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Brenner für die stöchiometrische Verbrennung von flüssigen Brennstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen,
insbesondere zur Erzeugung von Inertgas, wobei Heiz- oder Dieselöl mit Luft verbrsnnt
wird, mit einer mechanischen Zerstäubung für den flüssigen Brennstoff als erste
Verfahrensstufe und einer tangentialen Zuführung von Zerstäubungsmedium zu dem mechanisch
zerstäubten Strahl des Brennstoffes in einem Zerstäubungskanal als zweite Verfahrensstufe
und mit einer koaxialen, gleichgerichteten Zuführung für die Verbrennungsluft als
dritte Verfahrensstufe nach Patentanmeldung P 23 20 442.4-13 sowie der Brenner zur
Durchführung des Verbrennungsverfahrens.
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Es sind bereits Verbrennungsverfahren und Brenner bekannt, mit denen
flüssiger Brennstoff, insbesondere Heiz-und Dieselöle mit tuft oder anderen Sauerstoffträgern
verbrannt werden. Nachteilig hat sich bei den bekannter Brennern aber gezeigt, daß
diese nicht stöchiometrisch verbrennen können, d.h. also bei der Verbrennung eines
Brennstoff-Luftgenisches in stöchiometrischem Verhältnis Ruß gebildet wird. Diese
Rußbildung ist äußerst nachteilig, da die Brennkammer und, bei der Erzeugung von
Inertgas, z.B. die nachgeschalteten Wasch- und Kühleinrichtungen verschmutzt werden.
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Um die unerwünschte Rußbiidung zu vermeiden, werden deshalb in der
Regel Brenner mit einen LuStüberscau? gefahren,
um zu vermeiden,
daß der Brennstoff unvollständig verbrennt. Diese Verbrennung mit Luftüberschuß
führt dann aber zu Rauchgasen, die einen erheblichen 02-Anteil aufweisen. Für die
Inertgaserzeugung sind solche Verbrennungsvorgänge also ungeeignet.
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Nachteilig ist bei den bekannten Verbrennungsverfahren weiterhin,
daß selbst beim Verbrennen mit Luftüberschuß durch Änderungen in den Eigenschaften
der Suft oder des Brennstoffes ein stöchiometrisches oder unterstöchiometrisches
Verhältnis sich einstellen kann, ohne daß die Regelung schnell genug reagieren kann.
Es wird dann also selbst bei Verbrennung mit Luftüberschuß eine kurzzeitige Rußbildung
mit ihren nachteiligen Folgen nicht vermeidbar sein.
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Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verbrennung
von flüssigen Brennstoffen zu finden, welches es durch verschiedenste Maßnahmen
erlaubt unter stöchiometrischen Bedingungen ohne Rußbildung zu arbeiten und welches
darüberhinaus sogar bei unterstöchiometrischen Bedingungen, d.h. bei zu geringem
Luftanteil, keinen Ruß bildet. Diese Bedingung soll auch unter verschiedensten konstruktiven
Voraussetzungen erfüllt werden.
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Der Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll
weiterhin einfach aufgebaut, wirtschaftlich herstellbar und leicht bedienbar sein
und
ohne eine zusätzliche Regelung auskommen.
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Gegenüber der Stammanmeldung soll eine größere Flexibilität in der
Brennerausgestaltung vorhanden sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Verbrennungsverfahren
gelöst durch eine darauf folgende Stabilisierung des Gemischstrahles durch eine
Eontrolle der Strömung und der Temperatur des Strahles.
