DE69018047T2

DE69018047T2 - Industriebrenner für flüssige Brennstoffe mit niedrigen Stickstoffoxidemissionen zum Erzeugen von mehreren elementaren Flammen und seine Anwendung.

Info

Publication number: DE69018047T2
Application number: DE69018047T
Authority: DE
Inventors: Frederic Bury; Patrick Flament; Gerard Martin; Jean-Claude Pillard
Original assignee: Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-12-18
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2010-12-19
Also published as: EP0435735A1; ES2073002T3; US5169304A; FR2656676B1; CA2033366C; EP0435735B1; FR2656676A1; DE69018047D1; CA2033366A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für flüssigen Brennstoff mit Parallelströmung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Aufbau industrieller Brenner von Kesseln und gekühlten Feuerungen (oder mit heißen Wänden) entspricht im wesentlichen zwei wesentlichen Technologietypen:
den Turbulenzbrennern (oder mit Turbulenzblechen bzw. -klappen)
den Brennern mit Parallelströmung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf diesen letzten Typ von Brennern, die eine Luftströmung parallel zur Achse eines zylindrischen oder konischen Körpers und einen Flammenhalter haben, der im wesentlichen aus einem Kranz geneigter Schaufeln zusammengesetzt ist, die dazu dienen, einem Teil der Speiseluft eine Rotationsbewegung zu verleihen und die einen Teil des Austrittsquerschnitts des zylindrischen oder konischen Körpers einnehmen.
Der Stand der Technik läßt sich illustrieren durch die FR-2.122.820 im Namen der Firma Pillard und die Patentschrift FR-2.564.182 im Namen von Institut Francais du Pétrole.
Die Notwendigkeit, die Stickoxide (NOx) zu reduzieren, die in den Flammen erzeugt werden, hat seit langem das Interesse in den Vordergrund gestellt, den Gehalt an freiem Sauerstoff (O&sub2;) zu reduzieren, der sich mit dem Stickstoff des Brennstoffs kombiniert, die Verbrennung zu stufen, um die Spitzentemperaturen zu reduzieren und den Anteil an verbrannten in die Flamme rückgeführten Gasen zum gleichen Zweck zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung vor, die es ermöglicht, in wesentlicher Weise die Stickoxide zu reduzieren und dabei eine Verbrennung guter Qualität aufrecht zu erhalten.
Darüber hinaus ist die Vorrichtung nach der Erfindung von einfacher Verwirklichung.
Die Hauptidee der vorliegenden Erfindung liegt in der Kombination der folgenden Merkmale:
Brenner mit Parallelströmung, der einen Flammenstabilisator mit einzigem Kranz geneigter Schaufeln hat,
Brenner mit Parallelströmung, dessen Kranz mit geneigten Schaufeln eine mittige Nabe oder Scheibe oder Konus von im Durchmesser relativ ausreichender Abmessung hat und
Injektor zur Zerstäubung vermittels Hilfsfluid der mehrere Austrittsöffnungen, jedoch von einer ausreichend geringen Anzahl n relativ zum Winkel des Konus hat, auf dem die Achsen der Injektionsöffnung derart sich befinden, daß der Brenner n gesonderte Flammen über seinen Arbeitsbereich oder über den gesamten Arbeitsbereich (bis zu seinem Nennbetrieb) erzeugt.
Wie bereits gesagt, ermöglicht es eine solche Kombination, ausgehend von einem Flüssigbrennstoffinjektor, mehrere unabhängige Flammen zu erzeugen, die eine gestufte Verbrennung aufgrund der Tatsache erzeugen, daß eine Luftmenge weiter in die Verbrennungszone, bevor sie auf den Brennstoff trifft, eindringt. Diese Luftmenge entspricht der, die zwischen benachbarten Brennstoffstrahlen durchgegangen ist.
