DE69519197T2

DE69519197T2 - Zerstäuber für die Verbrennung von flüssigem Brennstoff mit kleinem Sprühwinkel

Info

Publication number: DE69519197T2
Application number: DE69519197T
Authority: DE
Inventors: Francis, Jr.; William Thoru Kobayashi
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2015-06-13
Also published as: CA2151541C; BR9502777A; ES2151007T3; CA2151541A1; JPH085018A; PT687858E; JP2939155B2; EP0687858A1; CN1140718C; CN1121571A; DE69519197D1; US5617997A; KR960001594A; EP0687858B1; KR100234572B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zerstäubungsvorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines flüssigen Brennstoffstroms mit einem sehr engen Sprühwinkel, der für eine effektive Verbrennung nützlich ist.

Hintergrund der Erfindung

Die Hochtemperaturverbrennung wird in vielen industriellen Verfahren wie z. B. dem Glasschmelzen und der Abfallverbrennung oft verwendet. Die zum Durchfuhren solcher Verfahren verwendeten Brenner benutzen oft flüssigen Brennstoff wie z. B. Öl. US-A-4 541 796 beschreibt beispielsweise einen Brenner mit mindestens zwei Durchlässen zum getrennten Zuleiten von flüssigem Brennstoff und Oxidationsmittel zu einer Stelle außerhalb des Brenners. Der getrennt zugeführte flüssige Brennstoff wird anfänglich zerstäubt und anschließend mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Eine Zerstäubung von flüssigem Brennstoff ist für die effektive Verbrennung notwendig.
Unter anderem beschreibt US-A-4 738 614 einen nützlichen Zerstäuber, wobei diese Brenner in US-A- 4 541 796 beschrieben und beansprucht sind. Der Zerstäuber weist einen spezifisch entworfenen Flüssigbrennstoffdurchlass und einen winkeligen Zerstäubungsfluidanschluss auf. Während der flüssige Brennstoff durch den Flüssigbrennstoffdurchlass injiziert wird, wird Zerstäubungsfluid in den Brennstoffdurchlass bei einem Winkel von 45 bis 75º und vorzugsweise bei einem Winkel von 60º, von der Längsachse des Brennstoffdurchlasses aus gemessen, durch den winkeligen Zerstäubungsfluidanschluss eingeleitet. Dieser Zerstäuber zeigt sich gegenüber bekannten Druckzerstäubern und mechanischen Zerstäubern bei der Vermeidung von Problemen wie z. B. einem mechanischen Versagen von beweglichen Teilen oder dem Verstopfen von sehr kleinen Flüssigbrennstofföffnungen als überlegen.
Dieser Zerstäuber weist jedoch bestimmte Nachteile auf. Erstens ist die Steuerung von flüssigem Brennstoffdurchfluss schwierig, da der Zerstäuber auf eine solche Weise entworfen ist, dass eine Druckabhängigkeit zwischen dem flüssigen Brennstoff und dem Zerstäubungsfluid vorliegt. So führt beispielsweise eine Erhöhung des Zerstäubungsfluiddurchflusses zu einem gesteigerten Rückdruck auf die flüssige Brennstoffzufuhr, wodurch sich die Durchfluss-Steuerung der flüssigen Brennstoffzufuhr als schwierig erweist. Zweitens kann dieser Zerstäuber nicht effektiv betrieben werden, wenn er innerhalb eines feuerfesten Anschlusses der Ofenwand zurückversetzt ist. Der zerstäubte Brennstoffstrom wie z. B. Öl trifft auf die Innenfläche des feuerfesten Anschlusses auf und bewirkt die Ausbildung von Ruß innerhalb des Anschlusses, wodurch der Zerstäuber und der Anschluss verrußen. Und schließlich kann dieser Zerstäuber eine unsichere Verbrennung verursachen, wenn das verwendete Zerstäubungsfluid Sauerstoff enthält. Weil der flüssige Brennstoff innerhalb des Brennstoffdurchlasses zusammen mit einem fluiden Brennstoffzerstäubungsfluid intern zerstäubt wird, kann der flüssige Brennstoff in die Zerstäubungsfluid (Sauerstoff)-Leitung fließen, was zu einer unsicheren Verbrennung fuhrt.
