DE2364053A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen von brennstoff - Google Patents

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DIPL.-PHYS. F. ENDLICH eos* luterpfaffenhofen 21.Dez. 197$

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Meine Akte: A-3393

Anmelderin: Aqua-Chem, Inc., Milwaukee, Wisconsin/USA

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei herkömmlichen Verfahren zum Verbrennen von gasförmigen, flüssigen und fein verteilten feefcen Brennstoffen wird über den stöchiometrischen Wert hinaus der Brennstoff zusammen mit Luft zur Verbrennung in die Brennkammer unter Bedingungen eingespritzt, welche eine innige Mischung der Luft und des Brennstoffs fördern und beschleunigen, um eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffs zu erhalten. Im allgemeinen ι wird die Verbrennungsluft turbulent an der Brennstoffeinspritz-• stelle eingespritzt, um das unmittelbare Mischen zu beschleunigen, Aufgrund der Turbulenz in diesen Behältern mußte mehr Energie

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für die Luftzufuhr und zum Ausstoßen der Abgase aufgewendet werden, welche einen hohen Gehalt an Kohlenmonoxyd, einzelnen Teilchen, nicht verbrannten Kohlenv/asserstoffen und Stickstoffen aufwiesen.

Die turbulente Lufteinspritzung wurde üblicherweise durch Verwirbeln der Verbrennungsluft vor deren Einspritzung in den Brenner erreicht. Obwohl mit dieser Technik eine turbulente Vermischung in dem Brenner erreicht wurde, war sie in zweifacher Hinsicht nachteilig« Zum einen wird durch die turbulente Lufteinspritzung der Druckabfall im Brenner bzw. in der Brennkammer größer und es werden höhere Anforderungen an das Gebläse gestellt, mittels welchem Luft in die Verbrennungszone gepumpt wird, als sie erforderlich wäre, wenn die Luft im wesentlichen linear in die Brennzone gepumpt würde. Zum anderen ist, obwohl das Mischen der Luft und des Brennstoffs in dem Brenner durch die turbulente Lufteinspritzung durchgeführt wird, eine derartige Mischung nicht voll wirksam, da die sich verwirbelnde Luftmasse dazu neigt, sich infolge der 2aatrifugalkraft von dem Brennstoff zu entfernen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff zu schaffen, bei welchem Stickoxyde, Eohlenmonoxyde, gasförmige und partikelförmige Kohlenwasserstoffe sowie kohlenstoffhaltige Teilchen in den Abgasen im wesentlichen auf ein Minimum herabgesetzt sind, !ferner soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff geschaffen werden, um die vorerwähnten atmosphärischen Verunreinigungen auf ein Minimum zurückzuführen, wobei das Verfahren und die Vorrichtung wirksamer sind als herkömmliche Verbrennungsverfahren und die entsprechenden Einrichtungen.

Gemäß der Erfindung wird die Brennstoffmischung von einer

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Brennerdüse aus mit einer Drall- oder Verwirbelungsbewegung zusammen mit einem dünnen, koaxialen, äußeren Luftstrom eingespritzt, um einen an Brennstoff reichen Flammenkern in der Verbrennungszone zu bilden. Der Ausgleich an Luft, die zur vollständigen stöchiometrischen Verbrennung erforderlich ist, wird koaxial um den Kern von der Einspritzseite der Verbrennungskammer aus eingespritzt, um einen parallelen, den Kern umgebenden Luftstrommantel zu bilden. Der Luftmantel sowie der Flammenkern verbleiben im wesetlichen an den Stellen getrennt, die in axialer Richtung nahe der Brennstoffeinspritzstelüe liegen, wobei das tatsächliche Vermischen des Kerns und des Luftmantels verzögert wird, bis sie in axialer Richtung entlang der Brennkammer verlaufen, wo eine zunehmende Vermischung stattfindet. Es wird angenommen, daß die verzögerte Vermischung eine Wärmestrahlung von der Flamme aus vor der vollständigen Verbrennung ermöglicht, so daß die Flammentemperatur unter etwa 1370°C

P) liegt, so daß keine wesentlichen Mengen an Stickoxyden gebildet werden. Da ferner die Brennerausführung das Vermiachen von Luft und Brennstoff mit einer minimalen Turbulenz .ermöglicht, ist weniger Energie für den Antrieb des Gebläses für die Luftzufuhr erforderlich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kessel mit einem Brenner gemäß der Erfindung;

Fig. 2 teilweise im Schnitt eine vergrößerte Seitenansicht durch den in Fig. 1 dargestellten Brenner;

Fig. 3 eine Schnitt an sieht durch den Dämpfer entlang der Linie 3-3 der Fig. 2;

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4· eine vergrößerte, vertikale Längsschnittansicht der Brennerdüse; und

i'ig. 5 einen Querschnitt durch die Brennerdüse entlang der Linie 5-5 der Eig. 4.

