DE69113729T2

DE69113729T2 - Sauerstoff-Brennstoff-Brennereinheit und Betriebsweise.

Info

Publication number: DE69113729T2
Application number: DE69113729T
Authority: DE
Inventors: John T Brown; William P Coppin
Original assignee: Corning Inc; Maxon Corp
Current assignee: Corning Inc; Maxon Corp
Priority date: 1990-08-01
Filing date: 1991-07-11
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-07-12
Also published as: EP0473906A1; JPH074619A; EP0473906B1; CA2045199A1; KR920004769A; DE69113729D1; US5092760A; MX9100192A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Sauerstoff-Brennstoff-Brenner, und genauer gesagt Brenner, welche Sauerstoff im Gegensatz zu Luft als Oxidationsmittel für den Brennstoff und einen flüssigen Brennstoff wie beispielsweise Öl, oder eine Dispersion eines festen Brennstoffes in einem flüssigen Medium, was die Zerstäubung des Brennstoffes erforderlich macht, verwenden, damit eine vollständige effiziente Verbrennung des Brennstoffes gefördert wird, wenn dieser mit dem Oxidationsmittel gemischt wird, wobei diese Brenner hier im weiteren als Sauerstoff-Öl-Brenner bezeichnet werden. Die Sauerstoff-Öl-Brenner der Erfindung werden nicht flüssigkeitsgekühlt, sondern besitzen einen breiten Bereich an Strömungsgeschwindigkeiten, wobei sichere Temperaturen an der Brennerspitze beibehalten werden.
Der Stand der Technik ist reich an Brennereinheiten unterschiedlichen Aufbaus, jedoch betreffen die meisten solcher Brenner eher einen Sauerstoff-Benzin- oder Luft-Öl-Betrieb als die einzigartigen Verhältnisse des Sauerstoff-Öl-Brenners gemäß der Erfindung.
Das US-Patent Nr. 3,809,525 bezieht sich auf einen Flachflammenbrenner, welcher eine Luft-Öl-Brennmischung verwendet, wobei die Brennerspitze mit schraubenförmigen Durchlässen zur Zerstäubung von Brennstofföltröpfchen und zum Mischen mit wirbelnder Sekundärluft, welche neben der Spitze austritt, versehen ist.
Das US-Patent Nr. 4,230,449 beschreibt einen Unterdruckluft- Ölbrenner, welcher in der Lage ist, eine relativ lange schmale Flamme zu erzeugen. Ein Zerstäuber mit einer Venturidüse und Wirbelplatte zum Zerstäuben von Brennstofföl befindet sich innerhalb einer primären Luftkammer zur Schaffung einer Verteilung, welche nicht rotationssymetrisch um die Kammerachse ist, und die daher nicht Gegenstand von Stabilitäts- und Schwingungsproblemen ist.
Das US-Patent Nr. 4,541,796 bezieht sich auf einen Sauerstoff- Öl-Ansaugbrenner und diskutiert die Vor- und Nachteile von Sauerstoff als Ersatz für Luft bei der Verbrennung. Die angemerkten prinzipiellen Vorteile liegen im Anwachsen der maximal erreichbaren Brennrate, einer Verminderung des Brennstoffverbrauchs, einem Abnehmen der Verschmutzungsprobleme in Bezug auf das Mitreißen von Teilchen, sowie einer Abnahme des Stickstoffanteils sowohl in dem Oxidationsmittel als auch in dem Abgas. Die angemerkten Nachteile schlossen jedoch eine niedrigere Bewegungsenergie des Gases in dem Ofen sowie höhere Flammentemperaturen ein, welche lokal heiße Flecken erzeugen und zu einem Anwachsen der Stickstoffoxid (NOx)-Emissionen führen. Um die Nachteile zu beseitigen und die Vorteile von Sauerstoff zu nutzen, beschreibt das Patent die Verwendung von Sauerstoffstrahlen, welche bei einer Geschwindigkeit eingeführt werden, die ausreichend ist, um ein Ansaugen der Ofengase in die 0xidationsmittelstrahlen hervorzurufen, bevor die letzteren sich mit dem Brennstoffstrahl mischen, und zwar in Mengen, die ausreichend sind, die Flammentemperatur herabzusenken.
Das US-Patent Nr. 4,690,635 betrifft einen Hochtemperatur-Sauerstoff-Benzinbrenner, bei dem die Benzinkanalspitze einen kegelstumpfartigen Abschnitt aufweist, welche eine Messerschneide zur kurzzeitigen Verzögerung der Verbrennung bildet, wobei die Spitze von einer Vielzahl an sauerstoffabgebenden Öffnungen umgeben ist, welche in einem kreisförmigen Feld angeordnet sind, oder durch eine ringförmige sauerstoffabgebende Öffnung, oder durch beides.
Das US-Patent Nr. 4,726,760 beschreibt einen Luft-Ölbrenner, bei dem das Öl in winzige Brennstoffpartikel in Form eines Sprühkegels ausgebildet wird, indem es durch eine zentrale Öffnung, welche durch eine durchgehende Messerschneidkante bestimmt wird, ausgestoßen wird. Der Sprühkegel wird durch einen externen, sich drehenden Luftstrom eingeengt bzw. eingegrenzt.
Die GB-A-947621 beschreibt eine Brennereinheit zum Zerstäuben eines Brennstoffs und zum Zuführen eines Oxidationsmittels für den derart zerstäubten Brennstoff zur Erzeugung einer brennbaren Mischung und zum Bilden einer erwünschten Flamme, wobei die Brennereinheit aufweist:
eine Brennstoffzuführeinrichtung mit einer Einrichtung zum Zuführen von Brennstoff, welcher durch ein zerstäubendes Fluid zu zerstäuben ist, einer Einrichtung zum Zerstäuben des Brennstoffs, wenn dieser entlang einer Zentralachse strömt, einer Einrichtung zum Ausstoßen des zerstäubten Brennstoffes in einer sich ausdehnenden konischen Form, und
eine Einrichtung zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu dem Auslaßende der Brennstoffeinheit und zur Schaffung einer brennbaren Oxidationsmittelhülle um die sich ausdehnende konische Form an ausgestoßenem zerstäubten Brennstoff derart herum, daß sie sich mit dem Brennstoff vermischt und eine brennbare Mischung mit einer erwünschten Flamme liefert.
Zur Überwindung der Probleme und der Komplexität der oben erwähnten Brennereinheiten nach dem Stande der Technik besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Sauerstoff-Öl-Brenner zu schaffen, der einen weiten Bereich an Strömungsraten aufweist und eine akzeptable kühle Temperatur an der Körperspitze selbst bei relativ niedrigen Strömungsraten und selbst wenn Sauerstoff als zerstäubendes Fluid, ohne Einsatz einer flüssigen Kühlung, benutzt wird, beibehält.
Im Betrieb erlaubt der verbesserte Aufbau des Sauerstoff-Öl- Brenners die bis dahin undenkbare Verwendung von handelsüblichem reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherten Gasen als zerstäubendes Fluid, indem ein Grenz- bzw. Randschichtringraum gescbaffen wird, welcher das "Zersprengen" des Brennstoffes in der zerstäubenden Kammer ausschließt und das Sammeln von winzigen Ölpartikeln neben der Brennerspitze verhindert. Durch die Verwendung von Kohlenstoffdioxid als zerstäubendes Fluid werden ferner nicht nur annehmbare Temperaturen an der Brennerspitze erzeugt, sondern es wird auch die resultierende Flammentemperatur derart vermindert, daß eine Gesamtverminderung an NOx entsteht.

