EP0491079A1 - Brennerkopf für die vormischartige Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes in einer atmosphärischen Feuerungsanlage - Google Patents

Brennerkopf für die vormischartige Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes in einer atmosphärischen Feuerungsanlage Download PDF

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EP0491079A1
EP0491079A1 EP90124798A EP90124798A EP0491079A1 EP 0491079 A1 EP0491079 A1 EP 0491079A1 EP 90124798 A EP90124798 A EP 90124798A EP 90124798 A EP90124798 A EP 90124798A EP 0491079 A1 EP0491079 A1 EP 0491079A1
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Claude Pelet
Hans Peter
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/20—Flame lift-off / stability

Definitions

  • the present invention relates to a burner head according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for operating the burner head.
  • the object of the invention is to minimize the pollutant emissions, in particular the NOx-CO and UHC emissions, in a burner head of the type mentioned at the outset.
  • the main advantage of the invention is that the shape of the burner head and the guiding of the combustion air through the burner result in a stabilization of the flame at the end of a premixing zone in the center and / or on the outer edge of the combustion chamber. If necessary, such flame stabilization can be achieved by introducing an interfering body downstream of the premixing zone.
  • a further advantage of the invention can be seen in the fact that the design of the burner head ensures natural, permanent protection of the fuel lance against caloric effects of the exhaust gas recirculated into the combustion chamber for mixing purposes. This is achieved by placing the fuel lance in a flow channel for the fresh air supply.
  • Another advantage of the invention is that at least part of the combustion air, which is preferably fresh air, receives a swirl in the area of its admixture with the exhaust gases introduced ( ⁇ fresh air> ⁇ exhaust gases) in the center of the flow.
  • Another important advantage of the invention results from the simple construction of the burner and its adaptability to the desired operation.
  • the only figure shows the design of a burner head.
  • the figure shows a burner head of an atmospheric furnace, which consists of a fuel lance 1 in the central area, which in turn ends in the direction of flow with a fuel nozzle 2.
  • the fuel nozzle 2 which is shown in the figure and is designed for a liquid fuel acts downstream of an orifice 3 which forms the end of a first channel 4 through which fresh air 5 is brought in.
  • This fuel nozzle 2 is an atomizing nozzle, which preferably works at pressures between 4 and 30 bar.
  • the configuration shown here between the fuel nozzle 2 and the orifice 3 is not the only feasible one, but it can be easily used as the basis for configurations in which the fuel nozzle 2 is at the same height as the orifice 3, or acts upstream of the latter, or by a combination of two or more orifices with air-assisted atomization are characterized. This essentially depends on the criteria according to which the fresh air 5 is supplied in the fresh air duct 4. A second is concentric with this first fresh air duct 4 Channel 6 is provided, through which fresh air 7 is also brought. Both air streams 5, 7 can originate from a single air stream, which is divided at an appropriate distance upstream of the fuel nozzle 3.
  • the first air stream 5 flows unhindered through the orifice 3 into a premixing zone 8 which extends downstream of the fuel nozzle 3, the other air stream 7 flows through the second channel 6, which is arranged concentrically with the first channel 4 and is equipped at the end with a number of guide elements 9, that form a swirl body.
  • the swirled air from this swirl body also flows into the premixing zone 8, wherein it mixes beforehand with an exhaust gas stream 10 recirculated by the injector effect.
  • These exhaust gases 10 flow into the premixing zone 8 through a tangential channel 11.
  • the combustion air in the premixing zone 8 is concerned, it can be said that in most cases this will consist of pure fresh air; however, as can be seen from the figure, it can also consist of a mixture of fresh air 7 and recirculated exhaust gas 10. Both the fresh air and the recirculated exhaust gas can also be easily enriched with a portion of a gaseous fuel.
  • the inflowing exhaust gas 10 is introduced into the premixing zone 8 by flow aids 12a, 12b, it initially mixing with the fresh air 7 downstream of the guide elements 9.
