DE2817295A1 - Brenneranordnung - Google Patents

Description

Beschreibung
zum Patentgesuch

der Firma. Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. 06095/USA

betreffend:

"Brenneranordnung"

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für gas- oder ölgefeuerte Brennkammern, in deren Wandungen die Brenneranordnungen derart angeordnet sind, daß Brennstoff und Luft tangential in die Brennkammer eingeführt werden.

Bei modernen öl- oder gasgefeuerten Anlagen ist der Lastbereich, innerhalb dem eine Brenneranordnung zuverlässig arbeiten muß, verhältnismäBig groß. Um den Verbrennungswirkungsgrad zu maximieren und die Versottung zu minimieren, arbeiten die herkömmlichen tangential gefeuerten Brennkammern normalerweise mit Luftüberschüssen zwischen 10 und 20 % bei voller Kesselkapazität und sogar mit noch höherem Luftüberschuß (+ 50%) bei verringerter Kessellast. Mit zunehmenden Kosten und nachlassenden Vorräten, an energiereichen Brennstoffen, wie Gas und öl, besteht ein Bedürfnis, die Kesselwücungsgrade zu verbessern, ohne eine Zunahme an. schädlichen Emissionsstoffen in Kauf nehmen zu müssen. Ferner besteht eine Notwendigkeit, den Wirkungsgrad bei Niederlastkesseln zu verbessern in Anlagen, bei denen diese mit teuren Brennstoffen arbeitenden Einheiten nur für den Spitzenbedarf ausgelegt sind. Eine Möglichkeit, den Kesselwirkungsgrad zu verbessern, besteht darin, den Luftüberschuß zu verringern, bei

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dem noch eine wirksame Verbrennung des Brennstoffs sichergestellt ist. Insoweit, als der zuverlässige Betrieb einer Brenneranordnung innerhalb eines breiten Lastbereiches primär abhängt von der innigen Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff bei allen Lastbedingungen, wird der Luft in der Brenneranordnung oder auch in der Brennkammer selbst ein Drall aufgepräfgt, um die Durchmischung von Luft und Brennstoff zu unterstützen. Um den Lufdtüberschuß zu verringern, der erforderlich ist, um den gesamten der Brennkammer zugeführten Brennstoff zu verbrauchen, muß die Durchmischung, hervorgerufen durch den Drall der Luft, proportional vergrößert werden zu der gewünschten Verringerung des LuflüberSchusses. Demgemäß ist bei einer typischen tangential gefeuerten Brennkammer nur ein geringer Brennstoffluftdrall bei Vollastbedingungen erforderlich, unter denen die Tangentialwirkung relativ stark ist, doch ist eine erhebliche Vergrößerung dieser Drallwirkung erforderlich bei Teillastbedingungen, unter denen nur wenig oder gar keine tangentiale Wechselwirkung vorliegt.

Bei Vollast, bei der maximale Strömung vorliegt, ist die Tangentialwirkung innerhalb der Brennkammer dominant und genügt, um eine optimale Durchmischung von Brennstoff und Luft zu bewirken, so daß der Anteil an Luft,der durch die Dralleitung einer Brenneranordnung geführt wird, auf ein Minimum herabgesetzt werden kann. Bei Teillast jedoch, ist die Luftströmung innerhalb der Brennkammer gering, und ein größerer Anteil der Verbrennungsluft muß durch den Drallabschnitt der Brenneranordnung geführt werden, um eine Kompensation für die verringerte Durchmischung innerhalb der Brennkammer selbst zu bewirken.

