EP0881431A2 - Brenner zum Betrieb eines Aggregates zur Erzeugung eines Heissgases - Google Patents

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EP0881431A2
EP0881431A2 EP98810339A EP98810339A EP0881431A2 EP 0881431 A2 EP0881431 A2 EP 0881431A2 EP 98810339 A EP98810339 A EP 98810339A EP 98810339 A EP98810339 A EP 98810339A EP 0881431 A2 EP0881431 A2 EP 0881431A2
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EP
European Patent Office
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burner
burner according
inflow
air inlet
flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98810339A
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EP0881431A3 (de
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Jürgen Dr. Haumann
Hans Peter Knöpfel
Christian Dr. Paschereit
Wolfgang Dr. Polifke
Thomas Prof. 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 EP0881431A2 publication Critical patent/EP0881431A2/de
Publication of EP0881431A3 publication Critical patent/EP0881431A3/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 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/08—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
    • 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 
    • 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
    • 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
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    • F23C2202/30—Premixing fluegas with combustion air
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    • 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
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    • F23C2900/09002—Specific devices inducing or forcing flue gas recirculation

Definitions

  • the present invention relates to a burner for operating an assembly for Generation of a hot gas according to the preamble of claim 1.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a burner at the beginning to submit proposals that address the above imperfections and to remedy shortcomings.
  • the main advantage of the invention is that the main body of the burner remains essentially unchanged.
  • the inner walls of those forming the burner Shells built-in guide bodies, which take over the task, in advance the combustion air flowing purely tangentially into the interior of the burner, which preferably consists of an air / exhaust gas mixture, in the axial direction redirect.
  • the inflow angle of this guide body which preferably are designed as guide vanes, seen from the burner tip in the direction of flow. In the area of the burner outlet, these guide bodies have up to a vertical position with respect to the burner axis. So that these Guides can work properly, their number will be within the length of the Brenners chosen so that the ratio between the distance of the guide body to each other and the width of the tangential inflow channel into the interior of the Brenners is approximately 1.
  • Fig. 1 shows a premix burner in perspective.
  • Fig. 2 possibly Fig. 3 are used.
  • the the first-mentioned figures have mainly the purpose, the type and the functioning of such a burner.
  • the premix burner according to FIG. 1 consists of two hollow conical partial bodies 1, 2, which are nested offset from one another. That burner is operated with a gaseous and / or liquid fuel.
  • cone-shaped here is not only that shown by a fixed opening angle understood cone shape understood, but it also closes other configurations of the partial body, such as a diffuser or diffuser-like Shape, as well as a confuser or confuser-like shape. These forms are not specifically shown here, since they are familiar to the person skilled in the art are.
  • the offset of the respective central axis or longitudinal axis of symmetry Partial body 1, 2 to each other see Fig. 2, Pos.
  • each one 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 flows.
  • the two conical partial bodies 1, 2 each have one cylindrical initial part 9, 10, which also, analogous to the aforementioned partial bodies 1, 2, offset from each other, so that the tangential air inlet channels 5, 6 are present over the entire length of the premix burner.
  • a nozzle 11 for preferential atomization a liquid fuel 12 housed such that their injection approximately with the narrowest cross section of that formed by the partial bodies 1, 2 Cone cavity 8 coincides.
  • the injection capacity and the operating mode this nozzle 11 depends on the given parameters of the respective Premix burner.
  • the fuel 12 injected through the nozzle 11 can if necessary, be enriched with a recirculated exhaust gas; then it is also possible, through the nozzle 11, the complementary injection of an amount of water to accomplish.
  • 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 in the combustion air flowing there 7 is injected, as is symbolized by arrows 16, wherein this injection also the fuel injection level (see FIG. 2, 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. First a stable flame front 25 then arises at this point.