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Alternativ kann die Kontrolle der Strömung und der Temperatur durch
eine Kontraktion der Strömung erfolgen, wodurch sich eine verbesserte Mischung der
Verbrennungsluft mit dem zerstäubten Brennstoff ergibt, es kann aber auch die stärker
beschleunigte Strömung in einem hitzespeichernden Rohr geführt werden, es kann weiterhin
erst eine Expansion und dann eine nachfolgende Kontraktion der Strömung erfolgen,
es kann aber auch eine Drosselung der Verbrennungsluft und eine anschliessende Kontraktion
und nachfolgende Expansion der Strömung erfolgen, wobei weiterhin eine Ansaugung
von Verbrennungsgasen in Mischung mit Frischluft im Bereich der Blammströmung oder
im Bereich der Verbrennungsluft vorgesehen sein kann und letztlich kann auch noch
die Zuführung von Zusatzluft zur Verbrennungsluft aufgrund deren statischen Unterdrucks
außerhalb des Brennkammerraumes erfolgen.
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Um für bC5triiiLItC Anwendungszwecke eine kurze Verbrennungsflamme
zu erste, kann weiterhin der zerstäubte Brennstoff nicht in einern schnrfcn Strahl,
sondern in einem Breitstrom-Sprühnebel austreten. Günstig wird dann die Flamme von
einem konisch expandierenden Ring aus hitzehaltendem Material stabilisiert, in welchem
zum Ansaugen von Nebenluft Bohrungen eingesetzt sein können.
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Die Zerstäubung zu einem breiten Sprühnebel erfolgt dadurch, daß der
Zerstäubungskanal sich an seinem Ende konisch oder schlitzförmig öffnet.
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Der Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet
sich vorteilhaft durch eine axiale Verlängerung des Zuführungsrohres für die Verbrennungsluft
in Form eines Keramikrohres mit hoher IIitzespeicher-Kapazität oder slternativ mit
einem Brennerrohr mit einem ersten sich konisch erweiterndem Teil und einem zweiten
sich konisch veraüngendem Teil, wobei weiterhin durch eine Stauplatte die Drosselung
des Verbrennungsluftstromes möglich ist und wobei sich dann der erste Teil konisch
verjüngten und der zweite Teil des Brennerrohres sich konisch erweitern kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung könnan im Bereich der
konischen Erweiterung Oeffnungen im Umfang des Brennerrohres vorhanden sein und
in den Strom der Verbrennungsluft kann Nebenluft von außerhalb der
Brennkammer
ebenfalls aufgrund der statischen Druckunterschiede durch öffnungen im Brennerrohr
außerhalb der Brennkaiamer angesaugt werden.
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Zur Ausbildung einer sehr kurzen und breiten Flamme kann der Zerstäubungskanal
sich konisch erweitern und einen konischen Kelchans stz aus einem hitzespcichernden
Material aufweisen, der eine Anzahl von Öffnungen tragen kann. Insbesondere für
diese Ausbildung des Brennerrohres kn die Öffnung des Zerstäubungskanals schlitzförmig
sein und das zerstäubte Gemisch auf eine breite Fläche verteilen.
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Global gesagt ist die Ausgestaltung des Brennerrohres so zu wählen,
daß die Verbrennungsluft in die Dlischströmung von <5ltröpfchen und Zerstäubungsmedium
eingebracht wird, aber nicht so groß, daß sich Öltröpfchen an den sich verengendetl
Wandungen absetzen.
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Es hat sich für den Fachmann vollkommen überraschend gezeigt, daß
auch bei unterstöchiometrischen Verhältnissen erfindungsgemäß eine Rußbildung nicht
erfolgt, es wird nur ein erhöhter Anteil con CO erzeugt. Als äußeres Bild ist auch
die Flamme aus den Brenner gemäß der Erfindung nicht gelblich und zerrissen, sondern
orange-blau mit einen definierten Flammbereich.
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Falls als Zerstäubungsmedium tuft verwendet wird, kann, wie in der
Stammanmeldung ausgeführt, zwischen 10 und
50 so der gesamten Luft
für die stöchiometrische oder unterstöchiometrische Verbrennung bereits beim Zerstäuben
zugeführt werden; im Durchschnitt wird der Anteil der Zerstäubuilgsluft an der Gesamtluft
bei ca. 20 ß liegen. Der Druck des zugeführten Zerstäubungsmediums ist am besten
so gewählt, daß das kritische Druckverhältnis für die maximal höchste Geschwindigkeit
eingestellt ist, d.h. daß das zugeführte Medium für die Zerstäubung des Öles mit
Drücken über 2,5 kg/cm2 erzeugt wird.
