DE19738233A1 - Mischeinrichtung für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe mit zumindest einer Leitung (1) für den Brennstoff, welche in eine Brennstoffzerstäubungseinrichtung, insbesondere Düse (2) mündet, die in eine in einem Brennraum (3) angeordnete Mischkammer (4) entleert, welche zumindest eine Öffnung (5) aufweist, durch die Verbrennungsgase aus dem Brennraum (3) in die Mischkammer (4) eingebracht werden, einer Verbrennungsluft-/Oxidatorzuführungsleitung (6) mit einstellbarem Durchflußregler (15) zur Dosierung der Verbrennungsluft/des Oxidators in der ersten Verbrennungsstufe und der Ausbrandluft (17), einer Luftzuführungsleitung (6), welche in eine Luftdüse/-blende oder Stauscheibe (22) mündet und in der optional Drallkörper (13) angeordnet sind, die den Luft-/Oxidatorstrom in tangentiale/radiale Richtung ablenken.

Bei der Mischeinrichtung wird die Verbrennungsluft/der Oxidator durch das Luftleitrohr (6), das koaxial zur Brennstofflanze (1) angeordnet ist und diese umschließt, der Luftdüse zugeführt. Mittels eines Drallerzeugers (13), der innerhalb des Luftleitrohres angeordnet ist, wird die Verbrennungsluft/der Oxidator mit Drall beaufschlagt. Die Vermischung und Zündung des aus der Brennstoffdüse/-blende austretenden Brennstoffs und der Primär- Verbrennungsluft geschieht stromab der Luftdüse/-blende. Die Flamme wird entlang der Mischkammerwand geführt und innerhalb der Mischkammer stabilisiert.

Die Mischeinrichtung ist konzipiert nach dem Prinzip der Luftstufung. Problematisch bei der Luftstufung ist jedoch oft die Zumischung der Sekundärluft, da diese aufgrund des Transportes zum Eindüsungsort den Problemen der starken Aufheizung der Verbrennungsluft und der Überwindung eines hohen strömungstechnischen Widerstandes ausgesetzt ist. Hinzu kommt die Schwierigkeit, die Sekundärluft sehr homogen und sehr schnell mit den Verbrennungsprodukten der ersten Stufe zu vermischen, da Inhomogenitäten bei der Durchmischung von Sekundärluft und Verbrennungsprodukten der ersten Stufe zur Ausbildung von "hot-Spots" und demzufolge zu einem Anstieg der thermisch gebildeten Stickoxide führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mischeinrichtung zu schaffen, bei welcher die Zuführung von Verbrennungsluft/Oxidator gezielt zur Senkung des Temperaturniveaus in der Flamme und der Vermeidung von Temperaturspitzen eingesetzt wird. Ziel ist die deutliche Reduzierung thermisch gebildeter Stickoxide bei gleichzeitiger Verwendung der Luftstufungstechnologie, welche zur Reduzierung der aus Brennstoff- Stickstoffverbindungen herrührenden Stickoxidemission herangezogen wird.

Im Gegensatz zu bekannten Technologien, bei denen ein oder mehrere Luftvolumenströme separat der Flamme zugegeben werden, jedoch keine voneinander getrennten Verbrennungszonen existieren, existiert bei der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung eine klar abgegrenzte erste Verbrennungsstufe, gebildet aus dem definiertem Volumen der Mischkammer (4). Erst am Austritt der Mischkammer kommt es zur Zuführung der Tertiärluft (8), welche aufgrund der stark abweichenden Strömungsrichtung zur schnellen und homogenen Durchmischung mit den Verbrennungsprodukten der ersten Stufe führt.

Führt man bei der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung die Ausbrandluftverteilerkammer (18) so aus, daß diese die Mischkammer (4) nicht vollständig überdeckt, so kann über die freie Fläche Wärme aus der ersten Stufe der Verbrennung an die Umgebung (Brennraum) abgegeben werden, wodurch die Verbrennungstemperatur in der Flamme gesenkt wird.

