DE3641417C2

DE3641417C2 -

Info

Publication number: DE3641417C2
Application number: DE19863641417
Authority: DE
Inventors: Kirill Nikolaevic Zvjagintsev; Leonid Markovic Novikov; Evgenij Aleksandrovic Sinitsij; Eleksei Aleksandrovic Moskau/Moskva Su Falin; Detlef Dr.-Ing. 4270 Dorsten De Altemark
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1986-12-04
Filing date: 1986-12-04
Publication date: 1991-07-11
Also published as: DE3641417A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff, insbesondere Brenngas, in einer eine Brennkammer umfassenden Brennereinrichtung, bei dem der Verbrennungszone ein aus dem Brennstoff und Primärluft bestehendes unterstöchiometrisches Primärgemisch in Form eines am Rande der Brennkammer verlaufenden Stromes und Sekundärluft in Form eines axial in die Mitte der Brennkammer geleiteten Stromes zugeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennereinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 4 zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung kann in verschiedenen Wärmeaggregaten eingesetzt werden, etwa in Öfen, z. B. Wärmebehanlungsöfen, und in Kesseln.

Bei dem eingangs erwähnten, aus dem SU-Erfinderschein Nr. 9 53 372, bekannten Verfahren wird ein Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten des Primärgemisches und der Sekundärluft von 0,5-1,0 eingehalten. In der nach diesem Verfahren arbeitenden Brennereinrichtung wird ein unterstöchiometrisches Primärgemisch am Rande der Brennkammer gebildet und verbrannt, während die Sekundärluft dem Mittelteil der Brennkammer zugeführt wird.

Nachteile des 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.

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.

Ferner zeigt die DE-OS 25 36 073 in Fig. 2 einen Brenner, der ebenfalls eine axiale Sekundärluftzuführung aufweist. Allerdings besitzt dieser Brenner keine Brennkammer.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Brennereinrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, mit denen eine Erhöhung der Betriebssicherheit und eine Verlängerung der Lebensdauer der Brennkammer sowie eine Verringerung von Länge und Gewicht der Brennkammer unter Gewährleistung eines hohen Ausbrandgrades des Brennstoffes am Brennkammeraustritt erreichbar ist.

Das gesteckte Ziel wird verfahrensmäßig dadurch erreicht, daß die Primärluft für das Primärgemisch und die Sekundärluft mit einer Lufttemperatur von T_B = 293-623 K zugeführt werden und die Luftzahl des Primärgemisches bei α₁ = 0,8-0,4 gehalten wird.

Vorzugsweise wird bei einer Lufttemperatur von 293 K die Luftzahl des Primärgemisches bei α₁ = 0,8-0,5 gehalten. Für eine Lufttemperatur von 623 K gilt vorteilhafterweise α₁ = 0,6-0,4.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Brennereinrichtung verwendet, mit einem Gehäuse, das eine Luftzuführung bildet, einer koaxial an das Gehäuse anschließenden Brennkammer mit einer axialen Kammerlänge (L_K), einem axial im Gehäuse angeordneten Brennerrohr, das radiale Öffnungen für den Austritt des Brennstoffes in einen umgebenden Primärluftstrom aufweist, und einem axialen, mit dem Austrittsende um einen Abstand (L) vom Beginn der Brennkammer in deren Inneres reichenden Sekundärluftrohr zum Einleiten der Sekundärluft in die Verbrennungszone, und zwar in Form eines Begleitstroms des aus dem Brennstoff und der Primärluft bestehenden unterstöchiometrischen Primärgemisches.

Erfindungsgemäß ist diese Brennereinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärluftrohr mit seinem offenen Eintrittsende in der Luftzuführung angeordnet ist und mit seinem Austrittsende um den höchstens 0,4 der Kammerlänge (L_k) betragenden Abstand (L) in die 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) zur Kammerlänge (L_k) andererseits folgende Beziehung gilt:

= (0,4 bis 0,57) · (1 + ), bei 0,4.

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

= (0,5 bis 0,57) · (1 + ), bei 0,4.

und bei einer Temperatur von 623 K:

= (0,4 bis 0,43) · (1 + ), bei 0,4.

Zweckmäßig 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_min des aus Primärluft und Brennstoff bestehenden Primärgemisches von der Vorwärmetemperatur der Luft T_B und dem Lageverhältnis L des Sekundärluftstutzens (Abriß der Flamme bei unterstöchiometrischem Gemisch);

Fig. 3 die Abhängigkeit der Temperatur der Brennkammerwand T_CT und der Flammenlänge L₀ von der Luftzahl α₁ und der Luftvorwärmetemperatur T_B;

Fig. 4 die Abhängigkeit des Flächenverhältnisses von der des Lageverhältnisses des Sekundärluftstutzens;

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 mit einer axialen Kammerlänge L_k. Das Gehäuse 1 ist mit einem Luftzufuhrstutzen 3 mit einer Querschnittsfläche F_n versehen. Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich ein Brennerrohr 4 mit radialen Öffnungen 5, durch die 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 Austrittsende 9 um einen Abstand L 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 die Ringfläche 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 nicht dargestellten Vorrichtung, z. B. einer elektrischen Zündkerze oder einem Zündbrenner 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.