Obwohl das Prinzip des Verfahrens und der Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff bei verschiedenen Verbrennungseinrichtungen anwendbar ist, wird die Erfindung der Einfachheit halber anhand eines Wasserrohrkessels beschrieben, wie er in Fig. 1 dargestellt ist«, Der Kessel 10 weist einen herkömmlichen Aufbau mit einem äußeren Metallmantel 11 auf, welcher einen oberen Zylinder 14 und einen unteren Zylinder 15 umschließt, welche miteinander mittels einer Anzahl von mit Wasser gefüllten Rohren auf der Vorderseite und einer Anzahl Rohre auf der Rückseite verbunden sind_? wie in i'ig. 1 dargestellt ist. Die Rohre auf jeder Seite des KesseS können durch zwischen sie eingeschweißte Metallrippen verbunden sein; die auf jeder Seite miteinander verschweißten Rohre und Rippen im Innern des Kessels begrenzen einen Hohlraum, in welchem Wärme zwischen warmen Verbrennungsgasen und Wasser oder Dampf in den-Rohren ausgetauscht wird. Ein Auäaß 20 ist nahe dem hinteren Ende des Kessels zum Ausstoßen der Abgase vorgesehen, nachdem diese einen Wärmeaustausch mit den Rohren 16 und 17 vorgenommen haben.

An der Vorderseite des Kessels 10 kann ein Gehäuse 21 befestigt sein, welches oben einen Ventilator 22 und unten einen Speicherraum 23 für Verbrennungsluft umschließt. An dem Gehäuse 21 kann ein Antriebsmotor 24 für den Ventilator 22 angebracht sein, der über eine Welle 25 an den Ventilator 22 angekuppelt ist. Wenn der Ventialtor mittels des Motors 24 betrieben wird ^ saugt er Luft über einen nicht dargestellten Einlaß an? welche der Speiciierkammer 23 verdichtet zugeführt wird.

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Ein Brenner 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich durch die Speicherkammer 23 in dem Gehäuse 21 und reicht mit seinem inneren Ende etwa bis zu der feuerfesten Einlaßöffnung 32 des Brennraums 33-Der Brenner 30 weist im allgemeinen eine Dämpfungseinrichtung 34 zum Steuern der Verbrennungsluftmenge, eine Düsenanordnung 35» um einen entsprechenden Brennstoff, wie beispielsweise Öl der Brennkammer zuzuführen und ein Luftzuführsystem 36 auf, um die Verteilung der Verbrennungsluft bezüglich der Düsenanordnung 35 zu steuern.

In den Figuren 2 und 3 ist die Dämpfungseinrichtung 34 dargestellt, welche ein äußeres, zylindrisches Gehäuse 40, das an der Speicherungskammer 23 des Gehäuses 21 befestigt ist, sowie ein inneres, konzentrisches Dämpfungsteil 41 auf, welches mittels einer mittig angeordneten Nabe 42 und einer Anzahl sich zwischen der Nabe 42 und dem inneren Dämpfungsteil 44 erstreckender radialer Streben 44 an der zylindrischen Düsenanordnung 35 gehaltert. Das Gehäuse 40 ist und das Dämpfungsteil 41 weisen jeweils eine Anzahl im Abstand voneinander angeordneter Öffnungen 46*bzw. 47 auf, die etwas weniger als eine Hälfte deren Oberflächen einnehmen. Die Öffnungen 47 können mit den öffnungen 46 zur Deckung gebracht werden, wenn das Dämpfungsteil 41 gedreht wird. Durch die Winkelstellung des Dämpfungsteils 41 bezüglich des Gehäuses 40 wird die Menge an Verbrennungsluft bestimmt, mit welcher der Brenner 10 von dem Speicherungsraum 23 aus versorgt wird. Diese Winkelbeziehung kann auf irgendeine bekannte Art reguliert werden, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Servomotors, welcher das Dämpfungsteil 41 entsprechend einem wärmeanfordernden Signal von einem Steuer-Feuerungsraum aus in die richtige Winkelstellung bringt. Eine Anzahl feststehender, plattenförmiger Leitbleche 51 verlaufen in radialer Richtung zwischen der Innenseite des Dämpfungsteils 41 und der Düsenanordnung 35· Mittels der Leitbleche 51 wird die Dral.l-

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oder Verwirbelungsbewegung des Luftstroms durch die Dämpfungseinrichtung 34- vermindert und der Luftstrom von der Dämpfungseinrichtung in einen im allgemeinen gerade verlaufenden, axialen Luftstrom zu dem Luftzuführsystem 36 durch ein zylindrisches Brennergehäuse 53 geleitet, welches sich zwischen der Dämpfungseinrichtung 34 und der öffnung 32 aus feuerfestem Material erstreckt, welche den Brenner 35 konzentrisch umgibt.

