EP0182175B1

EP0182175B1 - Zerstäuber mit aufgesetzter Verteilerkappe zur Reduzierung der Stickoxid-Emission bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen

Info

Publication number: EP0182175B1
Application number: EP85113970A
Authority: EP
Inventors: Klaus-Dieter Dipl.-Ing. Rennert; Helmut Ing. Grad. Martin
Original assignee: L&C Steinmueller GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1984-11-17
Filing date: 1985-11-02
Publication date: 1990-05-30
Anticipated expiration: 2005-11-02
Also published as: EP0182175A3; DE3442148C2; ATE53250T1; DE3578005D1; DE3442148A1; EP0182175A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Zerstäuber mit zwei Mischkammern und einer aufgesetzten, mit gerichteten Bohrungen versehenen Verteilerkappe, bei dem in der ersten Mischkammer für Zerstäubungsmedium und Brennstoff wenigstens ein Brennstoffstrahl unter einem Winkel, vorzugsweise einem Rechten Winkel, auf wenigstens einen Strahl des Zerstäubungsmediums gelenkt wird und die zweite Mischkammer ausströmseitig durch die vorzugsweise als Drehkörper ausgebildete Verteilerkappe begrenzt ist.
Es ist bereits bekannt, auf herkömmliche Zerstäuber für flüssige Brennstoffe vom Typ des Y-Zerstäubers eine Verteilerkappe aufzusetzen, wodurch die üblichen kurzen, intensiven Flammen des Y-Zerstäubers in mehrere lange Flammen zerlegt werden. Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die NO-Bildung bei langen Flammen gegenüber kurzen Flammen verringert werden kann. (VGB-Kraftwerkstechnik 56, Heft 10, 1976, S. 622-629).
Es gehören Y-Zerstäuber zum betriebsinternen Stand der Anmelderin, bei denen sich große und kleine Austrittsbohrungen in regelmäßigen Abständen abwechseln bzw. bei denen eine Düsenhälfte kleine Austrittsbohrungen aufweist. ' Durch die Anordnung der Austrittsbohrungen werden brennstoffreiche und brennstoffarme Verbrennungszonen gebildet. In der Zone mit Brennstoffüberangebot werden die entstandenen Stikkoxide zu molekularem Stickstoff reduziert.
Alle vorstehend beschriebenen Zerstäuber werden sowohl auf der Brennstoff- (Heizöl) als auf der Zerstäubermediumseite mit hohen Drücken betrieben, die je nach Durchsatz und Arbeitsbereich zwischen 8 und 20 bar bei Vollast liegen. Augrund dieser hohen Drücke ergeben sich auch noch im Düsenaustrittsquerschnitt relativ hohe Überdrücke, so daß die Entspannung auf Feuerraumdruck explosionsartig direkt hinter dem Mündungsaustritt erfolgt. Hierdurch wird eine der Forderungen für NO_x-arme Verbrennung, nämlich ein langer Brennstoffeinzelstrahl mindestens teilweise zunichte gemacht.
Durch eine zweistufige Ausführung der Düsenkombination wird eine klare Trennung zwischen der Zerstäubungsfunktion -erste Stufe- und Verteilungsfunktion -zweite Stufe erreicht. Diese Anordnung ermöglicht, beide Aufgaben (ZerstäubenNerteilen) in optimaler Weise zu lösen. Bei der zum betriebsinternen Stand der Technik der Anmelderin gehörenden Ausführungsform des Y-Zerstäubers mit unterschiedlich großen Austrittsbohrungen wird dahingegen jedoch, durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse im Mischkanal, der Zerstäubungsgüte negativ beeinflußt. Hierdurch wird das erzeugte Tropfengrößenspektrum zu grösseren Tropfen verschoben, die in der Flamme nicht mehr vollständig ausbrennen und die Rußemission erhöhen.
Aus der EP-A-0 117 472 ist ein Zerstäuber der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art bekannt. Bei diesem Zerstäuber übertritt die in der ersten Mischkammer erzeugte Mischung über den gesamten Querschnitt der ersten Mischkammer in die zweite Mischkammer ein. Die Öffnungen in der Verteilerkappe weisen eine symmetrische Verteilung auf.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines gattungsgemäßen Zerstäubers für flüssigen Brennstoff, mit dem die NO_XEmission vermindert werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erste Mischkammer ausströmseitig durch eine mit vorzugsweise gleichen Bohrungen versehene Düse begrenzt ist und daß die Bohrungen der Verteilerkappe derart sind, daß sich ausströmseitig der Verteilerkappe eine, bezogen auf die Achse der Verteilerkappe, asymmetrische Verteilung des Austrittsquerschnittes für die in der zweiten Mischkammer erzeugte Mischung aus Brennstoff und Zerstäubungsmedium ergibt.
Der erfindungsgemäße Zerstäuber erfüllt alle bisher bekannten Voraussetzungen für die NO_k- arme Verbrennung in idealer Weise. Im Gegensatz zum Y-Zerstäuber mit Verteilerkappe besitzt der Zerstäuber drei hintereinander geschaltete Entspannungsstufen. Die erste Entspannung findet beim Eintritt in die erste Mischkammer statt, die zweite in definierter Weise bei Durchtritt der Vormischung durch die zwischen der ersten Mischkammer und der zweiten Mischkammer angeordneten Düse. Und die dritte Entspannungsstufe findet am Mündungsquerschnitt der Verteilerkappe statt. Dort herrscht niedriger Druck, die Einzelstrahlen bleiben länger gerichtet. Durch die asymmetrische Verteilung des Austrittsquerschnittes auf der Verteilerkappe wird entsprechend der Lage des Maximums des Austrittsquerschnitts eine brennstoffreiche Verbrennungszone mit reduzierender Atmosphäre gebildet.
