DE2350658C3 - Device for burning fuel mixed with water - Google Patents
Device for burning fuel mixed with waterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen von mit Wasser versetztem Brennstoff mit Verbrennungsluft in einer Brennkammer, mit einem der Brennkammer vorgeschalteten Mischraum für Brennstoff und Wasser und einer Düse für die Einspritzung des Gemisches in eine Hochtemperatur-Verbrennungszone der Brennkammer. The invention relates to a device for burning fuel mixed with water Combustion air in a combustion chamber, with a mixing chamber for fuel upstream of the combustion chamber and water and a nozzle for injecting the mixture into a high temperature combustion zone of the combustion chamber.
Bei einer solchen, aus der GB-PS 4 76 195 bekannten Vorrichtung wird das Wasser in die Druckleitung des Brennstoffes oder einen Brennstoff-Vorlageraum als Mischraum eingeführt, um für einen Turbinenantrieb schnelle Drehzahländerungen zu ermöglichen. Dabei wird das Wasser in einem Strahl von einer Wasserpumpe aus in den Brennstoff hineingedrückt, so daß eine auch nur annähernd gleichmäßige Verteilung des Wassers im Brennstoffstrom nicht erzielt wird.In such a device known from GB-PS 4 76 195, the water is in the pressure line of the Fuel or a fuel pre-storage space introduced as a mixing space in order for a turbine drive to enable rapid speed changes. The water is sprayed by a water pump pressed out into the fuel, so that an even approximately uniform distribution of the Water in the fuel stream is not achieved.
Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Verbrennung von Brennstoff liegt in einer Unterdrückung der Bildung von Rauch und Stickoxiden. Eine Erhöhung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses und eine Begünstigung der Vermischung von Luft und Brennstoff zur Erhöhung der Verbrennungstemperatur mit dem Ziel, die gebildete Rauchmenge herabzusetzen und die Verweilzeit der Brennstoffteilchen in der Verbrennungszone zu verlängern, um dadurch den gebildeten Kohlenstoff erneut zu verbrennen, führt parallel zur Verminderung der Rauchmenge zu einer Erhöhung der anfallenden Stickoxidmenge.A major difficulty in burning fuel is suppressing formation of smoke and nitrogen oxides. An increase in the air-fuel ratio and a benefit the mixing of air and fuel to increase the combustion temperature with the aim of the formed Reduce the amount of smoke and increase the residence time of the fuel particles in the combustion zone, in order to burn the formed carbon again, leads in parallel to a reduction in the The amount of smoke increases the amount of nitrogen oxide produced.
Es sind im wesentlichen drei Verfahren zur Unterdrückung der Stickoxidbildung bei der Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer einer Gasturbine bekanntThere are essentially three methods of suppressing nitrogen oxide formation during combustion known of fuel in the combustion chamber of a gas turbine
Beim ersten Verfahren wird Wasserdampf aus einem an den Auslaß eines Luftverdichters angeschlossenen Verteilerrohr in den den Innenmantel der Brennkammer umgebenden Raum eingeleitet. Bei diesem Verfahren strömt eine große Dampfmenge vom Mittelabschnitt zum hinteren Abschnitt der Brennkammer, wodurch die Gastemperatur in der Brennkammer vermindert wird, was dazu führt, daß nunmehr die Menge des gebildeten Rauches zunimmt. Außerdem ist bei diesem Verfahren eine außerordnetlich große Menge an Wasserdampf erforderlich, nämlich etwa die gegenüber dem Brennstoff doppelte Menge, um die gebildeten Stickoxide zu reduzieren.In the first method, water vapor from an air compressor is connected to the outlet Distributor pipe introduced into the space surrounding the inner jacket of the combustion chamber. In this procedure a large amount of steam flows from the central section to the rear section of the combustion chamber, whereby the gas temperature in the combustion chamber is reduced, which leads to the fact that now the The amount of smoke produced increases. In addition, this procedure is an extraordinarily large one Amount of water vapor required, namely about twice the amount compared to the fuel to achieve the to reduce nitrogen oxides formed.
Beim zweiten Verfahren wird Wasserdampf um ein Brennstoff-Einspritzventil herum eingespritzt. Bei diesem Verfahren verkleinert sich der Sprühkegelwinkel in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen der Position und der Menge der Wasserdampfeinspritzung uiii deinIn the second method, water vapor is injected around a fuel injector. With this one Procedure, the spray cone angle is reduced depending on the relationship between the position and the amount of steam injection uiii your
Ergebnis, daß die gebildete Rauchmenge möglicherweise noch erhöht wird.Result that the amount of smoke formed may be is still increased.