Diese Kombination ermöglicht es ebenfalls, die Spitzentemperatur der verschiedenen Flammen dank eines starken Rezirkulationsgrades der Gase zu begrenzen, der aus der Verbrennung in den unterschiedlichen Flammen resultiert, und dies, indem man eine Stabilisierung der Flamme aufrechterhält und die Abscheidung von Tröpfchen unverbrannten Brennstoffs auf dem Stabilisator vermeidet.
Bei sonst im übrigen gleichen Voraussetzungen ermöglicht es der erfindungsgemäße Brenner, um etwa 30% oder mehr die NO-Emissionen der Flamme zu reduzieren.
Allgemeiner betrifft die Erfindung einen Brenner mit Parallelströmung für Flüssigbrennstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der Durchmesser der Nabe, bezogen auf den Durchmesser des Stabilisators kann höher als 45% und vorzugsweise zwischen 45 und 60% liegen.
Die Brennstoffinjektionsmittel können so ausgelegt sein, daß sie eine Anzahl von Elementarflammen von höchstens 6 erzeugen. Darüber hinaus können sie so ausgelegt sein, daß sie eine Anzahl von Elementarflammen größer oder gleich 4 erzeugen.
Die Injektionsmittel können mehrere Injektionsöffnungen umfassen, deren Achsen über wenigstens eine konische Fläche verteilt sein können, deren Spitzenwinkel zwischen 70º und 110º liegen kann.
Die Injektionsmittel können mehrere Öffnungen umfassen, deren Achsen auf zwei konische koaxiale Flächen von unterschiedlichen Spitzenwinkeln verteilt sein können, und die Öffnungen können winkelversetzt sein.
Das Hilfsfluid kann Wasserdampf oder ein komprimiertes Gas sein, das ein Gemisch oder eine Emulsion zwischen Hilfsfluid und Brennstoff bildet bzw. formt.
Die Nabe kann einen Teil in Scheibenform umfassen, die Radialschlitze umfaßt, die mit Sauerstoffträger- bzw. Brennmittelluft gespeist sind, diese Schlitze liefern einen Sauerstoffträger- bzw. Brennmittelluftstrom, der im wesentlichen parallel zur Fläche der Scheibe ist.
Das gegebenenfalls mehrphasige Fluid, beispielsweise eine aus den Injektionsmitteln austretende Emulsion kann eine mittlere Geschwindigkeit zwischen 40 und 100 m/s besitzen.
Der Brenner nach der Erfindung kann in einer industriellen Anwendung benützt werden, insbesondere für Leistungen zwischen 3 und 75 MW pro Brenner.
Die Erfindung wird besser verständlich und ihre Vorteile ergeben sich klarer anhand der folgenden Beschreibungen von besonderen Ausführungsformen, die nicht als begrenzend anzusehen sind und durch die beiliegenden Figuren erläutert werden, in denen
Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Brenner nach der Erfindung zeigt;
Fig. 2 zeigt eine Variante des Brenners nach der Erfindung, der eine Nabe mit einem kegelstumpfförmigen Teil hat;
Fig. 3 zeigt den Stabilisator der Fig. 2, stirnseitig gesehen
und Fig. 4 zeigt eine Verteilungsausführung der Brennstoffinjektionsöffnungen über die Brennstoffinjektionsmittel.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Feuerung, die von einem Brenner 2 vom Typ mit Parallelströmung beaufschlagt wird, der einen Zylinder 3 umfaßt, der ggfs. durch einen Konus ersetzt sein kann. Dieser Zylinder 3 von der Achse 4 wird in üblicher Weise mit Luft gespeist. Die allgemeine Richtung der Luft ist im wesentlichen axial und ist durch die Pfeile 5 dargestellt.
Das Bezugszeichen 6 bezeichnet den Stabilisator insgesamt, der im wesentlichen um das Ende der Injektionslanze 7 für flüssige Brennstoffe zentriert ist. Die Achse der Injektionslanze fällt zusammen mit der Achse 4 des Zylinders 3. Die Brennstoffinjektionslanze kann vorzugsweise vom Typ mit Hilfsfluidzerstäubung, beispielsweise mittels Wasserdampfs, komprimierter Luft oder einem komprimierten Gas sein.
