DE2150112B2 - Brenner mit brennkammer und koaxial in der oxidationsmittelzufuhrleitung gehaltertem brennstoffverteilerrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner mit einer Brennkammer, mit einer an dieser Brennkammer mündenden Zufuhrleitung für ein Oxidationsmittel und mit einem koaxial in dieser gehalterten Verteilerrohr zum Einführen eines strömungsfähigen Brennstoffes, wobei die Zufuhrleitung mit dem Verteilerrohr einen im wesentlichen ringförmigen Durchlaß für das Oxidationsmittel bildet und das Verteilerrohr an seinem in die Brennkammer hineinragenden Ende radiale Austrittsöffnungen aufweist.

Ein derartiger, zur Verbrennung fossiler Brennstoffe geeigneter Brenner ist aus der DT-PS 9 39 706 bekannt.

Hierbei bildet der aus den radialen Austrittsöffnungen austretende Brennstoff in der Brennkammer bzw. am Auslaß des ringförmigen Durchlasses für das Oxidationsmittel eine Art Schirm, auf den das Oxidationsmittel auftrifft. Dieses Aufeinandertreffen der Reaktionsteilnehmer führt zu deren Vermischung und ggf. Zerstäubung sowie zur Ausbildung einer etwa hohlkonusförmigen Flammenform. Das einfache Auftreffen der Reaktio.isteilnehmerströme führt jedoch noch nicht zu deren optimaler Vermischung. Eine optimale Vermischung ist aber eine der Voraussetzungen für eine gleichförmige, rasche und möglichst schadstoffreie Verbrennung. Gleichwohl ist bei dem bekannten Brenner nicht beabsichtigt, die einmal aus ihren Öffnungen direkt in die Brennkammer ausgeblasenen Reaktionsteilnehmer einer weiteren Behandlung zu unterwerfen. Die Steuerung der Verbrennung erfolgt

ίο bei dem bekannten Brenner im wesentlichen durch Steuerung der Form und Länge der Flamme.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß dessen Emission von Schadstoffen, wie Rußbildung, CO und NO_x, vermindert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß an dem in die Brennkammer hineinragenden Ende des Verteilerrohres eine Ablenkscheibe mit einem Durchmesser größer demjenigen des Verteilerrohres befestigt ist, daß die radialen Austrittsöffnungen in der Nähe dieser Ablenkscheibe vorgesehen sind, und daß innerhalb des Verteilerrohres ein Mischelement angeordnet ist, das zur Vermischung des Brennstoffes mit einem zusätzlich eingeführten Verdünnungsgas dient und dem Gemisch eine Zentrifugalbewegung erteilt.

Die am flammseitigen Ende des Verteilerrohres befestigte Ablenkscheibe hat zwei Funktionen. Einmal dient sie dazu, ein weiteres Durchmischen der Reaktionsteilnehmerströme auch nach deren Ausblasen in die Brennkammer zu ermöglichen. Dieses Durchmischen erfolgt dadurch, daß der Teil des aus dem ringförmigen Durchlaß austretenden Oxidationsmittels, der den aus den radialen Austrittsöffnungen schirmartig austretenden Brennstoff durchdringt, d. h. nicht mit diesem vermischt wird, von der stromab dahinterliegenden Ablenkscheibe umgelenkt und erneut dem Brennstoff zugemischt wird. Die Ablenkscheibe verbessert also die Mischung der Reaktionsteilnehmerströme und damit die Gleichförmigkeit der Mischverhältnisse innerhalb der gesamten Brennkammer. Zum andern trägt die Ablenkscheibe zur Steuerung der einen Hohlkonus bildenden Flammenform bei, da der von der Ablenkscheibe umgelenkte Oxidationsmittelteilstrom erneut quer auf das Reaktionsteilnehmergemisch auftrifft und somit in Abhängigkeit von dynamischen Parametern des Stromes und geometrischen Parametern betreffend das Verhältnis des Ablenkscheibendurchmessers zum Verteilerrohrdurchmesser und den Abstand zwischen den radialen Austrittsöffnungen und der Ablenkscheibe die Flammenform beeinflußt.

Das innerhalb des Verteilerrohres angeordnete Mischelement, das zur Vermischung des Brennstoffes mit einem zusätzlich eingeführten Verdünnungsgas dient und dem Gemisch eine Zentrifugalbewegung erteilt, hat den Vorteil, daß es insoweit eine Vorkonditionierung des Brennstoff gemisches herbeiführt, als dieses durch die erteilte Zentrifugalbewegung an den radialen Austrittsöffnungen hohen Scherkräften ausgesetzt und dadurch dessen Zerstäubung erheblich

fau gefördert wird. Darüber hinaus wird natürlich auch die Gleichförmigkeit der Mischverhältnisse in der Brennkammer durch dieses Vormischen gefördert.