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Es hat sich aber auch eine gute Verbrennung gemäß der Erfindung bei
geringeren Drücken und geringeren Geschwindigkeiten des Zerstäubungsmediums ergeben.
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Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren geht kurz gefaßt in vier
Stufen vor sich: 1. Die Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in einer Brennstoffzerstäubungsdüse,
wobei der Zerstäubungsöffnung der Brennstoff über tangentiale und schräge Kanäle
zugeführt wird, 2. die Zuführung von Zerstäubungsmedium in einem Zerstäubungskanal,
wobei das Zerstäubungsmedium über tangentiale Kanäle in einer Ebene zugeführt wird,
die senkrecht oder schräg auf der Achse der Brennstoffzerstäubungsdüse steht, 3.
die Zumischung von Verbrennungsluft, die koaxial und gleichgerichtet mit dem zerstäubten
Brennstoff strömt und
4. weiterhin die Stabilisierung der Flamme
bzw. der Mischung aus Brennstoff, Zerstäubungsmedium und Verbrennungsluft durch
eine Kontrolle der Strömung und der Temperatur.
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Im folgenden wird der erfindungsgemäße Brenner beispielhaft anhand
von Zeichnungen
näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch einen Brenner gemäß der Erfindung,
Figur 2 einen Schnitt durch die Zerstäubungsdüse gemäß der Erfindung, Figur 3 einen
Schnitt entlang der Linie BB in Figur > ½, Figur 4 einen Schnitt durch einen
Druck-Zerstäuber für den flüssigen Brennstoff und Figur 5 einen Schnitt entlang
der Linie B-B in Figur Iir 4 Figur 6 einen Brenner gemäß der Erfindung in schematischer
Darstellung, Figur 7 eine ähnliche Darstellung wie Figur 6, wobei die Stabilisierung
durch ein hitzespeicherndes Rohr erfolgt, Figur 8 eine Darstellung mit einem Brennerrohr
mit einem Expansions- und Komprimierungsteil, Figur 9 einen Brenner in schematischer
Darstellung mit einer Drosselplatte für die Verbrennungsluft und einem nachfolgenden
Komprimierungs-und Expansionsteil,
Figur 10 die schematische Darstellung
der Rückführung von Verbrennungsgasen in den Brenner im Bereich der Vermischung
von Verbrennungsluft und zerstäubtem Brennstoff, Figur 11 die Rückführung von Verbrennungsgasen
in den Brenner im Bereich des Verbrennungsluftzustroms, Figur 12 das Ansaugen von
Zusatzluft zur Verbrennungsluft aus einem Raum außerhalb der Brennkammer, Figur
13A die Umgestaltung des Brennrohres zu einem sich konisch öffnendem Kelch zur Stabilisierung
einer breiten Flamme, Figur 13B einen Brenner gemäß Fig.13A mit einer Einströmung
von Sekundärluft durch Bohrungen in dem sich öffnenden Kelch, Figuren 14 und 15
die konische und die Figuren 16 und 17 schlitzförmig-ovale Öffnung des Zerstäubungskanals,
Die Offenbarung der Stammanmeldung P 23 20 442.4-13 stellt ein Teil der vorliegenden
Anmeldung dar. Auf diese Offenbarung wird ausdrücklich Bezug genommen. Von einer
Wiederholung im Rahmen dieser Anmeldung wird das her weitgehend abgesehen.
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Der erfindungsgemäße Brenner besteht gemäß den Figuren aus einem Zerstäubungsteil
10, welcher von einem zylindrischen Mantel 11 koaxial umgeben ist, und der Bufteintritt
für die Verbrennungsluft erfolgt über einen Ringkanal 15 durch eine Zuführungsleitung
16.