US-A-3 847 564 offenbart eine Kühlkammer mit einem Brenner mit drei Öffnungen zum Zerstäuben eines Stroms aus von einer zentralen Abgabedüse ausgestoßenem flüssigem Kohlenwasserstoff mit einem von einer Zwischenabgabedüse ausgestoßenem Strom aus freiem Sauerstoff enthaltendem Gas, und das gleichzeitige Umhüllen der vermischten Ströme mit einem getrennten Strom aus einem temperaturmäßigenden Gas wie z. B. Dampf oder Wassertropfen. Der Brenner ist zur Erzeugung von gasförmigen Gemischen, die ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweisen, z. B. Synthesegas, reduzierendes Gas oder Brenngas, mittels partieller Verbrennung des flüssigen Kohlenwasserstoffs entworfen, wobei letzterer durch die zentrale Abgabedüse bei einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 3 bis 30,5 m (etwa 10 bis 100 Fuß) pro Sekunde geleitet wird. Das freien Sauerstoff enthaltende Gas wird durch die Zwischenabgabedüse bei einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 33,5 m (etwa 110 Fuß) pro Sekunde bis zu Schallgeschwindigkeit geführt, und das temperaturmäßigende Gas wird durch die äußere Abgabedüse bei einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 16,8 m (etwa 55 Fuß) pro Sekunde bis zu Schallgeschwindigkeit geleitet. Die zentrale Düse liegt koaxial zu der Brennerachse vor und die zwei ringförmigen Düsen sind zum Ausstoßen von nach innen konvergierenden konischen Strömen angeordnet, wobei die von der Zwischenabgabedüse ausgestoßene konische Fläche des Stroms einen Winkel mit der Langsachse des Brenners im Bereich von etwa 10º bis 55º aufweist, und der entsprechende Winkel der von der äußeren Abgabedüse ausgestoßenen konischen Fläche des Stroms im Bereich von etwa 15º bis 60º liegt. In einer Ausführungsform des bekannten Brenners hat die innerste Öffnung einen Durchmesser von 30,9 mm (1,215 inch), die ringförmige Zwischenöffnung verfügt über einen Innendurchmesser von 31,8 mm (1,250 inch) und einen Außendurchmesser von 43,7 mm (1,719 inch), und die äußere Öffnung weist einen Innen- und einen Außendurchmesser von 46,4 mm bzw. 69,9 mm (1,827 inch bzw. 2,750 inch) auf.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zerstäubungsanordnung, die für die effektive Steuerung des Durchflusses an flüssigem Brennstoff nützlich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zerstäubungsanordnung, die auf eine effektive Weise beim Zerstäuben und Verbrennen von flüssigem Brennstoff verwendet werden kann, ohne die Zerstäubungsanordnung selbst in dem Fall zu verrußen, wenn diese innerhalb eines feuerfesten Anschlusses der Ofenwand zurückversetzt ist.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zerstäubungsanordnung, die sauerstoffhaltiges Zerstäubungsfluid mit einem minimalen Risiko an unsicherer Verbrennung verwenden kann.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zerstäubungsanordnung, die in einem Brenner eingebracht werden kann, der imstande ist, ohne jegliche Wasserkühlungsanordnung betrieben zu werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, die sich aus dieser Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung bewerkstelligt, deren einer Aspekt eine:
Vorrichtung (1) zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff ist, versehen mit:
(a) einer Düse (3) mit Innen- und Außenflächen, wobei die Innenfläche einen Durchlass (7) für flüssigen Brennstoff und einen Anschluss (9) für flüssigen Brennstoff bestimmt, wobei der Anschluss für flüssigen Brennstoff einen Einlass (11) zur Aufnahme von flüssigem Brennstoff von dem Durchlass für flüssigen Brennstoff auf weist, sowie einen Auslass (13) zur Abgabe von flüssigem Brennstoff; und
(b) einer Ummantelung (5) mit Innen- und Außenflächen, welche mindestens einen Teil der Düse (3) konzentrisch umgeben und die einen ringförmigen Durchlass (15) sowie einen ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss (17) zwischen der Innenfläche der Ummantelung und der Außenfläche der Düse bestimmen, wobei der ringförmige Durchlass in dem ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss in den Einlass- und Auslassöffnungen (19 bzw. 21) endet, wobei sowohl mindestens ein Teil der Innenfläche der Ummantelung (5) sowie mindestens ein Teil der Außenfläche der Düse (3), die den ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss bestimmt, in Form eines Konus mit einem in Richtung auf die Auslassöffnung (21) abnehmenden Durchmesser ausgebildet sind,
wobei für eine effektive Verbrennung mit verminderter Erzeugung von Stickoxiden