Das Hilfsfluid realisiert die Zerstäubung oder Atomisierung des flüssigen Brennstoffs, vermischt sich hiermit und kann eine Emulsion mit mit letzterem bilden.
Um die Injektion zu verbessern und eine ultrafeine Brennstoffzerstäubung zu realisieren, kann man das in der französischen Patentanmeldung im Namen Société Pillard EN, 88/17.591 beschriebene System verwenden.
Dieses System sorgt für eine doppelte Zerstäubung, die die Tröpfchen großen Durchmessers in Fortfall kommen läßt, die im allgemeinen beim Kontakt des Flüssigkeitsfilms mit den festen Wandungen gebildet werden, wie beispielsweise den Austrittsöffnungen.
Die Injektionslanze 7 umfaßt an ihrem Endteil 8 ihres Endes 9 mehrere Öffnungen 10, 11, die zum Einführen des Gemisches aus Hilfsfluid/Brennstoff in die Feuerung 1 dienen.
Die Injektionsöffnungen besitzen Injektionsachsen 12, 13. Vorzugsweise sind erfindungsgemäß die Achsen der Injektionsöffnungen über eine konische Winkelfläche mit dem spitzen Winkel α (Alpha) angeordnet, der sich zwischen 60º und 110º befindet.
Der Stabilisator 6 umfaßt einen Kranz 14, der bezüglich der Axialebene geneigte Schaufeln 15, 16 umfaßt. Diese Schaufeln, die die mittige Nabe 17 umschließen, können plan oder gekrümmt sein.
Der Stabilisator umfaßt darüber hinaus eine äußere Mantelausbildung 15a und eine innere Mantelausbildung 15b. Die Nabe 15 umfaßt eine mittige Öffnung 18, die einen Durchgang für die Injektianslanze 7 schafft.
In Fig. 1 hat die Nabe 17 die Form einer Scheibe, die radiale Schlitze umfaßt. Die Scheibe kann im Gießvorgang oder durch Tiefziehen hergestellt werden. Die radialen Schlitze 19 (Fig. 3) werden mit Sauerstoffträgerluft gespeist und ermöglichen es, die Oberfläche der Nabe zu kühlen oder zu überstreichen, um hierauf Abscheidungen zu vermeiden. Die Luft tritt aus den Schlitzen im wesentlichen tangential zur Oberfläche der Scheibe aus.
In Fig. 1 haben die Schaufeln 15, 16 eine Anströmkante, die in einer Radialebene liegt.
Die in Fig. 1 dargestellte Nabe ist zurückspringend bezogen auf die Radialebene, die die Anströmkante der Schaufeln 15 und 16 umfaßt.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 39 eine Feuerungsöffnung, die konisch (im Falle der Figur) oder zylindrisch sein kann.
Man verläßt nicht den Rahmen der Erfindung, wenn die mittige Nabe eine konische Form hat oder einen Teil in Konusform 20 (Fig. 2) umfaßt.
Man stellt in Fig. 1 fest, daß der Stabilisator nur einen Teil des Durchgangsquerschnitts einnimmt, der der Luft 5 durch den Zylinder 3 belassen ist. Es existiert ein freier Ringraum 21 um den Stabilisator 15; dieser Raum dient zum Durchgang eines Teils der Verbrennungsträgerluft. Der Querschnitt dieses Ringraums kann gleich oder größer 10% des gesamten Durchgangsquerschnitts des Zylinders 3 sein und kann bevorzugt zwischen 10 und 50% liegen. Gute Resultate können erhalten werden für Durchgangsquerschnitte des Ringraums zwischen 10 und 35% des gesamten Durchgangsquerschnitts des Zylinders 3, und insbesondere für einen Wert benachbart 25%.
In Fig. 2, die eine Variante der Fig. 2 darstellt, wird die den Stabilisator beaufschlagende Luft vor diesen durch eine Schürze 22, die ggfs. von Durchlässen 23 durchbohrt ist, geführt.
Die den unterschiedlichen Figuren gemeinsamen oder ähnlichen Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen.
In Fig. 2 ist der Raum 21 zwischen dem Stabilisator 14 und dem Zylinder 3 durch den ringförmigen Zylinder 24 gespeist, der von der zylindrischen Schürze 22 und dem Zylinder 3 begrenzt ist.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Schaufeln 25 besitzen eine Anströmkante 26, die nach hinten bezogen auf eine Radialebene sowie bezüglich einer Axialebene geneigt ist.
