DE4113681A1 - Brenner fuer eine vormischverbrennung eines fluessigen und/oder gasfoermigen brennstoffes - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für eine vor­ mischartige Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners.

Stand der Technik

Aus EP-A1-03 21 809 ist ein Brenner bekanntgeworden, in dessen Innenraum eine Brennstoffdüse plaziert ist, aus welcher sich ein in Strömungsrichtung ausbreitendes kegelförmiges Brenn­ stoffspray bildet, welche von tangential in den Innenraum des Brenners einströmenden Verbrennungsluftströmen umströmt und gemischmäßig in Strömungsrichtung des Brenners abgebaut wird. Die tangentialen Eintrittsöffnung in den Innenraum des Bren­ ners entstehen dadurch, daß der Brenner selbst aus zwei hoh­ len kegeligen Teilkörpern besteht, deren Mittelachsen zueinan­ der versetzt verlaufen. Die Zündung dieses Luft/Brennstoff-Ge­ misches findet am Ausgang des Brenners statt, wobei sich im Bereich der Brennermündung eine Rückströmzone bildet, welche zusammen mit der hohen Axialgeschwindigkeit stromauf derselben verhindert, daß ein Rückschlag der Flamme vom Brennraum stromaufwärts in den Brenner erfolgen kann.

Wird nun zum Betreiben einer Brennkammer als Brennstoff ein Dieselöl eingesetzt, so hat sich gezeigt, daß dieses sofort nach dessen Einmischung in den Brenner zünden kann. Aus diesem Grund kann ein vormischartiger Betrieb unter Verwendung eines flüssigen Brennstoffes bei höheren Druckverhältnissen nicht immer erreicht werden. Der Grund für die starken Abweichungen bezüglich Zündverzugszeit hängt auch mit der Flammenstrahlung zusammen: Bei hohem Druck wird die Flammenstrahlung sehr stark ausfallen; ein nennenswerter Teil der Strahlung wird von den Brennstofftröpfchen (undurchsichtiger Nebel) absorbiert. Dieser Mechanismus der Energieübertragung auf den flüssigen Brenn­ stoff führt zu einer drastischen Reduktion der Zündverzugs­ zeit.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner und einem Verfahren der eingangs genannten Art eine emissionsarme, trockene Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes vorzuschlagen, wobei die Wechselwirkung zwischen Flammenstrahlung und Brennstofftröpfchen, welche zu einer Frühzündung des Gemisches führt, zu unterbinden gilt.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Eindüsung des flüssigen Brennstoffes in einen Bereich un­ mittelbar vor Einlauf in den Innenraum geschieht und dort dem Verbrennungsluftstromes zugemischt wird. Dadurch daß die Brennstoffverdampfung im wesentlichen nur in den Eintrittsöff­ nungen des Brenners geschieht, tritt in den Innenraum des Brenners nur Brennstoffdampf ein. Indem somit der Brennstoff erst nach dessen Verdampfung im Strahlungsbereich der Flamme tritt, ist die Gefahr einer Frühzündung des Gemisches damit gebannt, denn ein verdampfter Brennstoff absorbiert kaum noch Flammenstrahlung. Damit läßt sich eine an NOx/CO/UHC arme Verbrennung erreichen.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An­ sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Ver­ ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. In den verschieden Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Brenners und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Luftzuführung und Brennstoffeindüsung im Bereich der Eintrittsöffnungen des Brenners.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit.

Um den Aufbau des Brenners besser und unmittelbar erfassen zu können, ist es empfehlenswert, Fig. 1 und 2 gleichzeitig heranzuziehen.