(c) der Durchmesser des Konus bei einem Winkel (A) im Bereich von etwa 5 bis etwa 30º, gemessen von der Längsachse (C) der Düse abnimmt, und
(d) das Verhältnis des Auslassdurchmessers des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) zu dem Auslassdurchmesser des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 0,55 liegt, wobei der Auslassdurchmesser des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 25,4 mm (etwa 0,02 inch bis etwa 1 inch) liegt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff unter Verwendung einer Düse (3), um einen flüssigen Brennstoffstrom in Form eines Sprühnebels mit einem äußeren Randwinkel von weniger als 15º, gemessen von der Achse des flüssigen Brennstoffstroms, bereitzustellen und somit eine effektive Verbrennung bei verminderter Stickoxiderzeugung zu fördern, wobei im Zuge des Verfahrens:
(a) ein flüssiger Brennstoffstrom von mindestens einer ersten Öffnung (13) abgegeben wird;
(b) Zerstäubungsfluid bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 Mach bis etwa 1,2 Mach in Richtung auf den flüssigen Brennstoffstrom bei einem konvergierenden Winkel (A) im Bereich von etwa 5 bis etwa 30º, gemessen von der Längsachse (C) der Düse (3), von mindestens einer zweiten Öffnung (17) abgegeben wird, die ringförmig zu der mindestens einen ersten Öffnung (13) ist; und
(c) Zerstäubungsfluid bei einer Rate abgegeben wird, so dass das Massenverhältnis des Zerstäubungsfluids zu dem flüssigen Brennstoff im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,7 gehalten wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines flüssigen Brennstoff verwendenden Brennerzerstäubers, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines flüssigen Brennstoff verwendenden Brenners mit dem Zerstäuber aus Fig. 1, wobei der Brenner innerhalb von feuerfesten Anschlüssen der feuerfesten Ofen wand zurückversetzt ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung für Zerstäubungsmethoden und -vorrichtungen, die zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff wie z. B. Öl nützlich sind. Die Zerstäubungsmethoden und - vorrichtungen erzeugen konsistent flüssige Brennstoffströme mit sehr engen Sprühwinkeln. Die flüssigen Brennstoffströme mit sehr engen Sprühwinkeln können selbst dann erzeugt werden, wenn niedrige Durchflussraten an flüssigem Brennstoff verwendet werden und sogar dann, wenn flüssige Brennstoffströme außerhalb eines Flüssigbrennstoffdurchlasses zerstäubt werden. Die Erzeugung der flüssigen Brennstoffströme mit konstant engem Sprühwinkel ermöglicht den Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung über einen langen Zeitraum ohne ein Auftreten von Verrußungsproblemen selbst in dem Fall, wenn die Vorrichtung ausreichend von den inneren Öffnungen der in der Ofenwand festgelegten feuerfesten Anschlüssen zurückversetzt ist. Die inneren Öffnungen der feuerfesten Anschlüsse liegen einer Verbrennungszone innerhalb des Ofens gegenüber, wobei die zerstäubte und von der Zerstäubungsvorrichtung ausgestoßene Flüssigkeit innerhalb der Verbrennungszone verbrannt werden kann. Da die Zerstäubungsvorrichtung in einer zurückversetzten Weise effektiv betrieben werden kann, ist keine Wasserkühlung erforderlich, wodurch mögliche mit Korrosion in Zusammenhang stehende Probleme vermieden werden. Zusätzlich verhindern die Zerstäubungsmethoden und -vorrichtungen im wesentlichen ein Eindringen von flüssigem Brennstoff in einen Zerstäubungsfluiddurchlass der Zerstäubungsvorrichtung. Da der flüssige Brennstoff nicht in den Zerstäubungsfluid-Brennstoffdurchlass eintritt, kann ein sauerstoffhaltiges Gas als ein Zerstäubungsfluid mit einem minimalen Risiko an unsicherer Verbrennung verwendet werden.
Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf eine in den Zeichnungen dargestellte bevorzugte Zerstäubungsvorrichtung beschrieben werden. Allerdings schließt die Beschreibung der bevorzugten Zerstäubungsvorrichtung in keiner Weise andere Variationen der bevorzugten Zerstäubungsvorrichtung aus, was sich für den Fachmann unmittelbar versteht.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 ist eine Querschnittsansicht einer Zerstäubungsvorrichtung (1) mit einer Düse (3) und einer Ummantelung (5) dargestellt, die auf konzentrische Weise angeordnet sind. Die Vorrichtung (1) kann leicht aufgebaut werden, indem die Düse (3) koaxial innerhalb der Ummantelung (5) angeordnet wird. Eine zusätzliche Ummantelung (6), z. B. eine zusätzliche Fluidleitung, kann bereitgestellt werden, um die Ummantelung (5) konzentrisch zu umgeben, wenn ein zusätzlicher ringförmiger Durchlass (8) zum Ausstoßen von Oxidationsmittel für eine effektive Verbrennung oder zum Ausstoßen von zusätzlichem Zerstäubungsfluid für die effektive Zerstäubung erforderlich ist. Die Düse (3) und die Ummantelungen können unter Verwendung jeder bekannten Verbindungsanordnung kombiniert werden, die, ohne darauf begrenzt zu sein, ein maschinelles Gewinde und eine mechanische Dichtungsanordnung vom Kompressionstyp wie z. B. Schweißen, Löten, Zementieren oder Kleben beinhaltet. Die Vorrichtung (1) kann in jeden Brenner einschließlich eines nicht mit Wasser gekühlten dualen Brennstoffbrenners eingegliedert werden, der von der inneren Öffnung (14) eines feuerfesten Anschlusses (10) der Ofenwand (12) zurückversetzt werden kann. Ein gasgekühlter dualer Brennstoffbrenner kann beispielsweise die Vorrichtung (1) zum Abgeben von zerstäubtem flüssigem Brennstoff und anschließend seine äußeren ringförmigen Durchlässe oder andere Durchlässe verwenden, um einen unterschiedlichen Brennstoff wie z. B. ein Fluid, das Kohlepartikel enthält, und Oxidationsmittelströme abgeben. Die Vorrichtung (1) kann aus jedem Material angefertigt werden, das kompatibel zur letztendlichen Verwendung der Vorrichtung ist. Solche Werkstoffe sind unter anderem rostfreier Stahl, Metalle, keramische Werkstoffe und Kunststoffe.
Die Düse (3) weist Innen- und Außenflächen auf, wobei die Innenfläche einen Flüssigbrennstoffdurchlass (7) festlegt, der in einem Flüssigbrennstoffanschluss (9) endet. Der Flüssigbrennstoffdurchlass (7) kann mindestens zwei Längen aufweisen. Die erste Länge (7a) hat eine relativ große Querschnittsfläche oder einen relativ großen Durchmesser, wahrend die zweite Länge (7b), die mit der ersten Länge (7a) in Verbindung steht, eine Querschnittsfläche aufweist, die in der Richtung des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) abnimmt (eine radial abnehmende Verjüngung) und zwar vorzugsweise in der Form eines Konus. Der Flüssigbrennstoffanschluss (9) verfugt über einen Einlass (11) zum Aufnehmen von flüssigem Brennstoff von dem Flüssigbrennstoffdurchlass (7) und einen Auslass (13) zum Abgeben von flüssigem Brennstoff. Der Einlass (11) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) befindet sich normalerweise an dem Ende der zweiten Länge (7b) und hat eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser, der kleiner oder gleich der Querschnittsfläche oder dem Durchmesser an dem Ende der zweiten Länge (7b) ist. Der Flüssigbrennstoffanschluss (9) kann mindestens drei Abschnitte aufweisen, wobei der erste Abschnitt (9a) mit einer Querschnittsfläche oder einem Durchmesser gleich oder kleiner zu der Querschnittsfläche oder dem Durchmesser an dem Ende der zweiten Länge (7b) des Flüssigbrennstoffdurchlasses (7) versehen ist, der zweite Abschnitt (9b) weist eine(n) leicht abnehmende(n) Querschnittsfläche oder Durchmesser in der Richtung des Auslasses (13) auf und der dritte Abschnitt (9c) verfugt über eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser, die/der kleiner als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des ersten Abschnitts (9a) ist. Im allgemeinen verfugt der Flüssigbrennstoffdurchlass (7) über eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser, die/der größer als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) ist.