Die gute Durchmischung der Reaktionsteilnehmerströme führt in der Brennkammer zu praktisch

h^r> homogenen stöchiometrischen Bedingungen. Dies führt zu einer schnellen, vollständigen Verbrennung unter gleichförmigen Temperaturbedingungen. Die Verweilzeit, während der heiße Stickstoffmoleküle sich in

Kotciakt mit nicht umgesetztem Sauerstoff befinden, wird also durch die guten Missverhältnisse verringert.

Die Hohlkonusform der Flamme führt insbesondere bei dünnwandigem Hohlkonus zu e<ner starken Wär.neabstrahlung und damit zu einer Flammtemperaturverminderung. Die Temperaturverminderi'ng der Flamme wird außerdem noch durch die Verdünnung des Brennstoffes mit dem Verdünnungsgas gefördert.

Nun ist es allgemein bekannt, daß eine Verengerung der oben genannten Verweilzeit und der Flammentemperatur zu einer Verminderung von Schadstoffen, wie Rußbildung, CO und NO₁ führen.

Durch dieErfindung wird also in einfacher Weise eine Verminderung der oben genannten Schadstoffemission erzielt.

Zur Verbesserung der Durchmischung des Brennstoffes mit dem Verdünnungsgas sowie zur Erhöhung der auf diesen wirkenden Zentrifugalkräfte ist die Brennstoffzufuhr zum Verteilerrohr vorzugsweise so ausgestaltet, daß der Brennstoff tangential in das Verteilerrohr einführbar ist.

Zur weiteren Verminderung der Flammtemperatur ist vorzugsweise ein zusätzliches, koaxial durch das Verteilerrohr und die Ablenkscheibe reichendes Kühlgasrohr vorgesehen, das in das Innere der Brennkammer vorsteht und Kühlgas zum Flammeninnern leitet.

Die Leitung des Kühlgases zum Flammeninnern wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß das Kühlgasrohr stromab von der Ablenkscheibe radiale Austrittsöffnungen und ein Ablenkelement aufweist.

Eine weitere Steuerung der Flammentemperatur und der Verbrennung kann durch Zufuhrleitungen für in den Außenbereich der Flamme strömende Luft vorgenommen werden. Dabei können die Zuführungen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet werden, wobei die oberhalb angeordnete Zuführung eine zusätzliche Verbrennung, insbesondere bei Brennstoffüberschuß ermöglicht, während die — in Strömungsrichtung gesehen — untere Zuführung eine rasche Verringerung der Flammentemperatur fördert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Brenner eine die Brennkammer mit dem Verteilerrohr verbindende Rückführleitung für Verbrennungsgase, die als Verdünnungsgas dienen, auf. Hierbei wird der Vorteil erreicht, daß außer der Verdünnung des Brennstoffes dieser auch noch vorgewärmt wird. Dadurch kann einerseits die Verbrennungscharakteristik gesteuert werden, zum anderen wird aber auch bei flüssigen Brennstoffen durch die Vorwärmung deren Oberflächenspannung reduziert und dadurch dtren Verdampfung bzw. Zerstäubung gefördert.

Die Rückführung von verbranntem Gas zur Verdünnung und Vorwärmung des Brennstoffes ist an sich schon von N1EPENBERG in »Oil + Gas« 4/68, S. 38 beschrieben. Hierbei handelt es sich aber nicht um einen η Brenner der eingangs genannten Art. Darüber hinaus weist die Flamme nicht die Form eines die Wärme abstrahlenden dünnwandigen Hohlkonus auf. Schließlich stellen das rückströmende Verbrennungsgas und der ausströmende Brennstoff ein eng miteinander *.<> verkoppeltes komplexes Strömungssystem dar, dessen Parameter nicht so einfach und unabhängig voneinander steuerbar sind, wie dies beim erfindungsgemäßen Brenner möglich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im n> folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fic 1 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt und teilweise schematisch, eines ersten Ausführungsbeispieles und

Fig. 2 einen Teil eines weiteren ^sführungsbeispieles, teilweise im Schnitt und teilweise perspektivisch.