Wenn die Schaufeln des Schaufelkranzes des Stabilisators eine nach hinten geneigte Anströmkante haben, kann die mittige Nabe oder die Scheibe die sie aufweist, zurückversetzt bezogen auf die Radialebene sein, die den am meisten vorgeschobenen Punkt der gegen die Feuerung 1 orientierten Anströmkante umfaßt. In Fig. 2 tragt dieser Punkt das Bezugszeichen 27.
In Fig. 2 ist die Scheibe der Nabe 28 in der diesen Punkt 27 tragenden Radialebene angeordnet.
Fig. 4 zeigt den Endteil 29 einer Injektionslanze, von der Stirnseite gesehen. Dieser Endteil umfaßt 6 Injektionsöffnungen, von denen drei mit 31, 32, 33 bezeichnet sind und über Injektionsachsen verfügen, die über eine konische Fläche verteilt sind. Diese bilden einen Spitzenwinkel von 70º. Sie umfaßt darüber hinaus drei andere, 33, 34, 35, die die vorhergehenden umschließen und die über Injektionsachsen verfügen, die über eine konische Fläche mit einem Spitzenwinkel von 110º verteilt sind.
Die Öffnungen 30, 31, 32 sind im Winkel bezogen auf die Öffnungen 33, 34, 35 versetzt.
In Fig. 4 weisen die Öffnungen, deren Achsen auf ein und dem gleichen Konus angeordnet sind, aufeinanderfolgend zueinander einen Winkelabstand von 120º auf. Der Winkelabstand zwischen den aufeinanderfolgenden Öffnungen, befinden sie sich nun im einen oder dem anderen Konus, beträgt 60º.
Diese Winkelabweichungen werden betrachtet, indem man eine Ebene auf der Achse 36 der Injektionslanze sich drehen läßt. Eine solche Anordnung ermöglicht es, die Trennung der Elementarflammen zu begünstigen.
Der Endteil 29 der Injektionslanze kann eine kegelstumpfförmige Gestalt (Fall der Fig. 2) oder auch eine teilkugelige Form haben.
In Fig. 1 ist der Durchmesser des Stabilisators mit den Buchstaben D und der Durchmesser der mittigen Nabe mit dem Buchstaben d bezeichnet.
Erfindungsgemäß
d/D größer oder gleich 35%
d/D kann zwischen 45% und 60% betragen.
In Fig. 1 sind zwei Elementarflammen 37 und 38 schematisch und in Fig. 2 fünf Elementarflammen 39, 40, 41, 42 und 43 schematisch dargestellt.
Erfindungsgemäß ist die durch den Brenner erzeugte "Flamme" eine Mehrfachflamme, die aus mehreren unabhängigen Elementarflammen 37, 38 (Fig. 1) oder 39 bis 43 (Fig. 2) zusammengesetzt ist, die voneinander getrennt sind, kleinen Durchmesser haben und sich nicht in eine einzige Flamme großen Durchmessers gruppieren.
Zwischen den Elementarflammen 39 bis 43, die sich nicht berühren, geht ein Teil der Verbrennungsluft A durch, der also an der Verbrennung am Flammenende teilnimmt. So ermöglicht es die Trennung der unterschiedlichen Elementarflammen tatsächlich, eine gestufte Verbrennung aufgrund der Stufung der Luft zu realisieren, wobei ein Teil der Luft bei Beginn den Brennstoff vermeidet. Reziprok werden die Elementarflammen bei Beginn wenig mit Sauerstoff angereichert.
Der Kranz mit geneigten Schaufeln ist so ausgelegt, daß er einen großen Rezirkulationsgrad "R" der verbrannten Gase gegen die Elementarflammen realisiert. Da jede Flamme von geringer Abmessung ist, befindet sie sich also bei Luftmangel zu Beginn bei einer starken Axialrezirkulation auf einer begrenzten Spitzentemperatur.
Das Vorhandensein der Nabe 28 (Scheibe, Konus) ermöglicht die Realisierung und das Zünden eines Stabilisierungssteuerflammenwirbels, der die Vermeidung des Ablösens der Elementarflammen möglich macht und ihre Stabilisierung sicherstellt.

