EP0866269B1 - Kesselanlage für eine Wärmeerzeugung - Google Patents

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EP0866269B1
EP0866269B1 EP97810161A EP97810161A EP0866269B1 EP 0866269 B1 EP0866269 B1 EP 0866269B1 EP 97810161 A EP97810161 A EP 97810161A EP 97810161 A EP97810161 A EP 97810161A EP 0866269 B1 EP0866269 B1 EP 0866269B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
boiler plant
plant according
fuel
combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97810161A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0866269A1 (de
Inventor
Jürgen Dr. Haumann
Hans Peter Knöpfel
Thomas Dr. Sattelmayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
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Priority to PT97810161T priority patent/PT866269E/pt
Priority to DK97810161T priority patent/DK0866269T3/da
Priority to EP97810161A priority patent/EP0866269B1/de
Priority to AT97810161T priority patent/ATE228628T1/de
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Priority to DE59708821T priority patent/DE59708821D1/de
Priority to US09/032,840 priority patent/US5961315A/en
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    • 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
    • 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 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/006—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
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    • F23D—BURNERS
    • 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
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
    • F23M9/06—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in fire-boxes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2202/30—Premixing fluegas with combustion air
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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
    • F23C2900/07002—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
    • 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
    • F23C2900/09002—Specific devices inducing or forcing flue gas recirculation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/20—Flame lift-off / stability

Definitions

  • the invention relates to a boiler system according to the preamble of claim 1.
  • EP-A-0 266 857 shows a boiler system with two combustion chambers, whereby an aperture is arranged in the second combustion chamber. It is used for Increase in turbulence and thus heat exchange.
  • the invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a boiler system to propose precautions to avoid excessive cooling of the reacted gases, i.e. of the recirculated flue gases prevented.
  • the combustion chamber is divided into two parts, in particular the front part of the combustion chamber relevant to the effect becomes.
  • the one according to the invention Measure in that the effect is achieved that an inner Return flow zone and outer return flow zones are each locally defined to one another can arise, which results in a clear separation of the two.
  • the main advantage of the invention is that the flow in the Combustion chamber center is accelerated, which leads to a shortening of the inner Backflow zone leads, i.e. this inner backflow zone is limited downstream. This means that hotter flue gases are now on the burner axis arise, and so too much cooling of those formed there reacted Gases is prevented. These gases, which are now at a higher temperature level then flow as recirculated flue gases over the as separated acting and locally defined with respect to the inner backflow zone Backflow zones to an injector system belonging to the burner.
  • FIG. 1 shows a boiler system 100 belonging to the prior art, as is customary is used for heating systems.
  • This boiler system 100 exists essentially from a combustion chamber formed from a flame tube 101 102, which is surrounded by a heat-resistant partition 105.
  • the boiler system is operated here by a premix burner, the description of which 3 and 4 can be seen in more detail.
  • the operation of this boiler system can be but do not do it alone with this burner; other types of burners each with flame stabilization can also be used.
  • the Fig. 1 mainly wants the aforementioned almost cylindrical elongated Show backflow zone 24a, which leads to the disadvantages mentioned there, and which are canceled by the proposal according to FIG. 2.
  • Fig. 2 shows the subdivision of the combustion chamber by an acting as an aperture annular disc 103, the steps 104 a boundary of the inner backflow zone 24 effect.
  • This inner backflow zone 24 is thus in the direction of flow limited within the front part 17 of the combustion chamber what excessive cooling of the reacted gases prevented.
  • the second part 102a of the combustion chamber, downstream of the aperture 103, serves as an exhaust zone.
  • the current itself becomes within the first part 17 of the combustion chamber in the center of the combustion chamber accelerates, which then results in a compact and shortened inner backflow zone 24 leads, as can be seen quite clearly from FIG. 2.
  • By hotter Flue gases on the burner axis leading to the burner will be a better one Flame stabilization reached.
  • step 104 of the annular disk 103 i.e. the degree of cross-sectional reduction triggered by such means resp. the degree of reduction in flow passage.
  • FIG. 3 shows a premix burner in perspective.
  • FIG. 4 shows a premix burner in perspective.
  • the premix burner according to FIG. 3 consists of two hollow conical partial bodies 1, 2, which are nested offset from one another and with a gaseous and / or liquid fuel is operated. Under the term Not only the one shown here becomes “conical” due to a fixed opening angle understood cone shape, but also includes other configurations the partial body with a, such a diffuser or diffuser-like shape as well a confuser or confuser-like shape. These forms are not present Specifically shown, since they are familiar to those skilled in the art.
  • the dislocation the respective central axis or longitudinal axis of symmetry of the partial bodies 1, 2 to each other see Fig. 4, Pos.
  • each tangential air inlet duct 5, 6 free through which the Combustion air 7 in the interior of the premix burner, i.e. in the cone cavity 8 streams.