  • the continuation of the flow aid 12b in the direction of flow merges into a premixing tube 13, which extends to approximately the level of a vortex backflow zone 14, and there forms an extension 16 to a burnout tube 19 concentric with the latter tube 13, relative to the radial extension of the premixing zone 8.
  • This vortex backflow zone 14, the center 14a of which forms a calm zone ensures that flame stabilization occurs at the end of the premixing zone 8.
  • the spray angle from the fuel nozzle 2 is designed such that the premix tube 13 is not wetted. A first mixing with the fuel from the nozzle 2 takes place first of all through the fresh air 5 from the channel 4.
  • the figure shows a geometric variant of the burnout tube at the end of the premixing tube 13:
  • the geometric shape of this burnout tube characterized by a bulge 19a with a larger cross section, corresponds to the natural spatial shape of the swirl ring 17, which affects the flame stabilization in the combustion chamber 15, which is due to the diameter the burnout tubes 19 and 19a is limited, additionally has a positive effect, since this also prevents the vortex backflow zone 14 from migrating, ie flattening outward, into the premixing zone 8.
  • the flow of the media ie the fresh air 5 with respect to the fuel nozzle 2 and the other fresh air 7 and the exhaust gases 10 with respect to the orifice 3 and.
  • the premixing zone 8 can be held radially, quasi-radially to axially, depending on how the operating conditions are kept in the combustion chamber 15. As far as the rate of the recirculated exhaust gases 10 is concerned, it should be taken into account that a higher recirculation rate brings about an additional reduction in the O2 concentration in the combustion air, and thus a lower flame temperature in the combustion chamber, so that the NOx emissions can be minimized. If the flame without guide elements 9, that is, without swirl, and without extension 16, that is, without a jump in diameter between premixing tube 13 and burnout tube 19, respectively. 19a, are stabilized, then after the premixing zone 8 there is a disturbing body 20 which can have different geometrical configurations. In principle, a central physical thickening is sufficient for such a disruptive body 20, as is symbolized in the figure.

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Abstract

Der Brennerkopf weist eine Brennstofflanze (1) auf, welche den Brennerkopf in seiner Länge durchsticht und welche abströmungsseitig mit einer Brennstoffdüse (2) abschliesst. Um diese Brennstofflanze (1) herum wirkt ein Verbrennungsluftkanal (4), der abströmungsseitig mit einer Blende (3) aufhört. Um diesen ersten Verbrennungsluftkanal (4) ist ein weiterer Verbrennungsluftkanal (6) angeordnet, der abströmungsseitig in einen Auslauf übergeht, wo sich eine Anzahl von Leitorganen (9) befinden, welche mindestens der durch diesen Kanal strömenden Verbrennungsluft einen Drall aufzwingen. Von diesem Drall werden auch die im Bereich der Leitorgane (9) durch einen tangentialen Kanal (11) einströmenden Abgase (10) erfasst, wodurch sich eine gute Vermischung zwischen den beiden Medien einstellt. Abströmungsseitig der Brennstoffdüse (2) wirkt eine Vormischzone (8), an deren Ende sich eine Wirbelrückströmzone (14) anschliesst. Bis zu dieser Wirbelrückströmzone ist der Brennraum mit einem Vormischrohr (13) gegeben, anschliessend wirkt ein Ausbrandrohr (19, 19a), das gegenüber dem Vormischrohr (13) einen grösseren Querschnitt aufweist. Am Uebergang dieser beiden Rohre bildet sich ein Wirbelring (17), der die Wirbelrückströmzone (14) ummantelt und dafür sorgt, dass die Flammenstabilisierung aufrechterhalten bleibt, indem sich die letztgenannte Zone nicht verflachen kann. Die Initialzündung (18) des Gemisches findet im Wirbelring (17) statt.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennerkopf gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben des Brennerkopfes.
