EP0189390A2 - Zerstäubungsdüse für flüssigen Brennstoff - Google Patents

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EP0189390A2
EP0189390A2 EP86890003A EP86890003A EP0189390A2 EP 0189390 A2 EP0189390 A2 EP 0189390A2 EP 86890003 A EP86890003 A EP 86890003A EP 86890003 A EP86890003 A EP 86890003A EP 0189390 A2 EP0189390 A2 EP 0189390A2
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EP
European Patent Office
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nozzle
combustion chamber
annular
shaft
insert body
Prior art date
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EP86890003A
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English (en)
French (fr)
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EP0189390A3 (en
EP0189390B1 (de
Inventor
Adalbert Marko
Friedrich Dipl.-Ing. Kamelreiter
Josef Landauf
Helmut Dipl.-Ing. Dr. Bormann
Jochen Dipl.-Ing. Bosse
Werner Dipl.-Ing. Kirschning
Dieter Dipl.-Ing. Lischitzki
Detlef Dipl.-Ing. Zwetz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
"dumag" Ohg Drtechn Ludwig Kaluza & Co
Kali Chemie AG
Original Assignee
"dumag" Ohg Drtechn Ludwig Kaluza & Co
Kali Chemie AG
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Filing date
Publication date
Application filed by "dumag" Ohg Drtechn Ludwig Kaluza & Co, Kali Chemie AG filed Critical "dumag" Ohg Drtechn Ludwig Kaluza & Co
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Publication of EP0189390A3 publication Critical patent/EP0189390A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • 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
    • F23D11/34—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations

Definitions

  • the invention relates to a device for the combustion of fluids.
  • flammable media especially those suspended in a liquid.
  • powdery or granular, solid fuels e.g. Coal suspended in water, with an atomizing nozzle and a nozzle especially for use in such a device.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device for the combustion of media which are particularly difficult to ignite or burn, such as e.g. coal suspended in water. to create, by which the disadvantages inherent in the known devices are avoided.
  • This object is achieved in that the nozzle is arranged in a pre-combustion chamber which merges into the combustion chamber, with a small part of the combustion air being introduced into the pre-combustion chamber in the region of the nozzle mouth and a large part of the combustion air in the region of the transition of the pre-combustion chamber is fed into the combustion chamber.
  • the pre-combustion chamber preferably has a length which is approximately equal to one and a half to four times the value of its diameter.
  • an annular channel is provided in the wall or outside the wall of the pre-combustion chamber, from which transverse channels extend, which open into the combustion chamber in the region of the transition of the pre-combustion chamber.
  • the fluid becomes fluid.
  • flammable medium sprayed through the atomizing nozzle into the pre-combustion chamber.
  • the combustible medium in the pre-combustion chamber is mixed with the air as well as with combustion gases flowing back from the combustion chamber and with partially burned fuel particles, whereby an easily combustible oxidation product is produced. which ensures an optimal combustion process after it has passed the pre-combustion chamber into the combustion chamber after supplying the air required for the combustion
  • the optimization of the combustion process is ensured by achieving the high temperatures required for complete combustion and by mixing the flammable media well with the air required for the combustion. Since the stoichiometric flame does not form at the atomizing nozzle but only at the transition of the pre-combustion chamber into the combustion chamber, high thermal loads caused by the burner nozzle due to oxidation are avoided. which significantly increases their service life (length of lions). Furthermore, such a pre-combustion and the subsequent main combustion result in the formation of temperature peaks. which pidengen the formation of nitrogen oxides. avoided, which also achieves combustion with a low formation of nitrogen oxides.
  • the preparation of the media in the pre-combustion chamber required for different fuels can be adjusted by regulating the combustion air supplied to this or the combustion chamber and also by selecting the size of the pre-combustion chamber.
  • the invention further relates to a nozzle for atomizing a fluid medium, in particular coal dust suspended in a liquid, such as water, by means of a gas or a gas mixture, such as air, with two ring nozzles arranged coaxially to one another on the end face of an approximately hollow cylindrical nozzle housing, wherein In the nozzle housing there is also an approximately hollow cylindrical insert body and in the interior an axially aligned central shaft, which is formed with a baffle plate at its free end located outside the nozzle housing, and through the inner surface of the nozzle housing there is an outer, ring-shaped, first, cross section Flow channel for a first fluid medium and outside of the shaft, a second flow channel for a second fluid medium lying inside the outer flow channel and likewise ring-shaped in cross section are formed.
  • a fluid medium in particular coal dust suspended in a liquid, such as water
  • a gas or a gas mixture such as air
  • DE-OS 1 964 0 4 0 shows several embodiments of nozzles for mixing and atomizing at least two fluid media, in particular for producing combustible mixtures of fluid media.
  • the embodiment according to FIG. 4 has the features mentioned above.
  • this known nozzle does not meet the requirements if the mixture to be atomized has only a low ignitability, as is the case, for example, for coal dust suspended in water.
  • various technologies for burning coal dust are known per se.
  • the particular difficulties with the combustion of coal dust lie in the fact that the dry storage of coal dust poses a high risk of explosion. To avoid this danger, it has been proposed. Suspend coal dust in water.
  • the combustion of coal dust suspended in water causes problems because, as mentioned, this mixture has only a very low ignitability.
  • the invention is therefore further based on the object of a nozzle for atomizing a fluid medium. in particular to create coal dust suspended in a liquid, such as water, by means of which the disadvantages inherent in the previously known nozzles are avoided.
  • a liquid such as water
  • the outer flow channel is provided in a manner known per se in a region of the free end of the insert body, with respect to the longitudinal axis of the nozzle housing - obliquely open to the outside, known ring groove, which acts as a vibration generator and to which the first Nozzle connects.