Der Kernkörper des in Fig. 1 gezeigten Brenners besteht aus zwei halben hohlen kegeligen Teilkörper 1, 2, die versetzt zu einander aufeinander liegen und so den anwendungsgemäßen Kör­ per bilden. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen 1a, 2a (Siehe Fig. 2) der einzelnen Teilkörper 1, 2 schafft auf bei­ den Seiten des Brenners in achsensymmetrischer Anordnung je­ weils eine tangentiale Eintrittsöffnung 1b, 2b frei, durch welche die Einströmung eines Luft/Brennstoff-Gemisches in den Innenraum 3 des Brenners, d. h. in den Kegelhohlraum, strömt, wobei die Einströmungsrichtung des Luft/Brennstoff-Gemisches durch die um 180° zueinander versetzten Eintrittsöffnungen 1b, 2b in den Innenraum 3 im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn geschieht, je nachdem in welcher Ebene die Versetzung der Mit­ telachsen 1a, 2a disponiert ist. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 1, 2 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich können die Teilkörper 1, 2 in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung (konvexe Form) oder eine abnehmende Kegelneigung (konkave Form) be­ schreiben. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, das sie ohne weiteres nachempfindbar sind. Wel­ che Form schlußendlich zum Einsatz gelangt, hängt von den verschiedenen Parametern des Verbrennungsprozesses ab. Vor­ zugsweise wird die hier zeichnerisch gezeigte Form zum Einsatz gelangen. Die tangentiale Breite der Eintrittsöffnungen 1b, 2b ist ein Maß, das aus der Versetzung der beiden Mittelachsen 1a, 2a (siehe Fig. 2) zueinander resultiert. Die beiden kege­ ligen Teilkörper 1, 2 können je einen zylindrischen, nicht ge­ zeigten Anfangsteil aufweisen, die analog den gezeigten Teil­ körpern versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangen­ tialen Eintrittsöffnungen 1b, 2b über die ganze Länge des je­ weiligen Brenners vorhanden sind. Brennerraumseitig 16 weist der Brenner eine kragenförmige Platte 11 auf, die beispiels­ weise die Eintrittsfront einer Ringbrennkammer oder einer Feuerungsanlage bilden kann. Die Platte 11 weist eine Anzahl Bohrungen oder Öffnungen 12 auf, durch welche Verdünnungs­ luft, Verbrennungsluft, Kühlluft etc. dem vorderen Teil des Brennraumes 16 zugeführt werden kann. Diese Zuführung erfüllt grundsätzlich mindestens zwei Zwecke: erstens läßt sich eine mediumsmäßige Komponente im Brennraum 16 erzielen, zweitens sorgt diese Zuführung für eine Stabilisierung der Flammenfront Richtung eines kompakten Gebildes. Entlang der Eintrittsöff­ nungen 1b, 2b zum Innenraum 3 des Brenners wirken mehrere Dü­ sen 9, 10, welche den flüssigen Brennstoff 5a aus je zu jeder Eintrittsöffnung 1b, 2b zugeordnetem zentralem Zuleitungskanal 5, 6 über Düsenkanäle 7, 8 beziehen. Die zentralen Zulei­ tungskanäle 5, 6 sind bezüglich des Verbrennungsluftstromes 13 stromauf der Eintrittsöffnungen 1b, 2b plaziert. Die Über­ brückung zwischen Zuführungsstrang und Mischungsort Luft/Brennstoff entlang der Eintrittsöffnungen 1b, 2b wird durch die bereits schon angesprochenen Düsenkanäle 7, 8 über­ nommen. Die Anzahl der Düsenkanäle 7, 8 hängt im wesentlichen von der Länge und von der zu erbringenden Leistung des Bren­ ners ab. Der flüssige Brennstoff wird über die Düsen 9, 10 mit einem kleinen Sprühkegelwinkel in Längsrichtung der Eintritts­ öffnungen 1b, 2b eingedüst. Dabei ist selbstverständlich zu be­ achten, daß die Düsen an den Extremitäten des Brenners gegen­ einander gerichtet sein müssen, also die erste Düse am Bren­ nereintritt in Strömungsrichtung, die letzte Düse an der Bren­ nermündung in Gegenstromrichtung. Die dazwischen liegenden Dü­ sen überbrücken den Sprühkegelabstand in beiden Strömungsrich­ tungen zu den benachbarten Düsen. Eine solche Unterscheidung wird durch die unterschiedlichen Bezugszeichen unterstrichen: Die in beiden Richtungen wirkenden Düsen tragen das Bezugszei­ chen 9, die an den Extremitäten des Brenners wirkenden Düsen das Bezugszeichen 10. Die Düsen können auch leicht gegen die Brennerachse geneigt sein, dies um den Vermischungsgrad zu er­ höhen. Vom Aufbau her können die Düsen eine einfache Technik aufweisen, so können sie ohne weiteres einfache Lochdüsen sein, wie sie etwa in der Dieselmotorentechnik anzutreffen sind. Vorzugsweise wird zur optimalen Zerstäubung eines flüs­ sigen Brennstoffes eine Hochdruckzerstäubungsdüse mit einer Turbulenzkammer vorgesehen. Auf diese Weise wird ein Teil des zur Verfügung stehenden Düsenvordrucks zur Erzeugung hoher Turbulenzgrade im zu verstäubenden Fluid benutzt. Die Turbu­ lenzerzeugung wird dabei mittels einer stoßartigen Erweite­ rung (Carnot-Diffusor) in die vor dem eigentlichen Düsenloch angeordneten Turbulenzkammer erreicht. Das entstehende Flüs­ sigbrennstoffspray zeichnet sich durch kleine Ausbreitungswin­ kel, entsprechend der relativ kleinen Breite der Eintrittsöff­ nungen, und sehr