Zusammenfassung der Erfindung

In seiner einfachsten Form stellt die Erfindung ein neues Konzept bei Sauerstoff-Öl-Brenner-Anordnungen dar, welche ihre besondere Verwendung in Glas- und Hüttenöfen sowie Dampfgeneratoren finden. Wenn Öl als Brennstoff verwendet wird, muß es für das Oxidationsmittel in winzige Teilchen zerstäubt werden, um eine völlige und effiziente Verbrennung des Brennstoffs zu erreichen. Wenn Sauerstoff zur Unterstützung der Verbrennung verwendet wird, sind ferner die erzeugten Flammentemperaturen eher als bei normaler Luft extrem hoch im Vergleich zu denjenigen von Brennern, welche lediglich Luft verwenden. Bisher wurde Sauerstoff aufgrund der sehr schnellen Zündung der Sauerstoff- Brennstoffmischung vor der erwünschten Zündung, was zu der Erzeugung von schädlichen Temperaturen für kritische Komponenten des Brenners, einschließlich der Brennerspitze, führen würde, nicht als ein denkbares Zerstäubungsmittel betrachtet.
Die Erfindung schafft eine Brennereinheit des oben in Bezug auf die GB-A-947621 beschriebenen Typs, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Brennstoffzuführeinheit ferner eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, einen Grenz- bzw. Randschichtkühlringraum aus zerstäubenden Fluid konzentrisch um die zentrale Achse angrenzend an die konische Austoßform zur Begrenzung dieser Form und zum Kühlen eines Auslaßendabschnittes der Einheit strömen zu lassen.
Bei dem vorliegenden Aufbau wird die Vorzündung der Ölpartikel, welche durch das Oxidationsmittel (vorzugsweise handelsüblicher reiner Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Gase) zerstäubt sind, durch die Verwendung eines Grenzschichtkühlringraumes verhindert, welcher einen Ausstoßkegel, der sich neben einer Strahlungsabschirmung an der Brennerspitze befindet, umfaßt und um diesen herum strömt. Die Grenzschicht kühlt nicht nur die Strahlungsabschirmung, sondern kühlt ferner den Ausstoßkegel bzw. Ausstoßtrichter, welcher in der Auslaßöffnung des zerstäubten Öls eingeführt ist, und schließt auf diese Weise eine vorzeitige Zündung sowie das Kracken des Brennstoffes innerhalb der Zerstäubungskammer aus. Die dünne Hülle an Sauerstoff oder an sauerstoffangereicherten Gasen, welche durch einen Grenzschichtdurchgang austreten, schützt ferner die Brennerspitze, indem sie verhindert, daß winzige Ölpartikel wirbeln und sich auf der angrenzenden Strahlungsabschirmung sammeln, wobei diese Ansammlung eine Brennstoffquelle in der Anwesenheit von Sauerstoff werden könnte und auf diese Weise eine zerstörerische Menge an Hitze für den Brenner und danebenliegende Aufbauten erzeugen würde. Durch das vorzugsweise Ausdehnen der Auslaßöffnung an der Brennerspitze für zerstäubtes Öl nach außen hin über den Auslaß an Verbrennungssauerstoff hinaus, wird ferner die Verbrennung des Öls verzögert, was nicht nur zu einem Herabsenken der Temperatur der Brennerspitze führt, sondern auch das Kracken des Brennstoffs reduziert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Sauerstoff-Öl-Brennereinheit gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Vorderansicht, teilweise geschnitten, einer Brennereinheit gemäß der Erfindung mit einem Brennerblock;
Fig. 3 Vorderansicht der gerippten Strahlungsabschirmung, welche einen Teil der Erfindung bildet;
Fig. 4 eine End-Vorderansicht auf die Strahlungsabschirmung, wie in Fig. 3 gezeigt;
Fig. 5 eine geschnittene Vorderansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 4; und
Fig. 6 eine fragmentale Querschnittsansicht von vorn, welche genauer das vordere Ende bzw. Auslaßende des Brenners darstellt.
Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, enthält die gesamte Brennereinheit oder Anordnung 10 der Erfindung ein Gehäuse 12 mit einem Nasenabschnitt oder einem Nasenstück 14, welche mit einer zentralen Auslaßöffnung oder ringförmigen Öffnung 16 versehen ist. Eine Brennstoff- oder Ölzuführeinheit 20 ist dargestellt, welche zentral innerhalb des Gehäuses 12 mittels einer Spinne bzw. eines zentrierenden Ringes 18 montiert ist. Die Brennstoffzuführeinheit 20 weist einen Einlaßkörperabschnitt 22, einen zentralen Körperabschnitt 24 und einen Brennerspitzenabschnitt 26 auf. Ein zentraler bzw. mittig gelegener Brennstoffkanal 28, welcher in einem Kanalteil 30 gebildet ist, ist mit einem Einlaßanschlußstück 32 zur Aufnahme einer geeigneten Zufuhr an Brennstoff, wie beispielsweise Öl, versehen. Der zentrale Brennstoff-Öl-Kanal 28 erstreckt sich durch die Brennstoffzuführeinheit 20 entlang einer zentralen Achse A.