  • a second insert body is arranged between the insert body and the shaft, wherein between the inner surface of the first insert body and the outer surface of the second insert a first annular space is formed which is connected via channels oriented tangentially to the axis to the flow channel surrounding the shaft and designed as a second annular space
  • the second insert body is preferably held between a first annular shoulder surface provided on the inner surface of the first insert body and a second annular shoulder surface provided on the outer surface of the shaft.
  • the shaft at its end region facing away from the free end of the nozzle housing can be designed with a significantly enlarged cross-section, a central bore being arranged in this end region, from which at least one obliquely outwardly extending channel emerges, which in the inner flow channel surrounding the shaft flows.
  • the second insert body is formed with at least one group or a plurality of axially spaced groups of channels directed transversely to the axis, which emanate from the first annular space and open tangentially to the outer wall of the inner flow channel surrounding the shaft.
  • an axially adjustable sleeve with a cylindrical annular surface projecting beyond the surface of the nozzle orifices can also be arranged in a manner known per se.
  • the baffle plate located at the free end of the shaft can be releasably attached to it.
  • FIG. 1 shows a device according to the application for the combustion of liquid media, in particular solid fuels which are suspended in a liquid, such as water, in powder or granular form.
  • This device consists of a burner chamber 1, which encloses a combustion chamber 2.
  • the combustion nozzle 20 does not protrude into the combustion chamber 2, but rather an additional pre-combustion chamber 4 is provided which encloses a pre-combustion chamber 5, the combustion nozzle 20 projecting into the pre-combustion chamber 5.
  • a first part of the combustion air is supplied to the pre-combustion chamber 4 in the region of the mouth of the nozzle 20 by means of a first air duct 7.
  • the second part of the combustion air is supplied via a second air duct 8 and an annular duct 10 via transverse ducts 11 and via nozzles 12, which open into the combustion chamber 1 in the region of the transition from the pre-combustion chamber 4.
  • the much larger proportion of combustion air required for proper combustion is supplied via the second air duct 8.
  • Flaps 9 are provided in the main duct 6 spitting the two air ducts 7 and 8 and in the air ducts 7 and 8, by means of which control of the air supply is effected in accordance with the requirements.
  • the fluid, combustible medium such as coal suspended in a liquid, for example water
  • the fluid, combustible medium is introduced through the burner nozzle 20 into the pre-combustion chamber 4 in a finely atomized state.
  • Part of the combustion air required for the combustion is introduced through the first air duct 7 in the region of the mouth of the nozzle 20 into the pre-combustion chamber 5.
  • a sub-stoichiometric combustion of the combustible media introduced occurs due to the fact that insufficient combustion air is available, as a result of which they are heated. Furthermore, they are with air entering next to the nozzle 20.
  • the combustible media are prepared for an optimization of the combustion process in the combustion chamber 2.
  • this fuel conditioned in this way passes into the combustion chamber 2, the latter is passed through the second air duct 8, the ring duct 1 0, the transverse ducts 1 1 and through the nozzles 1 2 through it the quantities of combustion air required for complete and correct combustion are supplied.
  • a stable flame 15 is formed in the combustion chamber 2, through which the combustible media are completely burnt while the temperatures required for this are developed
  • the ratio of the proportions of air that is fed to the pre-combustion chamber 4 or the combustion chamber 1 is between the ranges of 5% to 95% to 30% to 70%, preferably 10% to 90% to 40% to 60%.
  • a nozzle according to the invention consists of an essentially hollow cylindrical nozzle housing 21, which is formed from two housing parts 21 and 21 b screwed together, the free end of the housing part 21 a assigned to the nozzle mouth having an inwardly directed flange 22 is trained.
  • An essentially likewise hollow-cylindrical insert body 30 is inserted into the nozzle housing 21.
  • Within the insert body 30 there is a shaft 40 which is formed with a baffle plate 4 1 at its free end.
  • a second insert body 36 is inserted, by means of which this annular space is divided into two coaxial annular spaces 37 and 38.
  • the second insert body 36 is held between a first shoulder provided on the inner wall of the first insert body 30 and a second shoulder provided on the widened base 40a of the shaft 40. Furthermore, the first insert body 30 is formed in the front region of the nozzle housing 21 with a groove 31 which is open at an angle to the nozzle axis and into which the annular flange 22 projects.
  • first flow channel 26 with an annular cross section, which is deflected inwards by the ring flange 22 and which opens into the groove 31 arranged in the first insert body 30.
  • a first ring nozzle 28 is formed between the flange 22 and the outer wall of the first insert body 30.
  • a first annular space 37 is formed which is connected via transverse channels 39 provided in the second insert body 36 to the second annular space 38 surrounding the shaft 40.
  • the second annular space 38 opens into a second annular nozzle 29.
  • the supply of the outer first flow channel 26 takes place through a first ring channel 27.
  • the supply of the first ring space 37 takes place through a second ring channel 45 lying concentrically within the first ring channel 27 and the supply of the second ring space 38 takes place through oblique bores 43 which have a cross section Push through widened base 40a of shaft 40 from a central channel 44.
  • a sleeve 24 is arranged, which is formed with a cylindrical edge 24a surrounding the plane of the nozzle orifices.
  • the position of the sleeve 24 relative to the housing part 21a can be adjusted by means of a spacer ring 25.
  • the baffle plate 41 arranged at the free end of the shaft 40 represents a separate component from the shaft 40, which on the shaft 40 e.g. is fastened by means of a screw sleeve 42.