Die in den Figuren 2 und 4- dargestellte Düsenanordnung 35 weist eine Düse 55 auf, welche nahe dem Brennkammereinlaß 32 konzentrisch und in bestimmten Abstand von hohlen Rohren 56 bis 58 zur Zuführung des Brennstoffs, der Zerstäubung von Luft und der Zufuhr von tertiärer Luft angeordnet sind. Der Spalt 59 zwischen den Rohren 57 und 58 begrenzt einen ringförmigen Durchlaß für eine tertiäre Luftströmung und ein Spalt 60 zwischen den Rohren 56 und 57 begrenzt einen ringförmigen Zerstäubungsluftdurchlaß. Die Rohre 56 und 57 erstrecken sich durch die Dämpfungseinrichtung 3²S wo das Rohr 56 mit seinem äußeren Ende an einer entsprechenden Brenner-Einspritzeinrichtung 63 verbunden ist, über welche Brennstoff unter Druck von einer nicht dargestellten Quelle eingespeist wird.

Ferner ist ein Anschluß 64· vorgesehen, um unter ^ruck gesetzte Zerstäubungsluft von einer (nicht dargestellten) Quelle dem Zwischenraum 60 zwischen den Rohren 56 und 57 zuzuführen. Wie insbesondere aus den Fig. 4- und 5 zu ersehen ist, weist die Düse 55 erste und zweite Düsenteile 65 und 66 auf, welche auf die Enden der Rohre 56 und 57 für die Zufuhr von Brennstoff bzw. von Zerstäubungsluft durch Gewinde aufgeschraubt sind. Das erste Teil 65 weist einen hohlen unteren Teil, welcher an dem Rohr 56 anliegt, und einen Kopfteil 67 mit einem größeren Durchmesser auf, Eine Anzahl Durchlässe 68 verläuft in radialer Richtung durch

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den Kopfteil 67; sie verbinden das Innere 69 des Rohres 56 mit dem ringförmigen Zerstäubungsluft-Durchlaß 60 zwischen den Rohren 56 und 57· Wie am besten aus der Schnittdarstellung der Fig. 4 zu ersehen ist, besteht die vordere äußere Fläche des Kopfteils 67 aus einem abgestuften Kegel mit einem erhabenen, kegelstumpfförmigen Teil 70, welcher zu einem kegelförmigen, spitzen Teil 71 abgestuft ist, dessen Spitze sich zum Inneren des Brennraums hin erstreckt. Die Basis des abgestuften, kegelstumpfförmigen Teils 70 endet in einer zylindrischen Fläche 72, welche im Abstand von dem Inneren des zweiten Düsenteils 66 angeordnet ist, um den Zwischenraum 60 zu bilden. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, sind eine Anzahl Rinnen oder Kanäle 74 in dem erhabenen, kegelstumpfförmigen Teil 60 des Kopfteils 67 zwischen der zylindrischen Basis 72 und der konischen Spitze 71 ausgebildet ; die Rillen oder Kanäle 74 sind im allgemeinen tangential bezüglich der Basis des spitzen Teils 71 ausgerichtet. Diese Rillen oder Kanäle 74- bilden daher Durchlässe, welche den Spalt 70 und die Spitze 71 äes Kopfteils 67 miteinander verbinden.

Das zweite Düsenteil 66 weist einen im allgemeinen zylindrischen Hauptteil 75 auf, welcher eine Verläijprung des Rohrs 57 darstellt und dessen nach innen verlaufendes Ende 76 innen eine kegelförmige Fläche 77 aufweist, welche an der erhabenen, kegelstumpf örmigen Fläche 70 des Kopf teils 67 anliegt. Das Teil 66 weist ferner eine äußere, im allgemeinen kegelstumpf förmige Fläche 78 auf, welche die Innenfläche 77 an einer Stelle nahe der Abstufung des Kopfteils 67 schneidet, um eine kreisförmige Öffnung 79 zu bilden. Über die Rillen oder Kanäle 74 steht der Spaltf 60 mit der öffnung 79 in Verbindung.