Claims

1. Brenner mit Parallelströmung für flüssige Brennstoffe, umfassend: Injektionsmittel (7,8) für diesen Brennstoff sowie einen mittigen Flammenstabilisator (6), der zylindrisch ist, einen Teil des Austrittsquerschnitts des Brenners einnimmt und einen Schaufelkranz (14) mit geneigten Schaufeln (15, 16, 25) aufweist, der um eine mittige Narbe (17, 28) angeordnet ist, die ihrerseits um die Injektionsmittel (7, 8) angeordnet ist, wobei die Austrittsebene der Narbe in der Austrittsebene der Schaufeln (Fig. 2) oder rückspringend zu dieser (Fig. 1) angeordnet ist und der Durchmesser der Narbe größer oder gleich 35% des Durchmessers des Stabilisators ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Injektionsmittel mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen (10, 11; 30 bis 35) aufweisen, die so ausgebildet sind, daß sie elementare, getrennte Flammen (37, 38; 39 bis 43) schaffen, daß diese Narbe (17, 28) die Form einer Scheibe oder eines Konus hat, die radiale Schlitze (19) umfaßt und daß diese Injektiansmittel (7, 8) vom Typ mit Hilfsfluidzerstäubung sind, wobei die Kombination einen Mehrflammenbrenner zu realisieren gestattet, der eine gestufte Verbrennung bewirkt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d der Narbe bezogen auf den Durchmesser D des Stabilisators zwischen 45 und 60% beträgt.

3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Brennstoffinjektionsmittel so ausgebildet sind, daß sie eine Anzahl von Elementarflammen von höchstens 6 schaffen.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsmittel mehrere Injektionsöffnungen umfassen, deren Achsen über eine konische Fläche verteilt sind, deren Spitzenwinkel zwischen 60º und 110º beträgt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Injektionsmittel mehrere Öffnungen umfassen, deren Achsen auf zwei konische koaxiale Flächen von unterschiedlichen Spitzenwinkeln verteilt sind und daß diese Öffnungen winkelversetzt sind.

6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfluid Wasserdampf oder ein komprimiertes Gas ist, das ein Gemisch oder eine Emulsion zwischen dem Hilfsfluid und dem Brennstoff bildet.

7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Narbe einen Teil in Scheibenform umfaßt und daß dieser Teil Radialschlitze (19) umfaßt, die mit Sauerstoffträgerluft gespeist sind, wobei diese Schlitze einen Sauerstoffträgerluftstrahl im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Scheibe liefern.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aus diesen Injektionsmitteln austretende Mehrphasenfluid eine mittlere Geschwindigkeit zwischen 40 und 100 m/s besitzt.

9. Verwendung des Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei einer industriellen Anlage für Leistungen zwischen 3 und 75 MW pro Brenner.