DE19618058A1 - Brenner - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäß Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus der Sicht der Brennerentwicklung betrachtet, ist die luftunterstützte Brennstoffzerstäubung das Verfahren, das mit dem geringsten Aufwand realisiert werden kann. Aufgrund sei­ ner Unempfindlichkeit gegen geometrische Veränderungen an den brennraumseitigen Düsenteilen ist eine vergleichsweise hohe Zuverlässigkeit unter Maschinenbedingungen gegeben. Aufgrund der hohen Brennstoffkonzentrationen in der Rückstromzone die­ ses Brenners ergeben sich indessen relativ hohe NOx-Emissio­ nen. Hauptsächlich Kosten- und Wirkungsgradgründe sowie der Wunsch nach einem einfachen System ohne Zerstäubungsluftkom­ pressor erfordern dagegen ein alternatives Konzept für die Öleindüsung. Hier bietet sich als Alternative die Druckzer­ stäubung an, welche sich vom Platz her für den Einbau eignet. Eine wesentliche Frage in diesem Zusammenhang betrifft sicher den optimalen Sprühwinkel und den optimalen Öldruck im gan­ zen Betriebsbereich zwischen Zündung bei atmosphärischem Druck und Vollast bei maximalem Brennkammerdruck, der zwi­ schenzeitlich stets größer 15 bar beträgt. Ein solcherart betriebener Brenner kann nur gasförmige Brennstoffe schad­ stoffarm verbrennen, flüssige Brennstoffe lassen sich mit einem solchen Brenner nur in einer gewöhnlichen Diffusions­ flamme verbrennen, weshalb hier die Stickoxid-Emissionen durch Wassereinspritzung abgesenkt werden müssen.

Ein wesentliches Problem bei diesem Brenner besteht darin, daß beim Übergang auf hohem Druck ein unterschiedliches Ausbreitungs- und Verdampfungsverhalten des Sprays sowie eine unterschiedliche Zerstäubungsgüte entstehen, welche die NOx- Emissionen anschwellen lassen. Das Gleiche ist auch in den transienten Bereichen festzustellen.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vor­ kehrungen vorzuschlagen, welche den Wirkungsgrad der Verbren­ nung zu maximieren, gleichzeitig die NOX-Emissionen zu mini­ mieren vermögen.

