DE3641417A1

DE3641417A1 - Verfahren und brenneinrichtung zur verbrennung von brennstoff

Info

Publication number: DE3641417A1
Application number: DE19863641417
Authority: DE
Inventors: Kirill Nikolaevic Zvjagintsev; Leonid Markovic Novikov; Evgenij Aleksandrovic Sinitsij; Eleksei Aleksandrovic Falin; Detlef Dr Ing Altemark
Original assignee: Ruhrgas AG; VNI SKIJ I ISPOL ZOVANIJA GAZA
Current assignee: EON Ruhrgas AG; VNI SKIJ I ISPOL ZOVANIJA GAZA
Priority date: 1986-12-04
Filing date: 1986-12-04
Publication date: 1988-06-09
Also published as: DE3641417C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer Brennereinrichtung, bei dem der Verbrennungszone ein aus Brennstoff und Primärluft bestehendes Primärgemisch in Form eines am Rande einer Brennkammer verlaufenden Stromes und Sekundärluft in Form eines axial in die Mitte der Brennkammer eingeleiteten Stromes zugeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennereinrichtung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens.

Die Erfindung befaßt sich mit der bei der Verbrennung insbesondere von gasförmigem Brennstoff in Brennereinrichtungen angewandten Technik und kann in verschiedenen Wärmeaggregaten eingesetzt werden, etwa in Öfen, z. B. Wärmebehandlungsöfen, in Kesseln usw.

Die zwei- oder mehrstufige Luftzufuhr bei der Verbrennung von Brennstoff in Brennereinrichtungen besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber der einstufigen Luftzufuhr, bei der die gesamte Verbrennungsluft durch den Brennkammereintritt zugeführt wird. Bei der stufenweisen Luftzufuhr können die Temperaturspritzen in der Brennkammer deutlich gesenkt oder sogar ausgeschlossen, die Wandtemperatur der Kammer wesentlich herabgesetzt und die Schadstoffemission (insbesondere Stickoxide) reduziert werden.

Am nächsten kommt der Erfindung das Verbrennungsverfahren nach dem am 23. 08. 82 veröffentlichten SU-Erfinderschein Nr. 9 53 372 (M Kl. F 23 D 15/00). Bei diesem bekannten Verfahren wird - wie eingangs erwähnt - der Verbrennungszone ein aus Brennstoff und Primärluft bestehendes Primärgemisch in Form eines am Rande der Kammer verlaufenden Stromes und Sekundärluft in Form eines axial in den Mittelteil der Brennkammer geleiteten Stromes zugeführt. Dabei wird ein Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten des Primärgemisches und der Sekundärluft von 0,5-1,0 eingehalten. Der Erfinderschein enthält auch eine schematische Darstellung der nach diesem Verfahren arbeitenden Brennereinrichtung. Im Brenner wird ein unterstöchiometrisches Primärgemisch am Rande der Brennkammer gebildet und verbrannt, während die Sekundärluft dem Mittelteil der Brennkammer zugeführt wird.

Nachteile eines solchen Verfahrens und der Brennereinrichtung sind, daß der optimale Bereich für die Veränderung der Luftzahl des Primärgemisches nicht präzisiert ist und auch die mit diesem Bereich im Zusammenhang stehende Stelle für die Einführung der Sekundärluft in den Mittelteil der Brennkammer nicht konkretisiert ist. Daher kann eine ausreichend zuverlässige Funktion der Brennkammer bei vorgegebenem Ausbrandgrad und demzufolge bei der vorgegebenen Flammenlänge nicht gewährleistet werden. Bei einer Luftzahl des Primärgemisches α₁ nahe der eines stöchiometrischen Gemisches, d. h. ohne oder mit geringem Sekundärluftdurchsatz, kann keine erhöhte Betriebssicherheit der Brennkammer gewährleistet werden, da an der Brennkammerwand Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur entstehen, die die Brennkammerwand überhitzen. Um unter diesen Umständen einen sicheren Betrieb der Brennkammer zu gewährleisten, muß diese aus einem teuren, warmfesten Werkstoff hergestellt werden. Dazu muß α₁ gesenkt werden, was mit einer Senkung der Temperatur in der Verbrennungszone einhergeht. Hierbei wird der mögliche Mindestwert von α₁ durch das "Abreißen der Flamme bei unterstöchiometrischem Gemisch" bestimmt. Bei Methan-Luft-Gemischen mit einer Temperatur der Verbrennungsluft von ca. 293 K beträgt α₁ ca. 0,6. In der die Flamme stabilisierenden toten Zone der Brennkammer muß folglich ein Gemisch mit einer Luftzahl von mindestens 0,6 verbrannt werden. Bei einer Lufttemperatur von ca. 623 K muß α₁ mindestens 0,4 betragen.