  • the two conical partial bodies 1, 2 each have a cylindrical one Initial part 9, 10, which also, analogous to the aforementioned partial bodies 1, 2, offset run to each other so that the tangential air inlet channels 5, 6 over the entire length of the premix burner is available.
  • a nozzle 11 for preferably atomizing a liquid Fuel 12 housed, such that their injection approximately with the narrowest cross-section of the cone cavity formed by the partial bodies 1, 2 8 coincides.
  • This nozzle 11 depends on the specified parameters of the respective premix burner.
  • the fuel 12 injected through the nozzle 11 can, if necessary, with a recirculated exhaust gas are enriched; then it is also possible through the Nozzle 11 to accomplish the complementary injection of a quantity of water.
  • the premix burner can be purely conical, i.e. without a cylindrical one Initial parts 9, 10 may be formed.
  • the sub-bodies 1, 2 also each have one Fuel line 13, 14, which runs along the tangential inlet channels 5, 6 are arranged and provided with injection openings 15, through which preferably a gaseous fuel. 16 into the combustion air flowing there 7 is injected, as is symbolized by arrows 16, wherein this injection also the fuel injection level (see FIG. 4, item 22) of the Systems forms.
  • These fuel lines 13, 14 are preferably at the latest placed at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 8, this to ensure an optimal air / fuel mixture.
  • the premix burner On the combustion chamber side, the premix burner has an anchorage for the partial bodies 1, 2 serving front panel 18 with a number of holes 19 through which if necessary, a mixed or cooling air 20 the front part of the combustion chamber 17th or whose wall is fed.
  • the premix burner is used solely by means of a liquid Operated fuel 12, this is done via the central nozzle 11, wherein this fuel 12 then enters the cone cavity 8 at an acute angle or is injected into the combustion chamber 17.
  • the nozzle 11 thus forms a tapered fuel profile 23 rotating from the tangentially flowing Combustion air 7 is enclosed. In the axial direction, the concentration of the injected fuel 12 continuously through the incoming combustion air 7 broken down into an optimal mixture.
  • a backflow zone 24 (vortex breakdown) also forms there with one opposite the flame front 25 acting there stabilizing effect, in which Meaning that the backflow zone 24 functions as a disembodied flame holder takes over.
  • the optimal fuel concentration across the cross section is only in the area the vortex runout, that is, in the area of the backflow zone 24.
  • a stable flame front 25 is then created at this point Effect results from the swirl number in in the cone cavity 8 Flow direction along the cone axis. A backlash of the flame into that This prevents the interior of the premix burner.
  • the design of the premix burner is suitable furthermore excellent, the flow opening of the tangential air inlet ducts 5, 6 to change as required, which means without changing the overall length of the premix burner a relatively large operational bandwidth can be covered.
  • the partial bodies 1, 2 are also in a different plane to one another displaceable, which even overlaps the air inlet plane into the cone cavity 8 (see FIG. 4, item 21) of the same in the area of the tangential air inlet channels 5, 6, as shown in Fig. 4, accomplished can be. It is then also possible for the partial bodies 1, 2 to be counter-rotating to interleave rotating movement in a spiral.
  • the premix burner is not open the number shown is limited. A larger number is displayed there, for example, when it comes to making the premixing wider, or the Swirl number and thus the dependent formation of the backflow zone 24 by to influence a larger number of air inlet ducts accordingly.
  • Premix burners of the type described here are also those which are to be achieved a swirl flow from a cylindrical or quasi-cylindrical tube go out, the inflow of combustion air into the interior of the pipe tangential air inlet channels is also accomplished, and inside of the tube a conical body with decreasing in the flow direction Cross section is arranged, which is also critical with this configuration Swirl number at the output of the burner can be achieved.
  • FIG. 4 shows the same premix burner according to FIG. 3, but from a different one Perspective and in a simplified representation.
  • This Figure 4 is essentially serve to correctly record the configuration of this premix burner.
  • This dislocation in itself induces the size of the Flow openings of the tangential air inlet ducts 5, 6.
  • the central axis 3, 4 run parallel to each other here.
  • Fig. 5 is a section approximately in the middle of the premix burner.
  • the mirror image Tangentially arranged feed channels 27, 28 perform the function of Mixing section in which the combustion air 7, formed from fresh air 29 and recirculated flue gas 30 is perfected.
  • the combustion air 7 is in one Injector system 200 processed. Upstream of each feed channel 27, 28, the serves as a tangential inflow into the interior 8 of the premix burner the fresh air 29 evenly over the entire length of the premix burner Perforated plates 31, 32 distributed. In the direction of flow to the tangential inlet channels 5, 6 these perforated plates 31, 32 are perforated.