Die Ummantelung (5) mit Innen- und Außenflächen umgibt konzentrisch mindestens einen Teil der Länge der Düse (3) und legt einen ringförmigen Durchlass (15) und einen ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss (17) zwischen der Innenfläche der Ummantelung (5) und der Außenfläche der Düse (3) fest. Der ringförmige Durchlass (15) endet bei dem ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss (17) mit Einlass- und Auslassöffnungen (19 und 21) zum Aufnehmen und Abgeben von flüssigem Brennstoffzerstäubungsfluid von dem ringförmigen Durchlass (15). Der ringförmige Durchlass (15) weist normalerweise eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser auf, die/der größer als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) ist. Mindestens ein Teil der Innenfläche der Ummantelung (5) und mindestens ein Teil der Außenfläche der Düse (3), die den ringförmigen dispergierenden Fluidanschluss (17) festlegen, liegen in der Form eines Konus mit einem Durchmesser vor, der zu der Auslassöffnung bei einem Winkel (A) im Bereich von etwa 5º bis etwa 30º und vorzugsweise etwa 12º bis etwa 18º abnimmt, von einer Längsachse (C) der Düse (3) aus gemessen.
Zum Betrieb der Vorrichtung (1) wird flüssiger Brennstoff wie z. B. Öl und Kohle-Wasser-Gemische in den Flüssigbrennstoffdurchlass (7) eingespeist. Der verwendete flüssige Brennstoff weist im allgemeinen eine Viskosität im Bereich von etwa 1 bis 700 Saybolt Second Universal (SSU) auf. Der zugeführte flüssige Brennstoff wird bei seinem Durchlauf durch die zweite Länge (7b) des Brennstoffdurchlasses (7) graduell unter Druck gesetzt. Der aufgedrückte flüssige Brennstoff kann in dem Flüssigbrennstoff anschluss (9) weiter unter Druck gesetzt werden, bevor er abgegeben wird, um damit die Geschwindigkeit des flüssigen Brennstoffs zu erhöhen. Zur Unterstützung der Ausbildung eines flüssigen Brennstoffstroms mit dem erwünschten engen Sprühwinkel sollte der Auslass (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) an der gleichen Stelle, d. h. an der gleichen Ebene enden, an der die Auslassöffnung (21) des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) endet. Es ist jedoch möglich, dass der Auslass (13) des Flüssigbrenn- Stoffanschlusses (9) stromabwärts von oder vor der Auslassöffnung (21) des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) mit einer Entfernung von bis zu etwa einer Länge angeordnet werden kann, die gleich dem Durchmesser des Auslasses (13) ist. Um die Ausbildung eines flüssigen Brennstoffstroms mit dem erwünschten engen Sprühwinkel weiter zu unterstützen, sollte ebenfalls die geeignete Querschnittsfläche oder der Durchmesser des Auslasses (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) bereitgestellt werden. Die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des Auslasses (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) hängt von der Querschnittsfläche oder dem Durchmesser der Auslassöffnung des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses ab. Das Verhältnis des Durchmessers des Auslasses (13) zum Abgeben von flüssigem Brennstoff zu dem Durchmesser der Auslassöffnung (21) zum Abgeben von Zerstäubungsfluid liegt im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 0,55 und vorzugsweise von etwa 0,35 bis etwa 0,45. Das äquivalente Verhältnis hinsichtlich der Querschnittsfläche kann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:
AWF (Querschnittsfläche) = Πr², wobei r der Radius bzw. die Hälfte des Durchmessers ist.
Der Durchmesser des Auslasses (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) ist größer als 0,5 mm (0,02 inch). Der Durchmesser des Auslasses (13) liegt im Bereich von etwa 0,5 mm bis 25,4 mm (etwa 0,02 bis 1 inch) und vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 mm bis 12,7 mm (etwa 0,02 bis 0,5 inch). Die äquivalente Querschnittsfläche wird unter Verwendung der obigen Formel berechnet.
