EP0461447B1

EP0461447B1 - Druckzerstäubungsdüse

Info

Publication number: EP0461447B1
Application number: EP91108522A
Authority: EP
Inventors: Claude Pelet
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1990-06-07
Filing date: 1991-05-25
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2011-05-25
Also published as: JP3360734B2; CH681480A5; US5165606A; JPH04254109A; ES2074192T3; EP0461447A1; DE59105418D1; ATE122447T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckzerstäubungsdüse gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei einer Druckzerstäubung eines flüssigen Brennstoffes in einer Düse, welche einem Verbrennungsraum vorgelagert ist, beispielsweise einer Brennkammer einer Gasturbine oder einer atmosphärischen Feuerungsanlage, treten regelmässig im Verlaufe einer Betriebsperiode Unregelmässigkeiten an der Zerstäubungscharakteristik der Düse auf, welche sich wirkungsgradmässig auf die nachfolgende Verfeuerung des Brennstoffen negativ auswirken. Eine Unregelmässigkeit kann aufgrund eines Verschleisses der Düse entstehen, die bewirken kann, dass der Sprühwinkel nicht mehr optimal arbeitet. Eine andere Unregelmässigkeit kann ihre Ursache darin haben, dass der Nenndruck des herangeführten Brennstoffes über Gebühr schwankt, was ein An- und Abschwellen des Sprühwinkels zur Folge hat. Die marktmässig angebotenen Düsen erzeugen zudem einen zu grossen Sprühwinkel, in der Grössenordnung von 40-50°, was eindeutig mindestens 100% zu viel ist. Ferner arbeitet eine solche Düse sehr stark in Funktion des Lastbereiches. Kommt dann eine solche Düse im Zerstäubungsbereich einer Befeuerung zum Einsatz, mit dem finalen Zweck, ein Brennstoff/Luft-Gemisch bereitzustellen, so ergeben sich daraus zusätzliche Interferenzen auf die Qualität der Zerstäubung, die beispielsweise schon auf Druckschwankungen des herangeführten Luftstromes zurückzuführen sind. Zudem muss berücksichtigt werden, dass eine luftunterstützte Düse nur ab 0,2 bar Druck funktioniert, und dass der Luftanteil in Relation zum Brennstoff sehr hoch ist. Eine Unregelmässigkeit des Sprühwinkels kann sich bei verschiedenen Feuerungsaggregaten zudem sehr negativ auswirken, dies beispielsweise immer dann, wenn die Zerstäubung des Brennstoffes in einem relativ engen Zuleitungsrohr zum Feuerungsraum durchgeführt wird, wie dies regelmässig bei Vormischbrennern der Fall ist. Bei einer solchen geometrischen Konfiguration ist es so, dass ein unregelmässiger Sprühwinkel die Innenwände des Vormischrohres benetzten kann, wo sich, bei einem flüssigen Brennstoff, rasch grössere Brennstofftropfen bilden. Werden diese dann durch den Luftstrom mitgerissen, so gelangt in den Feuerungsraum ein inhomogenes Gemisch zur Verbrennung, was zu einer schlechten Feuerungscharakteristik führt. Diese macht sich nicht nur an einem schlechten Wirkungsgrad bemerkbar, sondern darunter leiden auch die Schadstoff-Emissionen, dergestalt, dass die gesetzlich vorgeschriebenen Höchstwerte rasch nicht mehr eingehalten werden können. Ein weiteres Problem in diesem Zusammenhang ergibt sich auch dann, wenn Feuerungsanlagen zu betreiben sind, deren Luftdruck beinahe inexistent ist, wie dies beispielsweise bei atmospärischen Feuerungsanlagen der Fall ist. In solchen Fällen kann der Stand der Technik, also die bekanntgewordenen luftunterstützten Düsen, keine zufriedenstellende Lösung anbieten, denn eine Druckerhöhung der Luft müsste hier speziell erstellt werden, was sich auf die Kosten und den Wirkungsgrad ebendieser Anlage negativ niederschlägt.
