DE2320442C3 - Brenner zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff, insbesondere Heiz- und Dieselöl, mit Luft, mit einer Druckzerstaubungsdüse 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.

Hin derartiger Brenner ist aus US-PS 3630024 bekannt. Bei dem bekannten Brenner wird aus einer DriiL'k/crstäuberdüsc (17) kommender Brennstoff durch einen Luftstrom (aus Kanälen 18) erfaßt, zerstäubt und tritt anschließend aus dem Zerstäubungskanal aus. Danach sorgt ein weiterer, in Wirbeln gelenkter Luftstrom für einen Schraubenlinienwirbel, der eine gute Durchmischung gewährleistet und den Staubstrahlstrom stabilisiert. Diese Luft soll ferner die Ablagerung von Ruß auf den nachgeschalteten Brennerteilen verhindern. Das aus dem Zerstäubungskanal austretende Brennstoff-Luft-Gemisch wird offensichtlich nicht rußfrei verbrannt, denn es werden zusätzliche Düsen verwendet, die die Rußbildung im Bereich der Düsen verhindern sollen. Daraus ist zu schließen, daß bei Zusammenströmen des Brennstoffes und der Luft im Zerstäubungskanal die Tröpfchengröße des austretenden Brennstoffes nicht wesentlich beeinflußt wird; es werden lediglich sogenannte Brennstoff-Taschen aufgelöst, also Tropfen-Agglomerate vermieden.

Der Brenner gemäß Stand der Technik dient zur Beaufschlagung einer Gas-Turbine, kann also unkritisch mit Luftüberschuß betrieben werden. Trotzdem wird davon ausgegangen, daß bei der Verbrennung Kuß CiIiMCMCiI kann, jcuciifaiis an bcMiiiiniieu Stellen der Verbrennungsdüsenanordnung. Zur Herstellung von Inertgas, also praktisch sauerstofffreiem Veras brennungsgas, ist der bekannte Brenner daher nicht geeignet, da bei stöchiometrischer Verbrennung Voraussetzung für die Herstellung s.uierstofffreier Verbrennungsgase - Rußbildung auftreten würde.
In der Zeitschrift IKZ, 1965, S. 462, ist ein Überdruckbrenner dargestellt, bei dem der Brennstoff mechanisch mit Hilfe einer Düse zerstäubt wird. Anschließend wird Verbrennungsluft durch schräg angestellte Kanäle zugeführt, um Luft in den Brennstoffnebel einzubringen. Hieraus resultiert anschlicßend eine drehende Luftbewegung, die stabilisierend auf die Verbrennung wirkt. Zerstäubt wird der Brennstoff ausschließlich durch die mechanische Wechselwirkung bei Austritt aus der Brennstoffdüse, wobei die hierbei entstehenden Tröpfchen relativ groß sind, daher relativ langsam verbrennen -,.pd eher gelbliche als blaue Flammen erzeugen. Daraus resultiert viel Strahlungswärme.

Demgegenüber stellt sich die Erfindungsaufgabe, einen Brenner der eingangs genannten Art zu schaffen, insbesondere zur Erzeugung von Inertgas, der aufgrund inniger Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft eine vollständige Ausnutzung des Brennstoffes bei stöchiometrischen Bedingungen und die Vermeidung von Rußbildung bei unterstöchiome-

S„ trischen Bedingungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

- der Ringkanal für das Zerstäubungsmedium in mehreren tangential angeordneten Zerstäubungsbohrungcn endet,

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

- die dem Zerstäubungskanel stromab nachgeordnete Mischzone von einem zylindrischen Mantel

umfaßt ist, der in einen Brennermund übergeht, an den sich ein Brennerrohr anschließt, dessen Querschnitt gegenüber dem Zylindermantel-Querschnitt um mindestens 10% verengt ist.
Bei dem Brenner gcmäU Erfindung wird mit Vorteil davon Gebrauch gemacht, daß das durch die Zerstäubungshohrungen eintretende Medium einen hohen Auftreffimpuls hat un.l wie Messungen ergehen ha-

ben - die aus der Düse herauskommenden, verhältnismäßig großen Brennstoff-Tröpfchen wetter zerschlägt. Diese Verkleinerung der Tröpfchengröße ist eine wichtige Voraussetzung, um die Rußbildung und das Cracken des Öles zu vermeiden. Als Zerstäubungsmedien eignen sich Gas, Dampf oder auch Luft, Die Zugabe des Hauptanteiles an Verbrennungsluft erfolgt axial gleichgerichtet zum Brennstoffstrahl nach Verlassen des Zerstäubungskanals. Durch diese Zuführung kann i!ie 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 Ültröpfchen 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. Ais äußeres Bild im 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 Flammenstabilisicrung. Um im Bereich zwischen Brennerrohr und Mantel einen allmählichen, unerwünschte Verwirbelungen ausschließenden Übergang zu erhalten, verjüngt sich der Brennermund kegelstumpfförmig, wobei die Neigung u 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 d!j 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 Vcrbrennungs- und Zers'äubungsluft 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, lis zeigt

Fig. I einen Schnitt durch einen Brenner.