Erfindungsgemäß wird der Brenner dergestalt erweitert, daß konzentrisch zu einer zentralen Hauptbrennstofflanze eine An­ zahl einzelner, in sich abgeschlossener Mischelemente ange­ ordnet sind, wobei jedes Mischelement die Eigenschaften einer Pilotstufe zeigt, soweit die Luftzahl entsprechend gewählt ist. Ein kleiner Teil der Hauptverbrennungsluft wird vom Hauptluftstrom abgezweigt und strömt in die besagten Misch­ elemente, wobei hier im Normalfall 2-10% Verbrennungsluft ausreichend sind. Zu jedem Mischelement gehört eine Brenn­ stoffeindüsung, wobei das hierin gebildete Luft/Brennstoff- Gemisch im Bereich der Ebene der Hauptbrennstoffdüse in den Brennraum der Brennkammer eingedüst wird, so daß diese Misch­ elemente überdies als Vormischbrenner funktionieren. Bei einer Überlastung der Verbrennungsluftzufuhr durch die Mi­ schelemente fördern diese praktisch nur Brennstoff, wie dies bei der zentralen Hauptbrennstoffdüse der Fall ist. Dies ist insbesondere bei Leerlauf und Lastabwurf von Vorteil, als keine getrennte Brennstoffzuführung zur Maschine mehr notwen­ dig ist, wobei die NOx-Emissionen immer noch niedrig bleiben und die Flammenstabilität gestärkt hervorgeht. Somit vermag eine solche Erweiterung mit den erfindungsgemäßen Mischele­ menten den reinen Diffusionsbrenner qualitativ zu verbessern, insbesondere was die aufgeschlüsselten Nachteile betrifft.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel­ bare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Bezeichnung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt die Endstrecke eines Diffusionsbren­ ners im Bereich des Brennraumes, mit einer Anzahl gegenüber einer zentralen Hauptbrennstofflanze konzentrisch angeordne­ ter Mischelementen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Die Figur zeigt einen Brenner 1, der schwergewichtig auf Dif­ fusionsverbrennung eines flüssigen Brennstoffes ausgelegt ist. Was seine Konfiguration betrifft, so kann er als Rohr­ brenner ausgelegt sein, wie dies die Figur zeigt, oder aber auch im Verbund innerhalb einer Ringbrennkammer stehen. Der hier als Rohrbrenner gezeigte Ausführung betrifft lediglich die Endstrecke desselben zum Brennraum. Die Gesamtlänge des Brenners 1 richtet sich nach den jeweiligen thermodynamischen und sonstigen Verhältnissen der Anlage. Dieser Brenner 1 be­ steht aus einem Außenring 2, dessen ringförmige Luftkanal 3 bis in den Endbereich des Brenners 1 reicht, genau bis zu der Stelle, wo eine Anzahl Drallerzeuger 4 angeordnet sind. Diese erfassen den ganzen ringförmigen Querschnitt des Luftkanals 4 und bewirken eine Verdrallung der Luftströmung, wobei inner­ halb dieses Verdrallungsbereiches der Durchströmungsquer­ schnitt vorzugsweise bis zum Beginn einer Venturistrecke kon­ tinuierlich abnimmt. Stromab der Drallerzeuger 4 kann der ringförmige Durchflußquerschnitt dann bis zum Ende des Bren­ ners 1 vorzugsweise als Venturidüse ausgebildet werden. Eine zentrale Hauptbrennstofflanze 5 bildet den Mittelkörper des Brenners 1. Diese Brennstofflanze kann, was die Zuführung des Brennstoffes betrifft, mannigfaltig ausgelegt sein, wobei ohne weiteres möglich ist, den Brennstoff innerhalb der Hauptbrennstofflanze 5 vorgängig mit einem anderen Medium zu vermischen. Hier ist die Hauptbrennstofflanze 5 lediglich mit einem Hauptbrennstoffkanal 7 und einem Nebenbrennstoffkanal 8 ausgebildet, wobei auf den letztgenannten weiter unten noch näher eingegangen wird. Durch den Hauptbrennstoffkanal 7 strömt ein flüssiger Brennstoff 13, der im Brennraum 16 in Interdependenz mit der durch die Drallerzeuger 4 induzierten verdrallten Hauptverbrennungsluft 12 eine Diffusionsverbren­ nung auslöst, wobei der Hauptbrennstoffkanal 7 endseitig mit einer Hauptbrennstoffdüse 9 ausgerüstet ist, welche einen be­ triebsspezifischen Sprühwinkel 14 erbringt. Konzentrisch zur zentralen Hauptbrennstofflanze 5 auf einem Teilkreisdurchmes­ ser 18 verteilt, ist eine Anzahl Mischelemente 6 angeordnet, welche aus einem Gemischkanal 10 bestehen, wobei diese Misch­ elemente 6 mit einem Nebenverbrennungsluftstrom 12a durch­ strömt werden, dessen Anteil in der Regel 2-10% der gesamten zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft ausmacht. Jedes Mischelement 6 weist an geeigneter Stelle mindestens einen Überleitungskanal 17 zur Einleitung einer Nebenbrennstoff­ menge 13a von einem zum Hauptbrennstoffkanal 7 konzentrisch angeordneten Nebenbrennstoffkanal 8. Bei geeigneter Ausbildung sowohl des Mischelementes 6, dessen Lufteintrittsgeometrie als auch der Brennstoffeindüsung können hier an sich sowohl flüssige als auch gasförmige Brennstoffe zum Einsatz gelan­ gen. Wird die zentrale Hauptbrennstofflanze 5 mit einem flüs­ sigen Brennstoff betrieben, so werden die Mischelemente vor­ zugsweise auch mit demselben Brennstoff betrieben, was für die Logistik Vorteile bietet. Die Größen der Lufteintritts­ geometrie und der Brennstoffeindüsung in das Mischelement 6 werden so ausgelegt, daß die volle Verbrennungsluft- resp. Brennstoffmenge, die für einen gestützten Betrieb über den ganzen Lastbereich notwendig sind, in die Mischelemente 6 eingebracht werden können. Bei Vollast werden die Brennstoff­ mengen zwischen der zentralen Hauptbrennstofflanze 6 und dem Mischelement 6 etwa proportional zur entsprechenden Luftver­ teilung gewählt. Der brennraumseitige Ausgang des im Misch­ element 6 gebildeten Gemisches 15 wird von einer Düse 11 übernommen, welche sich in etwa in der Ebene der Düse 9 der zentralen Hauptbrennstofflanze 5 befindet.