Der Brennerspitzenabschnitt 26 bildet eine Kammer 36 zwischen einem vorderen Kanalabschnitt 38 des Kanalteiles 30 und dem inneren Umfangswandabschnitt 40 des Brennerspitzenabschnittes 26. Wie genauer in Fig. 6 gezeigt, ist ein zerstäubendes Teil 42 an ein Auslaßende des vorderen Kanalabschnittes 38 befestigt und ragt in den zentralen Brennstoff-Öl-Kanal 28 hinein. Das zerstäubende Teil 42 besitzt einen zentralen Durchgang bzw. eine Ölöffnung 44, welche mit dem zentralen Brennstoff-Öl-Kanal 28 in Verbindung steht, welcher koaxial mit der Achse A des zentralen Brennstoff-Öl-Kanals verläuft. Das zerstäubende Teil besitzt divergierende Abschnitte 46, welche mit zerstäubenden Öffnungen 48 versehen sind, welche hin zu der zentralen Achse A angrenzend zu dem Auslaß der Ölöffnung 44 konvergieren.
Das vordere bzw. Vorwärtsende des Brennerspitzenabschnittes 26 endet an dessen äußerem Ende in einer Brennerspitzenöffnung 50, welche innen bei 52 zur Aufnahme eines Flansches 54 einer gerippten ringförmigen Strahlungsabschirmung 56 abgestuft ist. Wie genauer in den Figuren 3 bis 6 gezeigt, besitzt die Strahlungsabschirmung 56 eine Vielzahl an Nuten 58, die in einem sich verjüngenden Nasenabschnitt 62 gebildet sind, wobei eine Vielzahl an kühlenden Graten oder Rippen 60 geschaffen werden, welche sich radial nach außen um eine Zentralachse A erstrecken. Die Strahlungsabschirmung 56 besitzt eine zentrale Öffnung 64, welche in Verbindung mit einem ausgenommenen Abschnitt 66 und einem abgestuften Abschnitt 68 steht.
Ein Ausstoßtrichter 70 befindet sich innerhalb der zentralen Öffnung 64 der Strahlungsabschirmung 56. Der Ausstoßtrichter 70 besitzt einen Halteflansch 72, welcher zwischen dem zerstäubenden Teil 42 und dem abgestuften Abschnitt 68 der Strahlungsabschirmung 56 liegt. Der Ausstoßtrichter 70 weist konzentrisch zu einer Achse A eine innere konische Fläche 74 auf, welche nach außen hin zu der Brennerspitzenöffnung 50 divergiert bzw. auseinanderläuft, wobei sie es dem zerstäubten Brennstoff gestattet, sich angrenzend zu dem Auslaßende der Brennstoffzuführeinheit 20 auszudehnen. Eine äußere Fläche 76 des Ausstoßtrichters liegt derart räumlich getrennt von einem inneren Flächenabschnitt 65 der Zentralöffnung 64, daß ein ringförmiger Durchgang 78 zwischen dem Ausstoßtrichter 70 und der ringförmigen Strahlungsabschirmung 56 neben der Brennerspitze gebildet wird. Der ringförmige Durchgang 78 erstreckt sich konzentrisch zu und dementsprechend parallel zu der zentralen Achse A des zentralen Brennstoff-Öl-Kanals 28 und der Ölöffnung 44. Die ringförmige Ausnehmung 66, welche in der Strahlungsabschirmung 56 gebildet ist, steht in Verbindung mit einer Vielzahl an Öffnungen 80, welche in dem Halteflanschabschnitt 72 des Ausstoßtrichters 70 gebildet sind, wobei die Öffnungen in offener Verbindung mit der Kammer 36 stehen. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, steht die ringförmige Ausnehmung 66 nicht nur in Verbindung mit der Vielzahl an Öffnungen 80, sondern auch dem ringförmigen Kanal bzw. Durchgang 78, welcher zwischen dem Ausstoßtrichter 70 und der ringförmigen Strahlungsabschirmung 56 gebildet ist.
Ein Kanal für ein zerstäubendes Fluid 82 erstreckt sich durch den Einlaßkörperabschnitt 22 und dem zentralen Körperabschnitt 24 der Brennstoffzuführeinheit 20 außerhalb des Kanalteils 30 und ist an seinem Auslaßende mit der Kammer 36 verbunden, welche zwischen dem Brennerspitzenabschnitt 26 und dem Kanalteil 30 gebildet ist. Der Kanal 82 für ein zerstäubendes Fluid ist an seinem Einlaßende mit einem Verbindungsstück 84 zur Aufnahme einer passenden Zufuhr am zerstäubenden Fluid versehen. Wie genau in Fig. 1 gezeigt, ist der zentrierende Ring bzw. die Spinne 18 mit einer Vielzahl an Öffnungen oder Schlitzen 19 versehen, welche dazu dienen, Sauerstoff nach außen entlang einer äußeren Fläche des Brennerspitzenabschnittes 26 strömen zu lassen. Die äußere Fläche des Brennerspitzenabschnittes 26 zwischen dem zentrierenden Ring 18 und der Strahlungsabschirmung 56 verjüngt sich mit ungefähr 40, um eine gleichmäßige Übergangs- Strömung für den Verbrennungssauerstoff zu der Strahlungsabschirmung 56 zu erreichen, welche mit Rippen 60 zur Erleichterung der Kühlung versehen ist, und den Brenner von Wirkungen einer schädlichen Erhitzung zu bewahren.