  • the second insert body 36 is formed in a plane normal to the axis with transverse channels 39 which open into the second annular space 38 tangentially to the outer wall thereof.
  • the radially inner central channel 44 is charged with a first fluid medium, for example with a coal-water suspension, which flows through the bores 43 into the second annular space surrounding the shaft 40 38 arrives.
  • the second ring channel 45 is filled with a pressure medium, e.g. fed with a compressed gas, such as compressed air. This enters the first annular space 37 and passes through the transverse channels 39 into the second annular space 38, in which the fluid medium in the fluid is intensely swirled and mixed by the tangential outlet of the pressure medium.
  • this mixture Due to the pressure prevailing in the second annular space 38, this mixture is conveyed axially forward and passes through the inner second annular nozzle 29 to the inside of the baffle plate 41, where it is conveyed radially while maintaining the swirl movement.
  • a second pressure medium is conveyed through the radially outermost first annular channel 27 and the adjoining first flow channel 26, which enters the groove 3 1 at the front end of the flow channel 26, which, since the groove 31 acts as a Hartmann vibration generator, generates an oscillation field through which the mixture emerging from the radially inner second annular space 38 through the inner, second annular nozzle 29 is finely atomized and conveyed away from the nozzle in the form of a cone.
  • the design of the nozzle cone can be influenced by the position of the sleeve 2 4 or by the size of the cylindrical inner surface 24a.
  • the baffle plate 41 Since the baffle plate 41 is releasably secured to the shaft 4 0, it can on the one hand be made of a very hard and resistant material. In addition, it can be replaced in the event of wear.
  • the baffle plate 41 also intensively cools the baffle plate 41. Since this baffle plate 41 is carried by the centrally arranged shaft 40, the inner, second ring nozzle 29 is formed and the arrangement of webs for holding the baffle plate 41 can be dispensed with, as a result of which the Vortex movement or the swirl of the fluid medium emerging through the inner ring nozzle 29 is not broken.
  • FIG. 4 also shows a nozzle 50 which is particularly well suited for use in a device according to FIG. 1.
  • this nozzle 50 In the center of this nozzle 50 there is a tubular body 51 with a relatively large nozzle opening 52, which is suitable for the outflow of a difficultly flammable, for example paste-like medium, which is supplied by means of a pump. Radially outside is a channel 5 4 , which is formed on the one hand by the raw body 51 and on the other hand by a wall part 53 and has an annular cross section, which is used to supply a highly flammable flammable liquid, for example light oil.
  • a channel 5 4 Radially outside is a channel 5 4 , which is formed on the one hand by the raw body 51 and on the other hand by a wall part 53 and has an annular cross section, which is used to supply a highly flammable flammable liquid, for example light oil.
  • a further channel 57 which is annular in cross section, for a compressed gas.
  • This channel 57 is curved inwards at its end and opens into an annular nozzle opening 58, the outflow direction of which is perpendicular to the axis of the nozzle 50.
  • the annular nozzle opening 58 is located opposite an annular cavity 60 formed in the wall part 53, which is a resonator of a Hartmann ' forms vibration generator
  • a sound vibration field in particular an ultrasonic vibration field, is formed in the region 61 lying in front of the end wall of the burner nozzle 50.
  • This oscillation field causes the media emerging from the nozzle openings 52 and 55 to be atomized into microscopic particles and to be completely mixed with one another.
  • the combustible parts of this mixture can burn even if relatively large amounts of an incombustible medium are admixed.
  • the easily ignitable fuel can be reduced to a minimum.
  • the burner nozzle 50 shown can also be used unchanged in such a way that the mixture of substances to be burned is only allowed to flow out of one of the two nozzle openings 52 or 55.
  • a device according to FIG. 1 has proven particularly useful when a nozzle 50 according to FIG. 4 is used.

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Abstract

Einrichtung zur Verbrennung von fluiden Medien, insbesondere von in einer Flüssigkeit suspendierten, pulverförmigen oder körnigen festen Brennstoffen, z.B. in Wasser suspendierter Kohle, mit einer Zerstäubungsdüse (20) und einer Brennkammer (1). Dabei is die Düse (20) in einer Vorverbrennungskammer (4), die in die Brennkammer (1) übergeht, angeordnet, wobei ein kleiner Teil der Verbrunnungsluft im Bereich der Mündung der Düse (20) in die Vorverbrennungskammer (4) eingeführt wird und ein großer Teil der Verbrennungsluft im Bereich des Überganges der Vorverbrennungskammer (4) in die Brennkammer (1) zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betnfft eine Einrichtung zur Verbrennung von fluiden. brennbaren Medien, insbesondere von in einer Flüssigkeit suspendierten. pulverförmigen oder körnigen, festen Brennstoffen, wie z.B. in Wasser suspendierter Kohle, mit einer Zerstäubungsdüse sowie eine Düse insbesondere für die Verwendung in einer solchen Einnchtung.
  • Bekannte derartige Einrichtungen zur Verbrennung von schwer entzündbaren bzw. von schwer brennbaren Medien entsprechen insoferne nicht den Erfordernissen, als Schwie- rigkngkeiten bei der Entzündung der Medien und bei der Stabilisierung der Flammen bedingt werden, als weiters keine vollständige Verbrennung der Medien erzielbar ist und als zudem die Düse zur Zerstäubung dieser Medien nur eine relativ kurze Standzeit aufweist
  • Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Verbrennung von insbesondere schwer entzündbaren oder schwer brennbaren Medien, wie z.B. in Wasser suspendierter Kohle. zu schaffen, durch welche die den bekannten EinriChtungen anhaftenden Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Düse in einer Vorverbrennungskammer, die in die Brennkammer übergeht, angeordnet ist, wobei ein kleiner Teil der Verbrennungsluft in die Vorverbrennungskammer im Bereich der Dusenmündung eingeführt wird und ein großer Teil der Verbrennungsluft im Bereich des Überganges der Vorverbrennungskammer in die Brennkammer zugeführt wird.
