EP0491079B1 - Brennerkopf für die vormischartige Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes in einer atmosphärischen Feuerungsanlage - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennerkopf gemäss den Merkmalen des Anspruchs 1.
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.
• Aus US-A-4,431,403 ist ein Brenner einer Feuerungsanlage bekanntgeworden, bei welchem der herangeführte Brennstoff über eine Brennstoffdüse zunächst in eine unmittelbar anschliessende Zone eingedüst wird. Konzentrisch zu der Brennstoffdüse ist ein Verbrennungsluftkanal angeordnet, der abströmungsseitig mit einer Blende abschliesst. Wiederum konzentrisch zu diesem ersten Verbrennungsluftkanal ist ein weiterer Verbrennungsluftkanal angeordnet, der im Bereich der Ebene der Brennstoffdüse mit drallerzeugenden Mitteln abschliesst, welche innerhalb der anschliessenden Zone Wirbel auslösen. Diese sich der Brennstoffdüse anschliessende Zone ist von konischer Ausgestaltung und sie weist, über ihren Umfang verteilt, Oeffnungen auf, durch welche ein von einem weiteren konzentrisch angeordneten Kanal stammender Luftstrom in den Innenraum strömt, und dort teilweise die Wirbel alimentiert. Abströmungsseitig dieser gemischbildenden Zone schliesst sich ein Ausbrandrohr an, welches im wesentlichen den gleichen Durchflussquerschnitt wie der Ausgangsquerschnitt der stromauf wirkenden gemischbildenden Zone aufweist. Im Ausbrandrohr selbst bildet sich eine ringförmige wellenartige Strömung der Heissgase, welche sich in axialer Richtung fortbewegt.
Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 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.
Bezeichnungsliste

1

Brennstofflanze

2

Brennstoffdüse

3

Blende

4

Verbrennungsluftkanal

5

Verbrennungsluft

6

Verbrennungsluftkanal

7

Verbrennungsluft

8

Vormischzone

9

Leitorgane

10

Abgase

11

Tangentialer Kanal

12a

Strömungshilfen

12b

Strömungshilfen

13

Vormischrohr

14

Wirbelrückströmzone

14a

Zentrum der Wirbelrückströmzone

15

Brennraum

16

Erweiterung

17

Wirbelring

18

Ort der Initialzündung

19

Ausbrandrohr

19a

Ausbrandrohr

20

Störkörper

Claims (5)

1. Brennerkopf für die vormischartige Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes in einer atmosphärischen Anlage, wobei der Brennerkopf eine Brennstofflanze mit einer Brennstoffdüse aufweist, um welche ein Verbrennungsluftkanal angeordnet ist, der abströmungsseitig mit mindestens einer Blende abschliesst, wobei um diesen Verbrennungsluftkanal mindestens ein weiterer Verbrennungsluftkanal angeordnet ist, der abströmungsseitig mit einer Anzahl von Leitorganen versehen ist, und wobei abströmungsseitig der Brennstoffdüse ein Brennraum vorhanden ist, der in Abströmungsrichtung aus einem Vormischrohr und einem Ausbrandrohr besteht, wobei das Ausbrandrohr (19, 19a) durch stufenformige radiale Erweiterung (16) einen grösseren Querschnitt als das vorgeschaltete Vormischrohr (13) aufweist, und dass das Vormischrohr (13) in radialer Richtung und die Erweiterung (16) in axialer Richtung strömungsfrei sind.
2. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verbrennungsluftkanal (11) stromauf des Vormischrohres (13) in den Brennraum (15) mündet.
3. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischrohr (13) und das Ausbrandrohr (19, 19a) konzentrisch zueinander stehen.
4. Brennerkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischrohr (13) und das Ausbrandrohr (19) zylindrisch sind.
5. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (3) stromauf, auf gleicher Höhe oder stromab der Brennstoffdüse (3) plaziert ist.

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