EP0189390B1

EP0189390B1 - Zerstäubungsdüse für flüssigen Brennstoff

Info

Publication number: EP0189390B1
Application number: EP86890003A
Authority: EP
Inventors: 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
Original assignee: "dumag" Ohg Drtechn Ludwig Kaluza & Co; Kali Chemie AG
Current assignee: "dumag" Ohg Drtechn Ludwig Kaluza & Co; Kali Chemie AG
Priority date: 1985-01-25
Filing date: 1986-01-08
Publication date: 1991-09-25
Anticipated expiration: 2006-01-08
Also published as: DE3681601D1; EP0189390A3; CN86100280A; CS29886A3; CA1257145A; ATE67836T1; EP0189390A2; JPS61173016A; DD241639A5; CZ278957B6; JPH0463286B2; CN1005359B; US4728285A

Description

Die Erfindung betrifft 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 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 zweites fluides Medium gebildet sind. Eine solche Düse ist aus der DE-A-1 946 040 bekannt.
In der DE-A-1 964 040 sind unterschiedliche Düsen zum Mischen und Zerstäuben von mindestens zwei fluiden Medien, insbesondere zur Herstellung brennbarer Gemische fluider Medien, geoffenbart. Diese bekannten Düsen sind jedoch dann nicht den Erfordernissen entsprechend, wenn die zu zerstäubende Mischung eine nur geringe Zündfähigkeit aufweist, wie dies beispielsweise für in Wasser suspendiertem Kohlestaub zutrifft. Hiezu wird bemerkt, daß 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 eine nur sehr geringe Zündfähigkeit zukommt. Bekannte derartige Düsen zum Zerstäuben von schwer entzündbaren bzw. von schwer brennbaren Medien entsprechen demnach deshalb nicht den Erfordernissen, da Schwierigkeiten bei der Entzündung der Medien und zudem bei der Stabilisierung der Flamme bedingt werden, da weiters keine vollständige Verbrennung der Medien erzielbar ist und da ihnen nur eine relativ kurze Standzeit zukommt.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Düse zum Zerstäuben eines fluiden Mediums zu schaffen, durch welche die den bekannten Düsen anhaftenden Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der äußere Strömungskanal in eine im Bereich des freien Endes des Einsatzkörpers vorgesehene, gegenüber der Längsachse des Düsengehäuses schräg nach außen offenen Ringnut, die als Schwingungsgenerator wirkt und an welche die erste Ringdüse anschließt, mündet und daß zwischen dem Einsatzkörper und dem Schaft ein zweiter Einsatzkörper angeordnet ist, wobei zwischen der Innenfläche des ersten Einsatzkörpers 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 zweiten 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 Sockels des Schaftes vorgesehenen, zweiten ringförmigen Schulterfläche gehalten. Dabei kann der Schaft an seinem dem freien Ende abgewandten Endbereich mit einem maßgeblich vergrößerten Querschnitt ausgebildet sein, wobei in diesem Endbereich eine zentrale Bohrung angeordnet ist, von der mindestens ein schräg nach außen verlaufender Kanal ausgeht, der in dem den Schaft umgebenden zweiten Strömungskanal mündet. Weiters kann der zweite Einsatzkörper mit einer Gruppe oder mit mehreren, voneinander in axialem Abstand befindlichen Gruppen von Querkanälen ausgebildet sein, welche vom ersten Ringraum ausgehen und tangential zur Außenwandung des den Schaft umgebenden Strömungskanals in diesen münden.
Nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist an der Außenwandung des Düsengehäuses eine axial einstellbare Hülse mit einer die Fläche der Düsenmündungen überragenden zylindrischen Ringfläche angeordnet und ist die am freien Ende des Schaftes befindliche Prallplatte an diesem lösbar befestigt.
Eine derartige Zerstäubungsdüse wird vorzugsweise in einer Einrichtung zur Verbrennung von fluiden Medien, insbesondere von in einer Flüssigkeit suspendierten, pulverförmigen oder körnigen festen Brennstoffen, wie in Wasser suspendierter Kohle, verwendet, welche Einrichtung mit einer Brennkammer, einer Vorverbrennungskammer, die in die Brennkammer übergeht und mit einer in der Vorverbrennungskammer angeordneten Zerstäubungsdüse ausgebildet ist. Ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Einrichtung besteht erfindungsgemäß darin, daß ein kleiner Teil der Verbrennungsluft im Bereich der Mündung der Düse in die Vorverbrennungskammer eingeführt wird sowie daß ein großer Teil der Verbrennungsluft im Bereich des Überganges der Vorverbrennungskammer der Brennkammer zugeführt wird.
Mittels einer derartigen Einrichtung 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 unterstöchiometrische 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 Brennstoffpartikeln vermischt, wodurch ein leicht brennbares Oxidationsprodukt entsteht, das nach seinem Übertritt aus der Vorverbrennungskammer in die Brennkammer nach Zufuhr der für die Verbrennung 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 (Lebensdauer) maßgeblich erhöht wird. Weiters wird durch eine derartige Vorverbrennung und die nachfolgende Hauptverbrennung die Ausbildung von Temperaturspitzen, die die Bildung von Stickoxyden bedingen, vermieden, wodurch zudem eine Verbrennung mit geringer 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 wasserhältigen Produkten, wie bei Kohle-Wasser-Suspension, verdampft das Wasser in der Vorverbrennungskammer, wodurch der hierdurch bedingte Abkühleffekt in der Vorverbrennungskammer und nicht in der Brennkammer auftritt. Hierdurch ist es möglich, auch derartige Medien in herkömmlichen Brennkesseln zu verfeuern, ohne daß hierfür - wie dies bislang erforderlich war- Zusatzbrennstoffe beigesetzt werden müssen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles 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 und
Fig. 3: einen Querschnitt durch einen Bestandteil dieser Düse.