Aus der DE-A-31 18 120 ist eine Sprühverbrennungsvorrichtung bekanntgeworden, welche im wesentlichen aus einem Aussenrohr und einer darin angeordneten Brennstoffdüse zur Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes besteht. Der Brennstoffdüse ist eine Blende nachgeschaltet, wobei der durch die Brennstoffdüse vor der Blende gebildete Brennstoffsprühkegel mit einem gasförmigen Medium gemischt wird. Das gasförmige Medium tritt in etwa radial auf den Sprühkegel auf, dergestalt, dass der Sprühwinkel des Sprühkegels aus der Brennstoffdüse eine gewisse Kompression erfährt. Bei dieser Sachlage ist es so, dass die Blende unmittelbar mit der Flammenfront zusammenfällt, wodurch sie einer grossen Wärmebelastung ausgesetzt ist. Dies führt dazu, dass es stromauf der Blende unweigerlich zu einer Zündung des Gemisches kommt. Entweder wird dann die Blende durch die Flammentemperatur und den Staudruck weggebrannt, oder sie kann ihre angestammte Aufgabe nicht mehr erfüllen.

Aufgabe der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Druckzerstäubungsdüse der eingangs genannten Art, die zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches dient, die obenermittelten Nachteile zu umgehen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Sprühwinkel dergestalt minimiert werden kann, dass einerseits keine Wandbenetzung bei entsprechender Konfiguration zu befürchten ist, andererseits, dass eine einmal fixierte Zerstäubungscharakteristik unverändert erhalten bleibt. In diesem Umfeld erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Variierung der Sprühmenge ohne Veränderung des Sprühwinkels zustande kommt. Ferner lässt sich eine bessere Brennstoffverteilung im Gemisch-Brennkegel erreichen, denn es lässt sich nach Bedarf sowohl mit einem Voll- als auch mit einem Hohlkegel fahren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass bei einem Zerstäubungsbetrieb die hierzu zum Einsatz gelangenden Luft praktisch drucklos sein kann, d.h., bei einer atmosphärischen Feuerungsanlage genügt der Druck, den das Gebläse der Feuerungsanlage bereitzustellen vermag, vielleicht 20 mbar, vollauf.
Ferner ist ein weiterer Vorteil der Erfindung darin zu sehen, dass sich eine allenfalls einstellende Abnützung der Düse keinen Einfluss mehr auf die Zerstäubungscharakteristik ausüben kann.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Die einzige Figur zeigt eine Doppelzerstäubungsdüse.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt eine Doppelzerstäubungsdüse, welche aus einem Aussenrohr 1 besteht, das endseitig in Abströmungsrichtung mit einer Blende 2 endet. Stromauf dieser genannten Blende 2 ist eine weitere Blende 3 vorgesehen, welche ihrerseits einer Brennstoffdüse 4 nachgelagert ist. Die Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes 6 gemäss vorliegender Konfiguration erfolgt dabei in zwei Stufen. Dessen ungeachtet ist es indessen ohne weiteres denkbar, auf eine Blende, entweder auf die erste 3 oder auf die zweite 2, zu verzichten. Dies hängt im wesentlichen davon ab, wie die betrieblichen Verhältnisse der ganzen Zerstäubungsdüse gelagert sind, wo der Einsatz einer solchen Düse bezüglich Brennraums (atmosphärische Feuerungsanlage, Brennkammer einer Gasturbogruppe, isocore Brennkammer etc.) vorgesehen ist. Danebst spielt auch die Struktur und die Verbrennungsart (Diffusions- oder