DE2320442A1

DE2320442A1 - Brenner fuer die stoechiometrische verbrennung von fluessigen brennstoffen

Info

Publication number: DE2320442A1
Application number: DE2320442A
Authority: DE
Inventors: Johannes W Graat
Original assignee: Smit Nijmegen Bv Nijmegen (niederlande); Smit Nijmegan BV
Current assignee: Smit Ovens Bv Nijmegen Nl
Priority date: 1973-04-21
Filing date: 1973-04-21
Publication date: 1974-11-07
Also published as: NO138865C; NO741395L; DE2320442B2; FR2226622B1; JPS5745962B2; ES425512A1; DE2320442C3; JPS5012629A; NO138865B; SE406223B; FR2226622A1; GB1464461A

Description

Brenner für die stöchiometrische Verbrennung von flüssigen Brennstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Verbrennung von flüssigem Brennstoff, insbesondere Heiz- und Dieselöl mit Luft, mit einer mechanischen Zerstäubung für den flüssigen Brennstoff als erste Stufe und anschließender Zuführung für die Verbrennungsluft als weitere Stufe sowie einem Brenner zur Durchführung des VerbrennungsVerfahrens.

Es sind bereits Verbrennungsverfahren und Brenner bekannt, mit denen flüssiger Brennstoff, insbesondere Heiz- und Dieselöle mit Luft oder anderen Sauerstoffträgern verbrannt werden. Nachteilig hat sich bei den bekannten Brennern aber gezeigt, daß diese nicht stöchiometrisch verbrennen können, d.h. also bei der Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches in stöchiometrischem Verhältnis Ruß gebildet wird. Diese Rußbildung ist äußerst nachteilig, da die Brennkammer und, bei der Erzeugung von Inertgas, z.B. die nachgeschalteten Wasch- und Kühleinrichtungen verschmutzt werden.

Um die unerwünschte Rußbildung zu vermeiden, werden deshalb in der Regel Brenner mit einem Luftüberschuß gefahren, um zu vermeiden, daß der Brennstoff unvollständig verbrennt. Diese Verbrennung mit Luftüberschuß führt dann aber zu Rauch-

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gasen, die einen erheblichen 0₂~Anteil aufweisen. Für die Inertgaserzeugung sind solche Verbrennungsvorgänge also ungeeignet.

Nachteilig ist bei den bekannten Verbrennungsverfahren weiterhin, daß selbst beim Verbrennen mit Luftüberschuß durch Änderungen in den Eigenschaften der Luft oder des Brennstoffes ein stöchiometrisches oder unterstochiometriseh.es Verhältnis sich einstellen kann _y ohne daß die Regelung schnell genug reagieren kann. Es wird dann also selbst bei Verbrennung-mit Luftüberscnuß eine kurzzeitige Rußbildung mit ihren nachteiligen Folgen nicht veraeidbar sein.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen zu finden, welches unter stöehiometrischen Bedingungen ohne Rußbildung arbeitet und welches darüber hinaus sogar bei unterstöchiometrisehen Bedingungen, d.h. bei zu geringem Luftanteil, keinen Ruß bildet.

Der Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll weiterhin einfach aufgebaut, wirtschaftlich herstellbar und leicht bedienbar sein, und ohne eine zusätzliche Regelung auskommen.

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Srfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine tangentiale Zuführung von Zerstäubungsmedium zu dem mechanisch zerstäubten Strahl des Brennstoffes innerhalb einer Zerstäubungskammer und eines anschließenden koaxialen, gleichgerichtete¹¹ Zutritt der Verbrennungsluft zu dem zerstäubten Brennstoff und darauf folgend eine Einschnürung des Gemischstrahles um mindestens 10 %.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, daß der Brennstoff vor der mechanischen Zerstäubung, d.h. vor dem Eintritt in die Zerstäubungskammer und vor dem Mischen mit der Zerstäubungsluft einer Mittelbohrung tangential und schräg zufließt, und weiterhin ist es äußerst vorteilhaft, wenn das Zerstaubungsmedium einen sehr hohen Anteil der Summe aus Verbrennungsluft und Zerstaubungsmedium ausmacht. Der Anteil kann zwischen 10 und 50 ⁰J₀ betragen.

