DE2320442B2 - Brenner zur verbrennung von fluessigem brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff, insbesondere Heiz- und Dieselöl, mit Luft, mit einer Druckzerstäubungsdüse für den flüssigen Brennstoff und einem an diese anschließenden Zerstäubungskanal, in dessen Umfang ein Ringkanal für ein Zerstäubungsmedium mündet, und einer koaxialen Zuleitung für Verbrennungsluft.

Ein derartiger Brenner ist aus US-PS 3 630024 bekannt. Bei dem bekannten Brenner wird aus einer Druckzerstäuberdüse (17) kommender Brennstoff durch einen Luftstrom (aus Kanälen 18) erfaßt, zerstäubt und tritt anschließend aus dem Zerstiiuhungs kanal aus. Danach sorgt ein weiterer, in Wirbeln ge lenkter Luftstrom für einen Schraubenlinienwirbel der eine gute Durchmischung gewährleistet und dei

Staubstrahlstrom stabilisiert. Diese Luftsoll ferner di< Ablagerung von Ruß auf den nachgeschalteten Brcir nerteilen verhindern. Das aus dem Zerstäubungskana austretende Brennstoff-Luft-Gemisch wird offen sichtlich nicht rußfrei verbrannt, denn es werden zu

ίο sätzliche Düsen verwendet, die die Rußbildung in Bereich der Düsen verhindern sollen. Daraus ist zi schließen, daß bei Zusammenströmen des Brennstof fcs und der Luft im Zerstäubungskanal die Tropf chengrößc des austretenden Brennstoffes nicht we sentlich beeinflußt wird; es werden lediglich söge nannte Brennstoff-Taschen aufgelöst, also Tropfen Agglomerate vermieden.

Der Brenner gemäß Stand der Technik dient zui Beaufschlagung einer Gas-Turbine, kann also unkri tisch mit Luftüberschuß betrieben werden, Trotzden wird davon ausgegangen, daß bei der Verbrennung Ruß entstehen kann, jedenfalls an bestimmten Steller der Verbrennungsdüsenanordnung. Zur Herstellung von Inertgas, also praktisch sauerstofffreiem Verbrennungsgas, ist der bekannte Brenner daher niclr geeignet, da bei stöchiometrischer Verbrennung Voraussetzung für die Herstellung sauerstofffreiei Verbrennungsgase - Rußbildung auftreten würde.

In der Zeitschrift IKZ, 1965, S. 462, ist ein Überdruckbrenner dargestellt, bei dem der Brennstoff me chanisch mit Hilfe einer Düse zerstäubt wird. Anschließend wird Verbrennungsluft durch schräg angestellte Kanäle zugeführt, um Luft in den Brennstoffnebel einzubringen. Hieraus resultiert anschließend eine drehende Luftbewegung, die stabilisierent auf die Verbrennung wirkt. Zerstäubt wird der Brennstoff ausschließlich durch die mechanische Wechselwirkung bei Austritt aus der Brennstoffdüse, wöbe die hierbei entstehenden Tröpfchen relativ groß sind daher relativ langsam verbrennen und eher gelbliche als blaue Flammen erzeugen. Daraus resultiert vie Strahlungswärme.

Demgegenüber stellt sich die Erfindungsaufgabe einen Brenner der eingangs genannten Art zu schaf fen, insbesondere zur Erzeugung von Inertgas, dei aufgrund inniger Durchmischung von Brennstoff unc Verbrennungsluft eine vollständige Ausnutzung de; Brennstoffes bei stöchiometrischen Bedingungen unc die Vermeidung von Rußbildung bei unterstöchiometrischen Bedingungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

- der Ringkanal für das Zerstäubungsmedium ir mehreren tangential angeordneten Zerstäu bungsbohrungen endet,

- die Verbrennungsluft axial gleichgerichtet zunr Brennstoffstrahl nach Verlassen des Zerstäu bungskanals zutritt,

- die dem Zerstäubungskanal stromab nachgeord nete Mischzone von einem zylindrischen Mante umfaßt ist, der in einen Brennermund übergeht an den sich ein Brennerrohr anschließt, desser Querschnitt gegenüber dem Zylindermantel Querschnitt um mindestens 10% verengt ist.

