priority date: 1985-03-28
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1990-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drallbrenner fuer gasfoermige, fluessige und feste staubfoermige Brennstoffe, bestehend aus einer rotationssymmetrischen Drallkammer, einer oder mehreren Stoffzufuehrungseinrichtungen fuer einen oder mehrere Stoffstroeme und einem Brennermund. Erfindungsgemaess besitzt der Brenner einen koaxial zur Brennerachse angeordneten rotationssymmetrischen und von Einbauten freien Ringraum, der mit der Drallkammer durch einen rotationssymmetrischen Verbindungskanal verbunden und in Richtung des Verbindungskanals zur Drallkammer offen ist. Die Spaltbreite des Verbindungskanals nimmt in Richtung zur Brennerachse vorzugsweise ab. Bei festgelegtem Durchmesser des Ringraumes sowie der Drallkammer ist die Verbindung zwischen Ringraum und Drallkammer moeglichst kurz und dabei der Neigungswinkel des Verbindungskanals, der zwischen der Brennerachse und der Tangente an der Mittellinie des Verbindungskanals gebildet wird, 90. Der Ringraum besitzt einen oder mehrere tangentiale Stoffzufuehrungskanaele, deren Eintrittsquerschnitt mit dem Querschnitt des Ringraumes an der Zufuehrungsstelle vorzugsweise uebereinstimmt.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Dio Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur wahlweisen Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen, von zerstäubten flüssigen Bronnstoffon und von staubförmigon, durch Gase transportierten Brennstoffen, insbesondere von Kohlenstaub-Luft-Gomischon. Die Erfindung ist insbosondore geeignet, bei wechselnder Qualität des Brennstoffes und beim Betrieb der Feuerung im Toillastbotriob oino stabile Verbrennung zu gewährleisten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die verdrallte Zuführung des Brennstoffes und/oder der Sekundärluft in den Brenner oder in den Brennraum wird bei Vormischflammen und Diffusionsflammen erfolgreich zui Effektivierung des Verbrennungsprozesses genutzt. Drallbrenner werden zur Verbrennung gasförmiger, zerstäubter flüssiger und staubförmiger Brennstoffe eingesetzt. Die Effektivitätserhöhung der Verbrennung mit Hilfe von Drallbrennern wird erreicht durch die infolge der Drallströmung erzeugte Rezirkulationsströmung am Breniiermund und die damit verbundene Flammenstabilisierung, so daß insbesondere bei der Kohlenstaubverbrennung Gas- oder Ölpilotf lammen entfallen können, durch die Intensivierung der Vermischung bei Diffusionsilammen infolge höherer Turbulenz, womit eine höhere Flammentemperatur, ein höherer Ausbrand und eine verringerte Stickoxidbildung erzielt wird, sowie durch die Verkürzung der Flammenlänge bei Diffusions- und Vormischflammen und die damit r ögliche Verkleinerung der Brennräume. Die Erzeugung des Drallimpulses des Brennstoffes bzw. der Sekundärluft eifolgt bei axialer Zuführung mit Hilfe axial angeordneter Leitschaufeln, bei radialer Zuführung mit Hilfe radial angeordneter Leitschaufeln, durch ein oder mehrere tangential angeordnete Eintritte oder durch die Kombination dieser drei Möglichkeiten.

