EP0641971A2 - Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners - Google Patents

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EP0641971A2
EP0641971A2 EP94112811A EP94112811A EP0641971A2 EP 0641971 A2 EP0641971 A2 EP 0641971A2 EP 94112811 A EP94112811 A EP 94112811A EP 94112811 A EP94112811 A EP 94112811A EP 0641971 A2 EP0641971 A2 EP 0641971A2
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EP
European Patent Office
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premix burner
fuel
section
partial bodies
inlet slots
Prior art date
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EP94112811A
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English (en)
French (fr)
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EP0641971B1 (de
EP0641971A3 (de
Inventor
Klaus Dr. Döbbeling
Hans Peter Knöpfel
Thomas Dr. Sattelmayer
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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Publication of EP0641971A3 publication Critical patent/EP0641971A3/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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    • 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
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2214/00—Cooling

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1. It also relates to a burner for carrying out the method.
  • the mixture formation from fresh air, possibly enriched by a quantity of recirculated exhaust gas, and fuel to form a combustion air flow takes place in such a way that the premix burner can have different fuel injections.
  • a first possibility is that at the beginning of the premix burner, that is to say in the area of its smallest cross-section, at least one fuel nozzle is provided, which is placed in the center of the mutually offset central axes of the partial bodies.
  • a further fuel injection which can either be operated individually or is operatively connected to the aforementioned fuel nozzle, is provided by providing a series of fuel nozzles along the tangential inlet slots at the transition to the interior.
  • the injection of a liquid fuel through the nozzle placed in the middle occurs in such a way that a conical spray-like fuel column forms in the direction of flow of the premix burner, which, however, does not wet the inner walls of the cone cavity.
  • This fuel column is enclosed by the air flow flowing into the interior and, if need be, by an axially brought in further air flow, in such a way that a mixture formation takes place within the premix burner.
  • This mixture comes to ignition at the outlet of the premix burner, with stabilization of the flame front being induced in the region of this burner mouth by a backflow zone formed there.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention is based on the object of proposing means in a method and in a burner for carrying out the method of the type mentioned at the outset which ensure stable premix combustion with the lowest possible degree of turbulence and minimized NOx emissions.
  • the remedy in the present invention is introduced at a suitable point of a venturi mixer which is connected upstream of the interior of the burner in the combustion air flow.
  • the venturi mixer can be expanded with a cooling air flow.
  • the type of design offers great advantages especially when the fuel has high hydrogen contents.
  • the fuel is injected to a point where the highest combustion air speed prevails.
  • the lower flame speeds at the exit of the burner can induce better flame stability, i.e. trigger lower pulsations.
  • the Venturi mixer enables a good mixture formation between fuel and air with a low pressure drop.
  • the invention also has a further significant advantage, which consists in the fact that no premixing section for a fuel injected there has to be provided above the tangential inlet slots, so that the original compactness of the burner is not lost due to the expansion to fuels with a high hydrogen content.
  • the invention also makes it unnecessary to increase the fuel pressure before the fuel is injected, in order to provide better mixture formation, as is always the case with conventional premixing sections.
  • FIG. 1 In order to better understand the structure of the premix burner X, it is advantageous if, at the same time as in FIG. 1, FIG. 2, and possibly also FIG. 3, which show a radial section through the premix burner X are used. Furthermore, in order not to make FIG. 1 unnecessarily confusing, the venturi mixers shown in FIGS. 2 and 3 in the region or above the tangential air inlet slots and the combustion air supply have not been shown. In the following, reference is also made to the other figures in the description of FIG. 1, if necessary for clarification.
  • the premix burner X according to FIG. 1 consists of two half-conical partial bodies 1, 2 which are offset from one another.
  • the number of tapered partial bodies required to form the premix burner X is not limited to two.
  • the conical shape of the partial bodies 1, 2 shown has a certain fixed angle in the direction of flow.
  • the partial bodies 1, 2 can have a different opening configuration in the flow direction, for example a regular or irregular increasing cone inclination, which leads to a trumpet shape, or a regular or irregular decreasing cone inclination, which leads to a tulip shape.
  • the last two forms are not included in the drawing, since they are easy to understand. Which form is ultimately chosen depends on the various parameters of the respective combustion.