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Schließlich ist es wichtig, daß eine exzessiv schnelle Durchmischung (Drall) von Brennstoff und Luft nicht eintreten, weirdies zu einer merkbaren Zunahme der Stickoxidbildung führen kann. Deshalb wird eine sorgfältige Balance gesucht zwischen einer gerade noch hinreichenden Durchmischung für Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad bei niedrigem Luftüberschuß und so intensiver Durchmischung, daß eine starke Bildung von Stickoxiden vermieden wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine für diese Zwecke geeignete Brenneranordnung zu schaffen. Die erfindungsgemäße Lösung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, besteht aus einer geschickten Kombination eines für die Tangentialbefeuerung ausgelegten Windkastens mit einer typischen tangentialbefeuerten Brennkammer derart, daß eine Brenneranordnung entsteht, die mit 5 % Luftüberschuß oder weniger innerhalb eines Brennstoffdurchsatzbereiches im Verhältnis 3 : 1 betrieben werden kann. Die Luft wird dem Windkasten in einer typischen Weise mittels Leitungen zugeführt zwischen einem Gebläse und dem Windkasteneinlaß. Je nach der spezifischen Auslegung kann auch ein Reganerativwärmetauscher in dieser Leitung vorgesehen sein, ohne daß vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. Das erfindungsgemäße Konzept ist gleichermaßen anwendbar auf Druckluft/Sogluft und Sogluft-Brennkammern, unabhängig davon, daß die Mittel für die Luftzufuhr von Windkasten unterschiedlich sein können. Der Windkasten enthält Ventilanordnungen für die Luftzufuhr. Man erhält eine sichere Steuerung für die Verteilung der Verbrennungsluftströmung durch eine zentrale Dralluftleitung, eine ringförmige Primärluftleitung. für nicht mit Drall behaftete Luft, und Sekundär- oder Hilfsluftdüsen, so daß ein breiter Bereich von Lastbedingungen überstrichen wird. Die Steuerung erfolgt mittels Klappenventilen und Trennwänden innerhalb des Windkastens, durch welche die Luft durch z.B. vier Luftauslaßöffnungen geführt wird (Dralluft, Primärluft, zwei Sekundär-

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Der übliche Betriebablauf bei niedrigen Kessellasten für Brennstoffdurchsätzen von weniger als 1/3 des maximalen Brennstoffdurchsatzes besteht darin, daß nahezu die gesamte Verbrennungsluft durch eine zentrale Leitung geführt wird, welche den Prall-erzeuger speist, mittels dem die intensive Durchmischung von Brennstoff und Luft in dem unmittelbaren Bereich der Abgabe von Brennstoff und Luftströmung in die Brennkammer bewirkt. Obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist, kann die Krümmung der drallerzeugenden Elemente zunehmen, je näher sie an dem Zentrum des Drallerzeugungskörpers liegen. Dies verbessert die Rezirkulation von heißen Verbrennungsprodukten von der Brennkammer zurück zu dem Punkt der Brennstoffeinspeisung. Mit zunehmendem Brennstoffdurchsatz werden strömungsregelnde Klappventile in einer, die Dralluftleitung umgebenden Primärluftleitung allmählich geöffnet, so daß Luft zu einem ringförmigen Luftauslaß gelangen kann, aus dem die Luft ohne Drall austritt. Dieser Auslaß hat zwei primäre Aufgaben. Er liefert zusätzliche Verbrennungsluft in gleichförmiger Weise zu dem Gemisch aus Brennstoff und Luft, erzeugt durch den Drallkörper, wobei keine unmittelbare Durchmischung erfolgt, sondern diese erst in einigem Abstand von der Brennkammerwandung eintritt; damit wird ein Brennstoffreicher Bereich hoher Temperatur nahe dem Punkt der ursprünglichen Brennstoffeinspritzung bewirkt. Diese stufenweise Verbrennung ist - wie anzunehmen ist - vorteilhaft zum Erzielen der relativ niedrigen Stickoxidpegel, die bei dem erfindungsgemäßen Brenner beobachtet wurden. Der zweite Zweck dieser drallfreien, ringförmigen Luftströmung besteht darin, die Form der Flamme zu steuern, die von der Brenneranordnung erzeugt wird. Wenn mit zunehmender Last die gesamte Verbrennungsluft durch die Dralluftleitung zugeführt würde, nähme die Flammen nämlich eine Tulpenform an, und würde hart auf die Brennkammerwandungen nahe dem Punkt auftreffen, wo Brennstoff und Luft injiziert werden. Dies würde zu einer beschleunigten Beschädigung der Brennkammer-