Das Rohr 58 für die Zufuhr tertiärer Luft endet in einem ringförmigen, nach innen gebogenen, geneigten Teil 81, welches

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sich etwas über das Ende des Düsenteils 66 hinaus erstreckt und im Abstand von diesem angeordnet ist. Der Durchlaß 59 für die Tertiäiuft endet daher in einem koaxialen, ringförmigen Durchlaß 82 entlang dem Umfang der Düse 55· Wie aus Pig. zu ersehen ist, erstreckt sich das Rohr 58 für die Tertiärluft nach rückwärts bis zu einer Stelle in der Dämpfungseinrichtung 34, wo es abgedichtet ist und von einem ringförmigen Teil 85 getragen wird, welches in einem bestimmten Abstand koaxial bezüglich des Rohrs 57 für die Zerstäubungsluft gehaltert ist. Eine in radialer Richtung verlaufende Leitung 86 erstreckt sich durch die Dämpfungseinrichtung 34 hindurch und beginnt nahe dem Abdichtungsteil 65 am Ende des Rohrs 58 für die Tertiärluft. Die Leitung -86 stellt einen Verbindungsdurchlaß zwischen der Speicherungskammer und dem Inneren des Rohr 58 für die Tertiärluft dar» In der Umfangsflache der drehbaren Dämpfungseinrichtung 41 ist eine segmentförmige Öffnung 87 ausgebildet, so daß eine Drehung des Teils 41 bezüglich des Rohrs 87 möglich ist.

Die in den Fig. 2, 4 und 5 dargestellte Anordnung 36 zur . Luftzufuhr weist eine sich in radialer Richtung erstreckende, löchrige Maschenscheibe 90 auf, welche in axialer Richtung in Abstand von dem Ende der Düse 55 angeordnet und an der äußeren Umfangsflache des Zuleitungsrohrs 58 für die Tertiärluft befestigt ist. Ein ringförmiger Rand 91 ist am Außemumfang der löchrigen Scheibe 90 befestigt und weist eine Anzahl in axialer Richtung verlaufender, in Abstand voneinander angeordneter Leitbleche 92 auf, welche sich von der Vorderseite des Randes 91 zur Brennraumöffnung 32 hin erstrecken. Die im Abstand voneinander angeordneten Leitbleche 92 sind im allgemeinen tangential bezüglich des Umfanges des Randes 90 ausgerichtet. Eine zweite ringförmige Scheibe 93 ist an den gegenüberliegenden Enden der Leitbleche 92 befestigt und liegt in einer Ebene, die im allgemeinen senkrecht zu der Achse der Düsenanordnung 35 ist» Der Innendurchmesser der Scheibe 93 ist etwa der gleiche wie der Außendurchmesser der

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Maschenscheibe 90. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, weist der Brennkammereinlaß 34 aus feuerfestem Material eine umgekehrt verlaufende Fläche 94 auf, welche im Schnitt bogenförmig in Richtung auf die Scheibe 93 verläuft. Die Scheibe 93 und die Fläche 94 bilden einen ringförmigen Strömungsraum 95 zwischen dem Gehäuse 53 und dem Brennraum 33·- Durch die im Abstand voneinander angeordneten Leitbleche 92 und die löchrige Scheibe 90 sind parallele Strömungspfade gebildet.

Wenn der Brenner in Betrieb ist, wird Brennstoff mittels der Brennereinspritzeinrichtung 63 in das Innere 69 des Brennstoff-Zuleitungsrohrs 56 zugeführt, während gleichzeitig unter Druck stehende Zerstäubungsluft dem ringförmigen Strömungsspalt 60 zwischen dem Rohr 57 und dem Brennstoff-Leitungsrohr 56 zugeführt. Die Zerstäubungsluft strömt durch den Spalt 60 zwischen dem ersten Düsenteil 65 und dem Rohr 57 für die Zerstäubungsluft hindurch und gelangt über die in dem Kopfteil 67 ausgebildeten Rillen 74 zu der öffnung 79 in dem äußeren Düsenteil 66. Da die Zerstäubungsluft quer zu den Durchlässen 68 strömt, wird der Brennstoff in den Zerstaubungsluftstrom gezogen und zerstäubt, so daß er vermischt mit der Zerstäubungsluft über die Rillen 74 zu der öffnung 79 strömt. Durch die konische Form des Kopfteils 67 wird zusammen mit der tangatialen Ausrichtung der Rillen 74 der zerstäubten Brennstoff-Mischung eine spiralförmige Strömung erteilt, wenn sie an der öffnung 79 austritt und sich entlang der Oberfläche 78 des Teils 66 strömt, in^dem sie dieser Oberfläche dicht folgt.