Wenn in die Stabilisierungszone Sekundärluft gelangt, kann α₁ auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt werden, als oben angegeben, und dabei eine stabile Verbrennung sichergestellt werden.

Die Möglichkeit, daß Sekundärluft in das Primärgemisch gelangt, ist durch die konstruktiven Besonderheiten des Brenners bedingt, die in der toten Zone für die Luftzahl einen Ist-Wert gewährleisten, der über dem Grenzwert für das Abreißen der Flamme bei unterstöchiometrischem Gemisch liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebssicherheit der Brennkammer des Brenners zu erhöhen und ein vollständiges Ausbrennen des Brennstoffes sicherzustellen.

Das gesteckte Ziel wird dadurch erreicht, daß das aus Brennstoff und Primärluft bestehende Primärgemisch und die Sekundärluft mit einer Temperatur T _B = 293-623 K zugeführt werden, wobei die Luftzahl α₁ = 0,8-0,4 eingehalten wird.

Vorzugsweise werden das Primärgemisch und die Sekundärluft mit einer Temperatur von 293 K bei α₁ = 0,8-0,5 zugeführt. Wenn die Verbrennungsluft auf 623 K vorgewärmt wird, wird das Primärgemisch vorteilhafterweise bei α₁ = 0,6-0,4 zugeführt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise eine Brennereinrichtung verwendet, die ein Gehäuse, welches eine Luftzuführung bildet, eine koaxial an das Gehäuse anschließende Brennkammer, eine axial im Gehäuse angeordnetes Brennerrohr mit radialen Öffnungen für den Austritt des Brennstoffes in den Primärluftstrom und ein axiales Sekundärluftrohr zum Einleiten der Sekundärluft in die Verbrennungszone, und zwar in Form eines Begleitstroms des aus Brennstoff und Primärluft bestehenden Primärgemisches, aufweist.

Erfindungsgemäß ist diese Brennereinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärluftrohr mit seinem offenen Eintrittsende in der Luftzuführung angeordnet ist und mit seinem Austrittsende höchstens 0,4 der Kammerlänge weit in das Innere der Brennkammer reicht, wobei für das Verhältnis ( = F/F _n) der zwischen der Innenwand der Luftzuführung und der Außenwand des Eintrittsendes des Sekundärluftrohres gebildeten Ringfläche (F) zur Querschnittsfläche (F _n) der Luftzuführung einerseits und für das Verhältnis ( = L/L _k) des Abstandes (L) des Austrittsendes des Sekundärluftrohres vom Eintritt der Brennkammer zur Kammerlänge (L _k) andererseits bei einer Verbrennungslufttemperatur von 293 bis 623 K folgende Beziehung gilt:

= (0,4 bis 0,57) (1+ ).

Vorzugsweise gilt für eine Verbrennungsluftzufuhr bei einer Temperatur von 293 K:

= (0,5 bis 0,57) (1+ ).

Ferner gilt erfindungsgemäß für eine Verbrennungsluftzufuhr bei einer Temperatur von 623 K:

= (0,4 bis 0,425) (1+ ).

Erfindungsgemäß kann am offenen Eintrittsende des Sekundärluftrohres eine verstellbare Drossel angebracht werden, die den Luftdurchsatz für die Bildung des Primärgemisches begrenzt.

Die Erfindung erlaubt eine Verlängerung der Lebensdauer der Brennkammer vor allem bei Verbrennung des Brennstoffes im Impulsbetrieb sowie eine Verringerung von Länge und Gewicht der Brennkammer unter Gewährleistung des vorgegebenen Ausbrandgrades des Brennstoffes am Brennkammeraustritt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese stellen folgendes dar:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennereinrichtung im Längsschnitt;

Fig. 2 die Abhängigkeit der minimalen Luftzahl α₁ des aus Primärluft und Brennstoff bestehenden Primärgemisches von der Vorwärmetemperatur der Luft T _B und der Stellung des Sekundärluftstutzens zum Einleiten der Sekundärluft in die Brennkammer (Abriß der Flamme bei unterstöchiometrischem Gemisch);

Fig. 3 die Abhängigkeit der Temperatur der Brennkammerwand T _CT und der Flammenlänge von der Luftzahl α₁ und der Luftvorwärmetemperatur T _B;

Fig. 4 die Abhängigkeit der relativen Fläche von der Lage des Endes des Sekundärluftrohres;

Fig. 5 in schematischer Darstellung eine abgewandelte Brennereinrichtung nach der Erfindung im Längsschnitt.