Das dritte Verfahren stellt eine Weiterentwicklung der beiden vorstehend erläuterten Verfahren dar. Dabei wird Schweröl im Gemisch mit 5% Wasser verbrannt, wobei die Staubmenge (Kohlenstoffkonzentration) auf die Hälfte desjenigen Wertes vermindert werden kann, der ohne Wasserzusatz erzielt wird. Ein mit einer Gasturbinen-Brennkammer durchgeführter Versuch hat jedoch gezeigt, daß die Bacharach-Rauchzahl (abgekürzt B. S. N.) sich nicht wesentlich ändert und daß ζ. Β. im Fall einer Kesselverbrennung die Zugabe der erforderlichen Wassermenge praktisch unwirksam ist um die gebildete Stickoxidmenge zu vermindern. Außerdem erhöht sich dabei selbst bei einer geringfügigen Erhöhung des Luftverhältnisses von bis zu 3% die Menge der ausgestoßenen Stickoxide erheblich (auf 100 bis 200 ppm).The third method represents a further development of the two methods explained above Heavy oil is burned in a mixture with 5% water, whereby the amount of dust (carbon concentration) increases half of the value that is achieved without the addition of water can be reduced. One with one However, a test carried out in the gas turbine combustion chamber has shown that the Bacharach smoke number (abbreviated B. S. N.) does not change significantly and that ζ. Β. in the case of a boiler combustion, the addition of the required amount of water is practically ineffective to reduce the amount of nitrogen oxide formed. In addition, even with a slight increase in the air ratio of up to 3%, the The amount of nitrogen oxides emitted is significant (to 100 to 200 ppm).
Bei der Vorrichtung nach der GB-PS 4 76 195 ergibt sich infolge der ungleichmäßigen Verteilung des Wassers im Brennstoffstrom eine vergleichsweise hohe Rauch- und Stickoxidentwicklung. Um trotz der ungleichmäßigen Verteilung des Wassers eine Wasserkonzentration zu erzielen, welche einer in der Flamme überall ausreichenden Hydroxylgruppenkonzentration zur Reduktion von Stickoxiden und Abbindung von freien Kohlenstoffteilchen entspricht, muß eine vergleichsweise große Wassermenge mit eingespritzt werden. Dies aber führt zu einer merklichen Absenkung der Verbrennungstemperatur, wodurch wiederum die Bildung der zur Reduktion von Stickoxiden und Abbindung von freien Kohlenstoffteilchen benötigten freien Hydroxylgruppen vermindert wird, auch wenn genügend Wasser zur Verfügung steht Überdies wird durch die starke Temperaturabsenkung die Verbrennung verlangsamt und so die Stickoxidbildung begünstigt bzw. die Verbrennung unter Umständen sogar unterbunden.In the device according to GB-PS 4 76 195 results from the uneven distribution of the Water in the fuel flow produces a comparatively high level of smoke and nitrogen oxide. To despite the uneven distribution of water to achieve a water concentration that is one in the flame everywhere sufficient hydroxyl group concentration for the reduction of nitrogen oxides and binding of corresponds to free carbon particles, a comparatively large amount of water must be injected will. But this leads to a noticeable lowering of the combustion temperature, which in turn leads to the Formation of the necessary for the reduction of nitrogen oxides and the binding of free carbon particles free hydroxyl groups is reduced, even if enough water is available Due to the sharp drop in temperature, the combustion slows down and thus promotes the formation of nitrogen oxide or the combustion may even be prevented.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der aus der GB-PS 4 76 195 bekannten Gattung zu schaffen, die eine Verbrennung bei geringer Rauchentwicklung unter gleichzeitiger starker Verminderung der Stickoxidbildung gestattet.In contrast, the invention is based on the object of providing a device from GB-PS 4 76 195 known genus to create a combustion with low smoke development with simultaneous a strong reduction in the formation of nitrogen oxides is permitted.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Dadurch wird erreicht, daß das Wasser trotz des unterschiedlichen spezifischen Gewichtes gleichmäßig verteilt im Brennstoff vorliegt und gleichmäßig verteilt mit dem Brennstoff in die Brennkammer eingespritzt wird. Bei geringer Absenkung der Verbrennungstemperatur trennt das im Brennstoff verdampfende Wasser die Brennstoffteilchen auf, so daß die Flamme sehr kurz wird und der Brennstoff nur eine kurze Verweilzeit in der Verbrennungszone besitzt Infolgedessen verbrennen die Brennstoffteilchen in der Primärverbrennungszone innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne, wodurch die gebildete Rauchmenge reduziert wird. Andererseits wird durch die Zersetzung des feinverteilten Wassers in der Primärverbrennungszone eine hohe