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 speisenden 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 zurückströmenden 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 ordnungsgemäße 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 21a und 21b 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 Einsetzkörpers 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 vorne 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 vorgesehene. quer verlaufende Kanäle 39 mit dem den Schaft 40 umgebenden zweiten Ringraum 38 verbunden ist. Der zweite Ringraum 38 mündet in einer zweiten Ringdüse 29.
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 Düsenmündungen umgebenden zylindrischen Rand 24a ausgebildet ist. Die Lage der Hülse 24 gegenüber dem Gehäuseteil 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 Ebene mit Querkanälen 39 ausgebildet, welche in den zweiten Ringraum 38 tangential zu dessen Außenwandung einmünden.
Die Wirkungsweise 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 in 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 Strömungskanal 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 Schwingungsfeld 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.

Claims

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 (21) ein ebenfalls angenähert hohlzylindrischer Einsatzkörper (30) und in dessen Innenraum ein axial ausgerichteter, zentraler Schaft (40), der an seinem freien Ende mit einer Prallplatte (41) ausgebildet ist, angeordnet sind und durch die Innenfläche des Düsengehäuses (21) ein äußerer, im Querschnitt ringförmiger erster Strömungskanal (26) für ein erstes fluides Medium sowie außerhalb des Schaftes (40) ein innerhalb des äußeren Strömungskanals (26) liegender, innerer, im Querschnitt ebenfalls ringförmiger, zweiter Strömungskanal (38) für ein zweites 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, gegenüber der Längsachse des Düsengehäuses (21) schräg nach außen offenen Ringnut (31), die als Schwingungsgenerator wirkt und an welche die erste Ringdüse (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) ein erster Ringraum (37) gebildet ist, der über tangential zur Achse ausgerichtete Kanäle (39) mit dem den Schaft umgebenden, als zweiten Ringraum (38) ausgebildeten zweiten Strömungskanal verbunden ist (Fig.2, Fig.3).
Düse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Einsatzkörper (36) zwischen einer an der Innenfläche des ersten Einsatzkörpers (30) vorgesehenen, ersten ringförmigen Schulterfläche und einer an der Außenfläche des Sockels (40a) des Schaftes vorgesehenen, zweiten ringförmigen Schulterfläche gehalten ist.
Düse nach einem der Patentansprüche 1 und 2, 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 (Fig.2).
Düse nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Einsatzkörper (36) mit einer Gruppe oder mit 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 (Fig.2, Fig.3).
Düse nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, 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 (Fig.2).
Düse nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die am freien Ende des Schaftes (40) befindliche Prallplatte (41) an diesem lösbar befestigt ist (Fig.2).
Einrichtung zur Verbrennung von fluiden Medien, insbesondere von in einer Flüssigkeit suspendierten, pulverförmigen oder körnigen festen Brennstoffen, wie in Wasser suspendierter Kohle, mit einer Brennkammer (1), einer Vorverbrennungskammer (4), die in die Brennkammer (1) übergeht, und einer in der Vorverbrennungskammer (4) angeordneten Zerstäubungsdüse (20), dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäubungsdüse eine Düse nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben der Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil der Verbrennungsluft im Bereich der Mündung der Düse (20) in die Vorverbrennungskammer (4) der Brennerkammer (1) zugeführt wird.