Wie in Fig. 1 im Einzelnen gezeigt wird, befindet sich die Brennstoffzuführeinheit 20 mit dessen zentralen Körperabschnitt 24 innerhalb des Gehäuses 12 und axial zentriert mit dem Brennerspitzenabschnitt 26 sowie sich nach außen durch die zentrale ringförmige Öffnung 16 derart erstreckend, daß die ringförmige Auslaßöffnung 16 koaxial zu der Achse A des zentralen Brennstoff-Öl-Kanals 28 liegt. Der zentrale Körperabschnitt 24 ist mit Flanschabschnitten 86 versehen, welche einen oder mehrere O- Ringe 88 besitzen, welche sich darin zum Abdichten der Ölzuführeinheit 20 mit einem inneren lippen- bzw. schnabelförmigen Abschnitt 90 des Gehäuses 12 befinden.
Ein Sauerstoffeinlaß 92 ist innerhalb des Gehäuses 12 vorgesehen und steht in Verbindung mit einer Sauerstoffzuführkammer oder Verteiler 94, welcher den zentralen Körperabschnitt 24 und den Brennerspitzenabschnitt 26 der Brennstoffzuführeinheit 20 umgibt. Der der Kammer 94 zugeführte Sauerstoff tritt durch eine Vielzahl an Sauerstoffschlitzen oder Sauerstofföffnungen 19, welche in der Spinne bzw. dem zentrierenden Ring 18 gebildet sind, aus, damit eine Sauerstoffhülle um das zerstäubte Öl herum geschaffen wird, welches von dem Auslaßende 50 der Brennstoffeinheit 20 ausgestoßen wird.
Bei dem vorliegenden Aufbau liegt der Brennerspitzenabschnitt 26 nicht nur zentriert innerhalb des Nasenabschnittes 14 des Gehäuses, sondern erstreckt sich ferner durch die zentrale Auslaßöffnung 16, welche in dem Nasenstück 14 des Gehäuses 12 gebildet ist, hindurch und dehnt sich über diese hinaus aus. Angesichts der Tatsache, daß der durch die Öffnung 16 ausgestoßene Sauerstoff entlang der sich verjüngenden Oberfläche des Brennerspitzenabschnittes 26 über eine Distanz von bis zu 1 1/2" strömen muß, wird eine verzögerte Verbrennung zwischen den zerstäubten Ölpartikeln, welche durch den Ausstoßtrichter 70 zugeführt werden, und dem Sauerstoff hervorgerufen, welcher durch die zentrale Öffnung 16 des Nasenabschnittes 14, der die Spitze umgibt, zugeführt wird, wodurch die Temperatur an der Brennerspitze auf ein befriedigendes Niveau abgesenkt wird. Zusätzlich dient die Strömung des Sauerstoffs entlang der Kühlrippen 60 ferner dazu, den Brennerspitzenabschnitt 50 materiell zu kühlen.
Das Gehäuse 12, wie genau in Fig. 2 gezeigt, kann an einen Halter oder eine lagernde Blockhalterung 96 mit einem feuerfesten Brennerblock 98, wie beispielsweise stabilisierte Zirkonerde, angeschlossen sein und dadurch mit einem geeigneten Bindemittel 100 gehalten werden. Der Brennerblock 98 ist mit einer Brennkammer 102 versehen. Der Halter oder die lagernde Brennhalterung 96 besitzt einen Flanschabschnitt 104 zur Anbringung an die Wandung eines Ofens oder Dampfgenerators. Der Nasenabschnitt 14 enthält einen Montageflansch 106 neben dessen Einlaßende, welches in geeigneter Weise an das Gehäuse 12 befestigt ist, sowie eine Dichtung 108, welche dazwischen angebracht ist.
Im Betrieb wird ein geeigneter Brennstoff, wie beispielsweise Öl, dem Einlaßverbindungsstück 32 des zentralen Ölkanals 28 zugeführt und fließt entlang des Kanals 28 in die Ölöffnung 44 des zerstäubenden Bauelementes 42. Gleichzeitig wird ein zerstäubendes Medium dem Verbindungsstück 84 zugeführt und fließt durch den Kanal für das zerstäubende Fluid in die Kammer 36. Von der Kammer 36 strömt ein Teil des zerstäubenden Fluidmediums durch eine Vielzahl an zerstäubenden Öffnungen 48, welche sich in den divergierenden Wandungen 46 des zerstäubenden Teiles 42 befinden, um auf die axiale Strömung des Öls, welches durch den zentralen Ölöffnungsdurchgang 44 hindurchtritt, derart aufzuprallen, daß das Öl in eine Vielzahl an winzigen Partikeln zerstäubt wird. Die zerstäubten Ölpartikel dehnen sich innerhalb des Ausstoßtrichters 70 aus, wenn sie das Auslaßende der Brennstoffeinheit 20 angrenzend zu der Brennerspitzenöffnung 50 verlassen. Ein Teil des zerstäubenden Fluids wird jedoch auch durch die Vielzahl an Öffnungen 80 in dem Halteflanschabschnitt 72 des Ausstoßtrichters 70 über die ringförmige Ausnehmung 66 nach außen durch den ringförmigen Durchgang 78 zur Bildung eines Grenzschichtkühlringraumes um die zerstäubten Ölpartikel herum, welche von der Brenneröffnung 50 abgegeben werden, zugeführt.