Die Nachteile der genannten technischen Lösungen zur Erzeugung eines Drallimpules des Sekundärluftstromes bzw. des Brennstoffstromes können wie folgt charakterisiert werden. Der Aufbau von Leitschaufelapparaten axialer und radialer Bauart ist vergleichsweise kompliziert, insbesondere bei Apparaten mit verstellbaren Leiischauieiii gemäß Pateni DE 2106824 und DE-AS 2933060 zur Steuerung des Drallimpulses. Zur Erzeugung eines großen Drallimpulses ist bei Leitschaufelapparaten ein großer Vordruck der Sekundärluft bzw. des Brennstoffes erforderlich. Bei der Erzeugung des Drallimpulses im Brennstoffstrom tritt bei staubförmigen Brennstoffen ein hoher Verschleiß des Leitschaufelapparates auf. Undichtheiten in Leitschaufelapparaten führen zu unsymmetrischen Stre.nungsverhältnissen. Leitschaufelapparate axialer Bauart haben eine verhältnismäßig große Baulänge. Die tangentiale Zuführung der Sekundärluft bzw. des Brennstoffes über einen Eintritt (DD-PS 212786) bzw. mehrere Eintritte in den Brenner bzw. in den Feuerraum führen zu unsymmetrischen Strömungsverhältnissen in der Flamme. Letztere führen zur Verringerung des Ausbrandes und zur Erhöhung des Schadstoffanteils im Abgas.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit einem konstruktiv einfachen Drallbrenner eine optimale Verbrennung von verschiedenartigen, je nach Wahl eingesetzten gasförmigen, flüssigen oder festen staubförmigen Brennstoffen sowohl im Voll- als auch im Teillastbereich zu erreichen, ohne daß für die unterschiedlichen Betriebssituationen am Brenner Veränderungen vorgenommen werden müssen, und Energie bei der Förderung der zu verdrallenden Luft- bzw. Brennstoffströme einzusparen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den Brenner eine verdrallte Zuführung eines Stoffstromes in eine Drallkammer zu gestalten, die einen einfachen Aufbau besitzt, ein rotationssymmetrisches Geschwindigkeitsprofil in der Drallkammer und im weiteren Strömungsverlauf hervorruft und gleichzeitig eine Anpassung an unterschiedliche Betriebssituationen ermöglicht, ohne den Brenner zu verändern. Der Brenner soll sich durch ein geringes Bauvolumen sowie geringen Material- und Fertigungsaufwand auszeichnen.

Insbesondere soll der benötigte Vordruck des mit einem Drallimpuls zu verliehenen Sekundärluft- bzw. Brennstoffstromes reduziert werden, der Drallimpuls ohne Eingriff in die Vorrichtung unabhängig vom Volumenstrom steuerbar sein, um eine optimale Verbrennung verschiedenartiger Brennstoffe auch in Teillastbereichen zu erzielen, und eine rotationssymmetrische Strömung in allen Lastbereichen des Brenners erzeugt werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Drallbrenner für gasförmige, flüssige und feste staubförmige Brennstoffe, umfassend eine rotationssymmetrische Drallkammer, die aus einem Mantel, einem Austritt und gegebenenfalls einer Stirnwand besteht, eine oder mehrere Stoffzuführungseinrichtungen für einen oder mehrere Stoffströme, worunter die Brennstoff- bzw. Luftströme zu verstehen sind, und einen Brennermund, wobei bei Zuführung nur eines Stoffstromes diese verdrallt erfolgt, und bei mehreren Stoffströmen für einen Stoffstrom eine axiale Zuführung oder eine koaxiale Ringspaltzuführung und für mindestens einen anderen Stoffsttom, der verdrallt sein muß, eine weitere Zuführung in die Drallkammer vorhanden ist, und der Brenner erfindungsgemäß einen koaxial zur Brennerachse angeordneten rotationssymmetrischen und von Einbauten freien Ringraum mit einem im Vergleich zur Drallkammer größeren Durchmesser und beliebigem Querschnitt, betrachtet bei einem Brennerlängsschnitt, besitzt, der mit der Drdllkammer durch einen rotationssymmetrischen Verbindungskanal verbunden ist, wobei die eine Wand des Verbindungskanals durch die Verbindung dos Ringraumes mit dem Mantel der Drallkammer und die andere Wand das Verbindungskanals durch die Verbindung des Ringraumes mit der axialen Zuführungsöffnung bzw. der Stirnwand dor Drallkammer gebildet wird, und der Ringraum in Richtung des Verbindungskanals zur Drallkammer offen ist, dabei dio Spaltbreite des Vorbindungskanals vom Ringraum zur Drallkammer, d. h. die kürzeste Entfernung zwischen den Wänden dos Verbindungskanals, gomosson im Bronnorlängsschnitt, in Richtung zur Brannerachse vorzugsweise abnimmt, woitorhin boi fostgologton Durchmossern dos Ringraumes sowie der Drollkammor die Verbindung zwischen Ringraum und Drallkammor möglichst kurz ist, claboi dor Neigungswinkel dos Vorbindiingskanals, der zwischon der Brennerachso und der Tangonto an dor Miltollinio dos Vorbindungskanals gobildot wird, < 90" ist und schließlich der Ringraum einen oder mehrere tanyontialo Stoffzuführiingskanälo bositzt, doren Eintrittsquorschnitt mit dem Querschnitt des Ringraumes, betrachtet im ßronnorlängsschnitt, an der Zuführungsstollo vorzugswoiso übereinstimmon.