Nach Fig. 1 weist der Brenner mit Brennkammer eine Brennzone oder -kammer 10 mit einer zylindrischen Seitenwand 11 und einer Stirnwand 12 auf. Die Brennkammer 10 ist am unteren Ende abgebrochen dargestellt und deren weitere Einzelheiten sind zur Vereinfachung der Zeichnungen nicht gezeigt. Die Brennkammer kann in einer Stromerzeugungsanlage, einer Industriewärmeanlage oder einer Raumbeheizung eingesetzt werden.

Eine zylindrische Zufuhrleitung 13 tritt in die Brennkammer 10 durch die Stirnwand 12. Eine zweite, im folgenden Verteilerrohr 14 genannte Leitung ist koaxial innerhalb der Zufuhrleitung 13 angeordnet und erstreckt sich bis in die Brennkammer 10. Das flammseitige Ende 15 des Verteilerrohres 14 trägt eine Ablenkscheibe 16 mit zylindrischem Querschnitt. Das Verteilerrohr 14 weist weiterhin eine Gruppe radialer Austrittsöffnungen 17 auf, die umfangsmäßig um das Verteilerrohr 14, nahe dessen flammseiügen Ende 15 angeordnet sind. Die Zufuhrleitung 13 dient zusammen nvt dem Verteilerrohr 14 dazu, einen ringförmigen Durchlaß 18 für ein Oxidationsmittel zu bilden.

Weiterhin ist eine Einrichtung zum Einführen des Oxidationsmittels aus einer Speisequelle in den ringförmigen Durchlaß 18, die einfach eine Oxidationsspeiseleitung 20 sein kann, sowie eine Einrichtung zum Einführen eines Verdünnungsgases aus einer zweckmäßigen Quelle in das Verteilerrohr 14, welche einfach ein mit dem Verteilerrohr 14 eine kontinuierliche Strömungsbahn bildendes Verdünnungsgaszuführungsrohr 21 sein kann und eine Einrichtung zum Einführen eines Brennstoffes aus einer Quelle in das Verteilerrohr 14, die eine im Verteilerrohr 14 an einer Öffnung 23 austretende Brennstoffzuführungsleitung 22 sein kann, vorgesehen.

Die Arbeitsweise des bisher beschriebenen Brenners mist Brennkammer soll nun untersucht werden. Ein oxidierendes Gas, z. B. Luft wird — wie durch den Pfeil 24 angedeutet — aus einer zweckmäßigen Oxidationsmittelquelle in die Oxidationsspeiseleitung 20 eingeführt. Das Oxidationsgas strömt den ringförmigen Durchlaß 18 nach unten und bildet einen Mantel aus Oxidationsgas um das Verteilerrohr 14.

Ein Brennstoff, z. B. Methan, wird — wie mit dem Pfeil 25 angedeutet — aus irgendeiner zweckmäßigen Brennstoffquelle in die Brennstoffzuführungsleitung 22 eingeführt. Der Brennstoff tritt in das Verteilerrohr 14 durch die öffnung 23 — wie durch den Pfeil 26 angedeutet — ein. Der Brennstoff verbindet sich mit dem Verdünnungsgas, welches, wie durch den Pfeil 27 angegeben, eingeführt wird. Des Verdünnungsgas kann einfach ein Oxidationsgas oder ein inertes Gas, z. B. Stickstoff, sein. Es kann aber auch Verbrennungsprodukte enthalten, die von der Brennkammer 10 durch eine Sammelleitung 28 und eine Rückführleitung 30 in den Brennstoffkreislauf rückgeführt werden. Dieser Rezirkulationskreis kann eine Zentrifugalpumpe 31 oder eine andere, eine Rezirkulationsströmung bewirkende Einrichtung umfassen, beispielsweise eine Strahlpumpe oder einfach ein Gebläse.

Brennstoff- und Verdünnungsgas strömen cias Verteilerrohr gegen die radialen Austrittsöffnungen 17 nach unten und werden infolge turbulenten Mischens der Gase einander zugemischt. Die Mischung tritt durch die

radialen Austrittsöffnungen 17 und erzeugt eine Vielzahl von Gasstrahlen um das Verteilerrohr 14, von denen jeder auf den Mantel aus oxidierendem Gas trifft. •Dieses Auftreffen führt zu einem Mischen des Brennstoffgemisches und des oxidierenden Gases in einer äußeren Mischzone 32. Die Gasströmung ist durch die Pfeile 33 angedeutet. Das äußere Mischen wird verstärkt durch das Vormischen innerhalb des Verteilerrohres 14. Das äußere Mischen wird weiterhin durch das oxidierende Gas verstärkt, welches zwischen den Brennstoffstrahlen durchtritt und von der Ablenkscheibe 16 umgelenkt wird. Das umgelenkte oxidierende Gas 34 trifft nämlich auf den mit 35 bezeichneten Hauptstrom, wo eine weitere Mischung erfolgt.