Vormischverbrennung etc.) des jeweiligen Brenners, in welchen die Düse integriert ist, eine Rolle. Die Düse 4, die hier für ein Flüssigbrennstoff ausgelegt ist, arbeitet mit Drücken zwischen 5 und 20 bar, und ist demnach eine Druckzerstäubungsdüse. Wie das Sprühbild am Ausgang der Düse 4 zeigt, handelt es sich hier um eine erste, übliche Zerstäubungsstufe A, d.h., es ist hier mit Sprühwinkeln von über 40° zu rechnen. Mit einer solchen Vorgabe wäre mindestens eine Benetzung der Wände des luftführenden Kanals 5 durch Brennstofftröpfchen nicht zu umgehen. Die durch diesen Kanal 5 herangeführte Luft 7 ist hier von niedrigem Druck, zwischen 20 und 80 mbar, und stammt aus einem Gebläse einer atmosphärischen Feuerungsanlage bei Heizkesseln. Somit ist auch gesagt, dass die gezeigte Druckzerstäubungsdüse vorzüglich bei Anlagen eingesetzt wird, wo ein Flüssigbrennstoff zum Einsatz kommt. Dies ist aber keine unabdingbare Vorgabe, denn eine solche Düse kann, wie wir später noch sehen werden, ohne weiteres Bestandteil eines mit einem gasförmigen Brennstoff betriebenen Brenners einer Brennkammer einer Gasturbogruppe sein. Was den bereits mehrmals angesprochenen Brenner anbelangt, so eignet sich diese Düse vortrefflich für eine Integration in einen Brenner, wie er in EP-A1-0 321 809 beschrieben ist. Diese angezogene Europäische Patentanmeldung bildet sonach integrierenden Bestandteil vorliegender Beschreibung. Die in Fig. 1 von EP-A1-0 321 809 gezeigte Düse mit Pos. 3 würde bei einer solchen angestrebten Zusammenfügung durch die hier beschriebene Doppelzerstäubungsdüse ersetzt. Es zeigt sich besonders gut, wie eminent wichtig ist dass die Innenwände der Teilkegelkörper durch den Brennstoffsprühkegel aus der Düse nicht benetzt werden. Zurückkehrend zur Doppelzerstäubungsdüse vorliegender Figur ist des weiteren anzumerken, dass die herangeführte Luft 7, obwohl sie, wie erwähnt, nur einen kleinen Druck aufweist, den Flüssigbrennstoff-Sprühkegel aus der Düse 4 komprimiert. Dies geschieht bereits mit einem Druck von 20 mbar. Diese Luftströmung trifft dabei auf den Sprühkegel radial und/oder quasi-radial auf und zwingt dessen Strömung durch eine in der Blende 3 mittig plazierte zylindrische Oeffnung 8 abzuströmen. In Stufe B entsteht sodann ein homogenes Brennstoff/Luft-Gemisch. Diese Stufe schafft sodann eine Neuerung des Winkel des Sprühkegels, der weitaus kleiner als der ursprüngliche aus der Düse 4 ausfällt. Die Zerstäubung des Brennstoffes 6 in dieser Stufe B ist weitgehend unabhängig von der bereitgestellte Zerstäubungsgüte in der vorangegangenen Stufe A. Der Querschnitt der Oeffnung 8 ist so ausgelegt, dass ca. 50% der durch den Kanal 5 herangeführten Luft zu schlucken vermag. Der restliche Luftanteil strömt direkt durch eine Anzahl Durchgänge 9, die in der Blende 3 vorgesehen sind, in eine stromab der letztgenannten Düse befindliche Kammer 10, die sich zwischen der Rückwand der ersten Blende 3 und der Vorderwand der zweiten Blende 2 ausbreitet. Dabei ist es wichtig, dass der Gesamtquerschnitt aller Durchgänge 9 eine genügend grosse Medium-Schluckfähigkeit aufweisen, und andererseits müssen diese Durchgänge 9 so angeordnet sein, dass sie möglichst auf einem äusseren Durchmesser der Blende 3 plaziert sind, dies um auch in der Kammer 10 eine radiale und/oder quasi-radiale Strömung der Luft 7a zum neuen Sprühkegel