Ist die Mischkammer (4) so ausgeführt, daß vor der Zuführung der Tertiärluft (8) eine konische Einschnürung (9) existiert, kann dadurch der Mischungsbereich verkleinert werden, so daß eine sehr homogene Durchmischung der Volumenströme erreicht wird.

Ist weiter die Mischkammer (4) so ausgeführt, daß am Ende eine Aufweitung (11) vorhanden ist und wird zusätzlich der Sekundärluftvolumenstrom (7) radial nach außen abgelenkt, so kommt es zur Ausbildung einer großvolumigen Ausbrandzone, verbunden mit einer sehr geringen Energiedichte, was zur Reduzierung der Flammentemperatur in der Ausbrandstufe und damit der thermisch gebildeten Stickoxide führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung 1 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Fig. 1 Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Mischeinrichtung.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Mischeinrichtung, wird der zur Verbrennung eingesetzte Brennstoff über die Druckleitung (1) zur Düse (2) transportiert und dort fein zerstäubt. Zusammen mit dem Primärluftvolumenstrom, der durch das Zuführungsrohr (6) gefördert, mittels eines Drallkörpers (13) mit einem Tangentialimpuls versehen wird und durch die Luftdüse (22) in die Mischkammer (4) eintritt, wird der Brennstoff vermischt und innerhalb der Mischkammer (4) gezündet. Innerhalb der Mischkammer (4) erfolgt die Flammenstabilisierung, wobei die aus der Brennkammer (3) rezirkulierenden Verbrennungsgase über die Öffnung (5) in die Mischkammer (4) gefördert werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies durch die Einsaugung der Verbrennungsgase aufgrund des Unterdruckgebietes am Rande des eintretenden Freistrahls (Primärluft). Die Menge der rezirkulierenden Verbrennungsgase wird bestimmt durch die Größe der Fläche (5), die wiederum durch die axiale Stellung der Mischkammer (4) eingestellt wird.

Die zum Ausbrand notwendige Verbrennungsluft V_L,A (17) wird zunächst über die Durchflußregelung (15), gebildet aus zwei gegeneinander verschiebbaren Lochkränzen, eingestellt und durch Rohre (19) in die Ausbrandluftverteilerkammer (18) geleitet.

Diese Zugabe der zur Verbrennung notwendigen Ausbrandluft geschieht bei der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung am Austritt der Verbrennungsgase aus der Mischkammer. Während bei dem konventionellen Luftstufungs-Konzept die Ausbrandluft durch den Volumenstrom der Sekundärluft definiert wird, stellt bei der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung die Ausbrandluft (17) die Summe aus Sekundärluft (7) und Tertiärluft (8) dar.

Die erfindungsgemäße Luftführung der Sekundär- und Tertiärluft wird nachfolgend erläutert. Stromab der konischen Einschnürung (9) der Mischkammer (4) wird der Tertiärluft­ volumenstrom (8) im engsten Querschnitt durch einen Ringspalt (10) radial zur Strömungsrichtung (a) zugeführt. Die Menge des Tertiärluftvolumenstroms (8) wird dabei bestimmt durch die Größe des Ringspaltes (10), der durch gegenseitige Verschiebung des Bauteiles (20) und der Mischkammer (4) festgelegt wird.

Die Höhe des Sekundärluftvolumenstromes (7) wird festgelegt über die korrespondierende Fläche im Austrittsquerschnitt (21) zwischen dem Bauteil (20) und der Ausbrandluft­ verteilerkammer (18), welche ebenfalls als Ringspalt ausgeführt ist, um eine homogene Vermischung in der Ausbrandstufe zu ermöglichen. Um den Impuls der Sekundärluft zwecks optimaler Vermischung einstellen zu können, kann durch axiale Verschiebung der Ausbrandluftverteilerkammer (18) der Ringspalt (21) in seiner Größe verändert werden.