Bei dem Brenner gemäß Erfindung wird mit Vortei davon Gebrauch gemacht, daß das durch die Zerstäu bungsbohrungen eintretende Medium einen hohei Auftreffimpuls hat und - wie Messungen ergeben ha

ben - die aus der Düse herauskommenden, verhältnismäßig großen Brennstoff-Tröpfchen weiter /erschlägt. Diese Verkleinerung der Tröpfchengröße ist eine wichtige Voraussetzung, um die Rußbildung und das Crackcn des Öles zu vermeiden. Als Zerstäubungsmedien eignen sich Gas, Dampf oder auch Luft. Die Zugabe des Hauptanteiles an Verbrennungsluft erfolgt axial gleichgei ichtetzum Brennsloffstrahl nach Verlassen des Zerstäubungskanals Durch diese Zuführung kann die Stabilität der Anfangsflamme verbessert werden, welche einen großen Überschuß an Ölnebel hat.

Die Zuführung erfolgt auch deshalb vom Rande her, um das Ablagern des Brennstoffes zu verhindern. Die Verbrennungsluft dringt sukzessive in den Strahl ein, so daß die öltröpfchen nach und nach vollständig verbrennen und die erzeugten Verbrennungsgase praktisch sauerstofffrei sind.

Es zeigt sich, daß auch bei unterstöchiometrischen Verhältnissen, d. h. bei Sauerstoff-Unterschuß, eine Rußbildung nicht erfolgt; es wird nur ein erhöhter Anteil von CO erzeugt. Als äußeres Bild ist die Flamme aus dem Brenner gemäß Erfindung nicht gelblich und zerrissen, sondern orange-blau mit einem definierten Flammbereich.

Die Maßnahme, den Querschnitt des Brennerrohres zu verengen, dient in erster Linie der Flammenstabilisierung. Um im Bereich zwischen Brennerrohr und Mantel einen allmählichen, unerwünschte Verwirbelungen ausschließendem Übergang zu erhalten, verjüngt sich der Brennermund kegelstumpfförmig, wobei die Neigung α des Kegelmantels 20-50° zur Brennerachse beträgt.

Der axiale Mindestabstand der Mündung der Druckzerstäubungsdüse vom düsenseitigen Scheitelpunkt der Zerstäubungsbohrungen beträgt 2 mm. Erreicht wird hierdurch, daß der Impuls des Zerstäubungsmediums in einem günstigen Punkt auf den Ölnebel trifft.

Ein hoher Impuls bei technisch sinnvollem Aufwand für die Erzeugung des Drucks des Zerstäubungsmediums wird dann erreicht, wenn in den Zerstäubungsbohrungen beim Betrieb des Brenners bezüglich des Zerstäubungsmediums das kritische Druckverhältnis erreicht ist.

Wie bereits erwähnt, wird als Zerstäubungsmedium u. a. Luft eingesetzt. Die Menge dieser Luft sollte vorteilhafterweise zwischen 10 und 50% der Summe aus Verbrennung»- und Zerstäubungsluft betragen.

Als Zerstäubungsmedium kann auch, in an sich bekannter Weise, überhitzter Dampf eingesetzt werden, der um mindestens 75° C überhitzt ist. Insbesondere für die Herstellung von Inertgas, das so arm wie möglich an Stickoxiden sein soll, ist dieses Medium vorzuziehen.

Schließlich können auch Inertgas oder Erdgas eingesetzt werden. Diese Gase liegen meistens unter Druck vor, so daß keine zusätzlichen Kompressoren erforderlich sind.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Brenners gemäß Erfindung und seine Funktion an Hand der Zeichnung und von Diagrammen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brenner,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Zerstäubungsdüse,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm für die Abhängigkeit der zerstäubten Brennstoffmenge von dem Zerstäubungsmedium mit einem Bereich für die erfindungsgemäßc Verbrennung,

Fig. 5 eine Rabellc für die Abmessungen von Brennern gemäß der Erfindung, wobei der Abstand der Zerstäubungsdüse vom Brennermund und cici kleinste Durchmesser des Brennermundes in Abhängigkeit von dem durchgesetzten Brennstoff angegeben sind.