  • 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 above the air inlet plane into the cone cavity 8 (see FIG. 2, item 21) in the same Area of the tangential air inlet ducts 5, 6, as can be seen from FIG. 2, can be accomplished. It is then also possible to pass through the partial bodies 1, 2 to interleave a counter-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 for which Achieving a swirl flow from a cylindrical or quasi-cylindrical It is assumed that the combustion air flows into the interior of the pipe Pipe via tangentially arranged air inlet ducts, and inside the tube a conical body with decreasing in the direction of flow Cross-section is arranged, which also with this configuration critical swirl number can be achieved at the outlet of the burner.
  • FIG. 2 shows the same premix burner according to FIG. 1, but from a different one Perspective and in a simplified representation.
  • This Fig. 2 is essentially serve to correctly record the configuration of this premix burner.
  • This offset is a measure of the size of the flow width resp. the flow cross section of the tangential air inlet ducts 5, 6.
  • the respective central axes 3, 4 run parallel to one another here.
  • Fig. 3 is a section approximately in the middle of the premix burner.
  • the mirror image Tangentially arranged feed channels 27, 28 each perform the function of a Mixing section in which the combustion air 7, which consists of fresh air 29 and recirculated flue gas 30 is formed, is perfected.
  • the combustion air 7 is processed in an injector system 200. Upstream of each feed channel 27, 28, as a tangential inflow into the interior 8 of the premix burner serves, the fresh air 29 over the entire length of this premix burner evenly distributed over perforated plates 31, 32. In the direction of flow to the tangential Inlet channels 5, 6, these perforated plates 31, 32 are perforated.
  • the perforations perform the function of individual injector nozzles 31a, 32a, which have a suction effect exercise against the surrounding flue gas 30 such that each of these Injector nozzle 31a, 32a only sucks in a certain proportion of flue gas 30, whereupon over the entire axial length of the perforated plates 31, 32, that of the burner length corresponds, a uniform flue gas admixture takes place.
  • This Configuration means that the two media, ie the Fresh air 29 and the flue gas 30, an intimate mixing takes place, so that the flow length extending up to the tangential air inlet ducts 5, 6 of the feed channels 27, 28 can be minimized for the mixture formation can.
  • the local injector configuration 200 is characterized by that the geometry of the premix burner, especially what the shape and the Concerns the size of the tangential air inlet ducts 5, 6, remains dimensionally stable, i.e. by along the evenly metered distribution of the hot smoke gases 30 along The entire axial length of the premix burner does not result in any heat-related Faults.
  • the same injector configuration as the one just described here can also in the area of the head-side fuel nozzle 11 for a axial supply of combustion air can be provided.
  • the feed channels 27, 28 also have guide plates 50, which are described in the description of FIGS Fig. 4 is discussed in more detail.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of the premix burner in the direction of flow, in particular expressing the course of the perforated plates 31, 32 belonging to the injector system in relation to the inflow planes 33 of the feed channels 27, 28.
  • This course is parallel, the inflow planes 33 also running parallel to the burner axis 26 of the premix burner over the entire burner length.
  • This figure also shows how the injector nozzles 31a, 32a are mounted. There are two possibilities here of guiding the injector nozzles 31a, 32a. On the one hand, the upper illustration shows a completely vertical course of the injector nozzles 32a.
  • the lower illustration shows a different course of the injector nozzles 31a: Here they have an inflow angle which changes continuously in the direction of flow with respect to the burner axis 26. From an initially acute angle in the area of the head stage of the premix burner, this gradually increases until the injector nozzles 31a in the area of the burner end are then approximately perpendicular to the burner axis 26.
  • Which design variant is used depends on the specific operating parameters and other auxiliary measures. Mixed forms of vertical and oblique injection are also possible.
  • the partial bodies 1, 2 are equipped with guide vanes 50.
  • the inflow angle a ie the angle of the corresponding guide vane with respect to the burner axis 26, increases from the burner head to the burner outlet, the angularity of these guide vanes 50, of course, being dependent on the respective inflow plane of the injector nozzles 31a, 32a.