  • the perforations fulfill the function individual injector nozzles 31a, 32a, which have a suction effect compared to the surrounding flue gas 30 exert such that each of these injector nozzle 31a, 32a each only sucks a certain proportion of flue gas 30, whereupon over the entire axial length of the perforated plates 31, 32, which corresponds to the burner length, a uniform flue gas admixture takes place.
  • This configuration causes that at the point of contact of the two media, i.e. the fresh air 29 and the flue gas 30, an intimate mixing takes place, so that the up to the tangential air inlet slots 5, 6 reaching flow length of the supply channels 27, 28 can be minimized for the mixture formation.
  • the local injector configuration 200 is distinguished by the fact that the geometry the premix burner, especially what the shape and size of the tangential Air inlet ducts 5, 6 concerns, remains dimensionally stable, i.e. through the evenly dosed distribution of the hot flue gases 30 along the entire axial Length of the premix burner, there are no thermal distortions.
  • the same injector configuration as the one just described here can also be used in the area of the head-side fuel nozzle 11 for an axial supply of a Combustion air can be provided.
  • FIG. 6 is a schematic illustration of the premix burner in the flow direction, where in particular the course of the perforated plates belonging to the injector system 31, 32 with respect to the inflow planes 33 of the feed channels 27, 28 is expressed.
  • This course is parallel, with the inflow planes 33 itself over the entire burner length parallel to the burner axis 26 of the Premix burner.
  • This figure also shows how the injector nozzles 31a, 32a their inflow angle with respect to the burner axis 26 of the Change the premix burner in the direction of flow. From an initial spike They gradually align angles at the head stage of the premix burner until it is approximately perpendicular to the burner axis in the area of the outlet 26 stand. With this precaution the mixture quality of the combustion air increased and the backflow zone held stable. Meanwhile, is one such inclination is not essential for every burner. Right-angled inflows can also be used in some cases.
  • FIGS. 7 and 8 show essentially the same configuration according to FIGS. 5 and 6, the perforated plates 34, 35 with the associated injector nozzles 34a, 35a also parallel to the inflow planes 36 over the entire length of the burner of the feed channels 27, 28 run. Meanwhile, these inflow planes 36 run conically with respect to the burner axis 26 of the premix burner.
  • the variable inflow angle of the injector nozzles 34a, 35a in the flow direction also largely corresponds to the configuration according to FIGS. 5 and 6, wherein here the gradual erection of these injector nozzles 34a, 35a into one vertical inflow in the area of the outlet of the premix burner primary opposite the inflow plane 36 of the respective feed channel directed.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kesselanlage gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die Flammenstabilisierung von vielen modernen Low-NOx-Brennern beruht auf der Erzeugung einer Rückströmblase oder Rückströmzone (= Vortex-Breakdown). Bei ungünstiger Auslegung des Drallerzeugers geht durch eine zu hohe Drallzahl die gewünschte kurze Rückströmblase durch das Aufplatzen des Wirbels in eine lange fast zylindrische Rückströmzone über. Beim Betrieb des Brenners ohne Brennkammer oder zu grossem Brennraum bzw. mit relativ kalten Brennkammerwände eines Kessels wird den zurückströmenden Rauchgasen im Kern die Wärme entzogen. Dies führt insbesondere beim Start zu einer ungenügenden Flammenstabilisierung und beim Betrieb mit flüssigen Brennstoffen zu einer unzureichenden Vorverdampfung der Brennstofftropfen. Dieses Verhalten kann auch bei Brennern mit passiver Rauchgasrezirkulation im Brennraum beobachtet werden. Diese Probleme können zum Flammenabriss oder Schwingungen führen und machen ein unerwünschtes besonderes Startprozedere notwendig. Bei Heizungsfeuerungen wird ausserdem eine sehr lange Startphase mit erhöhten Emissionen notwendig, in welcher der ganze Kessel mit seiner relativ grossen thermischen Trägheit soweit aufgewärmt werden muss, bis die rückströmenden Rauchgase eine ausreichende Temperatur aufweisen.
EP-A-0 266 857 zeigt eine kesselanlage mit zwei Brennkammern, wobei eine Blende in der zweiten Brennkammer angeordnet ist. Sie dient zur Erhöhung der Turbulenz und somit des Wärmeanstausches.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kesselanlage der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche eine zu starke Abkühlung der reagierten Gase, d.h. der rückgeführten Rauchgase verhindert.
Dies wird erreicht, indem eine Blende oder entsprechende brennraumunterteilende Mittel innerhalb des Brennraumes plaziert werden. Dabei ist hervorzuheben, dass die Ausgestaltung dieser Blende mannigfaltig sein kann, und sich beispielsweise nicht auf eine ringförmige Scheibe beschränkt. Andere Mittel, welche die nachfolgend beschrieben Wirkungen auszulösen vermögen, sind ebenfalls Bestandteil dieses Erfindungsgegenstandes.
