DE2552374C2

DE2552374C2 - Brenner für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff

Info

Publication number: DE2552374C2
Application number: DE2552374A
Authority: DE
Inventors: Yukihisa Fujima; Akito Nagasaki Komori; Masaharu Oguri; Yasuro Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1975-11-18
Publication date: 1983-11-17
Also published as: IT1052269B; US4050879A; FR2291452A1; NL7513477A; CH611002A5; DE2552374A1; CA1066608A; NL167760B; FR2291452B1; NL167760C; ES442778A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, der mit c.nem einen hohlkegelförmigen Luftstrom in avn Brennraum abgebenden Luftkanal und einer Brennstoffzuii ?irung versehen ist, die Brennstoff in den Luftstrom unter Erzeugung eines Gemisches sprüht.

Ein Brenner dieser Art für flüssigen Brennstoff ist aus der US-PS 30 03 548 bekannt. Dieser weist im Zentrum des Luftkanals ein Brennstoffzufuhrrohr auf, das den Brennstoff in Form eines Hohlkegels von innen an den Luftstrom heranführt. Hierdurch wird eine allmähliche über den Umfang gleichmäßige Vermischung der Verbrennungsmedien und eine stabile Verbrennung erreicht. Dies ist auch bei der Verwendung von gasförmigem Brennstoff anstelle flüssigen Brennstoffs zu erwarten.

Ferner geht aus der DD-PS 25 151 hervor, die Brennstoffzuführung einer Verbrennungseinrichtung für flüssigen Brennstoff durch mehrere über den :o Umfang eines hohlkegelförmigen Luftstromes verteilte Brennstoffzufuhrrohre zu bilden.

Schließlich ist nach dem Verbrennungsverfahren gemäß der DE-OS 24 08 635 bekannt, je ein unter- und ein überstöchiometrisches Brennstoff-Luftgemisch benachbart und zusammen zu verbrennen, und zwar mit Hilfe eines Brenners mit durch unterschiedliche Teilgemische beaufschlagten Düsen.

Hiermit sind hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades bereits sehr gute Werte erzielbar, die Konzentration von Stickoxiden in den Abgasen ist jedoch noch relativ hoch und die Brennerkonstruktion ist sehr aufwendig.

Der Erfinduüg liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine weitgehend vollständige Verbrennung mit einem niedrigen Gehalt an Stickoxiden in den Abgasen ßewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennstoffzuführung mehrere Auslässe aufweist, die derart ausgebildet sind, daß über den Umfang des hohlkegelförmigen Luftstroms örtlich Teilgemische mit über- und unterstöchiometrischem Luftverhältnis bestehen.

Die weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes geht aps den Unteransprüchen hervor.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß die Verbrennung durch die im Aufbau einfache Brennerkonstruktion so steuerbar ist, daß der Sauerstoffgehalt im Brennstoff-Luftgemisch insgesamt niedrig, & h. im Bereich der theoretisch notwendigen Menge gehalten werden kann und die Verbrennung im Bereich außerhalb hoher Flammentemperatur stattfindet, wodurch ein stickoxidarmes Abgas erreicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners,

F i g. 2 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV in F i g. 1,

Fig.3 einen Vertikalschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 eine Ansicht des Brenners gemäß F i g. 3 vom Brennraum her,

F i g. 5 eine Vergcößerung des in F i g. 3 eingekreisten Bereichs VI,

F i g. 6 eine Ansicht in Richtung VlI-VII in F i g. 5,

F i g. 7 die Abwicklung einer Reihe von Zerstäubern, die die Achse des Brenners gemäß F i g. 3 umgeben,

Fig.8 einen Vertikalschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 9 eine Ansicht auf den Brenner gemäß F i g. 8 vom Brennraum her.