  • the last-acting guide vane is essentially almost perpendicular to the burner axis 26.
  • the angle increases with vertically acting injector nozzles 31a from initially approximately 40 ° to an angle ⁇ n of approximately 80 °.

Abstract

Bei einem Brenner zum Betrieb eines Aggregates zur Erzeugung eines Heissgases werden im von einer Anzahl Teilkörper (1, 2) gebildeten Innenraum ( 8) Leitkörper (50) angeordnet, welche an den Innenwänden dieser Teilkörper wirken. Diese Leitkörper (50) haben vorzugsweise die Form von Leitschaufeln und sorgen dafür, dass die weitgehend tangential in den Innenraum (8) einströmende Verbrennungsluft (7) in Strömungsrichtung umgelenkt wird. Diese Umlenkung zu einer axialen Komponente der Strömung innerhalb des Innenraumes (8) geschieht allmählich, wobei der Grad von den vorgegebenen Anströmungswinkeln (α, αn) der Leitkörper (50) abhängt. Damit wird eine Maximierung der Mischungsgüte der Verbrennungsluft (7) und eine Verstärkung der Positionsstabilität der Rückströmzone am Brenneraustritt erreicht. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb eines Aggregates zur Erzeugung eines Heissgases gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Die Flammenstabilisierung von vielen modernen Low-NOx-Brennern , so in EP-B1-0 321 809, beruht auf der Erzeugung einer Rückströmzone oder Rückströmblase (= Vortex-Breakdown). Diese Brenner werden oft als Vormischbrenner bezeichnet, ausgehend von der Tatsache, dass die Vormischung des zum Einsatz kommenden Brennstoffes innerhalb einer zum Brenner gehörenden Strecke vorgenommen wird. Bei ungünstiger Auslegung des Drallerzeugers resp. der Drallbildung eines solchen Vormischbrenners geht durch die hohe Drallzahl die gewünschte kurze Rückströmzone durch das Aufplatzen des Wirbels in eine lange fast zylindrische Rückströmzone über. Beim Betrieb eines solchen Vormischbrenners ohne eine anschliessende Brennkammer, oder bei einem zu grossen Brennraum, resp. bei einem Brennraum, dessen Brennkammerwände relativ kalt sind, was typischerweise bei Heizkesseln der Fall ist, wird den zurückströmenden Rauchgasen im Kern die Wärme entzogen. Dies führt, insbesondere beim Start, zu einer ungenügenden Flammenstabilisierung, und beim Betrieb des Vormischbrenners mit einem flüssigen Brennstoff zu einer unzureichenden Vorverdampfung der Brennstofftropfen. Dieses Verhalten lässt sich auch bei Brennern für Kesselanlagen mit einer passiven Rauchgasrezirkulation im Brennraum feststellen. Diese Probleme können zum Flammenabriss oder zu Schwingungen führen, und machen ein unerwünschtes besonderes Startprozedere notwendig. Bei Heizungsfeuerungen muss ausserdem eine sehr lange Startphase vorgesehen werden, welche zu erhöhten Schadstoff-Emissionen führt. Dies hängt im wesentlichen damit zusammen, dass der ganze Heizkessel mit seiner relativ grossen thermischen Trägheit soweit aufgewärmt werden muss, bis die rückströmenden Abgase eine ausreichende Temperatur aufweisen.