Mit der erfindungsgemässen Massnahme unterteilt man sonach den Brennraum in zwei Teile, wobei insbesondere der vordere Teil des Brennraumes wirkungsrelevant wird.
Was den obengenannten vorderen Teil des Brennraumes betrifft, wird mit der erfindungsgemässen Massnahme dahingehend die Wirkung erzielt, dass eine innere Rückströmzone und äussere Rückströmzonen jeweils lokal definiert zueinander entstehen können, womit eine klare Trennung der beiden die Folge ist.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Strömung im Brennraumzentrum beschleunigt wird, was zu einer Verkürzung der inneren Rückströmzone führt, d.h. diese innere Rückströmzone wird stromabwärts begrenzt. Daraus ergibt sich, dass nun heissere Rauchgase auf der Brennerachse entstehen, und so eine zu starke Abkühlung der sich dort bildenden reagierten Gase verhindert wird. Diese Gase, welche nunmehr ein höheres Temperatumiveau aufweisen, strömen dann als rückgeführte Rauchgase über die als getrennt wirkenden und gegenüber der inneren Rückströmzone lokal definierten äusseren Rückströmzonen zu einem zum Brenner gehörigen Injektorsystem.
Beide Effekte ergeben eine bessere Flammenstabilisation und Brennstoffverdampfung. Dies wiederum führt zu deutlich tieferen Pulsationen während des Startvorganges und auch zu deutlich tieferen Schadstoff-Emissionen in dieser transienten Phase.
Vorteilhafte und 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 worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
Fig. 1
eine Kesselanlage, welche mit einem Vormischbrenner betrieben wird, mit einer Vorrichtung für die Limitierung der Ausdehnung der Rückströmzone,
Fig. 2
eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung für die Limitierung der Ausdehnung der Rückströmzone,
Fig. 3
einen Vormischbrenner zum Betrieb der Kesselanlage, in perspektivischer Darstellung,
Fig. 4
eine weitere perspektivische Darstellung dieses Vormischbrenners aus anderer Ansicht in vereinfachter Form,
Fig. 5
einen Schnitt durch den Vormischbrenner gemäss Fig.2 oder 3, mit Injektoren bestückt, wobei die Einströmungsebene von Zuführungskanälen parallel zur Brennerachse verlaufen,
Fig. 6
eine Konfiguration des Injektorsystems in Strömungsrichtung,
Fig. 7
eine weitere Ausgestaltung der Einströmungsebene von Zuführungskanälen und
Fig. 8
eine weitere Konfiguration des Injektorsystems in Strömungsrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt eine zum Stand der Technik gehörige Kesselanlage 100, wie sie üblicherweise für Heizugsfeuerungen eingesetzt wird. Diese Kesselanlage 100 besteht im wesentlichen aus einem aus einem Flammrohr 101 gebildeten Brennraum 102, der durch eine wärmebeständige Schottung 105 umgeben ist. Die Kesselanlage wird hier durch einen Vormischbrenner betrieben, dessen Beschreibung unter Fig. 3 und 4 näher hervorgeht. Der Betrieb dieser Kesselanlage lässt sich indessen nicht allein mit diesem Brenner bewerkstelligen; andere Brennerarten mit jeweils einer Flammenstabiliserung können auch zum Einsatz gelangen. Die Fig. 1 will vornehmlich die eingangs genannte fast zylindrische langgestreckte Rückströmzone 24a zeigen, welche zu den dort genannten Nachteile führt, und die durch den Vorschlag gemäss Fig. 2 aufgehoben werden.