Aufgrund des sich spiralförmig bewegenden, zerstäubten Brennstoffs wird, wenn dieser über die konische Oberfläche des Teils 66 strömt, ein an Brennstoff angereicherte^Kern 98 aus zerstäubtem Brennstoff gebildet, welcher im Bereich der Düse im allgemeinen hyperbolisch geformt ist und sich über

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die Öffnung 32 ins Innere des Brennraumes fortbewegt. Zum Einleiten der Verbrennung der mit Brennstoff angereicherten Kernströmung kann eine herkömmliche Zündeinrichtung vorgesehen sein. Zu derselben Zeit, zu der die zerstäubte Brennstoff-Mischung von der Düse 55 aus eingespritzt wird, wird Tertiärluft über das äußere Zuleitungsrohr 58 aufgrund der Luft in der Speicherungskammer zugeführt, die nach unten über die Leitung 86 in den ringförmigen Strömungsraum 59 zwischen dem Zuführrohr 58 und dem Rohr 57 strömt. Diese unter Druck stehende Tertiärluft wird koaxial über den ringförmigen Auslaß 82 um den sich schnell drehenden, mit Brennstoff angereicherten Kern herum eingespritzt^ so daß er dem hyperbolisch ausgebildeten Kern aus zerstäubtem Brennstoff folgt und einen Luftmantel entlang der Oberfläche des Kerns erhält, wie durch die Pfeile 99 in IPi g. 4 angedeutet ist. Hierdurch wird das Mischen des zerstäubten Brennstoffs und der ihn umgebenden Luft verzögert.

Gemäß der Erfindung enthält die Tertiärluft nur den kleineren Teil der Luftmenge, die notwendig ist, um eine stöchiometrische "Verbrennung der über die Düse 55 eingespritzten Brennstoff-Mischung zu unterhalten. Folglich strömt der größere Teil der Verbrennungsluft über die Dämpfungseinrichtung 34- in Mengen, die von der Winkelstellung des verdrehbaren Dämpfungsteils 41 bezüglich des äußeren Zylindermantels 40 abhängen, wobei durch die Winkelstellung die Ausrichtung der Öffnungen 46 und 47 zueinander geändert wird. Dieser Luftstrom breitet sich über die eine Richtwirkung ausübenden Leitbleche 51 aus und strömt im allgemeinen in axialer Richtung entlang der Brenneranordnung 35 auf die Luftzuführungseinrichtung 36 zu. Das meiste von dieser zusätzlichen Verbrennungsluft strömt um die scheibenförmige Platte 93 herum und über den ringförmigen Strömungsraum 95·

In £"ig. 2 gelangt die um die Platte 93 herum strömende Luft, wie durch Pfeile 100 angezeigt ist, anfangs nach innen auf den

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mit Brennstoff angereicherten Kern zu und in einer Richtung, welche im allgemeinen parallel zu der bogenförmigen Oberfläche 94- an dem Einlaß 34 aus feuerfestem Material verläuft. In der Nähe des Bennkammereinlaßes 32 ändert die Luft 100 ihre Richtung und strömt in Längsrichtung nach unten in den Brennraum 33» und zwar in einer Richtung, welche im allgemeinen parallel zu der des mit Brennstoff angereicherten Kerns 98 verläuft. Hierdurch wird.ein äußerer Luftmantel geschaffen, welcher von dem mit Brennstoff angereicherten Kern 98 durch eine dünne Luftschicht aus 'Tertiärluft getrennt ist. Hierdurch ergibt sich nahe der Düse 55 eine Schichtung der Luft und des zerstäubten Brennstoffs in dem Brennraum. Auf diese Weise wird die Flamme dadurch verlängert, daß die vollständige Mischung der Luft mit dem Brennstoff solange verzögert wird, bis der an Brennstoff angereicherte Kern sich nach unten in die Brennkammer ausgebreitet hat, wodurch die Plammentemperatur unter etwa 1370° C (2500⁰I?) gehalten werden kann, so daß keine nennenwerten Mengen an Stickoxyden gebildet werden.