Konzentration von Hydroxylgruppen in gleichmäßiger Verteilung mj freigesetzt, so daß sich bildende Stickoxidgruppen reduziert werden. Darüber hinaus wird auch der Hauptanteil des Sauerstoffs bei der vollständigen Verbrennung des Brennstoffes in der kurzen Hochtemperatur-Verbrennungszone verbraucht und ist die ι- ί Verweilzeit der durch die kurzen Flammen zurückgehaltenen Luft kurz, so daß sich eine geringere Möglichkeit für die Bildung von Stickoxide^ ergibt.This ensures that the water is uniform despite the different specific gravity distributed in the fuel and injected evenly distributed with the fuel into the combustion chamber will. If the combustion temperature drops slightly, the water evaporating in the fuel separates the fuel particles so that the flame is very short and the fuel only stays in for a short time As a result, the fuel particles burn in the primary combustion zone within a very short period of time, thereby reducing the amount of smoke generated. on the other hand becomes a high concentration due to the decomposition of the finely divided water in the primary combustion zone of hydroxyl groups released in a uniform distribution mj, so that nitric oxide groups are formed be reduced. In addition, the main part of the oxygen is also used in the complete Combustion of the fuel in the short high-temperature combustion zone is consumed and is the ι- ί Residence time of the air held back by the short flames is short, so that there is less Possibility for the formation of nitrogen oxides ^ results.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt Durch die Merkmale der Ansprüche 10 bis 13 wird die Wirkung der gleichmäßig verteilten Einspritzung des dem Brennstoff zugemischten geringen Wasseranteils im Sinne einer Verminderung der Rauchbildung und der Bildung von Stickoxiden insofern unterstützt, als durch diese Art der Zuführung der Verbrennungsluft eine sehr intensive Verbrennung bei hoher Temperatur erzielt und durch die Querströmung des über die Einlaßöffnungen in der Brennkammerwand eingeführten Luftanteils eine innige Durchmischung in der kurzen Hochtemperatur-Verbrennungszone ermöglicht wird. In der kurzen Hochtemperatur-Verbrennungszone treten dadurch Temperaturen im Bereich von 1500 bis 1600° C auf, die trotz der durch die Wasserzugabe unvermeidlichen relativen Temperaturabsenkung eine weitgehende Zersetzung des Wassers unter Bildung freier Hydroxylgruppen ermöglichen und damit zu einer weitgehenden Reduktion von Stickoxiden und zur Abbindung etwa noch freier Kohlenstoffteilchen beitragen.The subclaims contain advantageous developments of the invention by means of the features of claims 10 to 13 is the effect of the evenly distributed injection of the fuel admixed low water content in the sense of a reduction in smoke formation and the formation of Nitrogen oxides insofar as supported by this type of Supplying the combustion air results in a very intensive combustion at high temperature and through the cross flow of the air portion introduced through the inlet openings in the combustion chamber wall is intimate Mixing is made possible in the short high-temperature combustion zone. In the short high-temperature combustion zone temperatures in the range from 1500 to 1600 ° C occur as a result, which despite the extensive decomposition, which is inevitable due to the addition of water of the water with the formation of free hydroxyl groups and thus to an extensive reduction of nitrogen oxides and contribute to the binding of any carbon particles that are still free.
Aus der DE-PS 1 76 993 ist es zwar an sich bekannt, eine Einführung von Brennstoff, Wasser und Luft in die Brennkammer über konzentrische Düsenöffnungen vorzunehmen. Im Rahmen dieser bekannten Vorrichtung soll jedoch die durch das Brennstoff-Luft-Gemisch gebildete Flamme durch einen Dampfmantel eingehüllt werden, um die Hitzebelastung der Brennkammerwände zu vermindern, ohne daß das Problem einer Verminderung der Rauchentwicklung und der Stickoxidbildung eine Rolle spielt.From DE-PS 1 76 993 it is known per se, an introduction of fuel, water and air into the Carry out the combustion chamber via concentric nozzle openings. In the context of this known device however, the flame formed by the fuel-air mixture should be enveloped by a steam jacket to reduce the heat load on the combustion chamber walls without the problem of a Reduction of smoke and nitrogen oxide formation plays a role.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten vorteilhaften Ausführungsformen näher erläutert.The invention is described below with reference to the advantageous embodiments illustrated in the drawing explained in more detail.