Die Fig. 1 und 2 stellen die erste Ausführungsform der Erfindung dar. Die Ofenwand 1 hat eine öffnung 2, die sich nach innen kegelig erweitert und deren Umfangswand mit einem in die Öffnung eingesetzten Trichter 3 einen schmalen (vorzugsweise nicht mehr als 100 mm breiten) kegelförmigen Luftkanal 4 bildet. Am engeren Ende des Trichters 3 ist ein Primärluftrohr 5 angeschlossen, das an seinem anderen Ende mit einem Flansch 6 versehen ist, der von einem Primärluft-Regulierzylinder 7 umgeben ist. In gleicher Weise ist ein Sekundärluftrohr 55, das mit einem Ende mit dem Rand der öffnung 2 verbunden ist, am anderen Ende mit einem Flansch 66 versehen, der von einem Sekundärluft-Regulierzylinder 77 umgeben ist. Am brennraumseitigen Ende des Trichters 3 ist mit mittels eines Wirbiers 8 ein Brennstoffzufuhrrohr 9 befestigt, dessen rückwärtiges Ende in einem Gleitlager 15 in der Frontplatte 13 verschiebbar gelagert ist. Das Brennstoffzufuhrrohr 9 ist im Zentrum der Luftreguliervorrichtung angeordnet.

Die Brennstoffeinspritzdüse des Brennstoffzufuhrrohres 9 ist so eingestellt, daß der Streuwinkel <x des erzeugten Brennstoffstromes 22 zur Brennerachse 16 größer ist als der Streuwinkel β des Luftstromes 21 zur Brennerachse 16. Weiterhin ist der Düsenwinkel so eingestellt, daß der Brennstoffstrom 22 vom Zerstäuberkopf einen bestimmten Weg L zurücklegen muß, bis er in Kontakt mit dem ihn umgebenden Luftstrom 21 im Brennraum kommt. Der Weg L wird vorzugsweise nicht kürzer als 0,5 m eingestellt.

Der Brennstoff wird in Form eines Sprühwinkels eingespritzt, aber das Luftverhältnis (Luttüberschuß) des sich ergebenden Vorgemisches wird bewußt über den Umfang verändert. Zu diesem Zweck sind die vielen

Öffnungen des Brennstoffzufuhrrohres dergestalt ausgebildet, daß sie solche Querschnittsflächen und eine solche Dichte haben, daß für veränderte Luftüberschußwerte gesorgt ist. So hat z. B. das Vorgemisch in der rechten Hälfte der F i g. 2 einen Luftüberschußwert von weniger als 1 und in der linken Hälfte einen von sehr viel mehr als 1.

Die Wirkungsweise des Brenners ist folgende:

Ein Teil der Verbrennungsluft 12 strömt vom Windkasten 14 zwischen der Frontplatte 13 und dem Flansch 6 hindurch in das Primärluftrohr 5 bzw. in den zwischen dem Rohr 5 und Brennstoffzufuhrrohr 9 gebildeten Kanal, und wird dann vom Wirbler 8 verwirbelt und gelangt schließlich als Primärluftstrom 20 in den Brennraum 25. Der Luftstrom wird z. B. durch den Primärluftregulierzylinder 7 gesteuert, indem dieser in Richtung auf die Frontplatte 13 oder von ihr weg bewegt wird.

Der restliche Teil der Verbrennungsluft 12 aus dem Windkasten 14 strömt zwischen den beiden Flanschen 6 und 66 hindurch und dann durch den zwischen den Primär- und Sekundäriuftrohren 5 und 55 gebildeten Ringkanal und wird schließlich als Sekundärluftstrom 21 durch den kegelförmigen Kanal 4 in den Brennraum 25 geblasen. Diese Luftzufuhr wird z. B. dadurch gesteuert, daß der Sekundärluftregulierzylinder 77 in Richtung auf den Flansch 6 oder davon weg bewegt wird.
Der freie Querschnitt des Luftkanals 4 kann durch Verschieben des Brennstoffzufuhrrohres 9 verändert werden.

Da der Brennstoff kegelförmig eingespritzt wird, wird der Brennstoffstrom 22 erhitzt und verdampft, während er die heiße Verbrennungsgasschicht passiert, d. h. bevor er den Luftstrom 21 erreicht. Der verdampfte Brennstoff mischt sich dann mit der Luft und verbrennt zusammen mit dieser als ein Vorgemisch, das örtlich einheitlich ist, aber sich hinsichtlich des Luftüberschusses zwischen der rechten und linken Brennerhälfte ändert.

Der Brenner ist besonders gut dort geeignet, wo er zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff mit geringer Verdampfungsfähigkeit eingesetzt wird.

Es wird nun die zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die in den F i g. 3 bis 7 dargestellt ist.