So ist eine sehr sorgfältig durchmischte Gruppe von Reaktionsteilnehmern gegeben, die zu einer vollständigen Verbrennung, einer lokalen Regelung des Oxidationsmittel- und Brennstoffgemischverhältnisses und damit zu einer reduzierten Emission von die Luft verunreinigenden Stoffen beiträgt.

Zusätzlich zu einer eingehenden Durchmischung ist eine Brennerflamme in Form eines Hohlkonus mit dünnen Wandungen von Vorteil. Solch eine Flamme ist bei 36 dargestellt. Die Gestalt der Flamme kann durch die Geometrie des Brenners und die Impulsverhältnisse der Reaktionsteilnehmerströme gesteuert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verhältnis des Impulses im Oxidationsmantel zum Impuls des Brennstoffgemischstromes zwischen 6 :1 und 15:1 herausgestellt. Auch zwei geometrische Verhältnisse sind vorhanden. Eines ist das Verhältnis des Ablenkscheibendurchmessers zum Verteilerrohrdurchmesser. Wenn dieses Verhältnis zunimmt, nimmt der eingeschlossene Kegelwinkel zu. Das andere Verhältnis ist die Entfernung zwischen der Ablenkscheibe 16 und den Austrittsöffnungen 17. Dieses Verhältnis beeinflußt die Gestalt der konischen Flamme durch Verändern des eingeschlossenen Winkels. Beispielsweise erzeugt ein Brenner mit Brennkammer 10 bei einem Ablenkscheibendurchmesser von 11,43 cm, einem Verteilerrohrdurchmesser von 7,6 cm und einem Oxidationsmittelzufuhrleitungsdurchmesser von 9,9 cm eine Leistung von 2,11 χ WkJ/h.

Ein weiteres Merkmal ist die Anordnung eines Mischelementes 37 innerhalb des Verteilerrohres 14. Das Mischelement 37 ist hohlzylindrisch und umfaßt Schraubenflächen 38, die dazu dienen, zentrifugale Kräfte auf den Brennstoff und das Verdünnungsgas auszuüben. Werden flüssige Brennstoffe, z. B. öl, verwendet, so wird die Flüssigkeit nach außen zentrifugiert und auf den Innenwandungen des Verteilerrohres 14 mitgerissen. Erreicht der flüssige Brennstoff die radialen Austrittsöffnungen 17, so setzt das Verdünnungsgas die Flüssigkeit hohen Scherkräften aus, die die Flüssigkeit in einen feinen nebelartigen Dunst aufbrechen. Diese Wirkung sorgt für ein ausgezeichnetes Vormischen des Brennstoffes und des Verdünnungsgases vor dem zusätzlichen Mischen in der äußeren Mischzone 32. Die Zentrifugalbewegung der flüssigen Brennstoffe und somit die Erzielung einer zentrifugalen Brennstoffbewegung vor Erreichen des Mischelementes 37 wird durch deren tangentiale Einfuhr in das Verteilerrohr erreicht.

Das Einführen von Brennstoff durch die Brennstoffzuführungsleitung 22 kann mittels Einrichtungen zum Einführen pulverisierter Feststoffe, beispielsweise einem Pulverisations- und Konditioniermechanismus 29, in welchem Feststoffmaterialien über einen Trichter 39 zugegeben werden, durchgeführt werden. Das Vormisehen nach der Erfindung ist auch besonders für die Behandlung von pulverförmigem Feststoff geeignet.

Eine weitere Steuerung der Flammentemperatur und der Verbrennung kann durch sekundäre Zufuhrleitungen 40, 41 vorgenommen werden. In die obere ίο sekundäre Zufuhrleitung 40 eingeführte Luft ermöglicht eine zusätzliche Verbrennung, wenn die Brenneranordnung mit Brennstoffüberschuß betrieben wird. Luft kann auch durch die untere Sammelleitung 41 eingeführt werden, um eine rasche Abkühlung der Flamme zu bewirken, was sich vorteilhaft auf die Reduktion der Stickoxide auswirkt.

Auch die oben genannte Rezirkulation der Brenngase ist zum Absenken der Verbrennungstemperatur geeignet.