  • the offset of the respective central axis 1b, 2b of the conical partial bodies 1, 2 to one another creates on both sides in Axially symmetrical arrangement each free a tangential air inlet slot 21, 22 (Fig. 2 + 3) and an axial inflow cross section 18 through which the combustion air 15, 16 consisting of a fresh air or a mixture of fresh air and flue gas flows into the interior 14 of the premix burner X.
  • the two tapered partial bodies 1, 2 each have a cylindrical starting part 1a, 2a, which likewise run offset, analogously to the partial bodies 1, 2, so that the tangential air inlet slots 21, 22 are present over the entire length of the premix burner X.
  • the premix burner X can be designed in a purely conical manner, that is to say without cylindrical starting parts 1a, 2a. At least one fuel nozzle 3 is accommodated within this cylindrical starting part 1a, 2a, which is particularly suitable, for example, as a seat for anchoring the entire premix burner X.
  • Both partial bodies 1, 2 each have a fuel line 8, 9, which extends in the axial direction and which are provided with a number of nozzles 17.
  • a gaseous fuel 13 is preferably passed through these lines and is added to the combustion air 15 flowing through the nozzles 17 in the region of the tangential air inlet slots 21, 22 (cf. FIG. 2).
  • the premix burner X can, however, also be operated solely with the fuel supply via the nozzle 3 or via the nozzles 17. Mixed operation is of course possible via both nozzles 3, 17, in particular when different fuels are to be supplied via the individual nozzles.
  • the premix burner X On the combustion chamber side 11, the premix burner X has a collar-shaped plate 10 which has a number of bores 10a through which dilution or cooling air is fed to the front part of the premix burner X. If a liquid fuel is supplied via the nozzle 3, it is injected into the interior 14 of the premix burner X at an acute angle, in such a way that that a conical spray pattern 5 which is as homogeneous as possible is obtained up to the burner outlet level.
  • the fuel injector 4 can be an air-assisted nozzle or a nozzle that works according to a pressure atomization principle.
  • the conical spray pattern 5 is enclosed, corresponding to the number of air inlet slots 21, 22, by combustion air streams 15 flowing in tangentially and by the combustion air 16 which is brought in axially.
  • the concentration of the injected fuel 12 is continuously reduced by the combustion air streams 15, 16 mentioned. If a gaseous fuel 13 is generally introduced in the area of the tangential inlet slots 21, 22, the mixture formation with the combustion air 15 already begins in this area.
  • the optimal, homogeneous fuel concentration over the cross section is achieved in the area of the vortex run, ie in the area of the backflow zone 6 at the end of the premix burner X.
  • the ignition of the fuel / combustion air mixture begins at the top of the return flow zone 6. Only at this point can a stable flame front 7 arise.
  • a flashback of the flame into the interior of the premix burner X as is always to be feared in the case of the premixing sections which have hitherto become known, whereas there is no need to remedy this with complicated flame holders, is not to be feared here.
  • the tapered partial body 1, 2 with respect to the taper and width of the tangential air inlet slots 21, 22, it is advantageous if narrow limits are observed here so that the desired flow field of the combustion air with its return flow zone 6 in the area of the mouth of the premix burner X is Flame stabilization sets.
  • a reduction in the size of the air inlet slots 21, 22 shifts the backflow zone 6 further upstream, but this then causes the mixture to ignite earlier.
  • the once-fixedly fixed backflow zone 6 is inherently position-stable, because the swirl number increases in the direction of flow in the region of the cone shape of the premix burner X.
  • the axial speed of the mixture can also be influenced by the aforementioned axial supply of combustion air 16.
  • the construction of the premix burner X is particularly suitable for the given length of the burner, which should not be exceeded, to change the gap width of the tangentail air inlet slots 21, 22 by the conical partial bodies 1, 2 being able to be moved towards or away from one another, as a result of which the distance between the two Central axes 1b, 2b, as a result, reduced or. enlarged, as can be derived from Fig. 2 well. It is also readily possible to move the tapered partial bodies 1, 2 into one another by means of a rotating movement. It is thus possible, with appropriate precautions, to vary the shape and size of the tangential air inlet slots 21, 22 during operation, which means that the same premix burner X can cover a wide range of functions without changing the overall length.
  • a venturi mixer 32 is provided over the entire length of the premix burner, which consists of a double passage, ie consists of flows 33, 34.
  • the middle venturi body 35 also serves as a fuel feed line. It is further provided with nozzles 36 on both sides in the direction of the above-mentioned flows 33, 34.