Zerstäubungsfluid wird zu dem ringförmigen Durchlass (15) geleitet und fließt wiederum in den ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss (17). Die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) ist kleiner als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des ringförmigen Durchlasses (15), wodurch die Geschwindigkeit des Zerstäubungsfluids bei seinem Durchlauf durch den ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss (17) beschleunigt wird. Der Druck, mit dem das Zerstäubungsfluid zugeführt wird, ist derart beschaffen, dass das Zerstäubungsfluid bei einer Geschwindigkeit von etwa 0.5 Mach bis etwa 1, 2 Mach und vorzugsweise bei etwa 0,8 bis etwa 1, 1 Mach zu dem flüssigen Brennstoffstrom hin von dem Auslass (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) abgegeben wird. Indem dieses Zerstäubungsfluid die Konvergierung des flüssigen Brennstoffstroms bei einem konvergierenden Winkel (A) im Bereich von etwa 5º bis etwa 30º und vorzugsweise etwa 12º bis etwa 18º bewirkt, wird die Ausbildung eines flüssigen Brennstoffsprays mit dem erwünschten engen Sprühwinkel selbst dann unterstützt, wenn der flüssige Brennstoff bei einer geringen Geschwindigkeit abgegeben wird, d. h. bei 1,5 bis 15,2 m/s (5 bis 50 Fuß/s). Die Rate des abgegebenen Zerstäubungsfluids fällt so aus, dass das Massenverhältnis des Zerstäubungsfluids zu dem flüssigen Brennstoff im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,7 und vorzugsweise von etwa 0,4 bis etwa 0,7 gehalten werden sollte. Dieses Verhältnis ist ebenfalls für die Ausbildung des flüssigen Brennstoffstroms mit dem erwünschten engen Sprühwinkel nützlich. Die gewünschte Menge des Zerstäubungsfluids wird bei einem erwünschten Winkel von der Auslassöffnung (21) des ringförmigen Zerstäubungsanschlusses (17) abgegeben, der sich auf der gleichen Ebene wie der Auslass (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) befindet oder stromauf des Auslasses (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) in einer Entfernung angeordnet ist, die kleiner oder gleich dem Durchmesser des Auslasses (13) ist. Der erwünschte flüssige Brennstoffstrom liegt in der Form eines sich ausbreitenden Sprays mit einem äußeren Randwinkel von weniger als 15º und vorzugsweise weniger als etwa 10º, jedoch größer als 2º vor, von der Achse des flüssigen Brennstoffstroms aus gemessen.
Jedes effektive Zerstäubungsfluid kann in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden. Einige der bekannten Zerstäubungsfluide beinhalten Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Dampf, Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft und reinen Sauerstoff. Die Zerstäubungsvorrichtung (1) der Erfindung ermöglicht die Verwendung von mit Sauerstoff angereicherter Luft und reinem Sauerstoff als ein Zerstäubungsfluid, ohne das mit der unsicheren Verbrennung verbundene Risiko wesentlich zu erhöhen. Ist das verwendete Zerstäubungsfluid Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff, wird mindestens ein Teil des flüssigen Brennstoffs außerhalb der Vorrichtung (1) verbrannt. Die Verbrennung bewirkt die Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen, die das Stoßen und Verdünnen von flüssigem Brennstoff verbessern, was wiederum ein größeres Ausmaß an Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs innerhalb eines Ofens bewirkt.
Ist der flüssige Brennstoff effektiv und effizient zerstäubt, kann er mit dem Oxidationsmittel zur Reaktion gebracht oder verbrannt werden. Das Oxidationsmittel kann von einer zu dem ringförmigen Durchlass (15) ringförmig angeordneten Öffnung (8) oder von einer Öffnung zugeführt werden, die mit Abstand von der Stelle angeordnet ist, an welcher der flüssige Brennstoff zerstäubt wird. Das bevorzugte Oxidationsmittel ist reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 25 Vol.%.
Zur weiteren Illustrierung der Erfindung und zur Darstellung der durch sie erreichbaren verbesserten Ergebnisse werden die folgenden Beispiele bereitgestellt. Sie dienen zu Illustrations- und Demonstrationszwecken und beabsichtigen keine Erfindungseingrenzung.