Es zeigtIt shows
F i g. 1 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Rauchentwicklung sowie der Stickoxidentwicklung und der zugemischten Wassermenge bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,F i g. 1 a graphical representation of the relationship between smoke development and the Nitrogen oxide development and the added amount of water in a device according to the invention,
Fig.2 eine schematische Veranschaulichung einer Brennkammer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,Figure 2 is a schematic illustration of a Combustion chamber of a device according to the invention,
Fig.3 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch eine Mischeinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,3 shows, in an enlarged representation, a section through a mixing device of a device according to the invention Contraption,
F i g. 5 eine schaltbildliche, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.F i g. 5 is a circuit diagram, schematic representation of a device according to the invention.
In F i g. 1 sind die gemessene Rauchzahl (B. S. N.) und der Stickoxidgehalt des Abgases einer erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht, die an einer 11-MW-Gasturbine mit Schweröl-Brennstoffen A und B, denen Wasser zugemischt wurde, mit Voll-Last betrieben wurde. Obgleich der Wirkungsgrad der Brennkammer und der Anlage von dem verwendeten Brennstoff abhängt, ergibt sich die angestrebte Wirkung bei einem Mischungsverhältnis von Wasser zu Brennstoff von etwa 2%, während sie bei einem Mischungsverhältnis von etwa 8 bis 10% am höchsten ist Bei diesem Versuch verringerte sich die Rauchzahl um etwa 1 Einheit, und der Rauch wurde praktisch unsichtbar, wenn dem Brennstoff Wasser in einer Menge von etwa 6% zugesetzt wurde. Hierbei wurde auch die Stickoxidkonzentr ation auf etwa 30 ppm wesentlich herabgesetzt.In Fig. 1 shows the measured smoke number (BSN) and the nitrogen oxide content of the exhaust gas of a device according to the invention which was operated at full load on an 11 MW gas turbine with heavy oil fuels A and B to which water was mixed. Although the efficiency of the combustion chamber and the system depends on the fuel used, the desired effect results at a mixing ratio of water to fuel of about 2%, while it is highest at a mixing ratio of about 8 to 10%. In this experiment, it was reduced the smoke number increased by about 1 unit, and the smoke became practically invisible when water was added to the fuel in an amount of about 6%. The nitrogen oxide concentration was also significantly reduced to around 30 ppm.
In F i g. 2 ist eine Brennkammer dargestellt, die ein Brennstoff-Einspritzventil 1, c^ne Verwirbelungseinrichtung 2, Einlaßöffnungen 3 für Verbrennungsluft und Einlaßöffnungen 4 für Kühlluft aufweist. Die BrennkamIn Fig. 2 shows a combustion chamber which has a fuel injection valve 1, c ^ ne swirl device 2, inlet openings 3 for combustion air and inlet openings 4 for cooling air. The Brennkam
Sekundärverbrennungszone b und eine Mischzone c unterteilt. Die Verwirbelungseinrichtung 2 weist Dralischaufeln auf, die unter einem Winkel von 30 bis 35° gegenüber der Brennkammerachse geneigt und um das Einspritzventil 1 herun angeordnet sind, wobei Luft, vorzugsweise in einer Menge von 10 bis 14% der Gesamtluftmenge, über die Verwärbelungseinrichtung 2 in die Brennkammer eingeleitet wird. Die in der Brennkammerwand an der Primärverbrennungszone a vorgesehenen Einlaßöffnungen 3 für Verbrennungsluft sind jeweils mit Verbrennungsluft-Führungsstutzen versehen, und ihre gesamte Offnungsfläche in der Primärverbrennungszone a beträgt 25 bis 40% der GesaiTitöffnungsRäche aller Einlaßöffnungen für Luft in die Brennkammer. Etwa 25 bis 30% der gesamten zugeführten Luft tritt über die Einlaßöffnungen 3 in die Primärverbrennungszone a ein. Die Primärverbrennungszone a bildet eine lokale Hochtemperaturzone, in welche der das zugemischte Wasser enthaltende Brennstoff eingespritzt wird. Etwa 25 bis 30% der gesamten zugeführten Luft tritt über die Einlaßöffnungen 4 in der Mischzone c in die Brennkammer ein. Die restlichen 30 bis 35% der gesamten Zufuhrluft strömen an der Brennkammer entlang und kühlen deren Außenumfang.Secondary combustion zone b and a mixing zone c divided. The swirling device 2 has swirl blades which are inclined at an angle of 30 to 35 ° with respect to the combustion chamber axis and are arranged around the injection valve 1, with air, preferably in an amount of 10 to 14% of the total amount of air, into the Combustion chamber is initiated. In the combustion chamber wall of the primary combustion zone a provided inlet openings 3 for combustion air are each provided with combustion air-guide socket, and their entire opening area in the primary combustion zone a is 25 to 40% of the GesaiTitöffnungsRäche all inlet openings for air in the combustion chamber. About 25 to 30% of the total air supplied enters the primary combustion zone a via the inlet openings 3. The primary combustion zone a forms a local high-temperature zone into which the fuel containing the admixed water is injected. About 25 to 30% of the total air supplied enters the combustion chamber via the inlet openings 4 in the mixing zone c. The remaining 30 to 35% of the total supply air flows along the combustion chamber and cools its outer circumference.