    • Stand der Technik
  • Bei Brennerdispositiven mit einer Vormischstrecke und einer freien Mündung zum in Abströmungsrichtung nachgeschalteten Brennraum stellt sich immer wieder das Problem , wie auf einfachste Art und Weise eine stabile Flamme erstellt werden kann. Hierüber sind bereits verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, die an sich nicht zu befriedigen vermochten. Eine bis anhin bekanntgewordene Ausnahme bildet der Erfindungsgegenstand gemäss EP-A1-321 809, der wohl gegenüber dem Stand der Technik sowohl betreffend Minimierung der Schadstoff-Emissionen als auch bezüglich Wirkungsgrades einen Quantensprung darstellt. Es gibt indessen Spezialfälle bei atmosphärischen Feuerungsanlagen, bei welchen der obengenannte Erfindungsgegenstand aus anderen Motiven nicht zum Einsatz gebracht werden kann, womit diese Feuerungsanlagen, gezwungenermassen, nach wie vor mit einer überholten Technik betrieben werden müssten, was schon im Lichte der gesetzlich maximal zulässigen Schadstoff-Emissionen nicht mehr zulässig ist.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brennerkopf der eingangs genannten Art die Schadstoff-Emissionen, insbesondere die NOx-CO-und UHC-Emissionen, zu minimieren.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Formgebung des Brennerkopfes sowie die Führung der Verbrennungsluft durch den Brenner sich am Ende einer Vormischzone im Zentrum und/oder am Aussenrand des Brennraumes eine Stabilisation der Flamme einstellt. Bei Bedarf kann eine solche Flammenstabilisation durch Einbringen eines Störkörpers stromab der Vormischzone erreicht werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Ausgestaltung des Brennerkopfes einen natürlichen dauernden Schutz der Brennstofflanze vor kalorischen Einwirkungen des zu Mischzwecken in den Brennraum rezirkulierten Abgases gewährleistet. Dies wird erreicht, indem die Brennstofflanze in einem Strömungskanal für die Frischluftzuführung plaziert ist.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass mindestens ein Teil der Verbrennungsluft, die vorzugsweise Frischluft ist, im Bereich ihrer Zumischung mit den herangeführten Abgasen einen Drall (ρ Frischluft > ρ Abgase) im Zentrum der Strömung erhält.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der einfachen Konstruktion des Brenners, und dessen Anpassungsfähigkeit nach dem jeweils gewünschten Betrieb.
  • Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
  • Im folgenden wird anhand der einzigen Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
    • Kurze Darstellung der Zeichnung
  • Die einzige Figur zeigt die Ausgestaltung eines Brennerkopfes.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit
  • Die Figur zeigt einen Brennerkopf einer atmosphärischen Feuerungsanlage, der im zentralen Bereich aus einer Brennstofflanze 1 besteht, welche ihrerseits in Strömungsrichtung mit einer Brennstoffdüse 2 endet. Die in der Figur ersichtliche für einen flüssigen Brennstoff ausgelegte Brennstoffdüse 2 wirkt stromab einer Blende 3, welche den Abschluss eines ersten Kanals 4 bildet, durch welchen Frischluft 5 herangeführt wird. Bei dieser Brennstoffdüse 2 handelt es sich um eine Zerstäubungsdüse, welche vorzugsweise mit Drücken zwischen 4 und 30 bar arbeitet. Die hier gezeigte Konfiguration zwischen Brennstoffdüse 2 und Blende 3 ist nicht die einzige machbare, sondern es können ohne weiteres Konfigurationen zugrundegelegt werden, bei welchen sich die Brennstoffdüse 2 auf gleicher Höhe der Blende 3 