Fig. 2 zeigt die Unterteilung des Brennraumes durch eine als Blende wirkende ringförmige Scheibe 103, deren Stufen 104 eine Begrenzung der inneren Rückströmzone 24 bewirken. Diese innere Rückströmzone 24 wird sonach in Strömungsrichtung innerhalb des vorderen Teils 17 des Brennraumes begrenzt, was eine zu starke Abkühlung der reagierten Gase verhindert. Der zweite Teil 102a des Brennraumes, stromab der Blende 103, dient als Abgaszone. Die Strömung selbst wird innerhalb des ersten Teils 17 des Brennraumes im Brennraumzentrum beschleunigt, was dann zu einer kompakten und verkürzten inneren Rückströmzone 24 führt, wie dies aus Fig. 2 recht deutlich hervorgeht. Indem heissere Rauchgase auf der Brennerachse zum Brenner hin geführt werden, wird eine bessere Flammenstabilisierung erreicht. Durch die durch die ringförmige Scheibe 103 erfolgte Unterteilung des Brennraumes entstehen überdies äussere Rückströmzonen 106 von reagierten Gasen, die als rückgeführte Rauchgase über Injektoren (Siehe hierzu die Fig. 5-8) in den Verbrennungsprozess des hier zugrundegelegten Vormischbrenners (Siehe Fig. 3-4) eingeleitet werden. Da diese Rauchgase 30 wegen der durch die ringförmige Scheibe 103 vorgegebenen Begrenzung eine minimierte Abkühlung erfahren, lässt sich durch das höhere Temperaturniveau dieser Rauchgase 30 eine erhöhte Brennstoffverdampfung erzielen, welche zu einer besseren Flammenstabilisierung und zu deutlich tieferen Schadstoff-Emissionen führt. Die innere Rückströmzone 24 sowie die äusseren Rückströmzonen 106 sind jeweils lokal definiert voneinander getrennt. Der Abstand dieser ringförmigen Scheibe103 sowie die jeweils zu diesem Zweck eingesetzten Mittel von der Frontwand des Brenners richtet sich nach dem jeweiligen Betrieb. Das Gleiche gilt auch für den Grad der Stufung 104 der ringförmigen Scheibe 103, d.h. den Grad der von solchen Mitteln ausgelösten Querschnittsverminderung resp. den Grad der Verringerung des Strömungsdurchlasses. Die Einfachheit der hier vorgeschlagenen Mittel, insbesondere was die ringförmige Scheibe betrifft, lässt diesbezügliche Anpassungen ohne weiteres zu.
Fig. 3 zeigt einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung. Zum besseren Verständnis des Gegenstandes ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig bei der Erfassung von Fig. 3 mindestens auch Fig. 4 herangezogen wird. Diese zwei Figuren haben hauptsächlich den Zweck, die Art und die Funktionsweise eines solchen Brenners abzustecken.
Der Vormischbrenner gemäss Fig. 3 besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpem 1, 2, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind und mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff betrieben wird. Unter dem Begriff "kegelförmig" wird hier nicht nur die gezeigte, durch einen festen Oeffnungswinkel charakterisierte Kegelform verstanden, sondern er schliesst auch andere Konfigurationen der Teilkörper mit ein, so eine Diffusor- oder diffusorähnliche Form sowie eine Konfusor- oder konfusorähnliche Form. Diese Formen sind vorliegend nicht speziell dargestellt, da sie dem Fachmann ohne weiteres geläufig sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse der Teilkörper 1, 2 zueinander (Vgl. Fig. 4, Pos. 3, 4) schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittskanal 5, 6 frei, durch welche die Verbrennungsluft 7 in Innenraum des Vormischbrenners, d.h. in den Kegelhohlraum 8 strömt. Die beiden kegeligen Teilkörper 1, 2 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 9, 10, die ebenfalls, analog den vorgenannten Teilkörpem 1, 2, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 über die ganze Länge des Vormischbrenners vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 11 zur vorzugsweise Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes 12 untergebracht, dergestalt dass deren Eindüsung in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die Teilkörper 1, 2 gebildeten Kegelhohlraumes 8 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Betriebsart dieser Düse 11 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Vormischbrenners. Der durch die Düse 11 eingedüsten Brennstoff 12 kann bei Bedarf mit einem rückgeführten Abgas angereichert werden; sodann ist es auch möglich, durch die Düse 11 die komplementäre Einspritzung einer Wassermenge zu bewerkstelligen.
Selbstverständlich kann der Vormischbrenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 9, 10 ausgebildet sein. Die Teilkörper 1, 2 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, welche entlang der tangentialen Eintrittskanäle 5, 6 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 15 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff. 16 in die dort vorbeiströmende Verbrennungsluft 7 eingedüst wird, wie dies durch Pfeile 16 versinnbildlicht wird, wobei diese Eindüsung zugleich die Brennstoffinjektionsebene (Vgl. Fig. 4, Pos. 22) des Systems bildet. Diese Brennstoffleitungen 13, 14 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 8, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu gewährleisten.
Brennraumseitig weist der Vormischbrenner eine als Verankerung für die Teilkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit einer Anzahl Bohrungen 19 auf, durch welche bei Bedarf eine Misch- bzw. Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes 17 bzw. dessen Wand zugeführt wird.
Wird der Vormischbrenner, wie bereits beschrieben, allein mittels eines flüssigen Brennstoffes 12 betrieben, so geschieht dies über die zentrale Düse 11, wobei dieser Brennstoff 12 dann unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 8 bzw. in den Brennraum 17 eingespritzt wird. Aus der Düse 11 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 23, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 7 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 12 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 7 zu einer optimalen Gemisch abgebaut.
Will man den Vormischbrenner mit einem gasförmigen Brennstoff 16 betreiben, so kann dies grundsätzlich auch über die zentrale Brennstoffdüse 11 geschehen, vorzugsweise soll aber eine solche Betriebsart über die Eindüsungsöffnungen 15 vorgenommen werden, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittskanäle 5, 6 zustande kommt.