Die Ofenwand hat eine Öffnung 2, dip sich nach innen kegelig erweiten und deren Umfangswand mit einem in die öffnung eingesetzten Trichter 3 einen schmalen (vorzugsweise nicht mehr als 100 mm breiten), kegelförmigen Luftkanal 4 bilde». Am engeren Ende des Trichters 3 ist ein Primärluftrohr 5 angeschlossen, das an seinem anderen Ende mit einem Flansch 6 versehen ist, der von einem Primärluft-Regulierzylinder 7 umgeben ist. In gleicher Weise ist ein Sekundärluftrohr 55, das mit einem Ende mit dem Rand der Öffnung verbunden ist am anderen Ende mit einem Flansch 66 versehen, der von einem Sekundärluft-Regulierzylinder 77 umgeben ist. Im Trichter 3 ist ein Wirbler 8 angeordnet. Rings um das Auslaßende des Luftkanals 4 ist eine Vielzahl von Brennstoffzufuhrrohren 99 mit Auslässen (öffnungen) 15 an der Spitze angeordnet, die sich in der Mitte der gedachten Verlängerung des Luftkanals 4 befinden (Fig-5). Die Querschnitte und/oder die Zahl der öffnungen 15 sind so gewählt, daß sich Brennstoffzufuhrrohre 99, die Luftüberschußwerte von sehr viel größer als 1 und weniger als 1 erzeugen, der Reihe nach abwechseln.

Die Wirkungsweise der zweiten Brennerausführung ist folgende:

Ein Teil der Verbrennungsluft 12 strömt von Windkasten 14 zwischen der Frontplatte 13 und dem Flansch 6 hindurch in das Primärluftrohr 5, wird vom Wirbler 8 mit einem Drall versehen und wird dann als Primärluftstrom 20 dem Brennraum 25 zugeführt. Der Luftstrom wird z. B. durch den Primärluftregulierzylinder 7 gesteuert, indem dieser in Richtung auf die Frontplatte 13 oder von ihr wegbewegt wird.

Der restliche Teil der Verbrennungsluft 12 aus dem Windkasten 14 strömt zwischen den beiden Flanschet: 6 und. 66 hindurch und dann durch den zwischen den Primär- und Sekundärluftrohren 5 und 55 gebildeten Ringkanal und wird schließlich als Sekundärluftstrom 21

is durch den kegelförmigen Kanal 4 dem Brennraum 25 zugeführt. Die zugeführte Luftmenge wird z. B. dadurch gesteuert, daß der Sekundärluftregulierzylinder in Richtung auf den Flansch 6 oder davon weg bewegt wird.

Der freie Querschnitt des Luftkanals 4 kann durch axiales Verschieben des Trichters 3 ei/vestellt werden.

Der Brennstoff wird von den Brennsioirr-uuhrrohren

99 in Form von Brennstoffströmen 22 in den aus dem Kanal kommenden Luftstrom 21 geblasen. Die Strömung der Brennstoffströme 22 aus den Öffnungen 15 und der L'iftstrom 21 aus dem Luftkanal 4 wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig.5 bis 7 beschrieben.

Jedes Brennstoffzufuhrrohr besitzt eine Anzahl von öffnungen längs der Mittelebene seines Kopfes tangential zum Weg des Luftstromes 21. Jede Öffnung hat eine trichterförmige Erweiterung am äußeren Ende (Fig.5 und 6). Die Brennstoffströme 22 werden vom Luftstrom 21 abgelenkt und gleichmäßig verteilt (siehe Bezugszeichen 26 in Fig.6). Auf diese Weise wird der Brennstoff schnell und gründlich mit Luft für die Verbrennung gemischt.

Im Brennraum wird der Brennstoff in dem Bereich, wo der Luftüberschußwert des Vorgemisches, das von

«ο den Brennstoffströmen 22 aus dem Brennstoffzufuhrrohr 99 mit dem Luftstrom 21 durch Diffusionskontakt gebildfc. wird, kleiner als 1 ist, nicht vollständig verbrannt. Der noch unverbrannte Brennstoffanteil verbrennt nach und nach im benachbarten Bereich mit Luftüberschuß bei einem Wert größer als 1 bis zur vollständigen Verbrennung.

Es wird nun die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners (Fig.8 und 9) beschrieben.