  • Vorzugsweise weist die Vorverbrennungskammer eine Länge auf, die dem eineinhalbfachen bis dem vierfachen Wert ihres Durchmessers angenähert gleich ist. Nach einem weiteren bevorzugten Merxmal ist in der Wandung oder außerhalb der Wandung der Vorverbrennungskammer ein Ringkanal vorgesehen, von dem Querkanäle ausgehen, die im Bereich des Überganges der Vorverbrennungskammer in die Brennkammer münden.
  • Mittels einer derartigen Einnchtung wird das fluide. brennbare Medium durch die Zerstäubungsdüse in die Vorverbrennungskammer eingesprüht. wobei infolgedessen, daß in die Vorverbrennungskammer nur ein kleiner Teil der für die Verbrennung des Mediums erforderliche Luft eingeführt wird, in dieser eine unterstöchiometnsche Verbrennung erfolgt, durch welche das Medium aufgeheizt wird. Weiters wird das brennbare Medium in der Vorverbrennungskammer mit der Luft sowie mit aus der Brennkammer zurückströmenden Verbrennungsgasen und mit teilverbrannten Brennstoffpartikein vermischt, wodurch ein leicht brennbares Oxidationsprodukt entsteht. das nach seinem Übertntt aus der Vorverbrennungskammer in die Brennkammer nach Zufuhr der für die Verorennung erforderlichen Luft einen optimalen Brennvorgang gewährleistet
  • Die Optimierung des Verbrennungsvorganges wird durch Erzielung der für eine vollständige Verbrennung erforderlichen hohen Temperaturen und durch eine gute Vermischung der brennbaren Medien mit der für die Verbrennung erforderlichen Luft gewährleistet. Da sich die stöchiometrische Flamme nicht an der Zerstäubungsdüse sondern erst am Übergang der Vorverbrennungskammer in die Brennkammer ausbildet, werden hohe thermische und durch Oxidation bedingte Belastungen der Brennerdüse vermieden. wodurch deren Standzeit (Leoensdauer) maßgeblien erhöht wird. Weiters wird durch eine derartige Vorverbrennung und die nachfolgende Hauptverprennung die Ausbildung von Temperaturspitzen. die die Bildung von Stickoxyden pidengen. vermieden, wodurch zudem eine Verbrennung mit gennger Bildung an Stickoxyden erzielt wird.
  • Die für unterschiedliche Brennstoffe erforderliche Aufbereitung der Medien in der Vorverbrennungskammer kann durch Regelung der dieser bzw. der Brennkammer zugeführten Verbrennungsluft und weiters durch die Wahl der Größe der Vorverbrennungskammer eingestellt werden.
  • Bei wassarhältigen Produkten, wie bei Kohle-Wasser--Suspensionen, verdampft das Wasser in der Vorverbrennungskammer, wodurch der hierdurch bedingte Abkühlungseffekt in der Vorverbrennungskammer und nicht in der Brennkammer auftritt. Hierdurch ist es mögtich, auch derartige Medien in herkömmlichen Brennkesseln zu verfeuem, ohne daß hierfür - wie dies bislang erforderlich war - Zusatzbrennstoffe beigesetzt werden müssen.
  • Die Erfindung betrifft weiters eine Düse zum Zerstäuben eines fluiden Mediums, insbesondere von in einer Flüssigkeit, wie Wasser, suspendiertem Kohlestaub, mittels eines Gases bzw. eines Gasgemisches, wie Luft, mit zwei an der Stirnseite eines angenähert hohlzylindrischen Düsengehäuses koaxial zueinander angeordneten Ringdüsen, wobei im Düsengehäuse ein ebenfalls angenähert hohlzylindrischer Einsatzkörper und in dessen Innenraum ein axial ausgerichteter, zentraler Schaft, der an seinem freien, außerhalb des Düsengehäuses befindlichen Ende mit einer Prallplatte ausgebildet ist, angeordnet sind und durch die Innenfläche des Düsengehäuses ein äußerer, im Querschnitt ringförmiger, erster Strömungskanal für ein erstes fluides Medium sowie außerhalb des Schaftes ein innerhalb des äußeren Strömungskanals liegender, im Querschnitt ebenfalls ringförmger zweiter Strömungskanal für ein zweites fluides Medium gebildet sind.
  • Aus der DE-OS 1 964 040 sind mehrere Ausführungsformen von Düsen zum Mischen und Zerstäuben von mindestens zwei fluiden Medien, inbesondere zur Herstellung brennbarer Gemische fluider Medien, dargestellt Dabei weist die Ausführungsform gemäß Fig 4 die vorstehend angeführten Merkmale auf. Dies bekannte Düse ist jedoch dann nicht den Erfordernissen entsprechend, wenn die zu zerstäubende Mischung eine nur geringe Zündfähigkeit aufweist wie dies beisoielsweise für in Wasser suspendiertem Kohlestaub zutrifft. Erklärend wird hiezu bemerkt, daß an sich verschiedene Technologien zum Verbrennen von Kohlestaub bekannt sind. Die besonderen Schwierigkeiten bei der Verbrennung von Kohlestaub liegen jedoch darin, daß durch die trockene Lagerung von Kohlestaub eine hohe Explosionsgefahr bedingt wird. Um diese Gefahr zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden. Kohlestaub in Wasser zu suspendieren. Die Verbrennung von in Wasser suspendiertem Kohlestaub bedingt jedoch deshalb Probleme, weil dieser Mischung, wie erwähnt, eine nur sehr gennge Zündfähigkeit zukommt.