Boi vorteilhafter Gestaltung dos Drallbronnors vorlaufen dio Wändo dos Vorbindungskanals so, daß deren Abbildung im Bronnorlängsschnitt ontwodor als gorado odor als zur Bronnorachso hin gekrümmto Linien orfolgt. Dio gogobenonfalls vorhondono Stirnwand der Drallkammor ist vorzugsweise so gostaltet, daß deren Abbildung im Bronnorlängsschnitt ontwodor als gorado odor gokrümmto Linio orfolgt, dio betrachtet vom Brennermund mit zunehmendem Radius anstoigt.

Vorteilhafterweise beträgt der Radius des Ringraumes mindestens das 1,2fache des Drallkammerradius und die größte Spaltbreite des Verbindungskanals mindestens das 1,2fache der kleinsten Spaltbreite des Verbindungskanals. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Drallbrenners kann erreicht werden, daß die Verbrennung in einem großen Betriebsbereich der Feuerungsanlage optimal verläuft und damit eine hohe Brennstoffausbeute bei geringem Schadstoffanfall erzielt wird. Da mit der erfindungsgemäßen Lösung der Drallerzeugung nur ein geringer Vordruck der Luft bzw. des Brennstoffes erforderlich ist, können insbesondere in den Dampferzeugunganlagen von Kraftwerken erhebliche Energiemengen für die Förderung der Luft- bzw. Brennstoffströme eingespart werden.

Ausführungsbeispiele

Der Drallbrenner wird in nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren 1, 2,3,4 und 5 erläutert. Es wird dargestellt:

Fig. 1: schematischer Längsschnitt durch einen Drallbrenner für Kohlenstaub bei radialer Zuführung der Sekundärluft in die Drallkammer gemäß Ausführungsbeispiel 1

Fig. 2: Ansicht nach Pfeil A in Fig. 1

Fig.3: schematischer Längsschnitt durch einen Drallbrenner für Kohlenstaub bei primärer axialer Zuführung des Kohlenstaub-Luft-Gemisches sowie axialer Zuführung der Sekundärluft in die Drallkammer nach Ausführungsbeispiel 2

Fig.4: schematischer Längsschnitt durch einen Drallbrenner für eine Vormischflamme für Gase gemäß dem Ausführungsbeispiel 3

Fig. 5: Ansicht nach Pfeil B in Fig.4.

Beispiel 1

Kohlenstaubbrenner mit radialer Zuführung der Sekundärluft gemäß Fig. 1 und 2:

Der Drallbrenner hat zwei tangentiale Zuführungskanäle 1 gemäß Fig. 2 rechteckigen Querschnitts zur Zuführung den Sekundärluft. Die Zuführungskanäle 1 münden in den rotationssymmetrischen Ringraum 2, der an der Zuführungsstelle der gleichen Querschnitt wie die Zuführungskanäle 1 hat. Der Ringraum 2 ist mit der Drallkammer 3 über einen rotationssymmetrisch und konzentrisch zur Drallkammer 3 angeordneten Verbindungskanal 4 verbunden. Der Verbindungskanal 4 ist senkrecht zur Brennerachse angeordnet. Der axiale Zuführungskanal 5 für das Kohlenstaub-Luft-Gemisch ist koaxial zur Drallkammer 3 angeordnet und mündet gemeinsam mit dem Verbindungskanal 4 in die Drallkammer 3.

Die Drallkammer 3 ist über den Brennermund 6, der als Diffusor ausgebildet ist, mit dem Brennraum 7 verbunden. Durch die Zuführung der Sekundärluft über die tangentialen Zuführungskanäle 1 in den Ringraum 2 bei erfindungsgemäß größerem Durchmesser als der der Drallkammer 3 und bei größerem Querschnitt als der Austrittsquerschnitt des Verbindungskanals 4 erfolgt die Erzeugung des Drallimpulses der Sekundärluft mit geringem Energieverlust. Im Verbindungskanal 4 bildet sich eine Wirbelsenkenströmung aus, die infolge der Verringerung des Strömungsquerschnittes im Verbindungskanal 4 bedingt durch die Verringerung des Radius und des Abstandes der Wände des Verbindungskanals 4 in Richtung Drallkammer 3 zu der erforderlichen Erhöhung des Drallimpulses der Sekundärluft führt.