Vorzugsweise wird die asymmetrische Verteilung des Austrittsquerschnittes dadurch erreicht, daß verschiedene Sektoren der Verteilerkappe in Umfangsrichtung gesehen mit Bohrungen verschiedener Größe und/oder Anzahl versehen sind.
Besonders gute Ergebnisse wurden erreicht, wenn zwei Sektoren vorgesehen sind, die je einer Hälfte der Verteilerkappe entsprechen und mit Bohrungen unterschiedlicher Größe versehen sind.
Dabei wird wiederum bevorzugt, wenn jede Hälfte jeweils mit der gleichen Anzahl an Bohrungen versehen ist.
Bei Anordnung des erfindungsgemäßen Zerstäubers in einer vertikalen Feuerraumwand ist es zweckmäßig, daß ein Maximum der Austrittsquerschnittsverteilung unten und ein Minimum oben liegt. Bei einer solchen Anordnung wird ein sehr langer Flammenweg in der brennstoffreicheren Zone im Vergleich zu einem symmetrischen Zerstäuber erreicht, und es erfolgt auch eine bessere Verteilung der Wärmebelastung.
Der erfindungsgemäße Zerstäuber wird anhand der beiliegenden Fig. 1-3 erläutert.
Die Fig. 1 zeigt den Zerstäuber im Längsschnitt: Der Strom des Zerstäubermediums, zugeführt durch das Zentralrohr (1), wird in Teilströme aufgelöst und durch mehrere, um den Umfang ihres Boden gleichmäßig verteilte, bevor zugt zylindrische Bohrungen (2) in eine erste Mischkammer (3) geführt. Der Brennstoff (Heizöl) wird koaxial zum Zerstäubermedium durch das Mantelrohr (4) zugeführt. Der Brennstoffstrom wird ebenfalls in Teilströme aufgelöst, die über Eintrittsöffnungen (5) mit der Mischkammer (3) verbunden sind. Die Eintrittsöffnungen für die Brennstoffteilströme münden im Rechten Winkel in die erste Mischkammer ein. Die erste Mischkammer wird aus einem Bodenteil und einer Düse (6) gebildet. Die Düsenbohrungen (7) sind gleichförmig und bevorzugt regelmäßig in den Umfang der Düse angeordnet. Das Gemisch aus Zerstäubermedium und Brennstoff tritt durch die Düsenöffnungen der Düse (6) in eine zweite Mischkammer (8), die durch die Düse (6) und die aufgesetzte Verteilerkappe (9) gebildet wird. Im Kopf der Verteilerkappe sind halbseitig Bohrungen unterschiedlicher Größe (10, 11) angeordnet, in einer Hälfte kleinere (10), in der anderen Hälfte größere Bohrungen (11).
Das Heizöl und das Zerstäubermedium, das in den Zuführrohren (1, 4) z.B. 10 bar hat, entspannt sich über die Öffnungen (2, 5) auf 5 bar in die erste Mischkammer (3), weiter entspannt sich das Heizöl/Zerstäubermediumsgemisch über die Düsenöffnungen (7) der Düse (6) auf Drücke in der zweiten Mischkammer von beispielsweise 2,5 bar und durch die Öffnungen (10, 11) in der Verteilerkappe auf Drücke von beispielsweise 1,25 bar, also einem Überdruck von etwa 0,25 bar. Verteilerkappe und Düse sind mittels einer Hutmutter (12) am Mantelrohr befestigt.
Der anhand der Fig. 1-3 beschriebene Zerstäuber zeigt eine asymmetrische Verteilung auf zwei Hälften, d.h. auf 180°-Sektoren bezogen auf die Achse der Verteilerkappe. Andere Sektorwinkel fallen selbstverständlich unter die Erfindung. Es ist auch nicht erforderlich, daß sich in den Sektoren jeweils gleiche Anzahlen an Bohrungen befinden. So ist es durchaus denkbar, daß in dem einen Sektor drei und in dem anderen Sektor vier Bohrungen vorhanden sind.
Es kommt in erster Linie darauf an, daß die Bohrungen in der Verteilerkappe so ausgebildet und/oder verteilt sind, daß sich infolge der Asymmetrie der Austrittsquerschnittsverteilung eine deutliche brennstoffreiche Verbrennungszone ausbildet.
Bei Einsatz des Zerstäubers in einer Feuerungsanlage wird der Zerstäuber in einer vertikalen Feuerraumwand horizontal angeordnet. Dabei wird bevorzugt, daß ein Maximum der Austrittsquerschnittsverteilung unten und ein Minimum der Austrittsquerschnittsverteilung oben liegt. Dies bedeutet in Zusammenhang mit der anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsform, daß in der Fig. 2 sich "unten" links befindet, während sich "ober" rechts befindet, wenn die Zeichenebene als Feuerraumwand betrachtet wird.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht aus Richtung A auf die Figur 1. Man erkennt die regelmäßig um den Umfang angeordneten kreisförmigen Bohrungen, die halbseitig einen geringeren Durchmesser aufweisen als in der anderen Hälfte.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Düsenkombination entlang der Linie B-B'.