Der Grenzschichtkühlringraum aus zerstäubendem Medium, welcher durch den ringförmigen Durchgang 78 gebildet wird, fließt konzentrisch um die ausgestoßenen zerstäubten Ölpartikel herum und koaxial zu der Achse des zentralen Ölkanals 28 sowie der Ölöffnung 44. Der Grenzschichtkühlringraum dient nicht nur dazu, den Strom an zerstäubten Ölpartikeln, welche von dem Auslaß 50 abgegeben werden, zu stabilisieren und den Sog von solchen winzigen Ölpartikeln davon abzuhalten, sich auf der Strahlungsabschirmung 56 zu sammeln, sondern kühlt ferner die Strahlungsabschirmung und den Ausstoßtrichter, und hindert den Brennstoff an einem Kracken innerhalb der zerstäubenden Kammer. Es ist von Bedeutung, daß die Ölpartikel sich nicht auf der Strahlungsabschirmung sammeln, da jede Ansammlung an Kohlenstoff eine Brennstoffquelle darstellt, insbesondere in der Anwesenheit von Sauerstoff, was zur Abgabe von zerstörerischen Hitzemengen führen würde. Gleichzeitig mit dem Ausstoß der winzigen zerstäubten Ölpartikel aus dem Auslaßende der Brennstoffanordnung 20 wird ferner eine kontinuierliche bzw. ununterbrochene Hülle aus handelsüblichem reinem Sauerstoff von der Sauerstoffzuführkammer 94 durch die Öffnungen oder Sauerstoffstromöffnungen 19 des zentrierenden Ringes 18 derart zugeführt, daß sie die ausgestoßenen und zerstäubten Ölpartikel zur Bildung einer brennbaren Mischung und zur Erzeugung einer erwünschten Brennerflamme umgeben und umfassen.
In der Vergangenheit wurden Luft oder Dampf normalerweise als zerstäubendes Medium bzw. Mittel verwendet. Mit der Erfindung können jedoch Argon, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff oder eine Kombination von einigen oder allen dieser Gase verwendet werden. Das heißt, es wurde bisher nicht für möglich gehalten, Sauerstoff angesichts der schnellen Zündung oder vorzeitigen Zündung der Brennstoff-Sauerstoff-Mischung, welche zur Erzeugung von schädlichen Temperaturen für kritische Komponenten bzw. Bauteile des Brenners führt, als ein zerstäubendes Mittel zu verwenden. Bei der vorliegenden Erfindung wurde das Problem durch den Grenzschichtkühlraumring gelöst, dessen Funktion darin liegt, den Ausstoßtrichter sowie den Spitzenabschnitt des Brenners zu kühlen, wobei auf diese Weise das Kracken des Brennstoffs sowie die vorzeitige Zündung in der Zerstäubungskammer ausgeschlossen wird. Ein weiterer Nutzen, welcher aus der dünnen Hülle aus Sauerstoff, der durch den Grenzschichtdurchgang 78 austritt, gezogen wird, besteht darin, daß ein solcher Grenzschichtraumringstrom derart wirkt, daß er die zerstäubten Brennstoffpartikel bremst bzw. begrenzt sowie Verwirbelungen von solchen winzigen Partikeln daran hindert, sich auf der Strahlungsabschirmung 56 zu sammeln. Insbesondere bei der Verwendung von Sauerstoff ist dies von sehr hoher Bedeutung, da jegliche Ansammlung von Kohlenstoff eine Brennstoffquelle in Anwesenheit von Sauerstoff darstellt und bei Zündung wesentliche Mengen an Hitze frei werden, welche für die Brennerbestandteile und die umgebenden Aufbauten zerstörerisch sein könnten.
Obwohl Sauerstoff nun als ein zerstäubendes Mittel verwendet werden kann, ohne auf die bisherigen Probleme zu stoßen, haben wir herausgefunden, daß die Verwendung von Kohlenstoffdioxid als zerstäubendes Mittel zusätzlichen Nutzen bringt. Das heißt, daß Kohlenstoffdioxid (CO&sub2;) derart wirkt, daß es die resultierende Flammentemperatur absenkt und daher eine Verminderung von NOx erreicht, da die NOx-Produktion eine Funktion von Zeit und Temperatur ist. Kohlenstoffdioxid ist ein nicht oxidierendes zerstäubendes Fluid und hilft dabei, die Zündung der zerstäubten Partikel zu verzögern, was dazu führt, daß die Temperatur an der Brennerspitze niedriger ist. Da Kohlenstoffdioxid völlig oxidiert ist, wird es sich außerdem nicht mit dem Sauerstoff oder dem zerstäubten Öl verbinden. Zusätzlich weist Kohlenstoffdioxid eine relativ höhere Masse als Luft oder Sauerstoff auf, da Kohlenstoffdioxid ein Molekulargewicht von 44 gegenüber 29 bei Luft und 32 bei Sauerstoff besitzt. Dementsprechend liefert die höhere Masse eine höhere Kraft zum Zerstäuben des Öls und zur Beförderung des Stroms nach vorn. Das heißt, die Kraft zur Zerstäubung ist bei Kohlenstoffdioxid 37 % größer als bei Sauerstoff bei gleicher Fluidgeschwindigkeit.