befindet, oder stromauf der letztgenannten wirkt, oder durch eine Kombination von zwei oder mehreren Blenden mit luftunterstützten Zerstäubung charakterisiert sind. Dies hängt im wesentlichen davon ab, nach welchen Kriterien die Frischluft 5 im Frischluftkanal 4 zugeführt wird. Konzentrisch zu diesem ersten Frischluftkanal 4 ist ein zweiter Kanal 6 vorgesehen, durch welchen ebenfalls Frischluft 7 herangeführt wird. Beide Luftströme 5, 7 können aus einem einzigen Luftstrom stammen, welcher sich in einem angemessenen Abstand stromauf der Brennstoffdüse 3 aufteilt. Während der erste Luftstrom 5 unbehindert über die Blende 3 in eine stromab der Brennstoffdüse 3 sich erstreckende Vormischzone 8 einströmt, strömt der andere Luftstrom 7 durch den konzentrisch zum ersten Kanal 4 angelegten zweiten Kanal 6, der endseitig mit einer Reihe von Leitorganen 9 bestückt ist, die einen Drallkörper bilden. Die verdrallte Luft aus diesen Drallkörper strömt ebenfall in die Vormischzone 8 ein, wobei sie sich vorgängig mit einem durch Injektorwirkung rezirkulierten Abgasstrom 10 vermischt. Diese Abgase 10 strömen durch einen tangentialen Kanal 11 in die Vormischzone 8 ein. Was die Verbrennungsluft in der Vormischzone 8 betrifft, so ist zu sagen, dass diese in den meisten Fällen aus reiner Frischluft bestehen wird; sie kann aber auch, wie dies aus der Figur hervorgeht, aus einem Gemisch aus Frischluft 7 und rückgeführtem Abgas 10 bestehen. Sowohl die Frischluft als auch das rückgeführte Abgas können darüber hinaus ohne weiteres mit einem Anteil eines gasförmigen Brennstoffes angereichert werden. Das einströmende Abgas 10 wird durch Strömungshilfen 12a, 12b in die Vormischzone 8 eingeleitet, wobei es sich stromab der Leitorgane 9 vorerst mit der Frischluft 7 vermischt. Die Fortsetzung der Strömungshilfe 12b in Strömungsrichtung geht in ein Vormischrohr 13 über, das sich bis etwa auf Höhe einer Wirbelrückströmzone 14 erstreckt, und dort gegenüber der radialen Ausdehnung des Vormischzone 8 eine Erweiterung 16 zu einem zu letztgenanntem Rohr 13 konzentrischen Ausbrandrohr 19 bildet. Diese Wirbelrückströmzone 14, deren Zentrum 14a eine ruhige Zone bildet, sorgt dafür, dass sich am Ende der Vormischzone 8 eine Flammenstabilisierung einstellt. Der Sprühwinkel aus der Brennstoffdüse 2 ist so ausgelegt, dass das Vormischrohr 13 nicht benetzt wird. Eine erste Vermischung mit dem Brennstoff aus der Düse 2 geschieht zunächst durch die Frischluft 5 aus dem Kanal 4. Im allgemeinen ist zu erwarten, dass sich diese Vermischung etwa entsprechend dem Sprühwinkel aus der Brennstoffdüse 2 ausbreiten wird, so dass das Gemisch aus Frischluft 7 und Abgas 10, das mit einem Drall in die Vormischzone 8 einströmt, erst am Ende des Vormischrohres 13 zur Zündung gelangt. Hinter der Erweiterung 16 entsteht ein räumlich begrenzter Wirbelring 17, welcher die Flammenstabilisierung unterstützt, denn damit kann sich die Wirbelrückströmzone 14 nicht gegen aussen verflachen, wohin sie tendentiell neigt. An der stromabwärtsseitigen Peripherie dieses Wirbelringes 17 ist ein Ort 18 vorgesehen, wo die Initialzündung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches stattfindet. In der Figur ist eine geometrische Variante des Ausbrandrohres am Ende des Vormischrohres 13 ersichtlich: Die geometrische Formgebung dieses Ausbrandrohres, durch eine querschnittsvergrössernde Ausbuchtung 19a charakterisiert, entspricht der natürlichen räumlichen Form des Wirbelringes 17, was sich auf die Flammenstabilisierung