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An den zylindrischen Mantel 11 kann sich gemäß der Stammanmeldung
eine konisch sich nach innen verjüngende
Platte 12 anschließen,
die als Brennermund bezeichnet ist und die sich von ihrem engsten Querschnitt an
in einem Brennerrohr 1v fortsetzt.
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In den Zylindermantel 11 ist eine Zündkerze 18 eingebaut, welche beim
Beginn der Verbrennung für eine Zündung sorgt. Der Zylindermantel 11 sowie der Ringkanal
15 sind an dem von der Brennkammer abgewandten Ende durch eine Platte 19 mit einem
Sichtglas 17 und der Zuführung 20 für das Öl bzw. den Brennstoff und einer Zuführung
21 für die Zerstäubungsluft bzw. das Zerstäubungsmedium versehen. Der Anschluß 14
dient zur Flammüberwachung.
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Der Zerstäubungsteil 10 selbst weist gemäß Figur 2 eine mechanische
Druck-Zerstäubungsdüse 1 für den Brennstoff auf, welche kurz vor einem Zerstäubungskanal
2 endet. In den Zerstäubungskanal 2 münden mit einem Abstand von mindestens 2 mm
gegenüber der Druck-Zerstäubungsdüse 1 tangentiale Kanäle 3, welche d* Zerstäubungsmedium
in einer Ebene senkrecht oder schräg zu der Brennerachse zuführen.
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Die Zuführung der Zerstäubungsluft bzw. des Zerstäubungsmediums erfolgt
gemäß Figur 3 zu den Bohrungen bzw. Kanälen 3 über einen Ringkanal 9, so daß eine
gleichmäßige Beaufschlagung der Kanäle 3 gegeben ist.
Die Druckzerstäubungsdüse
1 für den zugeführten flüssigen Brennstoff selbst ist in Figur 4 und 5 dargestellt,
der Brennstoff wird ebenfalls durch tangentiale und gegenüber der Brennerachse geneigte
Kanäle 5 zu einer Ausspritzbohrung 6 geleitet, zerteilt sich dort in feinste Tröpfchen
und wird anschließend in dem Zerstäubungskanal 2 innig mit der Zerstäubungsluft
bzw.
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dem Zerstäubungsmedium gemischt und anschließend nach einer weiteren
Mischung mit der Verbrennungsluft verbrannt.
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Neben der vorstehend beschriebenen Stabilisierung der Mischströmung
bzw. der Flammströmung oder Flamme mit Hilfe einer Einschnürung der Strömung gemäß
Figur 1.
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und schematisch Figur 6 ist es möglich, auch eine Stabilisierung auf
andere Art zu erzielen, wobei die vorstehend beschriebenen Schritte des Verbrennungsverfahrens
selbstverständlich weiterhin angewendet bleiben.
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In den Figuren ist die Brennkammerwand mit 33 bezeichnet, der Brenner
selbst ragt also ersichtlicherweise bis in die Brennkammer.
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Die Stabilisierung kann z.B. weiterhin durch eine beschleunigte Gesamtströmung
gemäß Figur 7 erfolgen, wobei sich das Rohr zur coaxialen und gleichgerichteten
Zuführung der Verbrennungsluft in ein Keramikrohr 26 fortsetzen kann, dessen hohe
Wärmespeicherfähigkeit eine Flammstabilisierung u.a.-durch die Rückstrahlung
gewährleistet.
Anstelle des Keramikmaterials kann für den Fachmann selbstverständlich å ede andere
Art von Material mit gleicher oder ähnlicher Wärmespeicherfähigkeit und entspredhender
Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden.