Noch stärker ins Gewicht fällt, daß bei eineni Sauerstoff-Öl- Brenner, welcher mit CO&sub2; zerstäubt, die Produkte der Zerlegung und Verbrennung in einem Ofen hauptsächlich Kohlenstoffdioxid sind, sobald Wasser entfernt ist. Man könnte daher eine kontinuierliche Quelle an CO&sub2; als ein extrem feines und angestrebtes Fluid zur Ölzerstäubung dadurch gewinnen, daß man einen geringen Teil, nämlich weniger als 10 % des Abgasdampfes, extrahiert, und den auf diese Weise extrahierten Anteil zur Entfernung des Wasserdampfes kühlt, sowie das resultierende Gas komprimiert.
Angesichts der Tatsache, daß die Verbrennungsprodukte, welche direkt aus dem Ofen gewonnen werden können, ungefähr 1/3 CO&sub2; und 2/3 Wasserdampf sind, ist eine kontinuierliche Zufuhr von CO&sub2; als zerstäubendes Fluid dadurch erreichbar, daß man die Ofenatmosphäre rekonditioniert und rezirkuliert. Sobald der Wasserdampf aus der Gasatmosphäre entfernt ist, bestehen ungefähr 97 % der resultierenden trockenen Produkte aus Kohlenstoffdioxid. Durch Kühlen der Ofenatmosphäre zur Entfernung von Wasserdampf und durch Komprimieren des resultierenden Produkts wird eine ununterbrochen verfügbare Quelle von ungefähr 97 % CO&sub2; erhalten. Wasserdampf, welcher durch Ofenabwärme gebildet wird, kann ferner auch als ein zerstäubendes Fluid genauso wie Naturgas verwendet werden. Der niedrigere Sauerstoffanteil solcher Fluide erzeugt eine kühlere bzw. niedrigere Betriebstemperatur an der Brennerspitze, was eine sehr wichtige Überlegung darstellt bei der Entfernung von nahezu allen Spuren an Stickstoff und bei der Vermeidung der Bildung von NOx-Verbindungen. Daher ist Luft auf Grund seines 79%-igen Stickstoffanteils ungeeignet bzw. unerwünscht.
Der Ausstoßwinkel der inneren konischen Fläche 74 des Ausstoßtrichters 70 bestimmt die Form bzw. das Muster des zerstäubten Öls sowie letztendlich die Form der Flamme, da sie durch den Grenzschichtkühlringraum begrenzt wird. Die Ausstoßöffnung für das zerstäubte Öl, die Größe der Zerstäubungsöffnung sowie die Öl-Strömungsrate legen die Brennstoffaustrittsgeschwindigkeit fest. Der Sauerstofföffnungsbereich 16 bestimmt die Sauerstoffgeschwindigkeit. Das resultierende Geschwindigkeitsverhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff bestimmt den Zündungspunkt, welcher für sichere Temperaturen an der Spitze bei einem nicht wassergekühlten Brenner kritisch ist. Ein Verhältnis von 1:1 ist das empfohlene minimale Verhältnis von Brennstoff- zu Sauerstoffgeschwindigkeit für eine sichere Benutzung. Brennstoff-/Sauerstoffgeschwindigkeitswerte von 3:1 oder höher erhöhen den Abstand zwischen dem Zündungspunkt und der Spitze. Diese Beabstandung der Flamme von der Spitze erlaubt Betriebstemperaturen, welche in Einklang mit verfügbaren, kommerziell erhältlichen Materialien stehen.
Obwohl die Erfindung fähig ist, eins bis zehn Millionen BTU (British Thermal Unit; ein BTU = 1055 Joule) an Energie mit 50 % oder mehr verfügbarer Wärme für den Prozeß unter verschiedenen Bedingungen zu liefern, stellt das folgende ein spezielles Beispiel für den Betrieb der Brennereinheit dar, wie in Fig. 1 gezeigt. Ein zerstäubendes Sauerstoff-Fluid wurde durch den zerstäubenden Fluiddurchgang 82, die Kammer 36, die Öffnungen 48 und 80 sowie den Durchgang 78 unter einem Überdruck von 50 psig bei einer Strömungsrate von 350 scfh (Standard Cubic Feet per Hour; ein scfh ist gleich 7,86 x 10&supmin;&sup6; m³s&supmin;¹) zugeführt. Zusätzlich wurde handelsüblicher reiner Verbrennungssauerstoff durch einen Einlaß 92 über die Kammer 94 sowie die Öffnungen 19 unter einem Überdruck von 8 psig bei einer Strömungsrate von 72,7 scfm (Standard Cubic Feet per Minute; ein scfm ist gleich 4,7 x 10&supmin;&sup4; m³s&supmin;¹) zugeführt. Das Öl wurde bei einer Temperatur von 70º Celsius einem Druck von 26 psig sowie einer Strömungsrate von 35 Litern pro Stunde zugeführt.