Obwohl das scheibenförmige Sieb 90 und die Leitbleche 92 zum Verwirbeln der Luft nicht wesentlich sind, sind sie vorteilhaft, um ein· Zurückströmen des Brennstoffs und der Luft um die Düse 55 herum zu verhindern . Insbesondere strömt eine- geringe Luftmenge von der Dämpfungseinrichtung 34- über das scheibenförmige Sieb 90 und eine zweite kleinere Luftmenge über die tangential ausgerichteten Leitbleche 92 der Luftzuführeinrichtung. Der Luftstrom durch das Sieb und über die Leitbleche 92 verhindert die Ausbildung eines geringen Vakuums nahe der Brennerdüsenanordnung 55 infolge des Luftstrqms um die ringförmige Scheibe 93 herum und infolge der Strömung aus der Düse 55· Bei Ausbildung eines geringfügigen Vakuums in Strömungsrichtung vor der Platte 93 würde Brennstoff und Luft nach hinten zur Düse 55 gesaugt. Obwohl mittels der Leitbleche 92 eine Wirbelwirkung erzeugt wird, ist dieser Teil des Verbrennungsluftstromes klein im Vergleich zu der

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Menge, die über den nicht begrenzten, ringförmigen Durchlaß 95 strömt. Polglich wird die Ausbildung des zentralen, an Brennstoff angereicherten Kerns 98 in dem Brennraum nicht nennenswert beeinflußt. Vielmehr ist die leicht spiralförmige Strömung zwischen den die Kernströmung bildenden Tertiärluftstrom unider in axialer Richtung strömenden Mantelluft geschaltet, wodurch ein Mischen der Mantelluft und der Kernströmung an Stellen gefördert wird, die in axialer Richtung von der Einspritzstelle entfernt liegen.

Es können herkömmliche Einrichtungen verwendet werden, um die Lage der drehbaren Dämpfungseinrichtung 34 entsprechend den Verbrennungsbedingungen in dem Brennraum 33 des Kessels zu verändern. Derartige Einrichtungen sind allgemein bekannt und stellen keinen Teil der Erfindung dar, sie sind aber erwähnt, um die Dämpfungswirkung allgemein anzuführen.' Durch Ändern der Stellung der Dämpfungseinrichtung wird nicht nur die Menge der durch die Dämpfungseinrichtung in den Brennraum strömenden Luft geändert, sondern es wird auch das Druckgefälle in dem Speicherraum geändert und dadurch wird auch die Größe des Tertiärluftstromes durch die Leitung 86 in umgeMirtem Verhältnis zu der Luftmenge, welche durch die Dämpfungseinrichtung 34 strömt, geändert. Wenn daher die Dämpf ungs einrichtung gedreht wird, uin den Luftstrom zu beschränken, bildet sich ein Druckgefälle in der Speichertenmer und folglich nimmt der Tertiärluftstrom zu, durch welchen wiederum der ,an Brennstoff reiche Kernstrom in der Brennkammer verdichtet wird, während die Umkehrung gilt, wenn die Dämpfungseinrichtung so gedreht wird, daß ein stärkerer Luftstrom durch die öffnungen 46 und 47 strömen kann.

An Stellen, die in axialer Richtung nahe der Düse 55 liegen, verbrennt der Kernstrom wie eine mit Brennstoff angereicherte Mischung, welche im wesentlichen von der um sie herum strömenden Mantelluft getrennt ist₉ welche für eine Tollständige Ver»

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brennung der Brennstoffmischung notwendig ist. Da die Strömung sich in axialer Richtung von der Einspritzstelle weg ausbreitet, findet eine zunehmende Vermischung der Mantelluft und der Kernströmung solange statt, bis die Verbrennung des Brennstoffes vollständig durchgeführt worden-ist. Die sich ergebende Verbrennung ist v/esentlich kühler als bei herkömmlichen Ausführungen, bei welchen die vollständige Vermischung und Verbrennung nicht in der vorbeschriebenen Weise verzögert wird. Dies beruht auf der Beseitigung einer gewissen Menge an Verbrennungswärme vor der vollständigen Vermischung und Verbrennung, infolge dessen ist die Ausbildung von nennenswerten Mengen von Stickoxyden in den Verbrennungsgasen verhindert, in dem die Verbrennungstemperatur unter den Pegel, beiweichem sich Stickoxyde bilden, oder etwa auf 137O°C (2500⁰F) vermindet ist.

Obwohl nur eine einzige Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschrankt, sondern es sind auch alle Abwandlungen und Veränderungen mit erfaßt, welche im Bereich des Gegenstandes der Erfindung liegen.