Eine zusätzliche Temperaturverminderung ist durch Zufuhr kalten Gases zum Innern der konischen Flamme vorgesehen. Für diesen Zweck ist ein in geeigneter Weise mit Kühlgas gespeistes Kühlgasrohr 42 koaxial innerhalb des Verteilerrohres angeordnet. Das Kühlgasrohr erstreckt sich durch die Ablenkscheibe 16 und führt kühlendes Gas in das Innere der Flamme 36. Ein weiteres Ablenkelement 43 kann stromab von der Ablenkscheibe 16 abgehängt werden, um das kühlende Gas radial nach außen und längs der Flammenfront zum Abführen der Wärme zu richten.

Weitere Merkmale der Brenneranordnung läßt F i g. 2 erkennen. Das Verteilerrohr 14 ist hier durch ein geeignetes Gestänge mit einer Translationseinrichtung 45 gekoppelt, mittels welcher das Verteilerrohr 14 axial bewegbar ist. Das flammseitige Ende 15 des Verteilerrohres 14 weist eine konische Fläche 46 auf. Diese Fläche dient als Dichtfläche und kommt mit einer hierzu passenden Konusfläche 47 in Eingriff, wenn das flammseitige Ende 15 des Verteilerrohres 14 gegen den Auslaß des ringförmigen Durchlasses 18 bewegt wird.

Fig.2 ist hinsichtlich der Darstellung längs der

Mittellinie 48 getrennt und zeigt das Verteilerrohr 14 in 2 seiner unbegrenzt wählbaren Stellungen. Die axiale

Translation führt zu einer Änderung des Auslaßquerschnittes des ringförmigen Durchlasses 18 und sorgt se für eine Änderung des Strömungsdurchsatzes be anströmseitig konstant gehaltenem Speisedruck. Aul diese Weise kann der Brenner bei Beibehaltung der Mischcharakteristiken der Auslegung durch Drosselr

so des fraglichen Auslasses abgeschaltet werden.

Beschrieben wurde ein Brenner, der zunächst eir Vormischen des Brennstoffes im Verteilerrohr 14 unc anschließend ein Mischen in der Brennkammer 10, unc zwar unmittelbar an der Flamme ermöglicht, da: letztgenannte »äußere« Mischen in der Brennkamme 10 wird sowohl durch Impulsaustausch zwischen direk aufeinandertreffenden Brennstoff- und Oxidationsmit telströmen sowie durch einen umgelenkten, auf di vorgenannten Ströme direkt auftreffenden Oxidations hi) mittelstrom erreicht. Die Temperatur der Flamme 3 wird durch die einen hohen Strahlungsgrad ergebend Flammenform sowie durch Einrichtungen zur Stei erung der Bestandteile der Reaktionsteilnehmer gc steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brenner mit einer Brenkammer, mit einer an dieser Brennkammer mündenden Zufuhrleitung für ein Oxidationsmittel und mit einem koaxial in dieser gehalterten Verteilerrohr zum Einführen eines strömungsfähigen Brennstoffes, wobei die Zufuhrleitung mit dem Verteilerrohr einen im wesentlichen ringförmigen Durchlaß für das Oxidationsmittel bildet und das Verteilerrohr an seinem in die Brennkammer hineinragenden Ende radiale Austrittsöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem in die Brennkammer (10) hineinragenden Ende (15) des Verteilerrohres (14) eine Ablenkscheibe (16) mit einem Durchmesser größer demjenigen des Verteilerrohres (14) befestigt ist, daß die radialen Austrittsöffnungen (17) in der Nähe dieser Ablenkscheibe (16) vorgesehen sind, und daß innerhalb des Verteilerrohres (14) ein Mischelement (37) angeordnet ist, das zur Vermischung des Brennstoffes mit einem zusätzlich eingeführten Verdünnungsgas dient und dem Gemisch eine Zentrifugalbewegung erteilt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff tangential in das Verteilerrohr (14) einführbar ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein koaxial durch das Verteilerrohr (14) und die Ablenkscheibe (16) reichendes Kühlgasrohr (42) in das Innere der Brennkammer (10) vorsteht, um Kühlgas zum Flammeninnern zu leiten.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgasrohr (42) stromab von der Ablenkscheibe (16) radiale Austrittsöffnungen und ein Ablenkelement (43) aufweist.

5. Brenner nach Anspruch 1 oder folgende, gekennzeichnet durch Zuführungen (40, 41) für in den Außenbereich der Flamme (36) strömende Luft.

6. Brenner nach Anspruch 1 oder folgende, gekennzeichnet durch eine die Brennkammer (10) mit dem Verteilerrohr (14) verbindende Rückführleitung (30) für Verbrennungsgase, die als Verdünnungsgas dienen.