  • Der Erfindung liegt demnach weiters die Aufgabe zugrunde, eine Düse zum Zerstäuben eines fluiden Mediums. insbesonders von in einer Flüssigkeit, wie Wasser, suspendiertem Kohlestaub zu schaffen, durch weiche die den bislang bekannten Düsen anhaftenden Nachteile vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt daß der äußere Strömungskanal in an sich bekannter Weise in einer im Bereich des freien Endes des Einsatzkörpers vorgesehen, gegenüber der Längsachse des Düsengehäuses - schräg nach außen offenen, an sich bekannten Ringnut, die als Schwingungsgenerator wirkt und an welche die erste Düse anschließt. mündet und daß zwischen dem Einsatzkörper und dem Schaft ein zweiter EInsatzkörper angeordnet ist wobei zwischen der Innenfläche des ersten Ensatzkorpers und der Außenfläche des zweiten Einsatzkörpers ein erster Ringraum gebildet ist, der über tangential zur Achse ausgerichtete Kanäle mit dem den Schaft umgebenden, als zweiten Ringraum ausgebildeten Strömungskanal verbunden ist
  • Vorzugsweise ist der zweite Einsatzkörper zwischen einer an der Innenfläche des ersten Einsatzkörpers vorgesehenen ersten ringförmigen Schulterfläche und einer an der Außenfläche des Schaftes vorgesehenen, zweiten ringförmigen Schultrfläche gehalten. Weiters kann der Schaft an seinem dem freien Ende des Düsengehäuses abgewandten Endbereich mit einem maßgeblich vergrößerten Querschnitt ausgebildet sein, wobei in diesem Endbereich eine zentrale Bohrung angeordnet ist, von die mindestens ein schräg nach außen verlaufender Kanal ausgeht, der in dem den Schaft umgebenden inneren Strömungskanal mündet.
  • Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal ist der zweite Einsatzkörper mit mindestens einer Gruppe oder mehreren voneinander in axialem Abstand befindlichen Gruppen von quer zur Achse gerichteten Kanälen ausgebildet, welche vom ersten Ringraum ausgehen und tangential zur Außenwandung des den Schaft umgebenden inneren Strömungskanal in diesem münden. An der Außenwandung des Düsengehäuses kann zudem in an sich bekannter Weise eine Axial einstellbare Hülse mit einer die Fläche der Düsenmündungen überragenden zylindrischen Ringfläche angeordnet sein. Die am freien Ende des Schaftes befindliche Prallplatte kann an diesem lösbar befestigt sein.
  • Die Gegenstände der Erfindung sind nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Verbrennung von fließfähigen Medien, in axialem Querschnitt
    • Fig 2 eine erfindungsgemäße Düse in axialem Längsschnitt,
    • Fig 3 einen Querschnitt durch einen Bestandteil dieser Düse und
    • Fig 4 eine Düse, welche für ihren Einsatz in einer Vorrichtung gemäß Fig 1 besonders geeignet ist, in axialem Querschnitt.
  • In Fig 1 ist eine anmeldungsgemäße Einrichtung zur Verbrennung von flüssigen Medien, insbesondere von in einer Flüssigkeit, wie Wasser, suspendierten, pulverförmigen oder körnigen, festen Brennstoffen dargestellt. Diese Einrichtung besteht aus einer Brennerkammer 1, die einen Brennraum 2 umschließt. Entgegen der herkömmlichen Technologie ragt die Brenndüse 20 nicht in den Brennraum 2 ein, sondern ist vielmehr eine zusätzliche Vorverbrennungskammer 4 vorgesehen, die einen Vorverbrennungsraum 5 umschließt, wobei die Brenndüse 20 in den Vorverbrennungsraum 5 einragt. Mittels eines ersten Luftkanals 7 wird der Vorverbrennungskammer 4 im Bereich der Mündung der Düse 20 ein erster Teil der Verbrennungsluft zugeführt. Der zweite Teil der Verbrennungsluft wird über einen zweiten Luftkanal 8 sowie einen Ringkanal 10 über Querkanäle 11 und über Düsen 12, die im Bereich des Überganges der Vorverbrennungskammer 4 in die Brennkammer 1 münden, zugeführt. Dabei wird über den zweiten Luftkanal 8 der für die ordnungsgemäße Verbrennung erforderliche weitaus größere Anteil an Verbrennungsluft zugeführt. In dem die beiden Luftkanäle 7 und 8 spiesenden Hauptkanal 6 und in den Luftkanälen 7 und 8 sind Klappen 9 vorgesehen, durch die eine Steuerung der Luftzufuhr entsprechend den Erfordernissen bewirkt wird.