Bei der Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 12 über die Düse 11 wird am Ende des Vormischbrenners die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Ist die Verbrennungsluft 7 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 12 nachhaltig innerhalb der durch die Länge des Vormischbrenners induzierte Vormischstrecke. Was die Zumischung eines rückgeführten Rauchgas betrifft, so wird auf die Fig. 5-8 verweisen.
Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Brennstoffleitungen 13, 14 statt gasförmige nun flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten.
Bei der Gestaltung der kegelförmigen Teilkörper 1, 2 hinsichtlich der Zunahme des Strömungsquerschnittes sowie der Breite der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 7 am Ausgang des Vormischbrenners einstellen kann. Die kritische Drallzahl stellt sich am Ausgang des Vormischbrenners ein: Dort bildet sich auch eine Rückströmzone 24 (Vortex Breakdown) mit einem gegenüber der dort wirkenden Flammenfront 25 stabilisierenden Effekt ein, in dem Sinne, dass die Rückströmzone 24 die Funktion eines körperlosen Flammenhalters übernimmt.
Die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 24 erreicht. Erst an dieser Stelle entsteht sodann eine stabile Flammenfront 25. Die flammenstabilisierende Wirkung ergibt sich durch die sich im Kegelhohlraum 8 bildende Drallzahl in Strömungsrichtung entlang der Kegelachse. Ein Rückschlagen der Flamme in das Innere des Vormischbrenners wird damit unterbunden.
Allgemein ist zu sagen, dass eine Minimierung der Durchflussöffnung der tangentialen Lufteintrittskanäle 6, 7 prädestiniert ist, die Rückströmzone 24 ab Ende der Vormischstrecke zu bilden. Die Konstruktion des Vormischbrenners eignet sich des weiteren vorzüglich, die Durchflussöffnung der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 nach Bedarf zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 1, 2 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung gegenüber der Lufteintrittsebene in den Kegelhohlraum 8 (Vgl. Fig. 4, Pos. 21) derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht, bewerkstelligt werden kann. Es ist sodann auch möglich, die Teilkörper 1, 2 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln.
Durch eine in diesem Vormischbrenner erreichbare homogenere Gemischbildung zwischen den eingedüsten Brennstoffen 11, 12 und der Verbrennungsluft 7 erzielt man tiefere Flammentemperaturen und damit tiefere Schadstoff-Emissionen, insbesondere tiefere NOx-Werte. Sodann reduzieren diese tieferen Temperaturen die thermische Belastung für das Material an der Brennerfront und machen beispielsweise eine Sonderbehandlung der Oberfläche nicht zwingend.
Was die Anzahl der Lufteintrittskanäle betrifft, so ist der Vormischbrenner nicht auf die gezeigte Anzahl beschränkt. Eine grössere Anzahl ist beispielsweise dort angezeigt, wo es darum geht, die Vorvermischung breiter anzulegen, oder die Drallzahl und somit die davon abhängige Bildung der Rückströmzone 24 durch eine grössere Anzahl Lufteintrittskanäle entsprechend zu beeinflussen.
Vormischbrenner der hier beschriebenen Art sind auch solche, welche zur Erzielung einer Drallströmung von einem zylindrischen oder quasi-zylindrischen Rohr ausgehen, die Einströmung der Verbrennungsluft ins Innere des Rohres über ebenfalls tangential angelegte Lufteintrittskanäle bewerkstelligt wird, und im Innern des Rohres einen kegelförmigen Körper mit in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnitt angeordnet ist, womit auch mit dieser Konfiguration eine kritische Drallzahl am Ausgang des Brenners erzielbar ist.
Fig. 4 zeigt den gleichen Vormischbrenner gemäss Fig. 3, jedoch aus einer anderen Perspektive und in vereinfachter Darstellung. Diese Figur 4 soll im wesentlichen dazu dienen, die Konfiguration dieses Vormischbrenners einwandfrei zu erfassen. Insbesondere ist in dieser Fig. 4 die Versetzung der beiden Teilkörper 1, 2 zueinander, bezogen auf die Hauptmittelachse 26 (= Brennerachse) des Vormischbrenners, welche der Hauptachse der zentralen Brennstoffdüse 11 entspricht, recht gut ersichtlich. Diese Versetzung induziert an sich die Grösse der Durchflussöffnungen der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6. Die Mittelachse 3, 4 verlaufen hier parallel zueinander.