des Gemisches zu erhalten. In Stufe C findet sonach eine weitere Mischung des sich vorgängig in Stufe B gebildeten Gemisches statt, wobei diese Stufe C vornehmlich die Aufgabe erfüllt, allenfalls noch vorhandene Tropfen des flüssigen Brennstoffes 6 im Nachlauf zur vorangegangenen Stufe B definitiv zu zerstäuben, und, darüber hinaus, noch ein weiteres Richten des Sprühkegels in axialer Richtung zu bewerkstelligen. Demnach ermöglicht diese Zerstäubungsdüse sehr kleine Winkel des Sprühkegels, dies in der Grössenordnung von kleiner als 20°, wobei die Zerstäubung einen sehr hohen Grad an Homogenität erreicht, was für die nachfolgende Verbrennung bezüglich Schadstoffemissionen und Wirkungsgrad der Anlage von eminenter Wichtigkeit ist. Diese Zerstäubung ist auch weitgehend unabhängig vom Verschleiss der Komponenten der ganzen Doppelzerstäubungsdüse. Bei dieser Konfiguration lässt sich diese Düse auch optimal kühlen und abschirmen, falls beim jeweiligen Einsatz dies vonnöten sein sollte. Sowohl bei Teillastbetrieb oder Abschalten der Brennstoffzufuhr werden auch die letzten Tropfen gleich gut zerstäubt. Durch Aenderung des Abstandes D , zwischen Front der Düse 4 und Vorderwand der ersten Blende 3, und des Abstandes E, zwischen Rüchwand der ersten Blende 3 und Vorderwand der zweiten Blende 2, lässt sich der Sprühkegel in Stufe C, in Abhängigkeit zur Grösse der Brennstofftropfchen, zu einem Hohl- oder zu einem Vollkegel verändern. Mit vorliegender Doppelzerstäubungsdüse lässt sich ohne weiteres ein Mischbetrieb fahren: Der Luftstrom 7 kann mit einem Anteil eines gasförmigen Brennstoffes gemischt werden, ja es ist sogar möglich, durch den Kanal 5 allein einen gasförmigen Brennstoff heranzuführen. Diese Doppelzerstäubungsdüse eignet sich des weiteren vorzüglich, die herangeführte Luft 7 mit einem Anteil rückgeführten Abgases zu vermischen. Diese Abgasrezirkulation eignet sich vorzuglich zur Herabsetzung der Abgasemissionen bei einem nahstöchiometrischen Betrieb.

Claims

Drückzerstäubungsdüse für einen flüssigen Brennstoff, bestehend aus einem Aussenrohr (1), einer darin angeordneten Brennstoffdüse (4) zur Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes und einer der Brennstoffdüse neachgeschalteten Blende (3, 2), wobei der Brennstoffsprühkegel vor der Blende mit einem gasförmigen Medium so gemischt wird, dass das gasförmige Medium radial auf den Sprühkegel auftritt, dergestalt, dass der Sprühwinkel des Sprühkegels aus der Düse komprimiert wird und über die Blende hinaus ein verkleinerter Sprühkegel entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Kreis um die Achse der Blende (3) Durchgänge (9) vorgesehen sind, durch welche ein Teil des gasförmigen Mediums strömt und radial oder quasi-radial auf den verkleinerten Sprühkegel auftritt.
Druckzerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkegel unter einem Sprühwinkel ≦ 20° aus der Blende (3, 2) austritt.
Druckzerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium einen Druck von 20 mbar aufweist.
Druckzerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abströmungsseitig der mit den Durchgängen (9) versehenen Blende (3) eine zweite Blende (2) nachgeschaltet ist, dass der Abstand (D) zwischen Brennstoffdüse (4) und erster Blende (3) sowie der Abstand (E) zwischen erster Blende (3) und zweiter Blende (2) veränderbar sind.