Claims

1. Brennereinheit zum Zerstäuben eines Brennstoffs und zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu einem derartigen zerstäubten Brennstoff zur Erzeugung eines verbrennbaren Gemischs und zur Schaffung einer gewünschten Flamme, bestehend aus:

einer Brennstoffzuführeinheit (20) mit einer Einrichtung (28, 32) zum Vorsehen von zu zerstäubendem Brennstoff mittels eines zerstäubenden Fluids, einer Einrichtung (84, 82, 36, 48) zum Zerstäuben des Brennstoffs bei dessen Strömung längs seiner Mittelachse, einer Einrichtung zum Ausstoßen des zerstäubten Brennstoffs in einer expandierenden konischen Form, und

einer Einrichtung (92, 94, 19, 16) zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu dem Auslaßende der Brennstoffeinheit und zum Schaffen einer verbrennbaren Oxidationsmittelhülle um die expandierende konische Form des ausgestoßenen, zerstäubten Brennstoffs zum Vermischen mit dem Brennstoff und zum Vorsehen eines brennbaren Gemischs mit einer gewünschten Flamme,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführeinheit weiterhin eine Einrichtung (80, 66, 78) aufweist, durch die eine Strömung eines Grenzschichtkühlringraums aus zerstäubendem Fluid konzentrisch um die zentrale Achse angrenzend an die konische Ausstoßform zur Begrenzung dieser Form zum Kühlen eines Auslaßendabschnitts der Einheit herstellbar ist.

