DE3127168C2 - Brenner - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmetechnik, und betrifft insbesondere Verfahren zum Zuführen von Brennstoff in ein oxydierendes Medium bei seinem Verfeuern und auf Vorrichtungen zu deren Durchführung. Das Verfahren zum Zuführen von Brennstoff in ein oxydierendes Medium bei seinem Verfeuern besteht im Erzeugen von Brennstoffstrahlen (a) und ihrer Umsetzung mit dem Oxydationsmittel (b). Vor ihrer Umsetzung mit dem Oxydationsmittel (b) werden die Brennstoffstrahlen (a) auf eine steife Oberfläche (5) gelenkig und auf dieser Oberfläche umgelenkt, wobei dünne Filme (c) entstehen, die ins Oxydationsmittel (b) zur Umsetzung mit ihm eindringen. Auf der steifen Oberfläche werden die Filme (c) einem Erwärmen unterzogen. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Zuführen von Brennstoff in ein oxydierendes Medium bei seinem Verfeuern enthält eine Kammer (I) für das Oxydationsmittel, in der Brennstoffzufuhrrohre (2) mit Auslaßdüsen (3) zum Schaffen von Brennstoffstrahlen (a) angeordnet sind. Gegenüber den Auslaßdüsen (3) der Brennstoffzufuhrrohre (2) ist mindestens ein Prallblech mit einer steifen Oberfläche (5) zum Bilden aus Brennstoffstrahlen (a) dünner Filme (c) vorgesehen. Die Erfindung findet in der energetischen, chemischen, petrolchemischen, Erdgas-, metallurgischen sowie Baustoffindustrie erfolgreich Verwendung und eignet sich sowohl für flüssigen als auch für gasförmigen Brennstoff.

Description

tel und reagiert das Oxydationsmittel beschleunigt mit dem Brennstoff. Auf diese Weise kommt es zu einer Verbrennung mit kurzer, heißer Flamme. Dabei ist auch die .Stabilität der Verbrennung bei großen und kleinen Brennstoff- und Oxydationsmitteldurchsätzen ohne Abreißen und Zurückschlagen der Flamme gewährleistet

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Ausiaßdüsenanordnung gemäß Anspruch 2 ist eine optimale Lösung im Sinne der Erzielung einer Leuchtflamme von hoher Temperatur bei niedrigem Energieaufwand und guter Wirtschaftlichkeit des Prozesses.

Wenn der Abstand / mehr als 3 Düsendurchmesser beträgt, so wächst der Widerstand für die Bewegung des is Brennstoffilmes über die Oberfläche des Prallbleches an, und die kinetische Energie des dünnen, von der Prallblechoberfiäche herabfließenden Brennstoffüms nimmt ab, so daß er nicht tief genug ins Oxydationsmittel eindringt und die Brennstoffverteilung im Oxydationsmittel ungleichmäßig wird. Die Länge der brennenden Flamme würde sich vergrößern und die Temperatur in ihr sinken.

Wenn der Abstand I\ weniger als 0,25 Düsendurchmesser beträgt, so tritt für den Brennstoff zwischen dem Stirnende der Auslaßdüse und der Oberfläche des Prallblechs ein hoher Widerstand auf, zu dessen Oberwinden ein hoher Energieaufwand erforderlich ist Ist dagegen h größer als 4 Düsendurchmesser, so kommt es zu einem teilweisen Vermischen des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel in den Grenzschichten, so daß der Brennstoff schon auf der Oberfläche des Prallblechs zündet und dieses sich übermäßig erhitzt

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch die Mischzone eines Brenners, wo der Brennstoff in ein oxydierendes Medium eingeleitet wird, im Längsschnitt;

F i g. 2 den Schnitt gemäß der Linie Il-II der F i g. 1;

F i g. 3 ein^; Ausführungsvariante, bei der das Prallblech am Austrittsstirnende der Oxydationsmittelkammer angebracht ist;

F i g. 4 den Schnitt gemäß der Linie IV-IV der F i g. 3;

Fig.5 eine Ausführungsvariante mit rechteckigem Querschnitt der Oxydationsmittelkammer, bei der das Prallblech am Austrittsstirnende des Brennstoffzufuhrrohrcs angebracht ist;

F i g. 6 den Schnitt gemäß der Linie VI-VI der F i g. 5;

Fig.7 den Schnitt gemäß der Linie VII-VII der Fig.5;

F i g. 8 eine Ausführungsvariante mit rundem Querschnitt der Kammer für das Oxydationsmittel, bei der das Prallblech in Form eines Ansatzes an der Kammer für das Oxydationsmittel auf der Seite der Brennstoffauslaßdüsen befestigt ist;

F i g. 9 den Schnitt gemäß der Linie IX-IX der F i g. 8;

Fig. 10 einen Schnitt durch eine Kammer für das Oxydationsmittel mit rechteckigem Querschnitt;

Fig. 11 eine Ausführungsvariante, bei der das Prallblech achsmittig am Brennstoffzufuhrrohr befestigt ist.