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

Zur Bestimmung der unteren Grenzwerte der Luftzahl α₁ wurden Versuche mit dem oben beschriebenen Brenner als 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. Experimentell untersucht wurde der Einfluß der Luftvorwärmetemperatur T_B, der Luftzahl α₁ des Primärgemisches 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 α_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 des Lageverhältnisses 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 α₁_min bei Vergrößerung des Verhältnisses anwächst. Ein Temperaturanstieg T_B führt zu einer Verringerung von α₁_min.

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 offene 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 α₁_min bei < 0 praktisch nicht. Die Länge der toten Zone A beträgt ca. 0,4 L_K.

Aus dem Schaubild gem. Fig. 2 geht hervor:

α₁_min = 0,4-0,7 bei T_B = 293-623 K.

Hierbei sind:

α₁_min = 0,5-0,7 bei T_B = 293 K und
α₁_min = 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 _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 α₁ und T_B auf die Flammenlänge L₀ und auf die Wandtemperatur T_CT der Brennkammer durchgeführt.

Die Flammenlänge wurde definiert als der auf die Hauptachse der Brennkammer bezogene 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 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 L₀ 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.

Entsprechend beträgt der Schwankungsbereich von bei T_B = 293-623 K und 0,4:

= (0,4 bis 0,57) · (1 + ) = 0,4 ./. 0,8,
wobei für T_B = 293 K
= (0,5 bis 0,57) · (1 + ) = 0,5 ./. 0,8,
und für T_B = 623 K
= (0,4 bis 0,43) · (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 Gaszufuhr in den Brenner kann statt aus dem zentralen Brennerrohr durch das Gehäuse 1 erfolgen, wie in Fig. 5 gezeigt. Das Sekundärluftrohr 7 endet im Gehäuse 1, und das Flächenverhältnis, das in Abhängigkeit von der Einschubtiefe des Sekundärluftrohres beachtet werden muß, hat 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 Luftzufuhrstutzen 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, insbesondere Brenngas, in einer eine Brennkammer umfassenden Brennereinrichtung, bei dem der Verbrennungszone ein aus dem Brennstoff und Primärluft bestehendes unterstöchiometrisches Primärgemisch in Form eines am Rande der Brennkammer verlaufenden Stromes und Sekundärluft in Form eines axial in die Mitte der Brennkammer geleiteten Stromes zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft für das Primärgemisch und die Sekundärluft mit einer Lufttemperatur von 293 bis 623 K zugeführt werden und die Luftzahl des Primärgemisches bei 0,8 bis 0,4 gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Lufttemperatur von 293 K die Luftzahl des Primärgemisches bei 0,8 bis 0,5 gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Lufttemperatur von 623 K die Luftzahl des Primärgemisches bei 0,6 bis 0,4 gehalten wird.

4. Brennereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Gehäuse (1), das eine Luftzuführung bildet, einer koaxial an das Gehäuse (1) anschließenden Brennkammer (2) mit einer axialen Kammerlänge (L_K), einem axial im Gehäuse (1) angeordneten Brennerrohr (4), das radiale Öffnungen (5) für den Austritt des Brennstoffes in einen umgebenden Primärluftstrom aufweist, und einem axialen, mit dem Austrittsende (9) um einen Abstand (L) vom Beginn der Brennkammer (2) in deren Inneres reichenden Sekundärluftrohr (7) zum Einleiten der Sekundärluft in die Verbrennungszone, und zwar in Form eines Begleitstroms des aus dem Brennstoff und der Primärluft bestehenden unterstöchiometrischen Primärgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärluftrohr (7) mit seinem offenen Eintrittsende (10) in der Luftzuführung angeordnet ist und mit seinem Austrittsende (9) um den höchstens 0,4 der Kammerlänge (L_k) betragenden Abstand (L) in die 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 Ringfläche (F) zur Querschnittsfläche (F_n) der Luftzuführung einerseits und für das Verhältnis ( = L/L_k) des Abstandes (L) zur Kammerlänge (L_k) andererseits folgende Beziehung gilt: = (0,4 bis 0,57) · (1 + ), bei 0,4.

5. Brennereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Luftzufuhr bei einer Temperatur von 293 K = (0,5 bis 0,57) · (1 + ), bei 0,4.und bei einer Temperatur von 623 K = (0,4 bis 0,43) · (1 + ), bei 0,4.gilt.

6. Brennereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintrittsende (10) des Sekundärluftrohres (7) eine verstellbare Drossel (11) angebracht ist.