Infolge der Beschleunigung des Sekundärluftstromes im Verbindungskanal 4 bildet sich bis zum Eintritt der Sekundärluft in die Drallkammer 3 ein rotationssymmetrisches Geschwindigkeitsprofil aus. In der Drallkammer 3 erfolgt eine partielle Vermischung der radial zugeführten Sekundärluft und des axial über den axialen Zuführungskanal 5 zugeführten Kohlenstaub-Luft-Gemisches und eine teilweise Übertragung des Drallimpulses der Sekundärluft auf das Kohlenstaub-Luft-Gemisch.

Infolge des hohen Drallimpulses der Sekundärluft entsteht nach dem Austritt der teilweise vermischten Stoffströme aus dem Brennermund im Kern der Strömung ein Rezirkulationsgebiet, daß zu einer stabilen Verbrennung des Kohlenstaubes führt.

Durch die unterschiedliche Beaufschlagung der tangentialen Zuführungkanäle 1 mit Sekundärluft kann ohne Änderung des Gesamtvolumenstromes an Sekundärluft und ohne Eingriff in den Brenner die Stärke des Drallimpulses des Sekundärluftstromes gesteuert werden, so daß eine stabile Verbrennung in Teillastbereichen gesichert wird und die Anpassung des Brenners an unterschiedliche Brennstoffqualitäten vorgenommen werden kann. Der Vorteil des Drallbrenners mit radialer Zuführung der Sekundärluft ist seine geringe Baulänge.

Beispiel 2

Kohlenstaubbrenner mit primärer axialer Zuführung des Kohlenstaub-Luft-Gemisches sowie axialer Zuführung der Sekundärluft gemäß Fig.3:

Die Anordnung der beiden tangentialen Zuführungskanäle 1 (wie in Fig. 2) und des Ringraumes 2 für den Drallbrenner mit axialer Sekundärluftführung ist wie im Beispiel 1 ausgeführt. Der Verbindungskanal 4, der den Ringraum 2 mit der Drallkammer 3 vorbindet, ist unter einem Winkel α < 90" zur Brennerachse geneigt. Der Verbindungskanal 4 ist dabei so gestaltet, daß er am Eintritt in die Drallkammer 3 parallel zur Brennerachse verläuft. Der weitere Aufbau cl'js Bronners ist analog dem Beispiel 1. Abweichend vom Boispiol 1 erfolgt die Umlenkung dos Sekundärluftstromos in axiale Richtung schon im Verbindungskanal, so daß dor Enorgioverlust für dio Umlonkung im Vorgloich zum Beispiel 1 reduziert wird.

Beispiel 3

Drallbrenner für Vormischflammen für Gase gemäß Fig.4 und Fig. 5:

Der Drallbrenner hat zwei tang jntiale Zuführungen 8 für die Verbrennungsluft und zwei tangentiale Zuführungen 9 für den gasförmigen Brennstoff. Die Anordnung der tangentialen Zuführungen 8 und 9 ist versetzt entsprechend Figur 5.

Die Zuführungskanäle müssen in den rotationssymmetrischen Ringraum 2, der an der Zuführungsstelle den gleichen rechteckigen Querschnitt wie die vier Zuführungskanäle hat, tangential ein. Der Ringraum 2 ist mit der Drallkammer 3 über einen rotationssymmetrischen und konzentrisch zur Drallkammer 3 angeordneten Verbindungskanal 4 verbunden.

Die äußere Wand des Verbindungskanals 4 ist so ausgeführt, daß sie im Längsschnitt als gekrümmte Linie erscheint und ohne Knick in die Drallkammer 3 und den Ringraum 2 übergeht. Die innere Wand des Verbindungskanals 4 verläuft unter einem Winkel β < 90° bis zur Brennerachse und begrenzt die Drallkammer 3 an der Stirnseite. Die Drallkammer 3 mündet direkt in den Brennraum?.

Die Erzeugung des Drallimpulses der Verbrennungsluft und des gasförmigen Brennstoffes erfolgt nach dem gleichon Wirkprinzip wie im Beispiel 1.