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wandungen in diesem. Bereich führen. Mit dem ringförmigen Luftvorhang jedoch wird eine lange fingerförmige Flamme erzeugt, und mit zunehmender Kesselbelastung wirken diese fingerförmigen Flammen zusammen zur Bildung einer tangentialen Flammenwand, in der das Durchmischen der ringförmigen Luftströmung mit der drallbehafteten Luftbrennstoffmischung zu einer vollständigen und mit hohem Wirkungsgrad versehenen Verbrennung führt. Bei weiterer Erhöahung des Brennstoffdurchsatzes bis zur Vollast beginnen zwei zusätzliche Luftabteile oder Leitungen, die als Sekundärluft- oder Hilfsluftdüsen bezeichnet werden, und oberhalb bzw. unterhalb der ringförmigen Primärluftleitung angeordnet sind, sowie mit separaten Klappenventilen versehen sind, Luft in die Brennkammer einzuspeisen. Diese Luft wird mit hoher Geschwindigkeit zugeführt und mischt sich nicht vollständig mit der Primär- oder Dralluft, bevor nicht das Zentrum der Brennkammer erreicht ist, in der die Durchmischung durch die tangentiale Flammenwand übernommen wird.

An dieser Stelle, an der optimale Brennstoffluftmischbedingungen innerhalb der Brennkammer erhalten werden, werden starke Ströme an Luft und Brennstoff von jeder Ecke der Brennkammer nach innen gerichtet längs einer Linie, tangential zu einem kleinen Kreis, der in einer Horizontalebene in der Mitte der Brennkammer liegt. Intensive Mischung erfolgt, wo die Luftströme einander treffen, und wo die Turbulaenz am größten ist. Eine Rotationsbewegung ähnlich der eines Zyklons wird auf die Flammenwand übertragen, die hinreicht, um den gesamten Brennstoff und die gesamte Luft für gleichförmige und vollständige Verbrennung zu durchmischen.

Bei dem bevorzugten Betriebsablauf werden mit zunehmendem Brennstoffdurchsatz die Klappenventile für die Dralluftleitung zuerst bis zu einem Punkt geöffnet, wo eine vorgegebene statische Druckdifferenz zwischen einem Punkt unmittelbar oberhalb

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der Windkastenklappenventile und der Brennkammer aufrechterhalten wird. Bei weiterer Erhöhung des Brennstoffdurchsatzes bis zu einem Punkt, wo eine weitere öffnung der Dralluftklappventile nicht mehr langer die Aufrechterhaltung dieser vorgegebenen Druckdifferenz gestattet, beginnen sich die Primärluftklappenventile zu öffnen, um dieses zu erreichen. Wenn in ähnlicher Weise das Öffnen der Primärluftklappenventile nicht mehr die Aufrshterhaltung dieser Druckdifferenz ermöglichen, beginnen sich die Sekundärluftklappenventile zu öffnen, um dies bis zu dem vollen Brennstoffdurchsatz aufrechtzuerhalten. Wenn die gerade vorliegenden Kessel- oder Brennkammerbedingungen oder Emissionsgrenzwerte Ändarungen in dieser bevorzugten Methode der Ventilbetätigung diktieren, muß man nicht unbedingt in der beschriebenen Weise vorgehen, und kann davon abweichen, solange der allgemeine Ablauf des Öffnungsvorganges beibehalten wird, da man sonst von dem Grundkonzept abweichen müßte. In Situationen nämlich, bei denen ein extrem niedriger Grad der Stickoxidbildung erzielt werden muß, kann es wünschenswert sein, bei hohen Brennstoffdurchsätzen,bei denen die Tangentialwirkung der Brennkammer prädominant ist, die Luftströmung zu der Dralluftleitung zu verringern, und dafür mehr Luft über die Primär- und Sekundärluftleitungen zuzuführen.