>° Hier handelt es sich um eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform, die mit einem zusätzlichen Brennstoffzufuhrrohr 9 im Zentrum versehen ist. Dieses Brennstoffzufuhrrohr 9 ist in der Brennerachse 16 angeordr.;! und brennraumseitig mittels des Wirbiers 8 am Trichter befestigt. Sein anderes Ende ist verschiebbar in einem Gleitsitz 55 in der Frontplatte 13 gelagert. Die Brennstoffeinspritzdüse des Brennstoffzufuhrrohres 9 ist so eingestellt, daß der Streuwinkel α des erzeugten Brennstoffstromes 22 zur Brennerachse

ω größer ist als der Streuwinkel β des Luftstromes 21 zur Brennerachse. Weiterhin ist der Düsenwinkel so eingestellt, daß der Brennstoffstrom 22 von der Düse einen bestimmten Weg L zurücklegen muß, der vorzugsweise 0,5 m oder mehr beträgt, bis er in Kontakt mit dem ihn umgebenden Luftstrom 21 im Brennerraum 25 kommt.

Die Querschnitte und/oder die Dichte der Düsenöffnungen sind so gewählt, daß der Luftüberschuß der

Mischung ringsherum variiert, obwohl der Brennstoff ring- und kegelförmig versprüht wird. Auch die Brennstoffzufuhrrohre 99, die im Kreis angeordnet sind, sind im Hinblick darauf gestaltet, die eingespritzte Brennstoffmenge zu variieren, z. B. zwischen den rechten fünf und den linken fünf Brennstoffzufuhrrohren (F ig· 9)·

Die dritte Brennerausführung arbeitet auf folgende

Weise:

Brennstoff, der gasförmig oder flüssig mit hoher Verdampfungsfähigkeit ist, wird von den Brennstoffzufiihrrohren 99 in den Luftstrom 21 eingespritzt, so daß Brennstoff und Luft sich durch Kontakt am Ausgang des Brenners mischen. Im Falle eines flüssigen Brennstoffs werden die gleichmäßig zerstäubten Flüssigkeitstropfen durch die Hitze des heißen Brennraumes verdampft und der Dampf bildet ein gasförmiges Vorgemisch mit der

Wenn der Brennstoff flüssig ist und eine niedrige Verdampfungsfähigkeit besitzt, dann wird er vom Brennstoffzufuhrrohr 9, das in Abstand vom Ausgang des Luftkanals 4 angeordnet ist, eingespritzt. Indem er in die heiße Brennraumatmosphäre eingespritzt und darin einen Weg zurücklegen muß, wird der Brennstoff erhitzt und verdampft. In diesem Zustand trifft er auf den Luftstrom und wird damit gemischt. Das so gebildete Vorgemisch kommt dann im Brennraum 25 zur Verbrennung. Mit dieser Brennerausführung werden reiche und magere Gemische in derselben Weise ausgebildet, wie im Zusammenhang mit der zweiten Brennerausführung beschrieben, jedoch können mit dieser Ausführung auch flüssige Brennstoffe mit niedriger Verdampfungsfähigkeit sehr gut verbrannt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, der mit einem einen hohlkegelförnngen Luftstrom in den Brennraum abgebenden Luftkanal und einer Brennstoffzuführung versehen ist, die Brennstoff in den Luftstrom unter Erzeugung eines Gemisches sprüht, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung mehrere Auslässe aufweist, die derart ausgebildet sind, daß über den Umfang des hohlkegelförmigen Luftstroms (21) örtlich Teilgemische mit über- und unterstöchiometrischem Luftverhältnis bestehen.

2. Brenner nach Anspruch 1, mit einer im Zentrum des Luftkanals angeordneten Brennstoffzuführung in Form eines Brennstoffzufuhrrohres, dadurch gekennzeichnet, daß die im Brennstoffzufuhrrohr (9) ausgebildeten Auslässe im Querschnitt variieren.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d&S die Brennstoffzuführung von mehreren über den Umfang des hohlkegelförmigen Luftstromes (21) verteilten Brennstoffzufuhrrohren (99) mit Auslassen (15) gebildet ist

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Brennstoffzufuhrrohr (9) mit Auslassen im Zentrum des Luftkanals (4) angeordnet ist (F i g. 8).