  • the flows 33, 34 develop a venturi effect in that the two other adjacent bodies 37, 38 are also designed in a venturi manner.
  • This simple splitting of the venturi mixer 32 has the effect that the overall length of the mixture-forming area can be minimized sustainably without having to forego the advantages of individual venturi sections.
  • This splitting can be a multiple, and can also be carried out in the sense of a Venturi matrix, not shown. In the latter possible embodiment, it is a matter of covering the flow into the interior 14 of the premix burner X with many small pipe venturies.
  • FIG. 3 differs fundamentally from FIG. 2 in that the tapered partial bodies 1, 2 are expanded with additional guide plates 41, 42, through which a cooling air flow 43 also flows, which cools the partial bodies 1, 2 among others.
  • a simple vent flow 45 is created compared to the combustion air 15, which is why the fuel nozzles 46 only act here.
  • Another venturi effect arises in relation to the cooling air flow 43.
  • the venturi body 47 is also designed here as a fuel feed pipe.
  • Venturi mixers 32, 44 are connected upstream of the interior 14 of the premix burner X.

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Abstract

Für die Heissgaserzeugung, beispielsweise in einer Feuerungsanlage, wird ein Vormischbrenner (X) eingesetzt, der im wesentlichen aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkörper (1, 2) besteht, deren Mittelachse (1b, 2b) in Längsrichtung der Teilkörper (1, 2) zueinander versetzt verlaufen. Durch diese Versetzung entstehen jeweils tangentiale Eintrittsschlitze (21, 22), durch welche ein Verbrennungsluftstrom (15) in den Innenraum (14) des Vormischbrenners (X) strömt. Im Bereich dieser tangentialen Eintrittsschlitze (21, 22) sind Venturimischer (32) mit Brennstoffdüsen (36) angeordnet, durch welche ein Brennstoff (31) in die dort vorbeiströmenden Verbrennungsluft (15) eingedüst wird. <IMAGE> <IMAGE>

Description

    Technisches Gebeiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.
    • Stand der Technik
  • Im Hinblick auf die vorgeschriebenen, extrem niedrige NOx-, CO- und UHC-Emissionen beim Betrieb eines Wärmeerzeugers ist man dazu übergegangen, die Diffusionsverbrennung durch eine Vormischstrecke, und dementsprechend durch eine Vormischverbrennung zu ersetzen. Eine wichtige Neuerung auf diesem Gebiet ist seit Publikation der Druckschrift EP-0 321 809 bekanntgeworden. Der Vorschlag aus dieser Druckschrift geht dahin, die herkömmlichen Vormischstrecken durch einen Vormischbrenner zu ersetzen, der im wesentlichen in Strömungsrichtung aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen kegelförmigen Teilkörpern besteht, wobei die Mittelachsen dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen. Dadurch entstehen entlang des so gebildeten Vormischbrenners strömungsmässig entgegengesetzte tangentiale Eintrittsschlitze, durch welche ein Luftstrom in den Innenraum des Vormischbrenners strömt. Die Gemischbildung aus Frischluft, allenfalls durch eine Menge rückgeführtem Abgas angereichert, und Brennstoff zur Bildung eines Verbrennungsluftstromes geschieht dergestalt, dass der Vormischbrenner verschiedene Brennstoffeindüsungen aufweisen kann. Eine erste Möglichkeit besteht darin, dass am Anfang des Vormischbrenners, also im Bereich seines kleinsten Querschnittes, mindestens eine Brennstoffdüse vorgesehen ist, welche mittig der zueinander versetzt verlaufenden Mittelachsen der Teilkörper plaziert ist. Eine weitere Brennstoff-Eindüsung, welche entweder individuell betreibbar ist, oder in Wirkverbindung mit der vorgenannten Brennstoffdüse steht, wird bereitgestellt, indem entlang der tangentialen Eintrittsschlitze, am Uebergang in den Innenraum, eine Reihe Brennstoffdüsen vorgesehen werden. Beispielsweise die Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes durch die mittig plazierte Düse geschieht so, dass sich in Strömungsrichtung des Vormischbrenners eine kegelige sprayartige Brennstoffsäule bildet, welche indessen die Innenwände des Kegelhohlraumes nicht benetzt. Diese Brennstoffsäule wird von dem in den Innenraum einströmenden Luftstrom und allenfalls von einem axial herangeführten weiteren Luftstrom umschlossen, dergestalt, dass innerhalb des Vormischbrenners eine Gemischbildung stattfindet. Dieses Gemisch kommt am Ausgang des Vormischbrenners zur Zündung, wobei im Bereich dieser Brennermündung durch eine sich dort bildende Rückströmzone eine Stabilisierung der Flammenfront induziert wird.