ίο Der Brenner gemäß Fig. 1 besteht aus einem Zerstäubungsteil 10, welcher von einem zylindrischen Mantel 11 koaxial umgeben ist. Der Eintritt der Verbrennungsluft erfolgt durch eine Zuführungsleitung 16 über den zwischen den Teilen 10 und 11 gebildeten Ringkanal 15. In den Zylindermantel 11 ist eine Zündkerze 18 eingelassen, die zu Beginn der Verbrennung das ausströmende Gemisch zündet. Aufbau und Funktion der Zündkerze 18 sind bekannt, so daß eine nähere Beschreibung entfallen kann. Der Zylindermantel 11 und der Ringkanal 15 sind an dem von der Brennkammer abgewandten Ende durch eine Platte 19 mit einem Sichtglas 17 verschlossen. Über die Zuleitung 20 erfolgt die Zuführung des flüssigen Brennstoffs. Eine Zuleitung 21 ist für das Zerstäubungsmedium vorgesehen. Ein weiterer Anschluß 14 dient zur Flammenüberwachung.

An den Mantel 11 schließt sich eine kegelstumpfförmige Verjüngung an, die sich in einer entsprechend gebohrten Platte 12' befindet. Die Verjüngung wird als Brennermund 12 bezeichnet. Der Brennermund 12 setzt sich von seinem engsten Querschnitt an in ein Brennerrohr 13 fort. Beispiele für die Abmessungen der kleinsten Durchmesser b des Brennermundes 12 und seines Abstandes α von dem Zerstäubungsteil 10 gemäß Fig. 1 ergeben sich aus der Tabelle Fig. 5. Die Neigung des kegelstumpfförmigen Brennermundes 12 (siehe Fig. 1) ist durch den Winkel α gegenüber der Brennerachse bestimmt; diese sollte zwischen 20° und höchstens 50° betragen. Die Abmessungen a, b und α sind so gewählt, bzw. sind so zu wählen, daß die Mischströmung mindestens se groß ist, daß die Verbrennungsluft in die Mischströmung eingebracht wird, aber nicht so groß, daß sich Öltröpfchen an den sich verengenden Wandungen absetzen.

Der Zerstäubungsteil 10 selbst weist gemäß Fig. 2 eine an sich bekannte mechanische Druck-Zerstäubungsdüse 1 für den flüssigen Brennstoff auf, welche kurz vor einem Zerstäubungskanal 2 endet. In der Zerstäubungskanal 2 münden mit einem axialen Mindestabstand von 2 mm, gemessen vom düsenseitiger Scheitelpunkt zum Mundstück der Druck-Zerstäubungsdüse 1, Zerstäubungsbohrungen 3, welche das Zerstäubungsmedium in einer Ebene senkrecht odei schräg zu der Brennerachse zuführen. Die Bohrungen 3 münden dabei tangential zum Zerstäubungskanal 2 (Fig. 3).

Erfindungswesentlich ist, daß das Zerstäubungsmedium in diesen tangentialen Bohrungen 3 zügeführt wird und daß der Abstand das vorstehend genannte Mindestmaß aufweist. Der Zerstäubungskanal 2 endet in einer planen Öffnung 4, derer Begrenzungsebene senkrecht zur Brennerachse steht Die Zuführung des Zerstäubungsmediums erfolgt ge maß Fig. 2 zu den Bohrungen 3 über einen Ringkanal 9, so daß eine gleichmäßige Druckverteilung übei alle Bohrungen 3 g«-^.Len ist.

Der Brennstoff v/L.. in der Druckzerstäubungs-

düse 1 ebenfalls durch tangentiale und gegenüber der Brennerachse geneigte Kanäle zu einer Ausspritzbohrung geleitet und in feine Tröpfchen zerteilt. Anschließend trifft den Strahl im Zerstäubungskanal 2 das Zerstäubungsmedium und zerschlägt die austretenden Tröpfchen und vermischt sich innig mit dem Brennstoffstrahl. Anschließend wird der Brennstoff nach einer weiteren Mischung mit der Verbrennungsluft verbrannt.