Erfindungsgemäß erhält man demgemäß eine Brenneranordnung, die geeignet ist zur Verwendung mit einer tangential gefeuerten Brennkammer, um optimales Durchmischen von Verbrennungsluft und Brennstoff unter allen Lastbedingen sicherzustellen. Dabei erhält man maximale Flammenstabilität, effektive Verbrennung und niedrige Raten der Erzeugung von gefährlichen Stickoxiden bei Teillastbedingungen, zusätzlich zu der Flammenstabilität und wirksamen Verbrennung, die normalerweise bei Vollast in einer tangential gefeuerten Brennkammer vorhanden sind.

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Die beigefügte Zeichnung stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines tangentiaLgefeuerten Kessels,

Fig. 2 zeigt perspektivisch einen Brenner gemäß der Erfindung, und

Fig, 3 ist eine Schnittdarstellung gemäß Linie 3-3 der Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Brennkammer die Außenwand 12 an c^: Ecke eines Kessels mit einer rechteckigen Kammer 14 mit Brennern 16 an jeder Ecke. An den Brennern wird ein Brennstoffluftgemisch längs einer Linie eingeführt, die tangential verläuft bezüglich eines kleinen Kreises, der in einer Horizontalebene im Zentrum der Kesselkammer 14 liegt. Einer oder mehrere Brenner an jed^r Ecke des Kessels liegen übereinander, so daß man einen Brennerdurchsatz mit vorgegebener thermischer Leistung erhält, derart, daß eine vollständige Verbrennung der Gase innerhalb der Kammer 14 erfolgt.

Verbrennungsluft wird jedem Brenner zugeführt, um sicherzustellen, daß hinreichend viel Sauerstoff für vollständige Verbrennung des Brennstoffs vorhanden ist. Der Brennstoff, z.B. öl, wird durch eine Brennerlanze 22 eingeführt, die sich zentral innerhalb von Luftzufuhrleitungen 24 befindet, wobei das Auslaßende der Lanze in den Kessel selbst ragt, während das andere Ende an eine Brennstoffversorgung angeschlossen ist.

Innerhalb der Luftleitung 24, die konzentrisch die Brennstofflanze 22 umschließt, ist eine Mehrzahl von Leitflügieln positioniert, die der hindurchströmenden Luft einen Drall aufprägen, so daß bei Austritt aus dem Brenner der Brennstoff

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innig mit der Luft vermischt wird. Die der Luftleitung 24 zuzuführenden Luft strömt durch einen konvergierenden Leitungsabschnitt 26 und wird beeinflußt von einer Däiapfereinrichtung 30 auf einer Welle 32, die manuell oder im Ansprechen auf irgendeine der Betriebsbedingungen, wie dies bei normaler Brennerpraxis üblich ist, gesteuert wird.

Um den Drallkörperleitungsabschnitt 24 herum ist eine Primärluftleitung 34 angeordnet mit einem offenen Ende, das eine im wesentlichen ringförmige Öffnung rings um den Abschnitt 26 bildet. Die Primärluftleitung 34 ist an eine Verbrennungsluftquelle über eine Serie von Durchlässen angeschlossen, welche die Zuleitung für die Dralluft umschließen, und dient als eine Düse, mittels der Luft in die Verbrennungskammer 14 eingeführt wird. Die Luftströmung durch die Primärluftleitung 34 wird an der Oberseite und der Unterseite des Brenners durch unabhängige Dämpfer 36A und an den Seiten durch Dämpfer 36B gesteuert, die manuell oder im Ansprechen auf irgendeine der verschiedenen Betriebsbedingungen gesteuert werden, welche Veränderungen in der Primärluft erfordern, wie dies bei der Kesselbetriebspraxis üblich ist.