  • Die Funktion dieser erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung ist wie folgt:
  • Das fluide, brennbare Medium, wie in einer Flüssigkeit, z.B. Wasser, suspendierte Kohle, wird durch die Brennerdüse 20 in die Vorverbrennungskammer 4 in feinst zerstäubtem Zustand eingebracht. Durch den ersten Luftkanal 7 wird im Bereich der Mündung der Düse 20 in den Vorverbrennungsraum 5 ein Teil der für die Verbrennung erforderlichen Verbrennungsluft eingeführt. Im Vorverbrennungsraum 5, in welchem eine Aufbereitung, nämlich Mischung, Entzündung und Erhitzung, der brennbaren Medien erfolgt, tritt aufgrund der Tatsache, daß nicht hinreichend Verbrennungsluft zur Verfügung steht, eine unterstöchiometrische Verbrennung der eingebrachten brennbaren Medien auf, wodurch diese erwärmt werden. Weiters werden sie mit neben der Düse 20 eintretender Luft. mit aus der Brennkammer 2 zurüchströmenden Rauchgasen und mit teilweise verbrannten Brennstoffpartikeln intensiv vermischt. Hierdurch erfolgt eine Aufbereitung der brennbaren Medien für eine Optimierung des Brennvorganges in den Brennraum 2. Beim Übertritt dieses so konditionierten Brennstoffes in den Brennraum 2 werden diesem über den zweiten Luftkanal 8, den Ringkanal 10, die Querkanäle 11 und durch die Düsen 12 hindurch die für eine vollständige und ordnungemäße Verbrennung erforderlichen Mengen an Verbrennungsluft zugeführt. Hierdurch bildet sich im Brennraum 2 eine stabile Flamme 15 aus, durch die unter Entwicklung der hierfür erforderlichen Temperaturen eine vollständige Verbrennung der brennbaren Medien erfolgt
  • Das Verhältnis der Anteile an Luft, die der Vorverbrennungskammer 4 bzw, der Brennkammer 1 zugeführt wird, liegt zwischen den Bereichen von 5% zu 95% bis 30% bis 70%, vorzugsweise bei 10% zu 90% bis 40% zu 60%.
  • Wie aus Fig 2 ersichtlich ist, besteht eine erfindungsgemäße Düse aus einem im wesentlichen hohlzylindrischen Düsengehäuse 21, das aus zwei miteinander verschraubten Gehäuseteilen 21 und 21 b gebildet ist, wobei der der Düsenmündung zugeordnete Gehäuseteil 21a an seinem freien Ende mit einem nach einwärts gerichteten Flansch 22 ausgebildet ist. In das Düsengehäuse 21 ist ein im wesentlichen gleichfalls hohlzylindrischer Einsatzkörper 30 eingesetzt. Innerhalb des Einsatzkörpers 30 befindet sich ein Schaft 40. der an seinem freien Ende mit einer Prallplatte 41 ausgebildet ist. In den zwischen dem Schaft 40 und der Innenfläche des Einsatzkörpers 30 befindlichen Ringraum ist ein zweiter Einsatzkörper 36 eingesetzt, durch welchen dieser Ringraum in zwei koaxiale Ringräume 37 und 38 unterteilt ist. Der zweite Einsatzkörper 36 ist zwischen einer an der Innenwandung des ersten Einsatzkörpers 30 vorgesehenen ersten Schulter und einer am verbreiterten Sockel 40a des Schaftes 40 vorgesehenen zweiten Schulter gehaltert. Weiters ist der erste Einsatzkörper 30 im vorderen Bereich des Düsengehäuses 21 mit einer schräg zur Düsenachse nach vome offenen Nut 31 ausgebildet, in welche der Ringflansch 22 einragt.
  • Zwischen der Innenwandung des Düsengehäuses 21 und der Außenwand des ersten Einsatzkörpers 30 befindet sich ein im Querschnitt ringförmiger erster Strömungskanal 26. der durch den Ringflansch 22 nach innen umgelenkt wird und der in der im ersten Einsatzkörper 30 angeordneten Nut 31 mündet. Zwischen dem Flansch 22 und der äußeren Wandung des ersten Einsatzkörpers 30 ist eine erste .Ringdüse 28 ausgebildet. Zwischen der Innenwandung des ersten Einsatzkörpers 30 und der Außenwandung des zweiten Einsatzkörpers 36 ist ein erster Ringraum 37 gebildet, der über im zweiten Einsatzkörper 36 vorgeshene, quer verlaufende Kanäle 39 mit dem den Schaft 40 umgebenden zweiten Ringraum 38 verbunden ist. Der zweite Ringraum 38 mündet in einer zweiten Ringdüse29.
  • Die Speisung des äußeren ersten Strömungskanals 26 erfolgt durch einen ersten Ringkanal 27. Die Speisung des ersten Ringraumes 37 erfolgt durch einen konzentrisch innerhalb des ersten Ringkanals 27 liegenden zweiten Ringkanal 45 und die Speisung des zweiten Ringraumes 38 erfolgt durch schräge Bohrungen 43, die den im Querschnitt verbreiterten Sockel 40a des Schaftes 40 durchsetzen, von einem zentralen Kanal 44 her. An der Vorderseite des Gehäuseteiles 21a ist eine Hülse 24 angeordnet, die mit einem die Ebene der Düsemündungen umgebenden zylindrischen Rand 24a ausgebildet ist. Die Lage der Hülse 24 gegenüber dem Gebäuseteil 21a ist mittels eines Distanzringes 25 einstellbar. Die am freien Ende des Schaftes 40 angeordnete Prallplatte 41 stellt einen vom Schaft 40 gesonderten Bauteil dar, der am Schaft 40 z.B. mittels einer Schraubhülse 42 befestigt ist.
  • Wie aus Fig 3 der Zeichnung ersichtlich ist, ist der zweite Einsatzkörper 36 in einer zur Achse normal liegenden Ebende mit Querkanälen 39 ausgebildet, welche in den zweiten Ringraum 38 tangential zu dessen Außenwandung einmünden.