im Brennraum 15, der durchmesserseitig durch die Ausbrandrohre 19 und 19a begrenzt ist, zusätzlich positiv auswirkt, denn damit wird auch eine Wanderung der Wirbelrückströmzone 14, d.h. eine Verflachung derselben nach aussen, in die Vormischzone 8 verhindert. Die Strömung der Medien, also der Frischluft 5 gegenüber der Brennstoffdüse 2 und der anderen Frischluft 7 sowie der Abgase 10 gegenüber der Blende 3 resp. der Vormischzone 8 kann radial, quasi-radial bis axial gehalten werden, je nach dem, wie die Betriebsverhältnisse im Brennraum 15 gehalten werden. Was die Rate der rückgeführten Abgase 10 betrifft, so ist zu berücksichtigen, dass eine höhere Rezirkulationsrate eine zusätzliche Reduktion der O₂-Konzentration in der Verbrennungsluft bewirkt, und damit eine tiefere Flammentemperatur im Brennraum, damit können die NOx-Emissionen minimiert werden. Soll die Flamme ohne Leitorgane 9, also ohne Drall, und ohne Erweiterung 16 , also ohne Durchmessersprung zwischen Vormischrohr 13 und Ausbrandrohr 19 resp. 19a, stabilisiert werden, so sieht man nach der Vormischzone 8 einen Störkörper 20 vor, der verschiedene geometrische Ausgestaltungen haben kann. Grundsätzlich genügt für einen solchen Störkörper 20 eine zentrale körperliche Verdickung, wie dies in der Figur versinnbildlicht wird.

Claims (7)

  1. Brennerkopf für die vormischartige Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes in einer atmosphärischen Feuerungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf eine Brennstofflanze (1) mit einer Brennstoffdüse (2) aufweist, um welche ein Verbrennungsluftkanal (4) angeordnet ist, der abströmungsseitig mit mindestens einer Blende (3) abschliesst, dass um diesen Verbrennungsluftkanal (4) mindestens ein weiterer Verbrennungsluftkanal (6, 11) angeordnet ist, der abströmungsseitig mit einer Anzahl von Leitorganen (9) versehen ist, dass abströmungsseitig der Brennstoffdüse (2) ein Brennraum (15) vorhanden ist, der in Abströmungsrichtung aus einem Vormischrohr (13) und einem Ausbrandrohr (19, 19a) besteht.
  2. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsluftkanal (11) stromauf des Vormischrohres (13) in den Brennraum (15) einmündet.
  3. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbrandrohr (19, 19a) einen grösseren Querschnitt als das Vormischrohr (13) aufweist.
  4. Brennerkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischrohr (13) und das Ausbrandrohr (19) zylindrisch sind.
  5. Brennerkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbrandrohr eine querschnittsvergrössende Ausbuchtung (19a) aufweist.
  6. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (3) stromauf, auf gleicher Höhe oder stromab der Brennstoffdüse (3) wirkbar ist.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Verbrennungsluft (5) über mindestens eine Blende (3) in eine stromab einer Brennstoffdüse (2) gelegene Vormischzone (8) einströmt, dass ein weiterer Teil der Verbrennungsluft (7) vor Einströmung in die Vormischzone (8) durch eine Anzahl von Leitorganen (9) einen Drall erhält und sich anschliessend mit einem rückgeführtem Abgas (10) vermischt, dass sich stromab der Vormischzone (8) am Uebergang zwischen Vormischrohr (13) und Ausbrandrohr (19, 19a) ein Wirbelring (17) bildet, der eine am Ende der Vormischzone (8) sich bildende Wirbelrückströmzone (14) umgibt, und dass die Initialzündung des Gemisches aus Verbrennungsluft und Brennstoff im Wirbelring (17) geschieht.
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