Die Zufuhr von Brennstoff und Zerstäubungsmedium kann auch vertauscht werden, ohne daß die Wirkungsweise der Mischräume 3 und 8 der Verteilerkappe 9 gefährdet werden.

Claims

1. Zerstäuber mit zwei Mischkammern und einer aufgesetzten, mit gerichteten Bohrungen versehenen Verteilerkappe, bei dem in der ersten Mischkammer für Zerstäubungsmedium und Brennstoff wenigstens ein Brennstoffstrahl unter einem Winkel, vorzugsweise einem Rechten Winkel, auf wenigstens einen Strahl des Zerstäubungsmediums gelenkt wird und die zweite Mischkammer ausströmseitig durch die vorzugsweise als Drehkörper ausgebildete Verteilerkappe begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Mischkammer (3) ausströmseitig durch eine mit vorzugsweise gleichen Bohrungen (7) versehene Düse begrenzt ist und daß die Bohrungen (14) der Verteilerkappe (9) derart sind, daß sich ausströmseitig der Verteilerkappe eine bezogen auf die Achse der Verteilerkappe asymmetrische Verteilung des Austrittsquerschnittes für die in der zweiten Mischkammer (8) erzeugte Mischung aus Brennstoff (5) und Zerstäubungsmedium (2) ergibt.

2. Zerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Sektoren der Verteilerkappe (9) in Umfangsrichtung gesehen mit Bohrungen (10, 11) verschiedener Größe und/ oder Anzahl versehen sind.

3. Zerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sektoren vorgesehen sind, die je einer Hälfte der Verteilerkappe (9) entsprechen und mit Bohrungen (10, 11) unterschiedlicher Größe versehen sind.

4. Zerstäuber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hälfte jeweils mit der gleichen Anzahl an Bohrungen (10, 11) versehen ist.

5. Feuerungsanlage mit mindestens einem in einer senkrecht laufenden Feuerraumwand angeordneten Zerstäuber der vorstehend genannten Art, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maximum der Austrittsquerschnittsverteilung (11) unten ein Minimum (10) oben liegt.