- Patentansprüche -

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Claims (1)

1. .fatentans ρ r ü c h e

   M .J Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff mit einer ersten, eine Verbrennungszone begrenzenden Einrichtung und mit einer Verbrennungseinrichtung gekennzei chnet durch eine zweite Einrichtung (35) j um Brennstoff in die Verbrennungszone einzuspritzen und um gleichzeitig.zusammen mit dem Brennstoff einen ersten Teil eines Sauerstoff enthaltenden Gases einzuspritzen, welches weniger als die Gasmenge darstellt, die für eine stöchiometrische Verbrennung erforderlich ist, um einen mit Brennstoff angereicherten Kernstrom in der Zone zu bilden, und durch eine dritte Einrichtung (34,36), um in die Zone einen zweiten Teil des Sauerstoff enthaltenden Gases einzuleiten, das für eine stöchiometrische Verbrennung in einem geschichteten, den Kernstrom umgebenden Mantel erforderlich ist, so daß. das Gas und der Kernstrom im wesentlichen über zumindest einem Teil der Verbrennungszone unvermischt bleiben, sich aber weitgehend in einem strömungsabwärts liegenden Bereich der Zone vermischen.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine Düsenanordnung (35) mit Einrichtungen (60,66,67,70,71,72,74) für einen spiralförmigen Ausstoß des Brennstoffs aufweist.

   3. -Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine Düsenanordnung (35) mit Einrichtungen (56₉57»60,64 bis 69) für eine Zerstäubung des Brennstoffs vor dessen Einspritzung aufweist.

   A. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Rohrleitung (56) mit der zweiten Einrichtung zur Zuführung von Brennstoff verbunden ist, und daß eine zweite Rohrleitung (57) konzentrisch um die erste Rohrleitung (56) herum angeordnet und mit der Düsenanordnung (35) verbunden ist, um den ersten

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   !Peil des Sauerstoff enthaltenden Gases zuzuführen.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 'dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (34,36) eine .dritte Rohrleitung (58) aufweist, welche konzentrisch um die zweite Rohrleitung (57) herum angeordnet ist, um zumindest den zweiten Teil des Sauerstoff enthaltenden Gases teilweise zuzuführen.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszone

   (33) einen Einlaß (32) aufweist, daß die zweite Einrichtung (35) neben dem Einlaß (32) angeordnet ist, um die Luft-Brennstoff mischung über den Einlaß in die Verbrennungszone (33) zu leiten, daß eine den Luftdurchlaß begrenzende Einrichtung (95) cLie zweite Einrichtung (35) umgibt und mit dem Einlaß (32) in Verbindung steht, und daß die dritte Einrichtung eine Luftzuführeinrichtung (34) aufweist, die mit der den Luftdurchlaß begrenzenden Einrichtung verbunden ist, um zumindest den zweiten Teil des Sauerstoff enthaltenden Gases"¹" in die Verbrennungskammer so einzuleiten, daß der Kernstrom umschlossen wird. ⁺teilweise

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Luftzufuhreinrichtung die Strömung leitende Einrichtungen (90 bis 9²O aufweist, die zwischen der den Luftdurchlaß begrenzenden Einrichtung und der zweiten Einrichtung angeordnet sind und mit dem Einlaß zusammenwirkt, um das GaS nach, innen zu dem (Kernstrom hin zu leiten, wenn es durch den Einlaß geströmt ist, wobei die zweite Einrichtung und der Einlaß zusammen arbeiten, um das Gas in einer Richtung zurückzuleiten, die im allgemeinen parallel zu dem Kernstrom verläuft und diesen umschließt, nachdem er den Einlaß passiert hat.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, d a d u r c h ge k e η η ζ e i-c h η e t, daß die die Strömung leitende

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   Einrichtung eine Ablenkeinrichtung (93) aufweist, welche gegenüber dem Einlaß angeordnet ist und einen im Abstand davon angeordneten Außenumfang aufweist, um einen die zweite Einrichtung umschließenden Luftstromungsspalt zu begrenzen.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfäng der Ablenkeinrichtung (93) im wesentlichen dieselbe Größe wie der Einlaß (32) hat.

   10.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (93) einen Durchlaß aufweist, so daß ein kleinerer Teil des Gases über die Ablenkeinrichtung strömen kann, um ein Zurückströmen des Brennstoffs aus dem Kernstrom zu verhindern.

   11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung einen ringförmigen, die zweite Einrichtung (35) umschließenden Teil (91»93) und eine Anzahl axial verlaufender Leitbleche (92) aufweist, die auf einer Seite an dem Innenumfang des ringförmigen Teils und gegenüber dem Einlaß angebracht sind, wobei die Leitbleche (92) so ausgerichtet sind, daß das Gas im allgemeinen tangential zu der zweiten Einrichtung geleitet wird.

   12.Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennz e ichne t, daß die Ablenkeinrichtung eine, luftdurchlässige Einrichtung (90) aufweist, welche die zweite Einrichtung umgibt und deren Außenumfang an dem anderen Ende der Leitbleche (92) angebracht ist.