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Gemäß Figur 8 kann weiterhin das Brennerrohr auch erst einen sich
konisch öffnenden Teil 27 und dann einen konisch zulaufenden Teil 28 aufweisen,
wobei sich jetzt die Flamme im äußeren Bereich bei einer bestimmten Geschwindigkeit
stabilisiert. Die Flamme erhält in diesem Fall eine genau umrissene Form, da sie
dort entsteht, wo die Flammgeschwindigkeit gleich der Strömungsgeschwindigkeit ist.
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Eine weitere Stabilisierungsmaßnahme besteht gemäß Figur 9 darin,
mittels einer Stauplatte 29 eine erhöhte und stark turbulente Strömung der Verbrennungsluft
zu erzeugen und jetzt nach einer Kontraktion der Strömung in einem sich öffnenden
Teil 30 des Brennerrohres die beschriebene stabile Flammfront zu bilden. Bei dieser
Ausführungsform wird eine thermische Entlastung des Brennerrohres eingestellt und
eine sich verbreiternde Flamme mit geringerer Länge erhalten.
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Im Gegensatz zu der letztgenannten Ausführungsform ist bei der Ausführungsform
gemäß Figur 8 die Flamme weitgehend innerhalb des Brennerrohres eingeschlossen und
diese Ausführungsform des Brenners findet insbesondere
in Öfen
Verwendung, bei denen eine direkte Flammstrahlung so klein wie möglich gehalten
werden soll.
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Gemäß den Figuren 10 und 11 ist es zur Stabilisierung auch möglich,
Verbrennungsgase zurückzuleiten, wobei dann durch diese ein Ringmantel um die Flammströmung
gebildet wird. In diesem Fall kann einmal in dem sich konisch erweiternden Teil
27 eines Brenners eine Reihe von äußeren Öffnungen 31 vorgesehen sein, durch welche
das Brenngas bzw. Inertgas angesaugt wird und zum anderen kann gemäß Figur 11 die
Ansaugung durch die Öffnungen 31 auch noch im Bereich der Zuführung der Verbrennungsluft
erfolgen.
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Die Ansaugung erfolgt in diesen Fällen, da die hochbeschleunigte Verbrennungsluft
einen geringeren statischen Druck als die Gasmasse innerhalb der eigentlichen Brennkammer
besitzt.
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Gemäß Figur 12 kann die Ansaugung von Nebenluft auch durch Öffnungen
32 außerhalb der durch die Wandungen 33 gebildeten Brennkammer erfolgen, dadurch
wird eine Regelung erleichtert bzw. bei einem genügend hohen Anteil vom Zerstäubungsmedium
kann die Ansaugung allein ausreichend sein, so daß ein Kompressor für die Erzeugung
des Druckes der Verbrennungsluft entfallen kann.
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Zur Erzeugung einer flachen und breiten Flamme gemäß den Figuren 13
A und B hat es sich als günstig erwiesen, den Zerstäubungskanal 2 konisch oder schlitzförmig-oval
enden zu lassen und das Brennerrohr zu einer flachen Schale 34 auszuweiten. Günstig
kann das Material dann ebenfalls stark hitzespeichernd sein und es können eine Anzahl
von senkrecht zur Wandung stehenden Bohrungen 35 vorhanden sein, durch welche Brenngase
oder Nebenluft eintreten kann. Auf diese Art und Weise wird eine sehr kurze, mehr
oder weniger flache Flamme erreicht, die bei der konischen Öffnung des Zerstäubungskanals
rotationssymmetrisch ist. Wenn gemäß den Figuren 16 und 17 eine schtitzförmig-ovale
oder rein schlitzförmige Ausführung des Zerstäubungskanals 2 gewählt wird, wird
eine flache, mehr ovale Flamme gebildet.
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Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß der Aufbau des erfindungsgemäßen
Brenners außerordentlich einfach ist und es ist daher für den Fachmann umso überraschender,
daß mit dem Brenner gemäß der Erfindung unter verschiedensten konstruktiven Bedingungen
eine rußfreie Verbrennung nicht nur bei stöchiometrischen, sondern auch bei unterstöchiometrischen
Verhältnissen gegeben ist.