  • Werden bei einem solchen Vormischbrenner aber Brennstoffe mit einem hohen Wasserstoffgehalt verbrannt, so ergeben sich Probleme mit der oben erläuterten Flammenstabilisation. Der Brenner geht, bedingt durch die höhere Flammengeschwindigkeit des Wasserstoffes, von einem Vormischbetrieb in einen Diffusionsbetrieb über. Daraus ergeben sich folgende Probleme:
    • Der Brenner überhitzt,
    • Die NOx-Emissionen steigen kräftig an,
    • Im Uebergangsbereich zwischen Diffusions- und Vormischbetrieb treten Pulsationen auf.
    Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren sowie bei einem Brenner zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art Mittel vorzuschlagen, welche eine stabile Vormischverbrennung mit möglichst kleinem Turbulenzgrad und minimierten NOx-Emissionen gewährleisten.
  • Die Abhilfe wird bei vorliegender Erfindung durch Einführung an geeigneter Stelle eines Venturimischers, welcher im Verbrennungsluftstrom dem Innenraum des Brenners vorgeschaltet ist. Dabei kann der Venturimischer mit einem Kühlluftstrom erweitert werden. Die Auslegungsart bietet insbesondere dann grosse Vorteile, wenn der Brennstoff hohe Wasserstoffanteile aufweist. Der Brennstoff wird dabei an eine Stelle eingedüst, wo die höchste Verbrennungsluft-Geschwindigkeit vorherrscht.
  • Weitere Vorteile der Erfindung sind des weiteren insbesondere darin zu sehen, dass sich die Brennstoff-Eindüsungsstelle im Bereich der Venturistrecke befindet; dort herrscht eine relativ hohe Geschwindigkeit der Verbrennungsluft vor, wodurch eine schnelle und umfassende Durchmischung des eingegebenen Brennstoffes mit dem anderen Medium stattfindet.
  • Ferner vermögen die kleineren Flammengeschwindigkeiten am Ausgang des Brenners eine bessere Flammenstabilität zu induzieren, d.h. geringere Pulsationen auslösen.
  • Durch den Venturimischer ist eine gute Gemischbildung zwischen Brennstoff und Luft bei geringem Druckverlust realisierbar.
  • Die Erfindung weist ferner einen weiteren wesentlichen Vorteil auf, der darin besteht, dass oberhalb der tangentialen Eintrittsschlitze keine Vormischstrecke für einen dort eingedüsten Brennstoff vorgesehen werden muss, womit die ursprüngliche Kompaktheit des Brenners durch die Erweitereung auf Brennstoffe mit hohem Wasserstoffgehalt nicht verloren geht.
  • Auch erübrigt sich durch die Erfindung, den Brennstoffdruck, zwecks Hilfebeistellung zu einer besseren Gemischbildung, vor Eindüsung des Brennstoffes zu erhöhen, wie dies bei üblichen Vormischstrecken stets der Fall ist.
  • Weitere Vorteile hinsichtlich Minimierung der Turbulenzen im Bereich der Eintrittsschlitze zum Innenraum des Brenners ergeben sich dann, wenn der Venturimischer im Bereich ebendieser Eintrittsschlitze plaziert ist oder dort seine Wirkung zu entfalten vermag.
  • Vorteilhafte zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
  • Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen gekennzeichnet.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen Vormischbrenner von der Form eines Doppelkegelbrenners, in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten, wobei hier nur der Hauptkörper des Vormischbrenners ersichtlich ist,
    Fig. 2
    einen Schitt durch die Ebene II-II aus Fig. 1 und
    Fig 3
    .eine weitere Ausführung des Verbrennungsluft-Zuführung oberhalb der tangentialen Eintrittsschlitze.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit
  • Um den Aufbau des Vormischbrenners X besser zu verstehen ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die Fig. 2, allenfalls auch Fig. 3, welche einen radialen Schnitt durch den Vormischbrenner X zeigen, herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötigerweise unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die aus Fig. 2 und 3 hervorgehenden Venturimischer im Bereich oder oberhalb der tangentialen Lufteintrittsschlitze sowie die Verbrennungsluft-Zuführung nicht dargestellt worden. Im folgenden wird auch bei der Beschreibung von Fig. 1, nach Bedarf für die Klarstellung, auf die anderen Figuren verwiesen.