Die Verbrennung geht demnach in vier Stufen vor sich:

1. Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in der Brennstoffzerstäubungsdüse 1, wobei dieser der Brennstoff über tangentiale und schräge Kanäle zugeführt wird;

2. Zuführung von Zerstäubungsmedium (insbesondere Luft, aber auch überhitzter Dampf, Erdgas, Inertgas) in einem Zerstäubungskanal, wobei das Zerstäubungsmedium über tangentiale Kanäle in einer Ebene zugeführt wird, die senkrecht oder schräg auf der Achse der Brennstoffzerstäubungsdüse steht. Durch das Zerstäubungsmedium werden die Brennstofftröpfchen und -Agglomerate zerschlagen;

3. Zumischung von Verbrennungsluft, die axial gleichgerichtet zum Brennstoffstrahl nach Verlassen des Zestäubungskanals zutritt, wonach die Mischung in eine Mischzone strömt, die von einem zylindrischen Mantel umfaßt ist;

4. Einschnürung der Mischströmung in dem Brennerrohr 13, wodurch eine erhöhte Geschwindigkeit und Flammenstabilisierung erfolgen.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß für jede zu verbrennende Brennstoffmenge zwei Grenzbereiche für das Zerstäubungsmedium zu beachten sind, zwischen denen eine gute Verbrennung erfolgt. Die Werte auf der Abszisse gehen dabei die zugeführte Brennstoffmenge in kg/h an; die Werte auf der Ordinate die zugeführte Menge an Zerstäubungsmedium. Wenn dabei die Werte innerhalb der beiden durchgezogenen Linien des Diagramms liegen, ergibt sich erfahrungsgemäß eine gute Verbrennung. Ersichtlich ist also eine gute Verbrennung abhängig davon, daß im Verhältnis zu ao dem zugeführten Brennstoff eine bestimmte Gewichtsmenge an Zerstäubungsmedium zugeführt wird d. h., daß ein bestimmter Mindest-Impuls im Verhältnis zu dem verbrannten Brennstoff für die Zerstäu bung aufgewendet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Brenner zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff, insbesondere Heiz- und Dieselöl, mit Luft, mit einer Druckzerstäubungsdüse für den flüssigen Brennstoff und einem an diese anschließenden Zerstäubungskanal, an dessen Umfang ein Ringkanal für ein Zerstäubungsmedium mündet, und einer koaxialen Zuleitung für Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ringkanal (9) für das Zerstäubungsmedium in mehreren tangential angeordneten Zerstäubungsbohrungen (3) endet,

- die Verbrennungsluft axial gleichgerichtet zum Brennstoffstrahl nach Verlassen des Zerstäubungskanals (2) zutritt,

- die dem Zerstäubungskanal (2) stromab nachgeordnete Mischzone von einem zylindrischen Mantel (11) umfaßt ist, der in einen Brennermund (12) übergeht, an den sich ein Brennerrohr (Ϊ3) anschließt, dessen Querschnitt gegenüber dem Zylindermantelquerschnitt um mindestens 10% verengt ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermund (12) sich kegelstumpfförmig verjüngt, wobei die Neigung α des Kegelmantels 20-50° zur Brennerachse beträgt.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Mindestabstand der Mündung der Druckzerstäubungsdüse (1) vom düsenseitigen Scheitelpunkt der Zerstäubungsbohrungen (3) 2 mm beträgt.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zerstäubungsbohrungen (3) beim Betrieb des Brenners bezüglich des Zerstäubungsmediums das kritische Druckverhältnis erreicht ist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsmedium Luft ist und die Menge dieser Luft zwischen 10 und 50% der Summe aus Verbrennungsund Zerstäubungsluft beträgt.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäubungsmedium in an sich bekannter Weise überhitzter Dampf einsetzbar ist, der um mindestens 75° C überhitzt ist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäubungsmedium Inertgas oder Erdgas einsetzbar ist.