£s hat sich insbesondere für die Herstellung von Inertgasen, die soweit wie möglich frei von Stickstoffoxyden sein sollen, als günstig herausgestellt, eine Zerstäubung mit Dampf vorzunehmen, der um mindestens ca. 75 überhitzt worden ist.

Der Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich insbesondere durch einen Zerstäubungsteil ωj.t einer mechanisch zerstäubenden Brennstoffdüse, einem Zer— ;,1äubungskanal koaxial zu der Brennstoffdüse und tangential ir, den .Zerstäubungskanal einmündende Bohrungen zur Zuführung

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von Zerstäubungsmedium. Der Zerstäubungsteil ist vorteilhaft koaxial von einem Zylindermantel zur Zuführung der Verbrennungsluft umgeben, an den sich ein konisch verengender Brennermund und ein an diesen angesetztes Brennerrohr anschließen.

Die Öffnung des Brennermundes weist vorteilhaft einen Winkeivon 20 bis zu 50° auf und die Einschnürung ist derart gewählt, daß die Verbrennungsluft-Ölmischströmung einschließlich des Zerstäubungsmediums mindestens so groß ist, daß die Verbrennungsluft in die Mischströmung von Öltröpfchen und Zerstäubungsmedium eingebracht wird, aber nicht so groß, daß sich Öltröpfchen an den sich verengenden Wandungen -nitjfa·* absetzen.

Es hat sich für den Fachmann vollkommen überraschend gezeigt, daß auch bei unterstöchiometrischen Verhältnissen eine Hußbildung nicht erfolgt, es wird nur ein erhöhter Anteil von CO erzeugt. Als äußeres Bild ist auch die Flamme aus dem Brenner gemäß der Erfindung nicht gelblich und zerrissen, sondern orange-blau mit einem definierten Flammbereich.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann neben Luft und Dampf die Zerstäubung des Öles innerhalb des Zerstäubungskanals auch durch Inertgas oder Erdgas erfolgen. Das Öl wird der Brennstoffdüse mit einem Druck zwischen 1 und 10 kg/cm zugeführt und die Menge, die zu verbrennen ist, wird über den

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vor der Brennstoffdüse eingestellten Druok geregelt.

Falls als Zerstäubungsmedium Luft verwendet wird, kann zwischen 10 und 50 ^J/o der gesamten Luft für die stöchiometrische oder unterstochiometrisehe Verbrennung bereits beim Zerstäuben zugeführt werden; im Durchschnitt wird der Anteil der Zerstäubungsluft an der Gesamtluft bei ca. 20 % liegen. Der Druok des zugeführten Zerstäubungsmediums ist am besten so gewählt, daß das kritische Druckverhältnis für die maximal höchste Geschwindigkeit eingestellt ist, d.h. daß das zugeführte Medium für die Zerstäubung des Öles mit Drücken über 2,5 kg/cm erzeugt wird.

Es hat sich aber auch eine gute Verbrennung gemäß der Erfindung bei geringeren Drücken und geringeren Geschwindigkeiten des Zerstäubungsmediums ergeben.

Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren geht kurz gefaßt in vier Stufen vor sich:

1. Die Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in einer Brennstoffzerstäubungsdüse, wobei der Zerstäubungsöffnung der Brennstoff über tangentiale und schräge Kanäle zugeführt wird,

2. die Zuführung von Zerstäubungsmedium in einem Zerstäubungskanal, . wobei das Zerstäubungsmedium über tangentiale Kanäle in einer Ebene zugeführt wird, die senkrecht oder schräg auf der Achse der Brennstoffzerstäubungsdüse steht,

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3. die Zumischung νοα Verbrennungsluft, die koaxial und gleichgerichtet mit dem zerstäubten Brennstoff strömt und

4. die Einschnürung-der Mischströmung, wodurch eine verbesserte Vermischung der Verbrennungsluft mit dem zerstäubten Brennstoff erfolgt.