Nachfolgend ist anhand der F i g. 3, 4 und 5 eine Ausführungsform der Mischeinrichtung erläutert, mit deren Hilfe dem Brennstoff Wasser zugemischt wird. Gemäß den Fig.3 und 4 ist ein Abschnitt eins zum Einspritzventil 1 führenden Brennstoff-Zufuhrrohres 11 unter Bildung eines Mischraumes 12 erweitert, wobei am oberen Ende eines vom Mischraum 12 nach oben abgehenden Abzweigrohres ein Flansch 13 gebildet ist. Ein mit Wasseraustrittsöffnungen 5 versehenes Wasserzugaberohr 14 erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zum Brennstoffstrom in den Mischraum 12 hinein. Das Wasserzugaberohr 14 ist mit Hilfe von Schrauben abnehmbar am Flansch 13 befestigt Das Wasserzugaberohr 14 wird dann aus dem Mischraum 12 genommen, wenn eine Einstellung der Wasseraustrittsöffnungen 5 erforderlich wird oder eine Wasserzugabe unerwünscht ist; im letzteren Fall wird die obere öffnung des den Flansch 13 bildenden Abzweigrohres mit einem Deckel abgeschlossen. Die Wasseraustrittsöffnungen 5 durchsetzen die Wand des im Mischraum 12 befindlichen Teiles des Wasserzugaberohres 14 in drei senkrechten Reihen, die in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise in drei verschiedene Richtungen weisen, wobei jede der Wasseraustrittsöffnungen 5 einen Durchmesser von 1 bis 2 mm besitzt Eine dieser drei Reihen ist so angeordnet, daß das Wasser in Gegenstrom zum Brennstoff austritt und in den Brennstoffstrom eingespritzt wird. Wenn die Brennstoffdurchsatzmenge niedrig ist, werden einige der Wasseraustrittsöffnungen 5 selektiv verschlossen, um das gewünschte Brennstoff-Wasser-Mischungsverhältnis zu erreichen. Die gesamte offnungsfläche der Wasseraustrittsöffnungen 5 wird gleich groß oder kleiner als die Querschnittsfläche des Wasserzugaberohres 14 gewählt, wobei die eingespritzte Wassermenge durch entsprechende Wahl der verwendeten Wasseraustrittsöffnungen 5 eingestellt wird. Wenn der Durchmesser des Wasserzugaberohres 14 größer ist als der Durchmesser der Wasseraustrittsöffnungen 5 und deren gegenseitige Mittenabstände, ist der Reibungsverlust im Wasserzugaberohr 14 gering, und die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Wasserzugaberohr 14 verringert sich fortlaufend in Abwärtsrichtung, da das Wasser an jeder Wasseraustrittsöffnung 5 aus den· Wasserzugaberohr XA heraus strömt, so dab die Strömungsgeschwindigkeit schließ lieh am unteren Rohrende gleich Null wird. Da das Wasser seinen statischen Druck bis zum unteren Ende des Wasserzugaberohres 14 beibehält, tritt an den unteren Wasseraustrittsöffnunge;i 5 eine zunehmend größere Wassermenge aus. Infolge des Unterschiedes im spezifischen Gewicht zwischen Brennstoff und Wasser sind die Wasserteilchen bestrebt, sich am BodenThe following is based on FIG. 3, 4 and 5 explain an embodiment of the mixing device with the aid of which water is mixed with the fuel. According to FIGS. 3 and 4, a section of a fuel supply pipe 11 leading to the injection valve 1 is expanded to form a mixing space 12, a flange 13 being formed at the upper end of a branch pipe extending upwards from the mixing space 12. A water supply pipe 14 provided with water outlet openings 5 extends essentially perpendicular to the fuel flow into the mixing space 12. The water supply pipe 14 is detachably fastened to the flange 13 with the aid of screws. The water supply pipe 