Fig. 5 ist ein Schnitt etwa in der Mitte des Vormischbrenners. Die spiegelbildlich tangential angeordneten Zuführungskanäle 27, 28 erfüllen die Funktion einer Mischstrecke, in welchen die Verbrennungsluft 7, gebildet aus Frischluft 29 und rückgeführtem Rauchgas 30 perfektioniert wird. Die Verbrennungsluft 7 wird in einem Injektorsystem 200 aufbereitet. Stromauf jedes Zuführungskanals 27, 28, der als tangentiale Einströmung in den Innenraum 8 des Vormischbrenners dient, wird die Frischluft 29 auf der ganzen Länge des Vormischbrenners gleichmässig über Lochplatten 31, 32 verteilt. In Strömungsrichtung zur tangentialen Eintrittskanäle 5, 6 sind diese Lochplatten 31, 32 perforiert. Die Perforierungen erfüllen die Funktion einzelner Injektordüsen 31a, 32a, welche eine Saugwirkung gegenüber dem umliegenden Rauchgas 30 ausüben, dergestalt, dass jede dieser Injektordüse 31a, 32a jeweils nur einen bestimmten Anteil an Rauchgas 30 ansaugt, worauf über die ganze axiale Länge der Lochplatten 31, 32, die der Brennerlänge entspricht, eine gleichmässige Rauchgas-Zumischung stattfindet. Diese Konfiguration bewirkt, dass bereits am Berührungsort der beiden Medien, also der Frischluft 29 und des Rauchgases 30, eine innige Vermischung stattfindet, so dass die bis zu den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 5, 6 reichende Strömungslänge der Zuführungskanäle 27, 28 für die Gemischbildung minimiert werden kann. Danebst zeichnet sich die hiesige Injektor-Konfiguration 200 dadurch aus, dass die Geometrie des Vormischbrenners, insbesondere was die Form und Grösse der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 betrifft, formstabil bleibt, d.h. durch die gleichmässig dosierte Verteilung der an sich heissen Rauchgase 30 entlang der ganzen axialen Länge des Vormischbrenners entstehen keine wärmebedingten Verwerfungen. Die gleiche injektor-Konfiguration, wie die soeben hier beschriebene, kann auch im Bereich der kopfseitigen Brennstoffdüse 11 für eine axiale Zuführung einer Verbrennungsluft vorgesehen werden.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Vormischbrenners in Strömungsrichtung, worin insbesondere der Verlauf der zum Injektorsystem gehörenden Lochplatten 31, 32 gegenüber den Einströmungsebenen 33 der Zuführungskanäle 27, 28 zum Ausdruck kommt. Dieser Verlauf ist parallel, wobei die Einströmungsebenen 33 selbst über die ganze Brennerlänge parallel zur Brennerachse 26 des Vormischbrenners verlaufen. In dieser Figur ist auch ersichtlich, wie die Injektordüsen 31a, 32a ihren Einströmungswinkel gegenüber der Brennerachse 26 des Vormischbrenners in Strömungsrichtung verändern. Von einer anfänglichen spitzen Winkel im Bereich der Kopfstufe des Vormischbrenners richten sie sich allmählich auf, bis sie im Bereich des Ausganges in etwa senkrecht zur Brennerachse 26 stehen. Durch diese Vorkehrung wird die Mischungsgüte der Verbrennungsluft gesteigert und die Rückströmzone positionsstabil gehalten. Indessen ist eine solche Schrägstellung nicht bei jedem Brenner unabdingbar. Rechtwinklige Einströmungen sind teilweise auch einsetzbar.
Fig. 7 und 8 zeigen im wesentlichen die gleiche Konfiguration gemäss Fig. 5 und 6, wobei die Lochplatten 34, 35 mit den dazugehörigen Injektordüsen 34a, 35a ebenfalls parallel über die ganze Brennerlänge zu den Einströmungsebenen 36 der Zuführungskanäle 27, 28 verlaufen. Indessen, diese Einströmungsebenen 36 verlaufen konisch gegenüber der Brennerachse 26 des Vormischbrenners. Der veränderliche Einströmungswinkel der Injektordüsen 34a, 35a in Strömungsrichtung entspricht auch hier weitgehend der Konfiguration gemäss Fig. 5 und 6, wobei sich hier die allmähliche Aufrichtung dieser Injektordüsen 34a, 35a zu einer senkrechten Einströmung im Bereich des Ausganges des Vormischbrenners primär gegenüber der Einströmungsebene 36 des jeweiligen Zuführungskanals richtet.