  • Die Wirkungsweisse dieser Düse ist nachstehend erläutert Im Betrieb dieser Düse wird der radial innen liegende zentrale Kanal 44 mit einem ersten fluiden Medium, beispielsweise mit einer Kohle-Wasser--Suspension, beschickt, das durch die Bohrungen 43 in den den Schaft 40 umgebenden zweiten Ringraum 38 gelangt. Der Zweite Ringkanal 45 wird mit einem Druckmedium, z.B. mit einem Druckgas, wie Druckluft, beschickt. Dieses tritt in den ersten Ringraum 37 ein und gelangt durch die Querkanäle 39 in den zweiten Ringraum 38, in welchem durch den tangentialen Austritt des Druckmediums eine intensive Verwirbelung und Mischung des in diesem befindlichen fluiden Mediums erfolgt.
  • Durch den im zweiten Ringraum 38 herrschenden Druck wird diese Mischung axial nach vorne gefördert und gelangt durch die innere zweite Ringdüse 29 auf die Innenseite der Prallplatte 41, wo sie unter Beibehaltung der Drallbewegung radial ausgefördert wird.
  • Durch den radial äußersten ersten Ringkanal 27 und den daran anschließenden ersten Strömungkanal 26 wird ein zweites Druckmedium gefördert, das am vorderen Ende des Strömungskanals 26 in die Nut 31 eintritt, wodurch, da die Nut 31 als Hartmann'scher Schwingungsgenerator wirkt, ein Schwingugsfeld erzeugt wird, durch welches die aus dem radial inneren zweiten Ringraum 38 durch die innere, zweite Ringdüse 29 austretende Mischung feinst zerstäubt und von der Düse in Form eines Kegels weggefördert wird. Die Gestaltung des Düsenkegels kann durch die Lage der Hülse 24 bzw. durch die Größe der zylindrischen Innenfläche 24a beeinflußt werden.
  • Da die Prallplatte 41 am Schaft 40 lösbar befestigt ist, kann sie einerseits aus sehr hartem und widerstandsfähigen Material gefertigt sein. Zudem kann sie im Falle des Verschleißes ausgewechselt werden. Durch den Schaft 40 erfolgt zudem eine intensive Kühlung der Prallplatte 41. Da diese Prallplatte 41 vom zentral angeordneten Schaft 40 getragen ist, ist die innere, zweite Ringdüse 29 gebildet und kann auf die Anordnung von Stegen zur Halterung der Prallplatte 41 verzichtet werden, wodurch die Wirbelbewegung bzw. der Drall des durch die innere Ringdüse 29 austretenden fluiden Mediums nicht gebrochen wird.
  • In Fig 4 ist weiters eine Düse 50 dargestellt, die für die Verwendung in einer Einrichtung gemäß Fig 1 besonders gut geeignet ist.
  • Im Zentrum dieser Düse 50 befindet sich ein Rohrkörper 51 mit einer relativ großen Düsenöffnung 52, die für das Ausströmen eines schwer brennbaren, z.B. pastenförmigen Mediums, welches mittels einer Pumpe zugefördert wird, geeignet ist. Radial außerhalb befindet sich ein einerseits durch den Rohkörper 51 und andererseits durch einen Wandteil 53 gebildeter, im Querschnitt ringförmiger Kanal 54, der dazu dient, um eine leicht entzündliche brennbare Flüssigkeit, z.B. Leichtöl, zuzuführen.
  • Zwischen dem Außenmantel 56 der Brennerdüse 50 und dem Wandteil 53 ist ein weiterer, im Querschnitt ringförmiger Kanal 57 für ein Druckgas vorgesehen. Dieser Kanal 57 ist an seinem Ende nach innen gekrümmt und mündet in eine ringförmige Düsenöffnung 58, deren Ausströmrichtung zur Achse der Düse 50 senkrecht steht Die ringförmige Düsenöffnung 58 befindet sich gegenüber einem im Wandteil 53 ausgebildeten, ringförmigen Hohlraum 60, der einem Resonator eines Hartmann'schen Schwingungsgenerators bildet
  • Sobald aus der ringförmigen Düsenöffnung 58 Druckluft oder Druckgas mit einer entsprechenden Geschwindigkeit ausströmt und in den gegenüberliegenden, ringförmigen Hohlraum 60 einströmt, bildet sich in dem vor der Stirnwand der Brennerdüse 50 liegenden Bereich 61 ein Schallschwingungsfeld, insbesondere ein Ultraschallschwingungfeld, aus. Dieses Schwingungsfeld bewirkt, daß die aus den Düsenöffnungen 52 und 55 austretenden Medien in mikroskopisch feine Teilchen zerstäubt werden und miteinander vollständig vermischt werden. Hierdurch können die brennbaren Teile dieses Gemisches auch dann verbrennen, wenn relativ große Mengen eines unbrennbaren Mediums beigemischt sind.
  • Wenn es sich in Betrieb einer solchen Brennerdüse zeigt, daß die brennbaren Anteile des Gemisches ausreichen, um eine kontinuierliche Flamme zu bilden, so kann der leicht entzündbare Brennstoff auf ein Minimum reduziert werden. Die dargestellte Brennerdüse 50 kann unverändert auch derart verwendet werden, daß nur aus einer der beiden Düsenöffnungen 52 oder 55 das zu verbrennende Stoffgemisch ausströmen gelassen,wird.
  • Eine Einrichtung gemäß der Fig 1 hat sich insbesondere dann bewährt, wenn eine Düse 50 gemäß Fig 4 eingesetzt wird.