14 is then removed from the mixing space 12 when the water outlet openings 5 need to be adjusted or the addition of water is undesirable; in the latter case, the upper opening of the branch pipe forming the flange 13 is closed with a cover. The water outlet openings 5 penetrate the wall of the part of the water addition pipe 14 located in the mixing space 12 in three vertical rows, which in the form shown in FIG. 4 in three different directions, each of the water outlet openings 5 having a diameter of 1 to 2 mm. One of these three rows is arranged so that the water emerges in countercurrent to the fuel and is injected into the fuel flow. When the fuel throughput is low, some of the water outlet openings 5 are selectively closed in order to achieve the desired fuel-water mixing ratio. The total opening area of the water outlet openings 5 is selected to be the same size or smaller than the cross-sectional area of the water supply pipe 14, the injected amount of water being set by appropriate selection of the water outlet openings 5 used. If the diameter of the water addition pipe 14 is larger than the diameter of the water outlet openings 5 and their mutual center-to-center distances, the friction loss in the water addition pipe 14 is low, and the flow speed of the water in the water addition pipe 14 decreases continuously in the downward direction, since the water at each water outlet opening 5 from the · The water supply pipe XA flows out, so that the flow velocity is finally equal to zero at the lower end of the pipe. Since the water maintains its static pressure up to the lower end of the water supply pipe 14, an increasingly larger amount of water emerges at the lower water outlet openings; Due to the difference in specific gravity between fuel and water, the water particles tend to settle on the bottom
ίο des Mischraumes 12 abzusetzen. Um eine gleichmäßige Verteilung der Wasserteilchen im Brennstoff zu erreichen, nimmt daher der Durchmesser der Wasseraustrittsöffnungen 5 vom Oberteil zum Unterteil des Wasserzugaberohres !4 fortlaufend ab. Eine sehr gute Vergleichmäßigung der Verteilung der Wasserpartikeln im Brennstoffstrom ergibt sich, wenn der Offnungsdurchmesser linear von 2 mm an der obersten Öffnung auf 1 mm an den untersten Wasseraustrittsöffnungen 5 verringert wird. Ein mit einer solchen Mischeinrichtung durchgeführter Versuch zeigt, daß der Brennstoff mit äußerst stabiler Flamme ohne zeitliche Schwankungen der Brennfähigkeit des Brennstoffes verbrannte, wobei die Wasserteilchen gleichmäßig im Brennstoff verteilt waren und sich ständig regellos bewegten.ίο of the mixing chamber 12. To be even To achieve distribution of the water particles in the fuel, the diameter of the water outlet openings therefore increases 5 from the upper part to the lower part of the water supply pipe! 4 continuously. A very good one The distribution of the water particles in the fuel flow is evened out if the opening diameter linearly from 2 mm at the top opening to 1 mm at the bottom water outlet openings 5 is decreased. An experiment carried out with such a mixing device shows that the fuel with burned extremely stable flame without temporal fluctuations in the combustibility of the fuel, whereby the water particles were evenly distributed in the fuel and were constantly moving at random.