(ig. 2 einen Schnitt durch die Zerstäubungsdüse.

fig. .1 einen Schnitt entlang der linie Ii-Ii in

lig.:.

1- ig. 4 ein Diagramm .',ir die Abhängigkeit der zerstäubten Brennstoffmenge von dem Zerstäubungsmedium mit einem Bereich für die erfindungsgemäße Verbrennung,

Fig. 5 eine Rabelle für die Abmessungen von

S Brennern gemäß der Erfindung, wobei der Abstand der Zerstäubungsdüse vom Brennermund und der kleinste Durchmesser des Brennermundes in Abhängigkeit von dem durchgesetzten Brennstoff angegeben sind.

ίο Der Brenner gemäß Fig. 1 besteht aus einem Zerstäubungbteil 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 llgebildeten

is 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 Il und der Ringkanal 15 sind an dem von der Brennkammer abgewandten *!nde durch eine Plaüe 19 mit einem Sichtglas 17 vcisrtlosseii. über die Zuleitung 20 erfolgt die Zuführung des flüssigen Brennstoffs. Eine Zuleitung 21 ist für das Zerstäubungsmedium vorgesehen. Ein weiterer Anschluß 14 dient z;:r Flammenüberwachung.

An den Mantel Il schließt sich eine kegelstumpfförmige Verjüngung an, die sich in einer entsprechend gebohrten Platte 12' befindet. Die Verjüngung wird als Brennermund 12 bezeichnet. De. 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 <i 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 so grc'I ist, daß die Verbrennungsluft in die Mischströmung eingebracht wird, aber nicht so groß, daß sich Ültröpfchen 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 den

jo Zerstäubungskanal 2 münden mit einem axialen Mindestabstand von 2 mm, gemessen vom düsenseitigen Scheitelpunkt zum Mundstück der Druck-Zerstäubungsdüse 1, Zerstäubungsbohrungen 3, welche das ZerstSubungsmedium in einer Ebene senkrecht oder schräg zu der Brennerachse zuführen. Die Bohrungen 3 münden dab^i tangential zum Zersiäubungskanal2 (Fig. 3).

Erfindungswesentlich ist, daß das Zerstäubungsmedium in diesen tangentialen Bohrungen 3 zuge- führt wird und dfc3 der Abstand das vorstehend genannte Mindestmaß aufweist. Der Zerstäubungskanal 2 endet in einer planen Öffnung 4, deren Bcgren/ungscbcnc senkrecht zur Brcnntrachse stellt. Die Zuführung lies Zerstäubungsmediums erfolgt ge-

S₅ maß lig. 2 zu ilen Bohrungen 3 über einen Ringkanal 9, so daß eine gleichmäßige Druckverteilung über alle Höhlungen 3 gegeben ist.

Der Brennstoff wird in der Druckzerstäubunns-

düse 1 chcufalls durch tangentiale und gegenüber der Brennerachsc geneigte Kanäle zu einer Aiisspritzbohrung geleitet und in feine Tröpfchen /erteilt. Anschließend trifft den Strahl im Zerstäubungskanal 2 das /.erstäubungsmedhim und /erschlägt die austretenden Tröpfchen und vermischt sieh innig mit dem Hrennstiiffstrahl. Anschließend wird der Brennsloff 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 tangcntialc und schräge Kanäle zugeführt wird,

2. Zuführung von Zerstäubungsmedium (insbesondere I Dft. aber auch überhitzter Dampf, Erdgas. Inertgas) in einem Zerstäuhungskanal. wobei das Zerstäubungsmedium über tangcntiale 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:

V /unuschung \on Verbrennungsluft, die axial gleichgerichtet /um Brennstoffstrahl nach Verlassen des Zestauhungskanals zutritt, wonach die Mischung in eine Mischzone strömt, die von ei nein zylindrischen Mantel umfallt ist:

4. Einschnürung der Mischströmung in dem Brenneiroln 13. wodurch eine erhöhte Geschwindigkeit und flammenstabilisierung erfolgen.
Aus fig. 4 ist ersichtlich, daß für jede zu verbrenm nende Brennstoffmenge /wei Grenzhereiche für das Zerstäuhungsmedium 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 zugeführtt Menge an Zerstäubungsmedium. Wenn dabei dit Werte innerhalb der beiden durchgezogenen Linier des Diagramms liegen, ergibt sich crfahrungsgemät eine gute Verbrennung. Ersichtlich ist also eine glitt Verbrennung abhängig davon, daß im Verhältnis ζ ι dem zugeführten Brennstoff eine bestimmte Gc wichtsmenge an Zerstäuhungsmedium zugeführt wird d. h.. daß ein bestimmter Mindest-Impuls im Verhält nis zu dem verbrannten Brennstott für die Zcrstäu bung aufgewendet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichniinci-n

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 desse η Umfang ein Ringkanal für ein Zerstäubungsmedium mündet, und einer koaxialen Zuleitung für Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß

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

- die Verbrennungsluft axial gieichgerichtet 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 (13) 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 « des Kegelmantels 20-50° zur Brennerachse beträgt.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Mindestabstand der Mündung der Druckzerstäubungsdüse (1) vom diisenseitigen 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.