Sämtliche Tests wurden in einem zylindrischen Laborofen mit einem Innendurchmesser von etwa 0,9 m (etwa 3 Fuß) und einer Innenlänge von etwa 2,4 m (8 Fuß) durchgeführt. Der Ofen weist mindestens eine Wand auf, die mindestens einen Anschluss festlegt. Der Anschluss hat eine innere Öffnung, die der inneren Kammer des Ofens derart gegenüber liegt, dass ein darin installierter Brenner eine Flamme in die innere Kammer des Ofens werfen kann. Der Brenner wird aufgebaut, indem eine Zerstäubungsvorrichtung, d. h. ein Zerstäuber gemäß dem Stand der Technik oder der Zerstäuber der vorliegenden Erfindung, innerhalb einer Fluidleitung mit einer Spitze aus rostfreiem Stahl und/oder aus Keramik koaxial angeordnet wird. Der Brenner stellt einen inneren Brennstoffdurchlass, einen Zerstäubungsfluiddurchlass und einen ringförmigen Oxidationsmitteldurchlass bereit. Dieser Brenner wurde innerhalb des Anschlusses angebracht. Sollte der Brenner ohne Wasserkühlung verwendet werden, wurde die Brennerspitze um mindestens das Doppelte des Durchmessers eines Auslasses des Brennstoffdurchlasses von der inneren Öffnung des feuerfesten Anschlusses zurückversetzt. Für die Zwecke dieses Experiments wurde die Spitze des Brenners um etwa 3,2 mm (1/8 inch) von der inneren Öffnung des Anschlusses zurückversetzt. Der Brenner war ausgelegt, die innere Kammer des Ofens mit einer Befeuerungsrate von 293 kW (1 mm BTU/h) zu befeuern. Stickstoff wurde in den Ofen von drei unterschiedlichen Ofenstellen injiziert, um die in Industrieöfen bekanntermaßen vorliegende Luftinfiltrierung zu simulieren. Die mittlere Temperatur der feuerfesten Ofenwand wurde während der NOX (Stickoxid)-Messung auf 1538ºC (2800º F) gehalten. Die NOx-Ergebnisse sind in Begriffen an NO (Stickoxid) ausgedrückt, gemessen durch eine Chemilumineszenzanalysator-Katalysezelle und als Pound pro NO&sub2; pro mm BTU des verfeuerten Brennstoffs ausgedrückt. Der abgekürzte Begriff "mm" bedeutet Million.
Zu Beginn wurde ein Test durchgeführt, nachdem ein Brenner mit dem Zerstäuber aufgebaut wurde, wie in US-A-4 738 614 offenbart und oben erwähnt. In diesen Brenner wurde Ölbrennstoff mit einem Stickstoffgehalt von 0,22 Gew.-%, einer Dichte von 0,0898 bei 60ºC (140º F) und einem Bruttoheizwert von 43038 kJ/kg (18503 BTU/1b) eingeleitet. Die Temperatur am Einlass des Brenners wurde auf 82ºC (180ºF) gehalten, um die Ölviskosität bei etwa 16 Centistokes (CST) oder 80 SSU zu halten. Das eingespeiste Öl wurde für die Verbrennung mit Dampf zerstäubt. Während der Zerstäubung des Öls lag eine starke gegenseitige Beeinflussung des Dampfdrucks und der Öldurchflussrate vor. Die Interferenz ließ sowohl die Steuerung der Durchflussrate des Dampfs wie die des Öls schwierig werden. Der Öldruck am Einlass des Brenners musste bis auf etwa 584 kPa (etwa 70 psig) erhöht werden, um die Interferenz zu minimieren. In der Zwischenzeit erzeugte der in den Brenner eingegliederte Zerstäuber ein zerstäubtes Öl mit einem weiten Sprühwinkel und verursachte eine Rußablagerung an der Brennerspitze.
Dieser Test wurde unter identischen Bedingungen wiederholt, nachdem der Brenner mit dem Zerstäuber der vorliegenden Erfindung aufgebaut worden war, wie oben erwähnt. Der Zerstäuber der vorliegenden Erfindung bewirkte ein zerstäubtes Öl mit einem konstant engen Sprühwinkel bei sämtlichen Durchflussraten. Dies ermöglichte einen Brennerbetrieb ohne Wasserkühlung und ohne eine große Rußablagerung an der Brenner spitze. Ebenfalls lag keine Interferenz des Dampfdrucks und der Öldurchflussrate vor, wodurch der Brenner mit einem niedrigeren Ölrückdruck betrieben werden konnte. Weiterhin strömte das Brennstofföl nicht in den Zerstäubungsfluidanschluss, wodurch der Brenner unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Gases als ein Zerstäubungsfluid betrieben werden konnte.
Als der Test nach variierenden Zerstäubungs-Dampf/Öl-Verhältnissen und variierenden Winkeln, mit welchen ein ringförmiges Zerstäubungsfluid das Brennstofföl konvergiert, wiederholt wurde, wurde festgestellt, dass ein höheres Zerstäubungsstrom/Öl-Verhältnis den Stickoxidemissionspegel verminderte und ein konvergierender Winkel von 15º oder annähernd 15º einen Brennstoffölstrom mit dem engsten Sprühwinkel, gemessen von der Achse des Brennstoffölstroms aus, erzeugte.

