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

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

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EP0182175B1
EP0182175B1 EP85113970A EP85113970A EP0182175B1 EP 0182175 B1 EP0182175 B1 EP 0182175B1 EP 85113970 A EP85113970 A EP 85113970A EP 85113970 A EP85113970 A EP 85113970A EP 0182175 B1 EP0182175 B1 EP 0182175B1
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cap
distributor
bores
mixing chamber
fuel
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EP0182175A3 (en
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Klaus-Dieter Dipl.-Ing. Rennert
Helmut Ing. Grad. Martin
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Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
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L&C Steinmueller GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/101—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet
    • F23D11/102—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber

Definitions

  • the invention relates to an atomizer with two mixing chambers and an attached, provided with directional bores distributor cap, in which in the first mixing chamber for atomizing medium and fuel at least one fuel jet is directed at an angle, preferably a right angle, to at least one jet of the atomizing medium and second mixing chamber on the outflow side is delimited by the distributor cap, which is preferably designed as a rotating body.
  • Y-atomizers are part of the applicant's internal status, in which large and small outlet bores alternate at regular intervals or in which one nozzle half has small outlet bores. '' The arrangement of the outlet holes creates fuel-rich and low-fuel combustion zones. In the zone with excess fuel, the resulting stick oxides are reduced to molecular nitrogen.
  • All of the atomizers described above are operated both on the fuel (heating oil) and on the atomizer medium side at high pressures which, depending on the throughput and working range, are between 8 and 20 bar at full load. Because of these high pressures, there are also relatively high overpressures in the nozzle outlet cross section, so that the explosion to the combustion chamber pressure occurs explosively directly behind the outlet of the mouth. This at least partially nullifies one of the requirements for low- NOx combustion, namely a long single fuel jet.
  • a two-stage design of the nozzle combination provides a clear separation between the atomization function - first stage and distribution function - second stage. This arrangement enables both tasks (atomizing and dissolving) to be solved in an optimal manner.
  • the atomization quality is negatively influenced by the different pressure conditions in the mixing channel. As a result, the droplet size spectrum generated is shifted to larger droplets which no longer burn out completely in the flame and increase the soot emission.
  • the object of the invention is to provide a generic atomizer for liquid fuel with which the NO x emission can be reduced.
  • the first mixing chamber is delimited on the outflow side by a nozzle which is preferably provided with the same bores, and in that the bores of the distributor cap are such that there is an asymmetrical distribution of the outlet cross section for the outflow side of the distributor cap with respect to the axis of the distributor cap mixture of fuel and atomizing medium produced in the second mixing chamber.
  • the atomizer of the invention meets all known requirements for NO k - poor combustion in an ideal way.
  • the atomizer has three relaxation levels connected in series. The first expansion takes place when entering the first mixing chamber, the second in a defined manner when the premixing passes through the nozzle arranged between the first mixing chamber and the second mixing chamber. And the third relaxation stage takes place at the mouth cross section of the distributor cap. The pressure there is low, the individual jets remain directed longer. Due to the asymmetrical distribution of the outlet cross section on the distributor cap, a fuel-rich combustion zone with a reducing atmosphere is formed in accordance with the position of the maximum of the outlet cross section.
  • the asymmetrical distribution of the outlet cross section is preferably achieved in that different sectors of the distributor cap are provided with holes of different sizes and / or numbers, seen in the circumferential direction.
  • each half is provided with the same number of holes.
  • the atomizer according to the invention When the atomizer according to the invention is arranged in a vertical combustion chamber wall, it is expedient for a maximum of the outlet cross-sectional distribution to be at the bottom and a minimum at the top. With such an arrangement, a very long flame path is achieved in the more fuel-rich zone compared to a symmetrical atomizer, and there is also a better distribution of the heat load.
  • the stream of the atomizing medium, fed through the central tube (1), is broken down into partial streams and through several, evenly distributed around the circumference of its bottom, before being fed cylindrical bores (2) into a first mixing chamber (3).
  • the fuel (heating oil) is fed coaxially to the atomizing medium through the casing tube (4).
  • the fuel flow is also broken down into partial flows which are connected to the mixing chamber (3) via inlet openings (5).
  • the inlet openings for the partial fuel flows open at right angles into the first mixing chamber.
  • the first mixing chamber is formed from a base part and a nozzle (6).
  • the nozzle bores (7) are uniform and are preferably arranged regularly in the circumference of the nozzle.
  • the mixture of atomizing medium and fuel passes through the nozzle openings of the nozzle (6) into a second mixing chamber (8) which is formed by the nozzle (6) and the distributor cap (9) attached.
  • a second mixing chamber (8) which is formed by the nozzle (6) and the distributor cap (9) attached.
  • holes of different sizes (10, 11) are arranged on one side, smaller holes (10) in one half and larger holes (11) in the other half.
  • the distributor cap and nozzle are attached to the casing tube using a cap nut (12).
  • the atomizer described with reference to Figures 1-3 shows an asymmetrical distribution over two halves, i.e. on 180 ° sectors related to the axis of the distributor cap. Other sector angles are of course covered by the invention. It is also not necessary for the sectors to have the same number of holes. So it is quite conceivable that there are three holes in one sector and four in the other sector.
  • the supply of fuel and atomizing medium can also be interchanged without the operation of the mixing spaces 3 and 8 of the distributor cap 9 being endangered.

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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 NOx-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 NOX Emission 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 NOk- 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 (5)

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.
EP85113970A 1984-11-17 1985-11-02 Zerstäuber mit aufgesetzter Verteilerkappe zur Reduzierung der Stickoxid-Emission bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen Expired - Lifetime EP0182175B1 (de)

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EP0182175A2 EP0182175A2 (de) 1986-05-28
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