Ia folgenden wird der erfindtingsgemäße Brenner beispielhaft anhand von Zeichnungen sowie das erfindungsgemäßje Verbrennungsverfahren anhand von Diagrammen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. i ein Diagramm für die Abhängigkeit der zerstäubten Brennstoffmenge von dem Zerstäubungsmedium mit einem Bereich für die erfindungsgemäße Verbrennung,-

Fig. 2 eine Tabelle für die Abmessungen von Brennern gemäß der Erfindung wobei der Abstand der Zerstäubungsdüse von dem Brennermund und der Durchmesser des Brennermundes in Abhängigkeit von dem.durchgesetzten Brennstoff angegeben sind, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Brenner gemäß der Erfindung, Fig. 4A einen Schnitt durch die Zerstäubungsdüse gemäß der Erfindung, Fig. 4B einen Sohnitt entlang der Linie B-B in Fig. 4A, Fig. 5A einen Schnitt durch einen Druck-Zerstäuber für den

flüssigen Brennstoff und
Fig. 5B einen Schnitt entläng der Linie B-B in Fig. 5A

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Gemäß Fig. 1 ist ersichtlich, daß für jede zu verbrennende Brennstoffmenge zwei Grenzbereiche für das Zerstäubungsmedium zu beachten sind, zwischen denen die erfindungsgemäße gute Verbrennung erfolgt.

Die Werte für eine Verbrennung gemäß der Erfindung müssen innerhalb der beiden durchgezogenen Linien liegen. Ersichtlich ist also die Verbrennung gemäß der Erfindung abhängig davon, daß im Verhältnis zu dem zugeführten Brennstoff eine bestimmte Gewichtsmenge von Zerstäubungsmedium zugeführt wird, d.h. daß ein bestimmter Mindest-Impuls im Verhältnis zu dem verbrannten Brennstoff für die Zerstäubung aufgewendet wird. Dieser Impuls wird durch die Menge und den Druck des zugeführten Brennstoffes bestimmt.

Der erfindungsgemäße Brenner selbst besteht aus einem Zerstäubungsteil 10, welch**von einem zylindrischen Mantel Ii koaxial umgeben ist, und der Lufteintritt für die Verbrennungsluft erfolgt über einen Ringkanal 15 durch eine Zuführungsleitung 16,

An den zylindrischen Mantel 11 schließt sich eine konisch sich nach innen verjüngende Platte 12 an, die als Brennermund bezeichnet ist und die sich von ihrem engsten Querschnitt an in einem Brennerrohr 13 fortsetzt.

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Der Durchmesser des Brennermundes und sein Abstand von dem Zerstäubungsteil IO ergeben sich aus der Tabelle gemäß Fig. 2.

Die Lage der Maße a und b ist in der Figur 3 eingezeichnet; a ist der Abstand des Brennermundes, b sein Durchmesser.

Die Einschnürung innerhalb des Brentiermundes bzw. die lionizität ist durch einen Winkel <* gegenüber der Brennerachse zu messen, welcher mindestens 20 und höchstens 50 beträgt.

In den Zylindermantel 11 ist eine Zündkerze Ib eingebaut, welche beim Beginn der Verbrennung für eine Zündung sorgt. Aufbau und Funktion der Zündkerze 18 sind bekannt, so daß eine nähere Beschreibung entfallen kann. Der Zylindermantel 11 sowie der Ringkanal 15 sind an dem von der Brennkammer abgewandten Ende durch eine Platte 19 mit einem Sichtglas 17 und der Zuführung 20 für das Öl bzw. den Brennstoff und einer Zuführung 21 für die Zerstäubungsluft bzw. das Zerstäubungsmedium versehen. Der Anschluß 14 dient zur Flammüberwachung.

Der Zerstäubungsteil 10 selbst weist gemäß Fig. 4 eine mechanische Druck-Zerstäubungsdüse 1 für den Brennstoff auf, welche kurz vor einem Zerstäubungskanal 2 endet. In den Zerstäubungskanal 2 münden mit einem Abstand von mindestens 2 mm gegenüber der Druck-Zerstäubungsdüse 1 tangentiale Kanäle 3, welche das Zerstäubungsmedium in einer Ebene senkrecht oder schräg zu der Brennerachse zuführen.

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Es hat sich als erfindungswesentlich erwiesen, daß das Zerstäub ungsmedi um in diesen tangentialen Kanälen zugeführt wird und daß der Abstand das vorstehend genannte Mindestmaß aufweist. Der Zerstäubungskanal 2 endet vorteilhaft in einer Ebene 4, die ebenfalls senkrecht zu der Brennerachse steht.

Die Zuführung der Zerstäubungsluft bzw. des Zerstäubungsmediums erfolgt gemäß Fig. 4 zu den Bohrungen bzw. Kanälen 3 über einen

Be-

Iiingkanal 9, so daß eine gl ei chmäßige/a.uf schlagung der Kanäle 3 gegeben ist.