An der Peripherie jedes Brenners sind die Wandungen 42 an Leitungsabschnitte 44 angeschlossen, durch die Hilfsluft von einer zugeordneten Quelle in die Verbrennungskammer 14 des Kessels eingespeist wird. Luftströmung durch die Hilfsluftleitungen 44 wird moduliert durch Dämpferklappen 46, welche die Strömung der Hilfsluft in die Verbrennungskammer steuern, zur. Sicherstellung einer vollständigen Verbrennung von Brennstoff aus der Brennstofflanze 22.

Bei Teillast sind die Dämpferklappen 46, 36A und 36B vollständig geschlossen, wobei die gesamte aus der Dralluftleitung 24 des Brenners austretende Luft durch die zentralen

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Dämpfer 30 gesteuert wird. Bei der Strömung der Luft über die Flügel 28 wird ihr eine Drallbewegung aufgeprägt, so daß sie innig mit dem Brennstoff durchmischt wird, der aus der Spitze der Brennstofflanze 22 austritt, so daß man bei einem geringeren Luftüberschuß eine bessere Plammenstabilität erzielt. Demgemäß führt die größere Flammenstabilität zu einer wirksameren Verbrennung des Brennstoffs.

Bei Lastanstieg werden die Dämpferklappen 36A, 36B und 46 zunehmend geöffnet, um damit die Gesamtmenge an Luft, die aus dem Brenner ausströmt, und in die Verbrennungskammer 14 durch die Mmär- und Hilfsluftdüsen 34 bzw. 44 eintritt, zu vergrößern. Die Luft, welche durch die peripheren Düsen 34 und 44 eintritt, wird nicht schnell mit dem Brennstoff gemischt, wenn der Eintritt in die Brennerkammer erfolgt. Nachdem die Luft jedoch den Turbulenzbereich in der Verbrennungskammer, erzeugt durch die Tangentialanordnung der Brenner, durchströmt hat, erfolgt die vollständige Mischung von Luft und Brennstoff und eine wirksame Verbrennung ist sichergestellt.

Erfindungsgemäß erhält man demgemäß einen Brenner, der mit einem tangentialgefeuerten Kessel zusammenwirkt, um eine optimale Brennstoffluftdurchmischun.g unter allen Las ^bedingungen zu erzielen, was mit den bisher bekannten Brenneranordnungen nicht möglich war.

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Claims (7)

1. Combustion Engineering, Inc.
   Windsor, Conn. 06095
   U.S.A.

   Patentansprüche

   '\ j) Brenneranordnung für eine Brennkammer, in deren Wandungen die Brenneranordnungen derart angeordnet sind, daß Brennstoff und Luft von ihnen tangential in die Brennkammer eingeführt werden, wobei die Brenneranordnung eine Brennstofflanze und einen Windkasten, angeschlossen an eine Verbrennungsluftquelle, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Windkasten in eine Primärluftleitung (34), eine Sekundärluftleitung (44) und eine Dralluftleitung (24) unterteilt ist, und daß die Dralluftleitung Steuerklappen (30) für die Luftdurchsatzsteuerung aufweist.
2. 2) Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pralluftleitung mit ihrem Luftauslaß nächst dem Brennstoff auslaß der Brennerlanze in die Brennkammer angeordnet ist.
3. 3) Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dralluftauslaß die Brennerlanzenmündung konzentrisch umgibt.
4. 4) Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Primärluftleitung und die Sekundärluftleitung Steuerklappen (36A, 36B, 46) aufweisen.
5. 5) Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftauslässe der Primär- und Sekundärluftleitungen derart angeordnet sind, daß ein Luftvorhang zur Isolation der Flamme von der Brennkammerwandung entsteht.

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6. 6) Brenneranordnung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärluftauslaß (34) den Dralluftauslaß konzentrisch umgibt.
7. 7) Brenneranordnung nach Anspruch 3 und 5 oder Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftauslaß (44) räumlich entfernt von dem Dralluftauslaß angeordnet ist.

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