Claims (10)

1. Mischeinrichtung für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe mit zumindest einer Leitung (1) für den Brennstoff, welche in eine Brennstoffzerstäubungseinrichtung, insbesondere Düse (2) mündet, die in eine in einem Brennraum (3) angeordnete Mischkammer (4) entleert, welche zumindest eine Öffnung (5) aufweist, durch die Verbrennungsgase aus dem Brennraum (3) in die Mischkammer (4) eingebracht werden, einer Verbrennungsluft-/Oxidatorzuführungsleitung (6) mit einstellbarem Durchflußregler (15) zur Dosierung der Verbrennungsluft/des Oxidators in der ersten Verbrennungsstufe (16) und der Ausbrandluft (17), einer Luftzuführungsleitung (6), welche in eine Luftdüse/-blende oder Stauscheibe (22) mündet und in der optional Drallkörper (13) angeordnet sind, die den Luft- /Oxidatorstrom in tangentiale/radiale Richtung ablenken, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der zum vollständigen Ausbrand notwendigen Verbrennungsluft/Oxidator, aufgeteilt in die Teil-Volumenströme der Sekundärluft (7) und Tertiärluft (8), zu einer deutlichen Reduzierung des Flammentemperaturniveaus in der Ausbrandstufe führt und der jeweilige Ort der Zugabe der Sekundär- (7) und Tertiärluft (8) räumlich voneinander und von der ersten Verbrennungsstufe getrennt ist.

2. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) nach einer vorzugsweise konisch verlaufenden Einschnürung (9) mindestens eine weitere Öffnung (10) aufweist, deren Größe optional einstellbar ist und durch welche der Tertiärluft- Volumenstrom (8) in die Mischkammer (4) eintritt.

3. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) stromab der Öffnung (10) eine vorzugsweise aufgeweitete Form (11) besitzt, die in der Öffnung (12) mündet.

4. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Ausbrandluft (17) in die Ausbrandluftverteilerkammer (18) mit einer oder mehreren Luftzuführungen, insbesondere Rohren (19) gebildet ist, um möglichst viel Strahlungswärme über die Mischkammer (4) an die umgebenden Bauteile (Brennraum) abzugeben und somit das Temperaturniveau in der Mischkammer (4) zu senken.

5. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) in Strömungsrichtung (a) verschiebbar ist, so daß die Öffnung (5), die sich zwischen der Brennkammer (3) und der Mischkammer (4) einstellt, in der Größe eingestellt werden kann.

6. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (19) direkt als Luftzuführung der Sekundär- (7) und Tertiärluft (8) dienen und auf die Ausbrandluft­ verteilerkammer (18) verzichtet werden kann.

7. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stromab liegende Ende der Mischkammer (4) als separates Bauteil (20) ausgeführt sein kann, welches in Strömungsrichtung (a) verschiebbar ist und sich somit ein Ringspalt (10) variabler Größe einstellen läßt.

8. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbrandluft­ verteilerkammer (18) in Strömungsrichtung (a) verschiebbar ist, so daß die Austrittsfläche (21) der Sekundärluft (7) in ihrer Größe eingestellt werden kann.

9. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) am stromauf liegenden Ende vorzugsweise so ausgeführt ist, daß es aufgrund der Anpassung der Geometrie an die Strömungsform zu einer sehr geringen Totwassergebiets- Ausbildung kommt, um eine Ablagerung von Ruß und/oder Koks in diesem Teil der Mischkammer (4) zu verhindern.

10. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) vorzugsweise nur teilweise von der Ausbrandluftverteilerkammer (18) überdeckt wird, um möglichst viel Strahlungswärme über die Mischkammer (4) an die umgebenden Bauteile (Brennraum) abzugeben und somit das Temperaturniveau in der Mischkammer (4) zu senken.