  • Der Vormischbrenner X gemäss Fig. 1 besteht aus zwei halben kegeligen Teilkörpern 1, 2, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Selbstverständlich ist die zur Bildung des Vormischbrenners X benötigte Anzahl an kegeligen Teilkörpern nicht auf zwei beschränkt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 1, 2 weist in Strömungsrichtung einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich können die Teilkörper 1, 2 in Strömungsrichtung eine andere Oeffnungskonfiguration aufweisen, beispielsweise eine regelmässige oder unregelmässige zunehmende Kegelneigung, welche bildlich etwa zu einer Trompetenform führt, oder eine regelmässige oder unregelmässige abnehmende Kegelneigung, welche bildlich in etwa zu einer Tulpenform führt. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie ohne weiteres nachzuempfinden sind. Welche Form schlussendlich gewählt wird, hängt von den verschiedenen Parametern der jeweiligen Verbrennung ab. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse 1b, 2b der kegeligen Teilkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in achsensymmetrischer Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittschlitz 21, 22 (Fig.2+3) und einen axialen Einströmungsquerschnitt 18 frei, durch welche die aus einem Frischluft oder einem Gemisch aus Frischluft und Rauchgas bestehende Verbrennungsluft 15, 16 in den Innenraum 14 des Vormischbrenners X strömt. Die beiden kegeligen Teilkörper 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a, welche ebenfalls analog zu den Teilkörpern 1, 2 versetzt verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 über die ganze Länge des Vormischbrenners X vorhanden sind. Selbstverständlich kann der Vormischbrenner X rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 1a, 2a ausgebildet sein. Innnerhalb dieses zylindrischen Anfangsteils 1a, 2a, der sich beispielsweise besonders gut als Sitz für die Verankerung des ganzen Vormischbrenners X eignet, ist mindestens eine Brennstoffdüse 3 untergebracht. Beide Teilkörper 1, 2 weisen nach Bedarf je eine in axialer Richtung sich erstreckende Brennstoffleitung 8, 9 auf, welche mit einer Anzahl Düsen 17 versehen sind. Durch diese Leitungen wird vorzugweise ein gasförmiger Brennstoff 13 geleitet, der durch die genannten Düsen 17 im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 (Vgl. Fig. 2) der dort durchströmenden Verbrennungsluft 15 beigegeben wird. Der Vormischbrenner X kann indessen auch allein mit der Brennstoffzuführung über der Düse 3, oder über die Düsen 17 betrieben werden. Selbstverständlich ist ein Mischbetrieb über beide Düsen 3, 17 möglich, insbesondere dann, wenn über die einzelnen Düsen verschiedenen Brennstoffe zugeführt werden sollen. Brennraumseitig 11 weist der Vormischbrenner X eine kragenförmige Platte 10 auf, welche eine Anzahl Bohrungen 10a aufweist, durch welche Verdünnungs- oder Kühlluft dem vorderen Teil des Vormischbrenners X zugeführt wird. Wird über die Düse 3 ein flüssiger Brennstoff zugeführt, so wird dieser in einem spitzen Winkel in den Innenraum 14 des Vormischbrenners X eingedüst, dergestalt, dass sich bis zur Brenneraustrittsebene ein möglichst homogenes kegeliges Spraybild 5 einstellt. Bei der Brennstoffeindüsung 4 kann es sich um eine luftunterstützte Düse oder um eine Düse handeln, welche nach einem Druckzerstäubungsprinzip arbeitet. Das kegelige Spraybild 5 wird, entsprechend der Anzahl der Lufteintrittsschlitze 21, 22, von tangential einströmenden Verbrennungsluftströmen 15 und von der axial herangeführten weiteren Verbrennungsluft 16 umschlossen. In Strömungsrichtung des Vormischbrenners X wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 12 fortlaufend durch die genannten Verbrennungsluftströme 15, 16 abgebaut. Wird allgemein ein gasförmiger Brennstoff 13 im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze 21, 22 eingebracht, beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 15 bereits in diesem Bereich. Beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffes 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 6 am Ende des Vormischbrenners X, die optimale, homogene Brennstoff-Konzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches beginnt an der Spitze der Rückströmzone 6. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 7 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Vormischbrenners X, wie dies bei den bis anhin bekanntgewordenen Vormischstrecken stets zu befürchten ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern nach Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 15, 16 allenfalls vorgewärmt, so stellt sich eine beschleunigte ganzheitliche Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 12 ein, bevor der Punkt am Ausgang des Vormischbrenners X erreicht ist, an welchem die Zündung des Gemisches stattfinden. Der Grad der Verdampfung ist von der Grösse des Vormischbrenners X, der Tropfengrösse des eingedüsten Brennstoffes 12 und von der Temperatur der Verbrennungsluftströme 15, 16 und deren Intensität abhängig. Die Minimierung der Schadstoff-Emissionen hängt gewichtig auch von der Rauchgasrezirkulation ab, welche dazu beiträgt, dass eine vollständige Verdampfung des Brennstoffes vor Eintritt in die Verbrennungszone stattfinden kann. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 1, 2 hinsichtlich Kegelneigung und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 ist es von Vorteil, wenn hier enge Grenzen eingehalten werden, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft mit ihrer Rückströmzone 6 im Bereich der Mündung des Vormischbrenners X zur Flammenstabilisierung einstellt. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze 21, 22 die Rückströmzone 6 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist hier zu sagen, dass die einmal örtlich fixierte Rückströmzone 6 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Vormischbrenners X zu. Die Axialgeschwindigkeit des Gemisches lässt sich des weiteren durch die bereits genannte axiale Zuführung von Verbrennungsluft 16 beeinflussen. Die Konstruktion des Vormischbrenners X eignet sich bei vorgegebner, nicht zu überschreitender Baulänge des Brenners vorzüglich, die Spaltbreite der tangentailen Lufteintrittsschlitze 21, 22 zu verändern, indem die kegeligen Teilkörper 1, 2 zu- oder auseinander verschoben werden können, wodurch sich der Abstand der beiden Mittelachsen 1b, 2b, als Folge davon, verkleinert resp. vergrössert, wie dies aus Fig. 2 gut ableitbar ist. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 1, 2 durch eine drehende Bewegung ineinander zu verschieben. Somit ist es möglich, bei entsprechender Vorkehrung, die Form und die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 während des Betriebes zu variieren, womit, ohne Veränderung der Baulänge, der gleiche Vormischbrenner X eine breite Funktionalität abdecken kann.
  • Wie bereits weiter oben dargelegt, treten beim Betrieb des Vormischbrenners X mit einem Brennstoff mit hohem Wasserstoffgehalt Probleme hinsichtlich der Flammenstabilisation auf, weshalb der Vormischbrenner X im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 eine Erweiterung erfahren soll. Diese Erweiterungen sind in den folgenden Figuren 2 und 3 dargestellt, wobei bei diesen Ausführungsformen die ursprüngliche Brennstoffeindüsung über die Düsen 17 (Vgl. Fig. 1) entfällt. Selbstverständlich ist nach wie vor möglich, die Brennstoffdüse 3 mit in Betrieb zu nehmen.
    Gemäss Fig. 2 wird der Brennstoff 31 am Ort der höchstens Gemischwindigkeit des Verbrennungsluftstromes 15 eingedüst, also ebenfalls im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22. In diesem Bereich wird ein Venturimischer 32 über die ganze Länge des Vormischbrenners vorgesehen, der aus einer zweifachen Passage, d.h. aus Durchströmungen 33, 34 besteht. Der mittlere Venturikörper 35 dient zugleich als Brennstoffzuleitung. Er ist des weiteren beidseitig in Richtung der genannten Durchströmungen 33, 34 mit Düsen 36 versehen. Die Durchströmungen 33, 34 entfalten eine Venturiwirkung, indem die beiden anderen benachbarten Körper 37, 38 ebenfalls venturimässig ausgebildet sind. Schon diese einfache Aufspaltung des Venturimischers 32 bewirkt, dass die Baulänge des gemischbildenden Bereichs nachhaltig minimiert werden kann, ohne auf die Vorteile einzelner Venturistrecke verzichtet zu müssen. Diese Aufspaltung kann eine Mehrfache sein, und auch im Sinne einer nicht dargestellten Venturimatrix ausgeführt werden. Bei letztgenannter möglicher Ausführungsform geht es darum, die Durchströmung in den Innenraum 14 des Vormischbrenners X mit vielen kleinen Rohrventuries zu belegen.