kleine Tropfengrößen aus. Die Brennstoffver­ dampfung erfolgt im wesentlichen nur im Bereich der Eintritts­ öffnungen 1b, 2b in den Innenraum 3 des Brenners, womit dort nur ein Brennstoffdampf eintritt. Damit die hierfür notwendi­ gen kleinen Brennstofftröpfchen mit einem mittleren Durchmes­ ser von ca. 20 Mikrometer erzeugt werden können, müssen dem flüssigen Brennstoff sehr hohe Drücke in der Größenordnung von über 100 bar zugeordnet. Des weiteres ist es wichtig, daß die Düsen so angeordnet werden, daß sich eine gleichmäßige Brennstoffdampfverteilung längs der Eintrittsöffnungen 1b, 2b einstellt und die Oberfläche der benachbarten Wände nicht be­ netzt werden, dies um Verkokungsgefahren im Verlaufe der Ver­ brennung zu verhindern. Selbstverständlich läßt sich auch ein Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff vorsehen, wobei dann die Qualität der Brennstoffverdampfung ohne weiteres erzielbar ist. Eine zusätzliche zentrale Brennstoffdüse 4, mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff 4a gespeist, wird am Anfang des Brenners vorgesehen, und soll bei individuellem Be­ darf dazu dienen, den Verbrennungsprozeß mit einer Grenz­ brennstoffmenge, die bei kleinen thermischen Leistungen und geringen Brennstoffmomenten vorgegeben ist, mit diffusionsar­ tiger Verbrennung zu fahren; anschließend wird diese Brenn­ stoffzufuhr dann vollständig oder zumindestens, je nach Brenn­ stoffart, zu einem überwiegenden Teil unterbunden. Diese Un­ terstützung wird sich indessen innerhalb einer Toleranzspanne bewegen, die die aufgabenspezifischen Ziele des Erfindungsge­ genstandes nicht verunmöglichen. Innerhalb der vorhandenen Dü­ sen ist es also ohne weiteres möglich, brennstoffmäßig im Dualbetrieb zu fahren. Das durch die tangentialen Eintritts­ öffnungen 1b, 2b in den Innenraum 3 des Brenners einströmende Luft/Brennstoff-Gemisch 13/5a bildet, entsprechend der geome­ trischen Ausbildung des Brenners, ein kegeliges Gemischprofil, das sich wirbelmäßig in Strömungsrichtung windet. Im Bereich des Wirbelaufplatzens, also am Ende des Brenners, wo sich eine Rückströmzone 15 bildet, wird die optimale, homogene Brenn­ stoffkonzentration über den Querschnitt erreicht, also liegt hier, im Bereich der Rückströmzone 15 ein sehr gleichförmiges Brennstoff/Luft-Gemisch vor. Die Zündung selbst erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 15: Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 14 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners, wie dies bei bekannten Vormischstrec­ ken stets zu befürchten ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu be­ fürchten. Bei der Gestaltung der Teilkörper 1, 2 hinsichtlich ihrer kegeligen Ausgestaltung und der Breite der Eintrittsöff­ nungen 1b, 2b sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld des eingesetzten Verbrennungsgemi­ sches mit seiner Rückströmzone 15 im Bereich der Brennermün­ dung zur Flammenstabilisierung einstellen kann. Indem nun die Eindüsung des Brennstoffes im Bereich der Eintrittsöffnung 1b, 2b vorgenommen wird, und dort unmittelbar zu einer Brennstoff­ verdampfung kommt, entfaltet die von der Flammenfront 14 er­ zeugte Flammenstrahlung keine Wirkungen auf das Gemisch 5a/13, demnach ist auch die Gefahr einer Frühzündung dieses Gemisches bei dessen Eintritt in den Innenraum 3 des Brenners gebannt. Daneben darf nicht unerwähnt bleiben, daß gerade diese Brenn­ stoffverdampfung vor Eintritt in die Verbrennungszone verant­ wortlich ist, daß die Schadstoffemissionswerte am niedrigsten ausfallen.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Brenner entlang einer Ebene im Bereich des mittleren Düsenkanals 7. Die Verbrennung 13 in Abhängigkeit des Brennstoffes muß so abgestimmt sein, daß der zugrundegelegte Brennstoffverdampfungsgrad allein im Bereich der Eintrittsöffnungen 1b, 2b erzielbar ist. In diesem Sinne ist es vorteilhaft, wenn die Verbrennungsluft 13 ein Luft/Abgas-Gemisch ist: Die Rückführung einer bestimmten Menge eines teilgekühlten Abgases, erweist sich nicht nur beim Ein­ satz des Brenners in Gasturbogruppen als vorteilhaft, sondern ebenso, wenn der Brenner in atmosphärischen Feuerungsanlagen mit nahstöchiometrischer Fahrweise, d. h., wenn das Verhältnis zwischen rückgeführtem Abgas und zugeführter Frischluft in etwa 0,7 beträgt, eingesetzt wird. Bei einer Frischlufttempe­ ratur von beispielsweise 15°C und einer Abgastemperatur von ca. 950°C wird sich eine Mischtemperatur des Luft/Abgas-Gemi­ sches, das nun an Stelle eines reines Frischluftstromes einge­ leitet wird, von ca. 400°C einstellen. Diese Verhältnisse führen beispielsweise bei einem Brenner, der mit einem flüssi­ gen Brennstoff betrieben wird, mit einer thermischen Leistung zwischen 100 und 200 KW zu optimalen Verdampfungsbedingungen, dementsprechend zu einer Minimierung der NOx/CO/UHC-Emissionen im nachfolgenden Verbrennungsprozeß.