Claims

1. Vorrichtung (1) zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff, versehen mit:

(a) einer Düse (3) mit Innen- und Außenflächen, wobei die Innenfläche einen Durchlass (7) für flüssigen Brennstoff und einen Anschluss (9) für flüssigen Brennstoff bestimmt, wobei der Anschluss für flüssigen Brennstoff einen Einlass (11) zur Aufnahme von flüssigem Brennstoff von dem Durchlass für flüssigen Brennstoff aufweist, sowie einen Auslass (13) zur Abgabe von flüssigem Brennstoff; und

(b) einer Ummantelung (5) mit Innen- und Außenflächen, welche mindestens einen Teil der Düse (3) konzentrisch umgeben und die einen ringförmigen Durchlass (15) sowie einen ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss (17) zwischen der Innenfläche der Ummantelung und der Außenfläche der Düse bestimmen, wobei der ringförmige Durchlass in dem ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss in den Einlass- und Auslassöffnungen (19 bzw. 21) endet, wobei sowohl mindestens ein Teil der Innenfläche der Ummantelung (5) sowie mindestens ein Teil der Außenfläche der Düse (3), die den ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss bestimmt, in Form eines Konus mit einem in Richtung auf die Auslassöffnung (21) abnehmenden Durchmesser ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass zwecks einer effektiven Verbrennung mit verminderter Erzeugung von Stickoxiden,

(c) der Durchmesser des Konus bei einem Winkel (A) im Bereich von etwa 5 bis etwa 30º, gemessen von der Längsachse (C) der Düse abnimmt, und

(d) das Verhältnis des Auslassdurchmessers des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) zu dem Auslassdurchmesser des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 0,55 liegt, wobei der Auslassdurchmesser des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 25,4 mm (etwa 0,02 inch bis etwa 1 inch) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis des Auslassdurchmessers des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) zu dem Auslassdurchmesser des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) im Bereich von etwa 0,35 bis etwa 0,45 liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher sowohl mindestens ein Teil der Innenfläche der Ummantelung (5) als auch mindestens ein Teil der Außenfläche der Düse (3), die den ringförmigen Zerstäubungsfluidanschluss (17) bestimmt, die Form eines Konus haben, dessen Durchmesser in Richtung auf die Auslassöffnung (21) unter einem Winkel (A) im Bereich von etwa 12 bis etwa 18º, gemessen von der Längsachse (C) der Düse, abnimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Auslass (13) des Flüssigbrennstoffanschlusses (9) stromabwärts von der Auslassöffnung (21) des ringförmigen Zerstäubungsfluidanschlusses (17) in einer Entfernung von bis zu etwa dem Durchmesser des Auslasses des Flüssigbrennstoffanschlusses angeordnet ist, oder in der gleichen Ebene wie die Auslassöffnung des ringförmigen Zerstäu bungsfluidanschlusses angeordnet ist.

5. Verfahren zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff unter Verwendung einer Düse (3), um einen flüssigen Brennstoffstrom in Form eines Sprühnebels mit einem äußeren Randwinkel von weniger als 15º, gemessen von der Achse des flüssigen Brennstoffstroms, bereitzustellen und somit eine effektive Verbrennung bei verminderter Stickoxiderzeugung zu fördern, wobei im Zuge des Verfahrens:

(a) ein flüssiger Brennstoffstrom von mindestens einer ersten Öffnung (13) abgegeben wird;

(b) Zerstäubungsfluid bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 Mach bis etwa 1,2 Mach in Richtung auf den flüssigen Brennstoffstrom bei einem konvergierenden Winkel (A)im Bereich von etwa 5 bis etwa 30º, gemessen von der Längsachse (C) der Düse (3), von mindestens einer zweiten Öffnung (17) abgegeben wird, die ringförmig zu der mindestens einen ersten Öffnung (13) ist; und

(c) Zerstäubungsfluid bei einer Rate abgegeben wird, so dass das Massenverhältnis des Zerstäubungsfluids zu dem flüssigen Brennstoff im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,7 gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der flüssige Brennstoff bei weniger als 15,2 m/s (50 Fuß/s) abgegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Zerstäubungsfluid bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,8 bis etwa 1,1 Mach in Richtung auf den flüssigen Brennstoffstrom bei einem konvergierenden Winkel (A) im Bereich von etwa 12 bis etwa 18º, gemessen von der Längsachse (C) der Düse (3), abgegeben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Zerstäubungsfluid ausgewählt ist aus der aus Dampf, Stickstoff, Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft und reinem Sauerstoff bestehenden Gruppe.

9. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die mindestens eine erste Öffnung (13) einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 25,4 mm (etwa 0,02 inch bis etwa 1 inch) hat.