Die in Fig. 1 gezeigte Brennereinrichtung besteht aus einem Gehäuse 1 und einer koaxial daran anschließenden Brennkammer 2. Das Gehäuse 1 ist mit einem Luftzufuhrstutzen 3 versehen. Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich ein Brennerrohr 4 mit radialen Öffnungen 5, durch die das Gas in den Primärluftstrom vor einer Verwirbelungseinrichtung 6 austritt. Im Brennerrohr ist axial ein Sekundärluftrohr 7 für die Zufuhr von Sekundärluft angeordnet, dessen Austrittsstutzen 8 mit seinem offenen Ende 9 in die Brennkammer 2 hineinragt. Das Eintrittsende 10 des Sekundärluftrohres 7 ragt in den Luftzufuhrstutzen 3. Am Eintrittsende 10 des Sekundärluftrohres 7 ist z. B. mittels eines Gewindes eine verstellbare Drossel 11 angebracht.

Während des Einsatzes der Brennereinrichtung tritt die Primärluft durch den ringförmigen Schlitz F zwischen dem Luftzufuhrstutzen 3 und der Drossel 11 in das Gehäuse 1 ein. Die Sekundärluft wird durch das Sekundärluftrohr 7 zugeführt und tritt aus dem offenen Ende 9 des Austrittsstutzens 8 in die Brennkammer 2 aus. Der Brennstoff wird durch das Brennerrohr 4 zugeführt und tritt durch die radialen Öffnungen 5 in den Primärluftstrom aus. Das aus Brennstoff und Primärluft bestehende Primärgemisch strömt in den wandnahen Bereich der Brennkammer 2 aus. Das brennbare Gemisch in der Brennkammer 2 wird mit einer beliebigen bekannten (nicht dargestellten) Vorrichtung (einer elektrischen Zündkerze, einem Zündbrenner oder dergleichen) gezündet. Dank einer Stabilisierungszone A in der Brennkammer 2 erfolgen eine stabile Verbrennung des unterstöchiometrischen Primärgemisches und eine Nachverbrennung der nicht vollständig verbrannten Verbrennungsprodukte mit Hilfe von Sekundärluft. Dabei wird die Gesamtluftzahl nahe der eines stöchiometrischen Gemisches gehalten, z. B. α _Σ = 1,02-1,1, wie es in der Brennertechnik üblich ist.

Ohne Luftvorwärmung (T _B = 293 K) für das Primärgemisch und die Sekundärluft wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Luftzahl des Primärgemisches von 0,8-0,5 eingestellt.

Mit Luftvorwärmung auf T _B 623 K für das Primärgemisch und die Sekundärluft wird eine Luftzahl des Primärgemisches von 0,6-0,4 eingehalten.

Im folgenden wird ein Beispiel für den Ablauf des Verfahrens beschrieben.

Zur Bestimmung der unteren Grenzwerte der Luftzahl α₁, bei denen die Erzielung eines positiven Effektes gemäß der Erfindung gewährleistet ist, wurden Versuche mit dem oben beschriebenen Hochgeschwindigkeitsbrenner durchgeführt. Im Brenner wurde Erdgas verbrannt. Die Wärmeleistung des Brenners betrug 140-350 kW, die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsprodukte ca. 100 m/s bei einer Wärmeleistung von 350 kW. Experimente untersucht wurde der Einfluß der Luftvorwärmetemperatur T _B, der Luftzahl des Primärgemisches α₁ und der Lage der Querschnittsfläche am offenen Ende 9 des Austrittsstutzens 8 für die Einleitung der Sekundärluft in die Brennkammer 2 auf die Flammenstabilität in der Brennkammer 2. Dabei betrug die Gesamtluftzahl im Brenner a _Σ = 1,05. Unter Stabilitätsverlust der Flamme ist ein Aussetzen des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer und eine Verlagerung des Flammenansatzes in den Austrittsquerschnitt der Brennkammer zu verstehen.

Den Einfluß einer Lageveränderung () der Querschnittsfläche am offenen Ende 9 des Austrittsstutzens 8 innerhalb der Brennkammer 2 und der Luftvorwärmetemperatur (T _B) auf die Flammenstabilität beim Abreißen der Flamme bei unterstöchiometrischem Gemisch zeigt Fig. 2. Die Auswertung des in Fig. 2 gezeigten Schaubildes ergibt, daß der Grenzwert der Luftzahl a _1min bei Vergrößerung des Verhältnisses anwächst. Der Temperaturanstieg T _B führt zu einer Verringerung von α _1min. Es ist hervorzuheben, daß bei 0,2 und T _B = 293 K α _1min kleiner ist als die oben angeführten Grenzwerte von Methan- Luft-Gemischen.