Abschließend kann noch gesagt werden, daß der hier beschrie­ bene Erfindungsgegenstand eine Wassereinspritzung in die Ver­ brennungszone unnötig macht. Auch ist es so, daß kein Zer­ stäubungskompressor als Abhilfe gegen eine ungenügende Brenn­ stoffverdampfung vorzusehen ist. Sowohl beim Einsatz eines flüssigen als auch gasförmigen Brennstoffes tritt aus den Ein­ trittsöffnungen in den Innenraum 3 des Brenners nur Brenn­ stoffdampf, wobei für beide Brennstoffarten etwa ähnliche Kon­ zentrationsprofile feststellbar sind.

Claims (8)

1. Brenner für eine Vormischverbrennung eines flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffes, im wesentlichen aus hohlen, aufein­ ander positionierten kegeligen Teilkörpern bestehend, deren Mittelachsen in Längsrichtung der Teilkörper zueinander ver­ setzt verlaufen, dergestalt, daß über die Länge des Brenners tangentiale Eintrittsöffnungen für die Einströmung eines Ver­ brennungsluftstromes in den Innenraum des Brenners entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich jeder Eintrittsöffnung (1b, 2b) mindestens eine Düse (9, 10) angeordnet ist, daß der Brennstoff (5a) aus der Düse in Längsrichtung der Eintritts­ öffnungen im wesentlichen quer zum einströmenden Verbrennungs­ luftstrom (13) in den Innenraum (3) des Brenners eindüsbar ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei meh­ reren Düsen die an den Extremitäten des Brenners plazierten Düsen (10) einseitig und gegeneinander eindüsen, die interme­ diären Düsen (9) voneinander eindüsen.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dü­ sen (9, 10) gegen die Brennerlängsachse geneigt sind.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dü­ sen (9, 10) aus zentralen Zuleitungskanälen (5, 6) gespeist sind, die oberhalb der Eintrittsöffnungen (1b, 2b) verlaufen.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen festen Winkel, oder eine progressive Kegelneigung, oder eine degressive Ke­ gelneigung aufweisen.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am An­ fang des Brenners eine weitere Düse (4) plaziert ist, über welche ein flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff (4a) in den Innenraum (3) des Brenners eindüsbar ist.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (1, 2) endseitig eine kragenförmige Platte (11) tra­ gen, welche eine Anzahl Öffnungen (12) aufweist.

8. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (9, 10) den Brenn­ stoff (5a) mit einem kleinen Sprühkegelwinkel in Eintrittsöff­ nungsrichtung eindüsen, dergestalt, daß die Brennstoffver­ dampfung mit dem einströmenden Verbrennungsluftstrom (13) im wesentlichen nur in den Eintrittsöffnungen (1b, 2b) erfolgt, daß in den Innenraum (3) des Brenners nur ein Brennstoffdampf einströmt, daß die weitere Düse (4) am Anfang des Brenners mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff (4a) bis zu einer Grenzstoffmenge gefahren wird, daß die Zündung des Gemisches (4a/5a/13) am Ausgang des Brenners stattfindet, wo­ bei im Bereich der Brennermündung durch eine Rückströmzone (15) eine Stabilisierung der Flammenfront (14) entsteht.