In F i g. 5 ist schematisch eine Vorrichtung mit der in den Fig.3 und 4 veranschaulichten Mischeinrichtung dargestellt. Hierbei kann die Mischeinrichtung einfach in die Brennstoffvcrsorgungsanlage einer üblichen Brennkammer eingefügt werden. Ein von der Druckseite einer nicht näher dargestellten Brennstoffpumpe abgehendes Brennstoffzufuhrrohr 2! ist durch einen Blindflansch 22 verschlossen und die Mischeinrichtung mit mit dem Mischraum 12 ist in ein Abzweigrohr 23 eingefügt, das vom Zufuhrrohr 21 abgeht Das Wasser wird durch eine Wassereinspritzpumpe P über ein handbetätigbares Einstellorgan 24 zum Wasserzugaberohr 14 der Mischeinrichtung geführt Als Wasserpumpe P kann eine Pumpe verwendet werden, die einen dem Brennstoffstrom proportionalen Wasserstom liefert, soIn Fig. 5, a device with the mixing device illustrated in FIGS. 3 and 4 is shown schematically. Here, the mixing device can simply be inserted into the fuel supply system of a conventional combustion chamber. An outgoing from the pressure side of a fuel pump not shown in detail fuel supply pipe 2! is closed by a blind flange 22 and the mixing device with the mixing chamber 12 is inserted in a branch pipe 23 by the supply pipe 21 goes off, the water is passed through a water injection pump P through a manual setting member 24 to the water feed tube 14 of the mixing device as a water pump P, a pump are used, which supplies a water flow proportional to the fuel flow, so
4(i daß das Wasser in einer der Durchsatzmenge des Brennstoffes proportionale Menge zugeführt wird. Eine zur Einspritzdüse 1 führende Einspritzleitung 25 für das Brennstoff-Wasser-Gemisch ist über eine Länge von etwa 10 m leicht geneigt, um eine Trennung von Brennstoff und Wasser zu vermeiden, wobei dieser Abschnitt der rohrförmigen Einspritzleitung 25 frei von Taschen und Ausnehmungen sein sollte. Am tiefsten Punkt des Systems ist ein Ablaßventil angeordnet, um das System trocken zu legen, wenn die Brennkammer nicht in Betrieb ist Die Brennkammern selbst sind bei A angedeutet4 (i that the water is supplied in an amount proportional to the flow rate of the fuel. An injection line 25 leading to the injection nozzle 1 for the fuel-water mixture is slightly inclined over a length of about 10 m in order to separate the fuel and water avoid this portion of the tubular injection conduit 25 should be of pockets and recesses free. at the lowest point of the system, a drain valve is arranged to place dry to the system if the combustion chamber is not the combustors themselves are indicated at a in operation
Zu Beginn der Verbrennung wird nur Brennstofl zugeführt Das Wasser wird dem Brennstoff in geregelter Menge zu dem Zeitpunkt zugesetzt, an welchem bei zunehmender Verbrennungsbelastung Rauch und Stickoxide im Abgas auftreten. Durch Zugabe von 6 bis 8% Wasser kann die Rauchzahl um 1 Einheit herabgesetzt und die Konzentration an Stickoxiden von 75 ppm auf einen Wert von etwa 30 ppm verringert werden. Die zugemischte Wassermenge ist allerdings Beschränkungen unterworfen. Bei Zumi schung zu großer Wassermengen entsteht eine zunehmende Rauchentwicklung, obgleich dabei der Stickoxidanteil weiterhin abnimmt Zweckmäßigerweise konnerAt the beginning of the combustion only fuel is added. The water is added to the fuel in regulated amount added at the time which smoke and nitrogen oxides occur in the exhaust gas when the combustion load increases. By Adding 6 to 8% water can reduce the smoke number by 1 unit and the concentration of nitrogen oxides from 75 ppm to a value of about 30 ppm. The added amount of water is however subject to restrictions. If too large amounts of water are added, an increasing amount is created Smoke development, although the nitrogen oxide content continues to decrease
b"> bis zu etwa 10% Wasser, bezogen auf die Brennstoffmenge, zugesetzt werden; dies entspricht lediglicr einem Zehntel bis einem Zwanzigstel der bei bekannter Verfahren zur Reduzierung der Stickoxidbildung durcrb "> up to about 10% water, based on the amount of fuel, be added; this corresponds to only a tenth to a twentieth of that of known ones Process to reduce the formation of nitrogen oxides by means of
Einspritzung von Wasserdampf verwendeten Wasseimenge, vodurch die ! -"Vc des Wuö.>erzus£itzes unvermeidliche Abkühlung der Hochtemperatur-Verbrenii^ngszüiie stark reduzic-i ι wird.Injection of steam, amount of water used, by the! - "Vc des Wuö.> Erzus £ itzes inevitable cooling of the high-temperature combustion lines strongly reduced-i ι becomes.