Grundsätzlich zeigt das Mischelement 6 die gleichen Eigen­ schaften einer Pilotstufe, solange die Luftzahl entsprechend gewählt ist. Bei Überlastung hinsichtlich der Verbrennungs­ luftmenge fördert das Mischelement 6 praktisch nur Brenn­ stoff, wie dies bei der zentralen Hauptbrennstofflanze 5 auch der Fall ist. Dies ist insofern von besonderer Bedeutung, als mithin die Anforderungsprofile hinsichtlich minimierter NOx- Emissionen der Stützflamme im hohen Lastbereich der Brennkam­ mer sowie des extrem hohen Stabilitätsbereichs der Stütz­ flamme bei Leerlauf und Lastabwurf erfüllt werden, ohne daß getrennte Brennstoffzuführungen zur Brennkammer 30 notwendig sind.

Vorzugsweise wird daher mit fallender Last nur die Brenn­ stoffmenge über die zentrale Hauptbrennstofflanze 5 redu­ ziert, wobei eine mäßige Erhöhung der Brennstoffmenge über die Mischelemente 6, innerhalb einer bestimmten Grenze hin­ sichtlich der NOx-Emissionen, zulässig ist, dergestalt, daß bei dieser Konfiguration eine Erhöhung der Zündwirkung ausge­ löst wird.

Findet über die zentrale Hauptbrennstoffdüse 9 eine aufgrund der Brennluftzahl ungenügende Verbrennung statt, d. h. wird hier unverbrannter Brennstoff emittiert, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem dieser Brennstoff mehr und mehr nur über die Mischelemente 6 zugeführt wird. Da die Luftzahl bei einer solchen Konstellation innerhalb der Misch­ elemente 6 sehr schnell sehr kleine Werte annimmt («1) an­ nimmt, und die Luftströmung durch die Gemischkanäle 19 in­ folge der großen Brennstoffmenge teilweise blockiert wird, unterscheidet sich diese Betriebsart der Pilotstufen dann nicht wesentlich von derjenigen der zentralen Hauptbrenn­ stofflanze 5.

Bezugszeichenliste

1 Brenner
2 Außenring
3 Ringförmiger Luftkanal
4 Drallerzeuger
5 Zentrale Hauptbrennstofflanze
6 Mischelement
7 Hauptbrennstoffkanal
8 Nebenbrennstoffkanal
9 Hauptbrennstoffdüse
10 Gemischkanal
11 Gemischdüse
12 Hauptverbrennungsluftstrom
12a Nebenverbrennungsluftstrom
13 Hauptbrennstoff
13a Nebenbrennstoff
14 Sprühwinkel
15 Gemisch
16 Brennraum
17 Überleitungskanal
18 Teilkreisdurchmesser der Mischelemente 6

Claims (7)

1. Brenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen beste­ hend aus einem Durchflußkanal zur Führung eines Ver­ brennungsluftstromes, aus mindestens einer Hauptbrenn­ stofflanze, und aus einer Anzahl von ringförmig um die Hauptbrennstofflanze angeordneten Drallerzeugern, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Drallerzeugern (4), ringförmig um die Hauptbrennstofflanze (5) angeord­ net, eine Anzahl mit jeweils mindestens einem Gemischka­ nal (10) ausgebildeter Mischelemente (6) vorhanden sind, welche mit einem Brennstoff (13a) und mit einer Verbren­ nungsluftteilmenge (12a) gespeist sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkanal (3) für den Verbrennungsluftstrom (12) stromab der Drallerzeuger (6) bis zum Ende des Brenners (1) eine Venturidüse bildet.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischelemente (6) als Pilotstufen betreibbar sind.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennstofflanze (5) als Diffusionsstufe be­ treibbar ist.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennstofflanze (5) mit einer Düse (9) ausge­ bildet ist, welche eine Druckzerstäubung des dort durch­ strömenden Brennstoffes (13) induziert.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Mischelemente (6) strömende Verbrennungs­ luftteilmenge (12a) 2-10% des gesamten Verbrennungsluft­ stromes (12) ausmacht.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennstofflanze (5) gegenüber dem Durchflußka­ nal (3) zentral angeordnet ist.