Dies hängt mit einer Verdünnung des Primärgemisches durch Sekundärluft in der toten Zone A der Brennkammer 2 zusammen. Diese Verdünnung nimmt ab, wenn das Verhältnis zunimmt, und sie unterbleibt völlig, wenn sich das offenen Ende 9 des Austrittsstutzens 8 derjenigen Querschnittsfläche der Brennkammer 2 nähert, in der die Grenze der toten Zone A mit der Kammerwand zusammenfällt. Wie man sieht, ändert sich α _1min bei <0 praktisch nicht. Die Länge der toten Zone A beträgt ca. 0,4 L _K bei den in der Brennertechnik üblichen Beziehungen der in Fig. 1 gezeigten Maße:
D/d = 2,5; L _K/D = 2,0.

Aus dem Schaubild gem. Fig. 2 geht hervor:
α _1min = 0,4-0,7 bei T B = 293-623 K. Hierbei sind:
α _1min = 0,5-0,7 bei T _B = 293 K und a _1min = 0,4-0,56 bei T _B = 623 K.

Bei einer Gesamtluftzahl nahe der eines stöchiometrischen Gemisches im Brenner gilt:

Es folgt daher aus den Kennlinien von Fig. 2:
bei T _B = 293 K ist _min = 0,5 (1+ ), bei 0 0,4;
bei T _B = 623 K ist _min = 0,4 (1+ ), bei 0 0,4.
Das heißt, der Schwankungsbereich von _min beträgt, wie für α₁ bei T _B = 293-623 K, 0,4-0,7 in Abhängigkeit von , wobei F _min = 0,5-0,7 bei T _B = 293 K ist, und _min = 0,4-0,56 bei T _B = 623 K.

Bei einer Erhöhung der Luftzahl α₁ des Primärgemisches steigt die Temperatur im Verbrennungsbereich an, wobei die Temperatur der Brennkammerwand zunimmt.

Es wurden Untersuchungen an einem Hochgeschwindigkeitsbrenner mit den oben angeführten Kennwerten zur Bestimmung des Einflusses von a₁ und T _B auf die Flammenlänge L _Φ und auf die Wandtemperatur T _CT der Brennkammer durchgeführt.

Die Flammenlänge wurde definiert als der auf die Hauptachse der Brennkammer bezogende Abstand zwischen der Querschnittsfläche am Kammeraustritt und der Querschnittsfläche, in der der CO-Gehalt der Verbrennungsprodukte 0,1 Volumenprozent beträgt. Die Gesamtluftzahl α _Σ betrug ebenfalls 1,05. Unter der Wandtemperatur T _CT ist deren Höchstwert über die Länge der Brennkammer zu verstehen. Die entsprechende Stelle befindet sich, wie die Versuche gezeigt haben, am Eintritt in die sich verjüngende Düse der Brennkammer (s. Fig. 1).

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Fig. 3 dargestellt. Bei der Analyse dieser Ergebnisse hat sich gezeigt, daß bei einer Wärmeleistung des Brenners P = 140-350 kW und einer Zunahme von α₁ ein beträchtlicher Anstieg der Temperatur T _CT in der Kammerwand beim Betrieb des Brenners sowohl ohne Luftvorwärmung (T _B = 293 K) als auch mit Luftvorwärmung (T _B = 623 K) zu verzeichnen ist.

Dabei ist die Flammenlänge L _Φ praktisch nicht abhängig von α₁, wenngleich sie bei ansteigendem α₁ etwas abnimmt.

Wenn man die Temperatur der Brennkammerwand auf T _CT = 1673 K (1400°C) begrenzt, was die Verwendung von relativ billigem feuerfestem Werkstoff für die Kammerherstellung erlaubt, z. B. von Schamotte anstelle des teureren Korund, der im allgemeinen für die Herstellung der Brennkammern von Hochgeschwindigkeitsbrennern verwendet wird, betragen die maximal zulässigen Werte der Luftzahl α₁ des Primärgemisches bei T _B = 293 K etwa 0,8 und bei T _B = 623 K etwa 0,6, wie aus Fig. 3 ersichtlich.

Damit beträgt der zulässige Wertebereich für die Luftzahl des Primärgemisches 0,8-0,4. Hierbei sind α₁ = 0,8-0,5 bei T _B = 293 K und α₁ = 0,6-0,4 bei T _B = 623 K.