Obgleich die Mischeinrichtung ■',!; dem Mischraum 12 b"irn Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 5 an der Druckseite der Brennstoffpumpe angeordnet i1' kann sie seüivMtTStändlich auch an uer .Saugseite der Brennstoffpumpe vorgesehen sein In diesem Fall muß eine Umwälzpumpe zum kontinuierlichen Umwälzen des Brennstoffs im Brennstoffbehälter vorgesehen sein, da andernfalls der Brennstoff infolge der Wirkung eines an der Druckseite der Brennstoffpumpe vorgesehenen Druckregelventils zum Brennstoffbehälter zurückfließen und das mit dem Brennstoff vermischte Wasser sich am Boden des Brennstoffbehälter absetzen würde.Although the mixing device ■ ',!; the mixing chamber 12 b "in the exemplary embodiment according to FIG. 5 arranged on the pressure side of the fuel pump i 1 'it can also be provided on the suction side of the fuel pump the fuel would flow back to the fuel tank as a result of the action of a pressure control valve provided on the pressure side of the fuel pump and the water mixed with the fuel would settle at the bottom of the fuel tank.
Mit der erläuterten Vorrichtung wird die Rauchentwicklung dadurch reduziert oder verhindert, daß der Verbrennungsgrad durch Zerstäubung des Brennstoffs auf möglichst kleine Partikelgröße erhöht und diese kleinsten Brennstoffpartikeln verbrannt werden, bevor sie durch die Kühlluft in der Mischzone c abgekühlt werden. Außerdem verringert sich der Sauerstoff-Partialdruck, und die Geschwindigkeit der die Stickoxide bildenden Reaktion wird verlangsamt, da die Länge der Kohlenwasserstoff-Flammen kurzer und die Zeit für die Oxidationsreaktion von Stickstoff in Luft zu Stickoxiden verkürzt wird.With the device explained, the development of smoke is reduced or prevented in that the degree of combustion is increased to the smallest possible particle size by atomizing the fuel and these smallest fuel particles are burned before they are cooled by the cooling air in the mixing zone c. In addition, the oxygen partial pressure is reduced and the rate of the reaction which forms the nitrogen oxides is slowed down, since the length of the hydrocarbon flames is shortened and the time for the oxidation reaction of nitrogen in air to form nitrogen oxides is shortened.
Das dem Brennstoff zugesetzte und als Zerstäubungsmiud in die Hochtemperatur-Verbrennungszone eingespritzte Wasser in Dampfform senkt die Verbrennungstemperatur in der Primärverbrennungszone j, teilt jedoch auch die Brennstoffteilchen in der Nähe dieser Zone infolge der bei seiner Verdampfung freigesetzten Energie weiter auf. Außerdem zersetzt sich das Wasser unter Bildung aktiver Hydroxylgruppen bei der hohen Temperatur nach dci formel:The water in vapor form added to the fuel and injected into the high-temperature combustion zone as atomization medium lowers the combustion temperature in the primary combustion zone j, but also further divides the fuel particles in the vicinity of this zone as a result of the energy released during its evaporation. In addition, the water decomposes with the formation of active hydroxyl groups at the high temperature according to the formula:
2 H;O^ H; ι- 2^M2 H; O ^ H; ι- 2 ^ M
Diese Hydroxylgruppen sind hochreaktionsfähig und setzen sich gemäß der nachstehenden Formel mit den in einem angereicherten Zustand des Gemisches gebildeten Kohlenstoffteilchen um, wodurch auf an sich bekannte Weise die Kohlenstoffkonzentration reduziert wird:These hydroxyl groups are highly reactive and are set according to the formula below with the in carbon particles formed in an enriched state of the mixture, thereby affecting itself known way the carbon concentration is reduced:
C + 2 OH - CO2 + H2.C + 2 OH - CO 2 + H 2 .
Infolge der Gegenwart von Wasser in der Primärverbrennungs/one a werden mithin Hie Brennstoffteilchen noch feiner aufgeteilt, wodurch die Flamme verkürzt und mithin die Rauchmenge vermindert wird. Außerdem kann durch die Wasserzugabe effektiv die Bildung von Stickoxiden und Rauch reduziert werden, da die Zeitspanne, während welcher sich die Stickoxide bilden könnten, sehr kurz ist, wobei die verminderte Verbrennungstemperatur die Stickoxidbildung unterdrückt und der gebildete Kohlenstoff durch die freien Hydroxylgruppen verbrannt wird.Due to the presence of water in the primary combustion / one a Hie fuel particles are thus divided more finely, thereby shortening the flame, and hence the amount of smoke is reduced. In addition, the addition of water can effectively reduce the formation of nitrogen oxides and smoke, since the period of time during which the nitrogen oxides could form is very short, with the reduced combustion temperature suppressing the formation of nitrogen oxides and the carbon formed being burned by the free hydroxyl groups.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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