In dem betrachteten Brenner geschieht die Zuführung des Brennstoffs A in ein oxydierendes Medium, in einer Kammer 1 für das Oxydationsmittel b, in der Brennstoffzufuhrrohre 2 mit Auslaßdüsen 3 zum Austritt von Brennstoffitrahlen a angeordnet sind. Gegenüber den AuslaßdUsen 3 der Brennstoffzufuhrrohre 2 befinden sich Prallblecht t mit einer steifen Oberfläche 5, auf der die Brennstoffstrahlen a in dünne Filme c zerfließen und so von den Rändern der Prallbleche in das Oxydationsmittel eindringen. Gegenüber jeder Auslaßdüse 3 der Brennstoffzufuhrrohre 2 ist mindestens ein Prallblech 4 mit einer steifen Oberfläche 5 vorgesehen. Die Prallbleche sind elektrisch an eine Spannungsquelle U anschließbar, so daß sie elektrisch erwärmt werden können.

Jedes Prallblech 4 und die zugehörige Auslaßdüse 3 des Brennstoffzufuhrrohres 2 sind derart zueinander angeordnet, daß der Anströmwinkel β (Fig.3) größer oder gleich 90°, doch kleiner als 180° ist

Das Prallblech kann symmetrisch bezüglich der Auslaßdüse 3 angeordnet sein oder, wie in Fig.3, 4, am Austrittsstirnende der Kammer 1 zu einer ihrer Wände hin versetzt angeordnet sein. Das Prallblech kann auch, wie in F i g. 8, 9, als Ansatz ausgebildet sein, der an der Kammer 1 für das Oxydationsmittel auf der Seite der Auslaßdüse 3 für den Brennstoff angebracht ist Für eine Reihe von Fällen empfiehlt es sich, das Prallblech 4 am Austrittsstirnende eines Brennstoffzt'fuhrrohres 2 mit rechteckigem Querschnitt (Fig.5 u»d 7) anzuordnen, oder am Brennstoffzufuhrrohr 2 (F i g. 11/ achsmittig zu befestigen.

Der Querschnitt der Kammer 1 für das Oxydationsmittel kann rechteckig (Fig. 1 bis 6 und 10), rund (F i g. 9), vieleckig oder oval sein oder eine komplizierte Form haben. Die Oberfläche 5 des Prallblechs 4 kann eben oder zum Stirnende der Auslaßdüse 3 konvex oder konkav sein, eine konische, pyramidale oder eine verwickeitere geometrische Form haben.

Die Ausbildung der Brennstoffilme c auf der Oberfläche 5 des Prallblechs 4 und deren Eindringen ins Oxydationsmittel geschieht dann optimal, wenn das Prallblech 4 relativ zu der Auslaßdüse 3 des Brennstoffzufuhrrohres 2 derart angeordnet ist daß der Abstand 1 vom Schnittpunkt der Düsenachse mit der Oberfläche 5 des Prallblechs 4 bis zu dessen Rand 0,5 bis 3 Düsendurchmesser d und der Abstand /1 von deir genannten Schnittpunkt bis zum Stirnende der Auslaßdüse 0,25 bis 4 dieses Durchmessers d(F i g. 8,11) beträgt

b·; Betrieb des Brenners strömt über einen Stutzen in die Kammer 1 ein Oxydationsmittel in Richtung des Pfeils b ein, und in Richtung des Pfeils Λ wird den Brennstoffzufuhrrohren ein Brennstoff zugeführt Der Brennstoff kann flüssig (Kerosin, Schweröl) oder gasförmig (Erdgas, Methan, Propan, Azetylen, Wasserstoff, Generatorgas) sein. Als Oxydationsmittel kommt KaIt- und Heißluft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff in Frage.

Die Auslaßdüsen 3 erzeugen mit einer hohen Geschwindigkeit strömende Brennstoffstrahlen a, deren Geschwindigkeit die des Oxydationsmittels b übersteigt, und lenken sie auf die steife Oberfläche 5 des Prallblechs 4, bevor sie mit dem Oxydationsmittel b reagiert haben. Dort zerfließt der Brennstoff nach allen Seiten.