    • Bezugszeichenliste
  • Figure imgb0001

Claims (13)

1. Einrichtung zur Verbrennung von fluiden Medien, insbesondere von in einer Flüssigkeit suspendierten, pulverförmigen oder körnigen festen Brennstoffen, z.B. in Wasser suspendierter Kohle, mit einer Zerstäubungsdüse und einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (20) in ener·Vorverbrennungskammer (4), die in die Brennkammer (1) übergeht, angeordnet ist, wobei ein kleiner Teil der Verbrennungsluft im Bereich der Mündung der Düse (20) in die Vorverbrennunskammer (4) eingeführt wird und ein großer Teil der Verbrennungsluft im Bereich des Überganges der Vorverbrennungskammer (4) in die Brennkammer (1) zugeführt wird. (Fig 1).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Vorverbrennungskammer (4) dem eineinhalb-bis vierfachen Wert des Durchmessers der Vorverbrennungskammer (4) angenähert gleich ist.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung oder außerhalb der Wandung der Vorverbrennungskammer (4) ein Ringkanal -
(10) vorgesehen ist, von dem Querkanäle (11) ausgehen, die im Bereich des Überganges der Vorverbrennungskammer (4) in die Brennkammer (1) münden.
4. Düse zum Zerstäuben eines fluiden Mediums, insbesondere von in einer Flüssigkeit, wie Wasser, suspendierten Kohlestaub, mittels eines Gases bzw. eines Gasgemisches, wie Luft, mit zwei an der Stirnseite eines angenähert hohlzylindrischen Düsengehäuses koaxial zueinander angeordneten Ringsdüsen, wobei im Düsengehäuse ein ebenfalls angenähert hohlzylindrischer Einsatzkörper und in dessen Innenraum ein axial ausgerichteter, zentraler Schaft, der an seinem freien Ende mit einer Prallplatte ausgebildet ist, angeordnet sind und durch die Innenfläche des Düsengehäuses ein äußerer, im Querschnitt ringförmiger erster Strömungskanal für ein erstes fluides Medium sowie außerhalb des Schaftes ein innerhalb des äußeren Strömungskanals liegender, innerer, im Querschnitt ebenfalls ringförmiger, zweiter Strömungskanal für ein sweites fluides Medium gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Strömungskanal (26) in an sich bekannter Weise in eine im Bereich des freien Endes des Einsatzkörpers (30) vorgesehene, genenüber der Längsachse des Düsengehäuses (21) schräg nach außben offenen Ringnut (31), die als Schwingungsgenerator wirkt und an welche die erste Düse (29) anschließt, mündet und daß zwischen dem Einsatzkörper (30) und dem Schaft (40) ein zweiter Einsatzkörper (36) angeordnet ist, wobei zwischen der Innenfläche des ersten Einsatzkörpers (30) und der Außenfläche des zweiten Einsatzkörpers (36) eine erste Ringkammer (37) gebildet ist, die über tangential zur Achse ausgenchtete Kanäle (39) mit dem den Schaft (40) umgebenden, als zweiten Ringraum (38) ausgebildeten Strömungskanal verbunden ist (Fig 2, Fig 3).
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Einsatzkörper (36) zwischen einer an der Innenfläche des ersten Einsatzkörpers (30) vorgesehenen ersten ringförmigen Schulterfläche und einer and der Außerfläche des Sockels (40a) des Schaftes (40) vorgesehenen, zweiten ringförmigen Schulterfläche gehalten ist.
6. Einrichtung nach einem des Ansprüche 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (40) an seinem dem freien Ende abgewandten Endbereich mit einem maßgeblich vergrößerten Querschnitt ausgebildet ist, wobei in diesem Endbereich eine zentrale Bohrung (44) angeordnet ist, von der mindestens ein schräg nach außen verlaufender Kanal (43) ausgeht, der in dem den Schaft (40) umgebenden Strömungskanal (38) mündet
7. Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Einsatzkörper (36) mit mindestens einer Gruppe oder mehreren voneinander in axialem Abstand befindlichen Gruppen von Querkanälen (39) ausgebildet ist, welche vom ersten Ringraum (37) ausgehen und tangential zur Außenwandung des den Schaft (40) umgebenden Strömungskanals (38) in diesen münden.
8. Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenwandung des Düsengehäuses (21) in an sich bekannter Weise eine axial einstellbare Hülse (24) mit einer die Fläche der Düsenmündungen (28, 29) überragenden zylindrischen Ringfläche (24a) angeordnet ist.
9. Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die am freien Ende des Schaftes (40) befindliche Prallplatte (41) an diesem lösbar befestigt ist
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihr verwendete Düse (50) drei Düsenöffnungen (52, 55, 58) aufweist, von welchen eine erste Düsenöffnung (52) zum Ausströmen eines zu verbrennenden Stoffgemisches dient und eine weitere, benachbarte Düsenöffnung (55) zum Ausströmen eines leicht entzündlichen Brennstoffes dient sowie einer dritten Düsenöffnung (58) ein mittels eines Druckgases, z.B. Luft-oder Brenngas, betriebener Hartmann'scher Schwingungsgenerator zugeordnet ist, in welchem das Druckgas in einen als Resonator wirkenden Hohlraum (60) einströmt und so eine Schallschwingung, insbesondere eine Ultraschallschwingung, bewirkt, durch welche die aus den Düsenöffnungen (52, 55) auströmenden Medien zerstäubt und miteinander vermischt werden.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Düsenöffnungen (52, 55 58) zueinander konzentrisch angeordnet sind, wobei die zentrale Öffnung -
(52) für ein zu verbrennendes Medium, die mittlere ringförmige Öffnung (55) für einen leicht brennbaren Brennstoff und die äußere ringförmige Öffnung (58) für ein Druckgas zum Betrieb eines Schwingungsgenerators (58, 60) bestimmt sind.
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