Die Druckzerstäubungsdüse 1 für den zugeführten flüssigen Brennstoff selbst ist in Fig. 5 dargestellt, der Brennstoff wird ebenfalls durch tangentiale und gegenüber der Brennerachse geneigte Kanäle 5 zu einer Ausspritzbohrung 6 geleitet, zerteilt sieh dort in feinste Tröpfchen und wird anschließend in dem Zerstäubungskanal 2 innig mit der Zerstäubungsluft bzw. dem Zerstäubungsmedium gemischt und anschließend nach einer weiteren Mischung mit der Verbrennungsluft verbrannt.

Da sowohl die Druckzerstäubungsdüse i als auch der Zerstäubungs— teil 10 im weiteren dem allgemeinen Stand der Technik entspricht, kann auf eine ins Einzelne gehende Beschreibung verzichtet werden. ' ' .

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- ίο --

Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß der Aufbau des erfindungsgemäßen Brenners außerordentlich einfaeh ist, daß dieser störungsfrei arbeiten kann und es ist daher für den Fachmann um so überraschender, daß mit dem Brenner gemäß der Erfindung eine rußfreie Verbrennung nicht nur bei stöchiometrischen, sondern auch bei unterstöchiometrischen Verhältnissen gegeben ist.

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Claims

Patentansprüche:

1.' Verfahren für die Verbrennung von flüssigem Brennstoff, 1nsbesondere Heiz— und Dieselöl mit Luft, mit einer mechanischen Zerstäubung für den flüssigen Brennstoff als erste Stufe und anschließender Zuführung für die Verbrennungsluft als weitere Stufe, gekennzeichnet durch eine tangentiale Zuführung von
Zerstäubungsmedium zu dem mechanisch zerstäubten Strahl des
Brennstoffes in einem Zerstäubungskanal und einen anschließenden koaxialen, gleichgerichteten'Zutritt der Verbrennungsluft zu dem zerstäubten Brennstoff und einer darauf folgenden Einschnürung des Gemisehstrahles um mindestens 10 f₀.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff bei der mechanischen Zerstäubung einer Mittelbohrung tangential zufließt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsmedium Luft ist und die Menge dieser Luft zwischen 10 und 50 yc der Summe aus Verbrennungs- und Zerstäubungsluft beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge der Zerstäubungsluft sich zu der Gesamtmenge

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des flüssigen Brennstoffes gemäß dein in Figur 1 gekennzeichneten Bereich verhält.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäubungsmedium Dampf eingesetzt wird, der um mindestens 75°C überhitzt ist.

6. Verfahren nach Anspruch i bis 5, gekennzeichnet durch eine Einschnürung der Luft-Ölmischströmung, die mindestens so groß ist, daß die Verbrennungsluft in die Mischströmung eindringt aber nicht so groß, daß sich Öltröpfchen an den Wandungen absetzen.

7. Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Zerstäubungsteil (10) mit einer Brennstoffdüse (l), einen Zerstäubungskanal (2) koaxial zu dem Zerstäubungsteil und tangential in den Zerstäubungskanal (2) einmündende Bohrungen (3) zur Zuführung von Zerstäubungsmedium.

b. Brenner nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Zylindermantel (11) koaxial mit dem Zerstäubungsteil (10), einen sich konisch verengenden Brennermund (12) und ein an diesen anschließendes Brennerrohr (13).

9. Brenner nach Anspruch 7 oder S, gekennzeichnet durch einen Abstand zwischen dem Zerstäubungsteil (1O) und dem Brennermuud (12) gemäß der Tabelle von Fig. 2.

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10. Brenner nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

da;J der axiale Mindest ah stand der Düse (l) von den Bohrungen (3) 2 mm beträgt.

11. Brenner nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse der Bohrungen (3) tangential zu einem Kreis um die Mittelachse des Brenners verlaufen.

12. Brenner nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des ausströmenden Brennstoffes der Zerstäubungskanal (2) in einer zu seiner Achse senkrechten Fläche (4) endet.

13. Brenner nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung des Brennermundes (12) unter einem Winkelet von 20° bis 50° zu der Brennerachse verläuft.

14. Brenner nach Anspruch 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die die ülzuführung in der Zerstäubungsdüse (l) durchführenden Bohrungen (5) tangential und geneigt zu der Achse der Zerstäubungsdüse (l) verlaufen.

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