Auf der Prallblechoberfläche werden die sich bildenden dünnen Brennstoffilme c auf die Temperatur des Dissoziationsbeginns der Hauptkomponente des Brennstoffs erhitzt. Dies^ strömen von der Auftreffstelle zu den Rändern der Prallplatte und mischen sich beim Verlassen derselben mit dem Oxydationsmittel b. Es kommt zu einem schnellen Vermischen des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel und sofortigem Entflammen des brennbaren Gemisches. Es entsteht eine kurze, heiße Flamme.

Beim Verfeuern von beispielsweise E'.rdgas, dessen überwiegende Komponente Methan mit einer Tempe-

ratur des Dissoziationsbeginns von 300⁰C ist, wird der Brennstoff auf der Prallblechoberfläche auf wenigstens 300⁰C aufgeheizt. Schon dann kommt es zu einer kurzen, heißen Flamme. Eine vollständige Dissoziation von Methan tritt bei 1100 bis 1200⁰C ein. Je höher die Aufheizung auf der Prallblechoberfiäche getrieben wird, umso kürzer wird die Flamme, und beim Erwärmen des Erdgases auf der Prallblechoberfiäche bis auf UOO bis 1200° C zersetzt sich der Brennstoff nahezu vollständig, und die dünnen Filme c bestehen überwiegend aus Dissoziationsprodukten, die in diesem Zustand ins Oxydationsmittel b gelangen. Dabei wird die höchste Temperatur im Volumen der Verbrennungsprodukte erreicht.

Das Erwärmen der Prallbleche kann durch die Flamme selbst geschehen, aber auch dadurch, daß elektri- scher Strom durch das Prallblech hindurchgeleitet wird. Für diesen Fall besteht das Prallblech 4 aus einem Werkstoff mit hohem elektrischen Widerstandswert, beispielsweise aus einem rostfreien hitzefesten Stahl.

20

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

40

45

55

60

65

Claims (4)

1 2 Erzielung einer stabilen Verbrennung; eine besonders Patentansprüche: vorteilhafte Wirkung im Sinne der Erzielung einer kurzen heißen Flamme und einer möglichst vollständigen

1. Brenner, in dem der Brennstoff auf eine er- Verbrennung wird hier dagegen nicht erreicht
wärmte steife Oberfläche auftrifft und mit einem 5 Aus der DE-PS 9 12 732 ist eine Vielzahl von Bren-Oxydationsmittel zur Reaktion gebracht wird, da- nerkoastruktionen bekannt, bei denen ein flüssiger durchgekennzeichnet, daß die steife Ober- Brennstoff durch unter Druck austretendes Oxydationsfläche die eines Prallblechs (4) ist, mittel, insbesondere Druckluft, zerstäubt wird. Die daß der Brennstoff (A) strahlenförmig auf die Ober- Druckluft teilt dem Brennstoff eine zusätzliche Energie fläche (5) des Prallblechs (4) auftrifft, io mit und erhöht die Geschwindigkeit der Brennstof fteildaß die Oberfläche (5) des Prallblechs (4) unter ei- chen; eine besonders vollständige Verbrennung mit kurnem Winkel zur Strömungsrichtung des Oxydations- zer Flamme wird jedoch auch hier nicht erzielt,
mittels (b) steht, Aus dem SU-Erfinderschein 241 353 ist ein Brenner daß der Brennstoff (A) von der Oberfläche (5) des bekannt bei dem Gas ^Is Brennstoff mit einem heißen Prallblechs (4) in Form dünner Filme (c) in das Oxy- is Luftstrom vermischt wird. Dabei tritt der Brennstoff in dationsmittel (^eindringt, Form von Brennstoff strahlen aus Austrittsöffnungen ei- und daß die Erwärmung des Brennstoffs (A) auf dem nes Brennstoffzufuhrrohres aus, welches von einem Prallblech (4) auf wenigstens die Temperatur des Luft-Mantelstrom eingehüllt ist Die Brennstoffstrahlen Dissoziationsbeginns erfolgt sind zum Teil rechtwinklig zum Luftstrom gerichtet

2. Bremer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 Dieser Brenner erzielt beim Betrieb mit heißer Luft zeichnet, tlsß die die Brennstoffstrahlen erzeugen- und bei optimalem Luftdurchsatz zwar gute Wirkungsde(n) Auslaßdüse(n) (3) bezüglich des Prallblechs (4) grade gewährleistet aber mit Kaltluft und bei Luftso angeordnet sind, daß der Abstand (1) vom durchsalzen unterhalb des optimalen Wertes keines-Schnittpunkt der Achse der Auslaßdüse (3) mit der wegs die Gasverbrennung mit einer beständigen Flam-Oberfläche des Prallblechs (4) bis zu dessen Rand 0,5 25 menlänge und einer hohen Flammentemperatur.