2. Brennereinheit nach Anspruch 1, bei der die Brennstoffzuführeinheit hohle Körperteilabschnitte besitzt, wobei die Einrichtung zum Vorsehen von zu zerstäubendem Brennstoff einen Brennstoffkanal (28) aufweist, der sich durch die Körperteilabschnitte längs der zentralen Achse erstreckt, wobei zu der Einrichtung zum Zerstäuben des Brennstoffs ein Kanal (82) für ein zerstäubendes Fluid gehört, der sich durch die Körperteilabschnitte erstreckt, und bei der die Brennstoffzuführeinheit ein zerstäubendes Teil (42) besitzt, das in ,einem Auslaßende des Brennstoffkanals angeordnet ist, wobei das zerstäubende Teil eine zentrale Ölöffnung (44) besitzt, die längs der zentralen Achse liegt und zahlreiche Zerstäubungsöffnungen (48) aufweist, die mit dem Kanal für zerstäubendes Fluid kommunizieren und an der Zentralachse neben einem Auslaßende der Ölöffnungen und einem Winkel orientiert sind, wobei eine Strahlungsabschirmung (56) innerhalb eines Auslaßendes der Brennstoffeinheit angeordnet ist, und wobei ein Ausstoßtrichter (70) innerhalb einer zentralen Öffnung (64) der Strahlungsabschirmung, angrenzend an das zerstäubende Teil, angeordnet ist und einen ringförmigen Kanal (78) zwischen dem Ausstoßtrichter und der Strahlungsabschirmung bildet, die in offener Verbindung mit der Kammer zur Schaffung des Grenzschichtkühlringraums aus zerstäubendem Fluid angrenzend an das Auslaßende der Brennereinheit steht.

3. Brennereinheit nach Anspruch 2, bei der der Ausstoßtrichter (70) mit einer inneren konischen Fläche (74) versehen ist, die koaxial zu der Zentralachse liegt und nach außen in Richtung auf den Auslaßendabschnitt der Brennereinheit expandiert.

4. Brennereinheit nach Anspruch 2 oder 3, bei der der ringförmige Kanal (78) sich konzentrisch zu der Zentralachse erstreckt und bei der sich zahlreiche Öffnungen (80) durch einen Halteflansch (72) des Ausstoßtrichters (70) in Verbindung mit dem Kanal (82) für das zerstäubende Fluid und dem ringförmigen Kanal zur Erleichterung der Strömung zerstäubenden Fluids aus dem Kanal nach außen durch den ringförmigen Kanal erstrecken.

5. Brennereinheit nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei der die Brennstoffauslaßeinheit innerhalb eines Gehäuses (12) angeordnet ist, welches eine 0xidationsmittelzuführkammer (94) um einen Abschnitt der Brennstoffeinlaßeinheit bildet, wobei ein zentrierender Ring (18) die Brennstoffeinheit innerhalb des ,Gehäuses befestigt und wobei zahlreiche Öffnungen (19) durch den zentrierenden Ring zum Zuführen eines Oxidationsmittel zu dem Ausstoß zerstäubten Brennstoffs aus der Brennstoffeinheit und zum Erzeugen eines brennbaren Gemischs gebildet sind.

6. Brennereinheit nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, bei der die Strahlungsabschirmung (56) zahlreiche Kühlrippen besitzt, die auf derem äußeren Nasenabschnitt (62) zur Erleichterung der Kühlung der Brennereinheit gebildet sind.

7. Brennereinheit nach Anspruch 1, bei der eine Einrichtung zum Vorsehen einer einzigen Zuführung zerstäubenden Fluids söwohl zu der Zerstäubungseinrichtung zum Zerstäuben des Brennstoffs als auch zu der Grenzschichtkühlringraumeinrichtung in der Form vorgesehen ist, daß das zerstäubende Fluid nicht nur zum Zerstäuben des Brennstoffs, sondern auch zum Kühlen und Schützen eines Auslaßendabschnitts der Brennereinheit fungiert.

8. Brennereinheit nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zur Herstellung einer Strömung eines Grenzschichtkühlringraums ein Ausstoßteil (70), das in einem Auslaßende der Brennstoffeinheit neben der Zerstäubungseinrichtung und sich von dieser nach außen erstreckend angeordnet ist, wobei das Ausstoßteil ein ringförmigen Kanal (78) bildet, der sich konzentrisch längs der Zentralachse erstreckt, und eine Einrichtung aufweist, die eine einzige Quelle zerstäubenden Fluids sowohl zu der zerstäubenden Einrichtung (42) als auch zu dem ringförmigen Kanal sowohl zum Zerstäuben des Brennstoffs als auch zum Kühlen und Schützen des Auslaßendabschnitts der Brenneinheit vorsieht.

9. Brennereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Brennstoff Öl ist und zu der Zuführeinrichtung zum Zuführen von Brennstoff eine Ölquelle gehört.

10. Brennereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Oxidationsmittel handelüblicher reiner Sauerstoff ist und zu der Einrichtung zum Zuführen des Oxidationsmittels eine Quelle derartigen Sauerstoffs gehört.