Durch die Zuführung von Brennstoff und Verbrennungsluft in den Ringraum 2 erfolgt im Verbindungskanal 4 und in der Drallkammer 3 eine intensive Vermischung von Luft und Brennstoff. Durch die strömungstechnisch günstige Auslegung der äußeren Wand des Verbindungskanals 4 wird der Druckverlust des Brenners reduziert. Dadurch, daß die äußere Wand des VerbindungskanaU' 4 bis zur Brennerachse verlängert wird, treten keine Rezirkulationsgebiete im Brenner auf, wodurch die Gefahr eines Flammenrückschlags reduziert wird. Durch die unterschiedliche Beaufschlagung der beiden tangentialen Zuführungskanäle 8 für die Verbrennungsluft und der tangentialen Zuführungskanäle 9 für den Brennstott kann ohne Änderung der Gesamtstoffströme an Luft und Brennstoff und ohne Eingriff in den Brenner der Drallimpuls des Luft-Brennstoff-Gemisches verändert werden.

Damit ist es möglich, im Teillastbereich mit gleicher Flammenlänge wie im Auslegungsfall zu arbeiten, die Flammenlänge unabhängig vom Durchsatz zu variieren und den Brenner mit unterschiedlichen Brennstoffen zu betreiben.

Claims

1. Drallbrenner für gasförmige, flüssige und feste staubförmige Brennstoffe, umfassend eine rotationssymmetrische Drallkammer, die aus einem Mantel, einem Austritt und gegebenenfalls einer Stirnwand besteht, eine oder mehrere Stoffzuführungseinrichtungen für einen oder mehrere Stoffströme, worunter die Brennstoff- bzw. Luftströme zu verstehen sind, und einen Brennermund, wobei bei Zuführung nur eines Stoffstromes diese verdrallt erfolgt, und bei Zuführung mehrerer Stoffströme für einen Stoffstrom eine axiale Zuführung oder eine koaxiale Ringspaltzuführung und für mindestens einen anderen Stoffstrom, der verdrallt sein muß, eine weitere Zuführung in die Drallkammer vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner einen koaxial zur Brennerachse angeordneten rotationssymmetrischen und von Einbauten freien Ringraum mit einem im Vergleich zur Dralikarnrner größeren Durchmesser und beliebigem Querschniü, betrachtet bei einem Brennerlängsschnitt, besitzt, der mit der Drallkammer durch einen rotationssymmetrischen Verbindungskanal verbunden ist, wobei die eine Wand des Verbindungskanals durch die Verbindung des Ringraumes mit dem Mantel der Drallkammer und die andere Wand des Verbindungskanals durch die Verbindung des Ringraumes mit der axialen Zuführungsöffnung bzw. der Stirnwand der Drallkammer gebildet wird, und der Ringraum in Richtung des Verbindungskanals zur Drallkammer offen ist, dabei die Spaltbreite des Verbindungskanals vom Ringraum zur Drallkammer, d. h. die kürzeste Entfernung zwischen den Wänden des Verbindungskanals, gemessen im Brennerlängsschnitt, in Richtung zur Brennerachse vorzugsweise abnimmt, weiterhin bei festgelegten Durchmessern des Ringraumes sowie der Drallkammer die Verbindung zwischen Ringraum und Drallkammer möglichst kurz ist, dabei der Neigungswinkel des Verbindungskanals, der zwischen der Brennerachse und der Tangente an der Mittellinie des Verbindungskanals gebildet wild, < 90° ist und schließlich der Ringraum einen oder mehrere tangentiale Stoffzuführungskanäle besitzt, deren Eintrittsquerschnitt mit dem Querschnitt des Ringraumes, betrachtet im Brennerlängsschnitt, an derZuführungssteüe vorzugsweise übereinstimmt.

2. Drallbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Verbindungskanals so verlaufen, daß deren Abbildung im Brennerlängsschnitt als gerade Linien erfolgt.

3. Drallbrenne' lach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Verbindungskanals so verlaufen, dbii deren Abbildung im Brennerlängsschnitt als zur Brennerachse hin gekrümmte Linien erfolgt.

4. Drallbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenenfalls vorhandene Stirnwand der Drallkammer so gestaltet ist, daß deren Abbildung im Brennerlängssohnitt als gerade Linie erfolgt, die, betrachtet vom Brennermund, mit zunehmendem Radius ansteigt.

5. Drallbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenenfalls vorhandene Stirnwand der Drallkammer so gestaltet ist, daß deren Abbildung im Brennerlängsschnitt als gekrümmte Linie erfolgt, die, betrachtet vom Brennermund, mit zunehmendem Radius ansteigt.

6. Drallbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Ringraumes mindestens das 1,2fache des Drallkammerradius beträgt.

7. Drallbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Spaltbreite des Verbindungskanals mindestens das 1,2fache der kleinsten Spaltbreite des Verbindungskanals beträgt.