   13^Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u rc h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die zweite Einrichtung eine Düsenanordnung (35) aufweist, die einen ersten Teil mit einer konisch verlaufenden Außenfläche (70) einen zweiten Teil (76) mit einer konisch verlaufenden Innenfläche besitzt

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   und nahe der Außenfläche des ersten Düsenteils angeordnet ist, daß eine zentrale Öffnung in dem zweiten Düsenteil gebildet ist, welche das Ende des ß,rsten Düsenteils umgibt, und daß Rillen (74-) in einer der benachbarten Innen- und Außenflächen ausgebildet ist, die unter einem Winkel bezüglich der Achse der Düse verlaufen, um dem aus der Öffnung ausströmenden Brennstoff einen Drall zu erteilen.

   Vorrichtung nach Anspruch 13,dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Düsenteil eine im allgemeinen kegelstumpfförmige Außenfläche aufweist, welche die Innenfläche an der Öffnung schneidet und daß die Öffnung an den Enden der Rillen (7²O angeordnet ist, wodurch der von den Rillen nach außen strömende Brennstoff über die zweite Außenfläche fließt.

   15.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Düsenteil im allgemeinen hohl ist und eine Anzahl radial verlaufender Öffnungen (68) aufweist, die an einer äußeren Umfangsflache (72) enden, daß eine Leitung (57) den ersten Düsenteil umgibt und mit einer Quelle von unter Druck gesetzter Luft verbunden ist, um aus den radialen öffnungen ausströmenden Brennstoff zu zerstäuben, und daß die Rillen (74) mit dem die radialen öffnungen umgebenden Raum in Verbindung stehen.

   16.¥orrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15₁ dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (35) eine Düse mit einer inneren öffnung zum Verteilen von Brennstoff aufweist, und daß die dritte Einrichtung eine zweite Gaszuführ einrichtung (58,81) aufweist, die konzentrisch um die Düse herum angeordnet ist, um den zweiten !Peil des Sauerstoff enthaltenden Gases teilweise einzuspritzen, so daß er den an Brennstoff angereicherten Kernstrom eng umschließt.

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   17· Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch geken n— zeichnet, daß die zweite Gaszuführungseinrichtung eine dritte Leitung (58) auf v/eist, die konzentrisch um die zweite Leitung herum angeordnet ist und nahe der Düse endet.

   18. .Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung mit dem ersten Düsenteil zum Zuführen von Brennstoff verbunden ist, und daß die zweite Leitung mit dem zweiten Düsenteil verbunden und konzentrisch um die erste Leitung herum angeordnet ist, um den ersten Teil des Sauerstoff enthaltenden Gases zuzuführen «,

   19.Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Verbrennungs z'one eine mit Brennstoff angereicherte Mischung eingespritzt wird, welche Brennstoff und eine wesentlich geringere Menge an Sauerstoff enthaltendem Gas aufweist, als für eine stöchiometrische Verbrennung erforderlich ist, um in der Verbrennungszone einen Kernstrom zu bilden, und daß gleichzeitig in die Verbrennungszone ein Sauerstoff enthaltender Gasmantel eingespritzt \ö.rd, welcher den Kernstrom eng umgibt, so daß der Gasmantel entlang des Kernstromes strömt und zumindest am Anfang der Verbrennungs— zone im wesentlichen unvermischt bleibt, wobei die Menge des Gasmantels zumindest gleich der stöchiometrischen Luftmenge ist, die für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist.

   20. Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die mit Brennstoff angereicherte Mischung spiralförmig in die Verbrennungsζone eingespritzt wird.

   .Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichne t, daß die Einspritzung des

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   Mantelgases so durchgeführt wird, daß um die mit Brennstoff angereicherte Mischung ein erster konzentrischer Luftstrom eingespritzt wird, welcher einen Teil des Mantelgases darstellt, und daß ein Luftmantel in Form eines zweiten .konzentrischen Stromes um den Kernstrom herum eingespritzt wird, wobei der Luftmantel den restlichen Teil des Mantelgases darstellt.

   22.Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch geke nn ze i chnet, daß das Einspritzen der mit Brennstoff angereicherten Mischung das Einspritzen des Brennstoffs und von Sauerstoff enthaltendem Gas über eine Düse mit einer Einrichtung mit umfaßt, um einen spiralförmigen Ausstoß der Mischung zu erreichen.

   23.Λ Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zusätzlich zerstäubt wird, bevor er in die Verbrennungszone eingeleitet wird.

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