bis 3 Durchmesser (d)der Auslaßdüse (3), Eine kurzflammige Brennstoffverbrennung wird nur

und der Abstand (h) vom genannten Schnittpunkt erzielt, wenn der Durchmesser der Brennerdüse im Aus-

bis zum Stirnende der Auslaßdüse (3) 0,25 bis 4 die- trittsquerschnitt 40 mm nicht übersteigt und der Durch-

ses Durchmessers (d) beträgt, messer des Brennstoffzufuhrrohres so bemessen ist, daß

und der Anströmwinkel (ß) der Brennstoffstrahlen 30 die Breite des Ringkanals für die Luft zwischen der Dü-

bezüglich der Oberfläche des Prallblechs (4) 90° senwandung und dem Brenstoffrohr gleich oder kleiner

oder mehr, jedoch weniger als 180° beträgt als 9 mm bei einem Durchmesser der Brennstoffaus-

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekenn- trittsöffnungen von 2J5 mm ist Da außerdem nur gerinzeichnet, daß das Prallblech (4) am Austrittsstirnen- ge Heißluftgeschwindigkeiten in der Düse angewendet de der Oxydationsmittelkamrv ;r (1) unter einem 35 werden, wird die Leistung eines solchen Brenners not-Winkel zu einer ihrer Wände eingebaut ist gedrungen klein sein. Wenn also große Gasmengen mit

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Heißluft zu verbrennen sind, wird es erforderlich, das zeichnet, daß das Prallblech (4) als Ansatz ausgebil- Wärmeaggregat mit großer Anzahl von Brennern ausdet ist, der an der Oxydationsmittelkammer (1) befe- zurüsten und diese so anzuordnen-, daß der Abstand stigt ist. 40 zwischen den Achsenlinien der Brennerdüsen größer als

2 bis 3 Durchmesser der Brennerdüse ist, so daß das

Brennersystem kompliziert wird, der Arbeitsaufwand

bei der Reparatur des Futters der Brennertunnel ansteigt und der Verbrauch an Feuerfeststoffen zur Her-

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen 45 stellung der Tunnel sich erhöht

Brenner, in dem der Brennstoff auf eine erwärmte steife Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung

Oberfläche auftrifft und mit einem Oxydationsmittel zur eines Brenners der eingangs genannten Art mil dem Reaktion gebracht wird. Ein solcher Brenner ist aus der durch besonders intensive Vermischung des Brennstof-DE-OS 25 34 066 bekannt fes mit dem Oxydationsmittel flüssige und gasförmige

Es geht dabei um die Verbrennung von flüssigen oder 5J Brennstoffe mit besonders kurzer und heißer Flamme gasförmigen Brennstoffen in Kraftwerken, in der chemi- verbrannt werden können,
sehen, der Hütten- oder der Baustoffindustrie. Ausgehend von der eingangs genannten Brenncraus-

Bei der bekannten Ausbildung wird flüssiger Brenn- bildung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die steistoff auf einen zentralen kegelstumpfförmigen Rotor fe Oberfläche die eines Prallblechs ist, daß der Brenngespritzt, von wo er unter der Wirkung der Zentrifugal- 55 stoff strahlenförmig auf die Oberfläche des Prallblechs kraft in Umfangsrichtung abgeschleudert wird. Auf sei- auftrifft, daß die Oberfläche des Prallblechs unter einem nem Wege radial nach außen durchläuft er noch ein Winkel zur Strömungsrichtung des Oxydationsmittels Mischflügelrad und trifft auf die elektrisch beheizte zy- steht, daß der Brennstoff von der Oberfläche des Pralllindrische Innenwand der Mischkammer. Nach der Ver- blechs in Form dünner Filme in das Oxydationsmittel mischung mit dem Oxydationsmittel durchströmt das 60 eindringt, und daß die Erwärmung des Brennstoffs auf Verbrennungsgemisch in Axialrichtung u. a. eine Flam- dem Prallblech auf wenigstens die Temperatur des Dismenlochplatte, bevor es zur Verbrennung in eine Ver- soziationsbeginns erfolgt.

brennungskammer eintritt. Die zylindrische Innenwand Bei einer solchen Ausbildung setzt der Dissoziations-

der Mischkammer wird durch die Beheizung auf etwa prozeß, der sich normalerweise in der brennenden 250⁰C gehalten, damit der in Tröpfchenform ankom- 65 Flamme abspielt, noch vor dem Vermischen des Brennmende Brennstoff verdampft. stoffes mit dem Oxydationsmittel ein, erwärmen sich die

Bei dieser bekannten Ausbildung geht es in erster Brennstoffilme sehr schnell, kommt es zu einer gleich-Linie um die Verbesserung der Flammenlochplatte zur mäßigen Verteilung des Brennstoffs im Oxydationsmit-