Bezugszeichenliste
1, 2
Kegelförmige Teilkörper
3, 4
Mittelachse zu 1 resp. 2
5, 6
Tangentiale Lufteintrittskanäle
7
Verbrennungsluft
8
Kegelhohlraum, Innenraum des Brenners
9, 10
Zylindrische Anfangsteile des Brenners
11
Brennstoffdüse
12
Brennstoff, Flüssiger Brennstoff
13, 14
Brennstoffleitungen
15
Eindüsungsöffnungen der Brennstoffleitung 13, 14
16
Brennstoff, gasförmiger Brennstoff
17
Vorderer Teil des Brennraumes durch die Blende 103 eingegrenzt
18
Frontplatte
19
Bohrungen in Frontplatte
20
Luft, Mischluft, Kühlluft
21
Lufteintrittsebene
22
Brennstoffinjektionsebene
23
Brennstoffprofil
24
Innere Rückströmzone, Rückströmblase
24a
Rückströmzone, Rückströmblase ohne Einbauten im Brennraum
25
Flammenfront
26
Hauptmittelachse, Brennerachse
27, 28
Zuführungskanäle
29
Frischluft
30
Rückgeführtes Rauchgas, reagierte Gase
31, 32
Lochplatten
31a, 32a
Injektordüsen
33
Einströmungsebene der Züführungskanäle 27, 28
34, 35
Lochplatten
34a, 35a
Injektordüsen
36
Einströmungsebene der Zuführungskanäle 27, 28
100
Kesselanlage
101
Flammrohr
102
Abgaszone
102a
Abgaszone, stromab der Blende 103
103
Ringförmige Blende
104
Stufung der ringförmigen Blende
105
Schottung
106
Aeussere Rückströmzonen
200
Injektorsystem

Claims (12)

  1. Kesselanlage (100) für eine Wärmeerzeugung, im wesentlichen bestehend aus einem Brennraum und einem kopfseitig der Kesselanlage (100) wirkenden Brenner für den Betrieb mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff, wobei der Brenner bei der Einbringung der Verbrennungsluft (7) Mittel (103) aufweist, welche eine Flammenstabilisierung im Brennraum induzieren, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennraum der Kesselanlage (100) mindestens ein blendenförmiges Mittel (103) eingebaut ist, welches den Brennraum in einen vorderenTeil (17) und einen nachgeschalteten Teil (102a) unterteilt, und dass das blendenförmige Mittel (103) innerhalb des vorderen Teils (17) eine stromabwärts gerichtete Begrenzung einer inneren Rückströmzone (24) und die Bildung von durch rückgeführte Rauchgase (30) gespeisten äusseren Rückströmzonen (106) induziert.
  2. Kesselanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Rückströmzone (24) und die äusseren Rückströmzonen (106) jeweils lokal voneinander getrennt sind.
  3. Kesselanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das blendenförmige Mittel (103) eine ringförmige Scheibe ist.
  4. Kesselanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brenner aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpem (1, 2) besteht, dass die Mittelachsen (3, 4) dieser Teilkörper (1, 2) zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass benachbarte Wandungen der Teilkörper (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für eine Verbrennungsluft (7) bilden, und dass der Brenner mit mindestens einer Brennstoffdüse (11, 15) betreibbar ist.
  5. Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (11) kopfseitig und auf der Brennerachse (26) angeordnet ist.
  6. Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in Längserstreckung des Brenners eine Anzahl zueinander beabstandeter Brennstoffdüsen (15) angeordnet sind.
  7. Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt eines von den Teilkörpern (1, 2) gebildeten Kegelhohlraumes (8) in Strömungsrichtung gleichförmig zunimmt.
  8. Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt eines von den Teilkörpern (1, 2) gebildeten Kegelhohlraumes (8) einen Diffusor, einen diffusorähnlichen Verlauf, einen Konfusor, einen konfusorähnlichen Verlauf bildet.
  9. Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) spiralförmig ineinander geschachtelt sind.
  10. Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich in radialer oder quasi-radialer Richtung gegenüber den Lufteintrittskanäle (5, 6) Zuführungskanäle (27, 27) erstrecken, welche je mindestens ein Injektorsysten (200) für die Bereitstellung einer aus Frischluft (29) und reagierten Gasen (30) bestehenden Verbrennungsluft (7) aufweisen.
  11. Kesselanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Injektorsystem gehörige Lochplatten (31, 32; 34, 35) parallel zur jeweiligen Einströmungsebene (33, 36) der Verbrennungsluft (7) in die Zuführungskanäle (27, 28) verlaufen, dass die Lochplatten im Bereich der Einströmungsebenen mit Injektordüsen (31a, 32a; 34a, 35a) versehen sind, und dass der Einströmungswinkel der Injektordüsen in Axialrichtung des Brenners gegenüber der Brennerachse (26) rechtwinklig oder fortlaufend veränderbar ist.
  12. Kesselanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussebene der Injektordüsen (31a, 32a; 34a, 35a) im Bereich der Kopfstufe des Brenners einen spitzen Winkel aufweist, und dass dieser Winkel in axialer Richtung der Lochplatten (31, 32; 34, 35) allmählich zunimmt bis dieser im Bereich des Ausganges des Brenners weitgehend senkrecht zur Einströmungsebenen (33, 36) der Zuführungskanäle (25, 26) und/oder zur Brennerachse (26) steht.
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