Entsprechend beträgt der Schwankungsbereich von bei T _B = 293-623 K und 0,4:
= (0,4-0,57) (1+ ) = 0,4 0,8,
wobei für T _B = 293K
= (0,5-0,57) (1+ ) = 0,5 0,8
und für T _B = 623 K
= (0,4-0,425) (1+ ) = 0,4 0,6 gilt.

In Fig. 4 sind die obigen Abhängigkeiten graphisch dargestellt. Die Bereiche bei T _B = 293-623 K, 293 K und 623 K, die den bei der vorliegenden Erfindung geltenden Grenzbedingungen genügen, sind unterschiedlich schraffiert und einzeln dargestellt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Brennervariante. Im Rahmen der Erfindung sind Modifikationen möglich. Zum Beispiel kann die Gaszufuhr in den Brenner statt aus dem zentralen Brennerrohr durch das Gehäuse 1 erfolgen, wie in Fig. 5 gezeigt. Das Sekundärluftrohr 7 für die Sekundärluftzufuhr endet im Gehäuse 1, und das Flächenverhältnis, das in Abhängigkeit von der Einschubtiefe des Sekundärluftrohres beachtet werden muß, hat an jeder der beiden in Fig. 5 gezeigten Stellen die Aufgabe einer Begrenzung der Durchgangsquerschnitte zu erfüllen.

Außerdem kann zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Brenners der Austrittsstutzen 8 bzw. das Sekundärluftrohr 7 aus dünnwandiger Keramik, z. B. aus infiltriertem Siliziumkarbid, hergestellt werden.

Auch kann bei den in den Fig. 1 und 5 schematisch dargestellten Brennern der Luftzuführstutzen 3 gegenüber der Gehäuseachse des Brenners 1 seitlich versetzt angeordnet werden, um einen Vordrall der Luftströmung zu erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer Brennereinrichtung, bei dem der Verbrennungszone ein aus Brennstoff und Primärluft bestehendes Primärgemisch in Form eines am Rande einer Brennkammer verlaufenden Stromes und Sekundärluft in Form eines axial in die Mitte der Brennkammer geleiteten Stromes zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärgemisch und die Sekundärluft mit einer Lufttemperatur von 293-623 K zugeführt werden und die Luftzahl des Primärgemisches bei 0,8-0,4 gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärgemisch und die Sekundärluft mit einer Temperatur von 293 K zugeführt werden und die Luftzahl des Primärgemisches bei 0,8-0,5 gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärgemisch und die Sekundärluft mit einer Temperatur von 623 K zugeführt werden und die Luftzahl des Primärgemisches bei 0,6-0,4 gehalten wird.

4. Brennereinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, mit einem Gehäuse (1), das eine Luftzuführung bildet, einer koaxial an das Gehäuse (1) anschließenden Brennkammer (2) einem axial im Gehäuse (1) angeordneten Brennerrohr (4), das radiale Öffnungen (5) für den Austritt des Brennstoffes in den Primärluftstrom aufweist, und einem axialen Sekundärluftrohr (7) zum Einleiten der Sekundärluft in die Verbrennungszone, und zwar in Form eines Begleitstroms des aus Brennstoff und Primärluft bestehenden Primärgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärluftrohr (7) mit seinem offenen Eintrittsende (10) in der Luftzuführung angeordnet ist und mit seinem Austrittsende (9) höchstens 0,4 der Kammerlänge weit in das Innere der Brennkammer (2) reicht, wobei für das Verhältnis ( = F/F _n) der zwischen der Innenwand der Luftzuführung und der Außenwand des Eintrittsendes (10) des Sekundärluftrohres (7) gebildeten Ringflächen (F) zur Querschnittsfläche (F _n) der Luftzuführung einerseits und für das Verhältnis ( = L/L _k) des Abstandes (L) des Austrittsendes (9) des Sekundärluftrohres (7) vom Eintritt der Brennkammer (2) zur Kammerlänge (L _k) andererseits folgende Beziehung gilt: = (0,4-0,57) (1+L) bei 0,4.

5. Brennereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Luftzufuhr bei einer Temperatur von 293 K gilt: = (0,5-0,57) (1+L) bei 0,4.

6. Brennereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Luftzufuhr bei einer Temperatur von 623 K gilt: = (0,4-0,425) (1+L) bei 0,4.

7. Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß am offenen Eintrittsende (10) des Sekundärluftrohres (7) eine verstellbare Drossel (11) angebracht ist.