  • Fig. 3 unterscheidet sich grundsätzlich gegenüber Fig. 2 dadurch, dass die kegeligen Teilkörper 1, 2 mit zusätzlichen Leitblechen 41, 42 erweitert werden, durch welche zusätzlich ein Kühlluftstrom 43 strömt, der die Teilkörper 1, 2 unter anderen kühlt. Beim hier gezeigten Venturimischer 44 entsteht gegenüber der Verbrennungsluft 15 eine einfache venturimässige Durchströmung 45, weshalb die Brennstoffdüsen 46 auch nur hierein wirken. Eine andere Venturiwirkung ensteht gegenüber dem Kühlluftstrom 43. Der Venturikörper 47 ist auch hier als Brennstoffzuführungsrohr ausgebildet.
  • Allgemein wird postuliert, dass die Venturimischer 32, 44, unabhängig ihrer Ausführungsform, dem Innenraum 14 des Vormischbrenners X vorgeschaltet sind.
    • Bezeichnungsliste
    • X
    Vormischbrenner
    1, 2
    Teilkörper
    1a, 1b
    Anfangsteil des kegeligen Teilkörpers
    1b, 2b
    Mittelachse des kegeligen Teilkörpers
    3
    Brenstoffdüse
    4
    Brennstoffeindüsung
    5
    Kegeliges Spraybild
    6
    Rückströmzone
    7
    Flammenfront
    8, 9
    Brennstoffleitungen
    10
    Platte
    10a
    Bohrungen, Oeffnungen
    11
    Brennraum
    12
    Brennstoff
    13
    Brennstoff
    14
    Innenraum des Vormischbrenners
    15, 16
    Verbrennungsluft
    17
    Brennstoffdüse
    18
    Axiale Einströmung, Querschnitt des Brenners
    21, 22
    Tangentiale Lufteintrittsschlitze
    31
    Brennstoff
    32
    Venturimischer
    33, 34
    Durchströmungen
    35
    Venturikörper
    36
    Brennstoffdüsen
    37, 38
    Venturikörper
    41, 42
    Leitblechen
    43
    Kühlluftstrom
    44
    Venturimischer
    45
    Durchströmung
    46
    Brennstoffdüsen
    47
    Venturikörper

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, der im wesentlichen aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkörpern besteht, deren Mittelachse in Längsrichtung der Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass dadurch jeweils ein axialer Einströmungsquerschitt und tangentiale Eintrittsschlitze für die Zuführung eines Verbrennungsluftstromes in den Innenraum des Vormischbrenners entstehen, und wobei der Vormischbrenner über mindestens eine Brennstoffzuführung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (36, 46) im Bereich mindestens einer Venturistrecke (33, 34, 45) stattfindet, welche oberhalb des Innenraumes (14) des Vormischbrenners (X) wirkt, und dass diese Venturistrecke(33, 34, 45) von dem Verbrennungsluftstrom (15) durchströmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (X) mit einem Brennstoff (31) von hohem Wasserstoffgehalt betrieben wird.
  3. Vormischbrenner zum Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (X) in Strömungsrichtung aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkörpern (1, 2) besteht, deren Mittelachsen (1b, 2b) in Längsrichtung der Teilkörper (1, 2) zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass tangentiale Eintrittsschlitze (21, 22) und ein axialer Einströmungsquerschnitt (18) entstehen, dass im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze (21, 22) mindestens ein Venturimischer (32, 44) angeordnet ist, und dass mindestens eine Brennstoffdüse (36, 46) in Wirkverbindung mit dem Venturimischer (32, 44) steht.
  4. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (X) mit mindestens einer kopfseitig plazierten Brennstoffdüse (3) und/oder mit einer Anzahl von im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze (21, 22) angeordneten Brennstoffdüsen (17) versehen ist.
  5. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Brennstoffdüse (36, 46) im Bereich des Venturimischers (32, 44) ein gasförmiger Brennstoff (31), durch die kopfseitig angeordnete Brennstoffdüse (3) ein flüssiger Brennstoff (12) und durch die im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze (21, 22) angeordneten Brennstoffdüsen (17) ein gasförmiger Brennstoff (13) eindüsbar ist.
  6. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen gleichmässig zunehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen.
  7. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen ungleichmässig zunehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen.
  8. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen gleichmässig abnehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen.
  9. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen ungleichmässig abnehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen.
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