Für den Vormischbrenner selbst ergeben sich bei einer solchen Konstellation und bei gewissen Betriebsarten des Brenners folgende Unvollkommenheiten resp. Unzulänglichkeiten:
  • a) Erhöhung der Gefahr eines Flammenrückschlages ins Innere des Vormischbrenners;
  • b) aus a) ergibt sich dann die Konsequenz, dass der Betriebsbereich mit einer optimalen Flammenposition beschränkt bleibt;
  • c) die Verbrennung ist Pulsationen unterworfen, die mannigfaltig zu einer Destabilisierung der Flammenposition und/oder zu einer Erhöhung der Schadstoff-Emissionen, insbesondere der NOx-Emissionen führen;
  • d) es entstehen grosse Abweichungen hinsichtlich der optimalen Strömungsbedingungen, wodurch das Potential des Vormischbrenners nicht vollständig ausgenutzt werden kann;
  • e) das Startprozedere ist aus obengenannten Unzulänglichkeiten problematisch zu handhaben.
    • Darstellung der Erfindung
    Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorschläge zu unterbreiten, welche die obengenannten Unvollkommenheiten und Unzulänglichkeiten zu beheben vermag.
    Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Hauptkörper des Brenners im wesentlichen unverändert bleibt. Lediglich zur Behebung der obengenannten Nachteile sowie zur Stärkung der sich am Ausgang des Brenners bildenden Rückströmzone weisen die Innenwände der den Brenner bildenden Schalen eingebaute Leitkörper auf, welche die Aufgabe übernehmen, vorab die in den Innenraum des Brenners rein tangential einströmende Verbrennungsluft, welche vorzugsweise aus einem Luft-/Abgas-Gemisch besteht, in axialer Richtung umzulenken. Dabei nimmt der Einströmungswinkel dieser Leitkörper, welche vorzugsweise als Leitschaufeln ausgebildet sind, von der Brennerspitze her gesehen in Strömungsrichtung zu. Im Bereich des Brenneraustritts weisen diese Leitkörper bis zu einer senkrechten Stellung gegenüber der Brennerachse auf. Damit diese Leitkörper richtig arbeiten können, wird deren Anzahl innerhalb der Länge des Brenners so gewählt, dass das Verhältnis zwischen Abstand der Leitkörper zueinander und der Breite des tangentialen Einströmungskanals in den Innenraum des Brenners ca. 1 beträgt.
    Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
    Im folgenden werden 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
    einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung,
    Fig. 2
    eine weitere perspektivische Darstellung des Vormischbrenners gemäss Fig. 1, aus anderer Ansicht, in vereinfachter Form,
    Fig. 3
    einen radialen Schnitt durch den Vormischbrenner mit Ansicht der Injektoren,
    Fig. 4
    einen axialen Schnitt durch den Vormischbrenner gemäss Fig. 3, mit parallelem Verlauf der Lochplatten gegenüber den Einströmungsebenen, mit Darstellung von Leitschaufeln im Innenraum des Vormischbrenners,
    Fig. 5
    einen weiteren radialen Schnitt durch den Vormischbrenner mit Ansicht der Injektoren und
    Fig. 6
    einen axialen Schnitt durch den Vormischbrenner gemäss Fig. 5 mit einer weiteren Konfiguration der Injektoren in Strömungsrichtung.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
    Fig. 1 zeigt einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung. Zum besseren Verständnis des Gegenstandes ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig bei der Erfassung von Fig. 1 mindestens auch Fig. 2, ev. Fig. 3 herangezogen werden. Die erstgenannten Figuren haben hauptsächlich den Zweck, die Art und die Funktionsweise eines solchen Brenners abzustecken.
    Der Vormischbrenner gemäss Fig. 1 besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 1, 2, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Dieser Brenner wird mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff betrieben. 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. 2, 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 Teilkörpern 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 vorzugsweisen 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 eingedüste 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. 2, 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 induzierten Vormischstrecke. Was die Zumischung eines rückgeführten Rauchgas betrifft, so wird auf die Fig. 3-6 verwiesen.
    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.
    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 der genannten gegenüber der Lufteintrittsebene in den Kegelhohlraum 8 (Vgl. Fig. 2, Pos. 21) derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6, wie dies aus Fig. 2 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 beispielweise 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, bei welchen zur Erzielung einer Drallströmung von einem zylindrischen oder quasi-zylindrischen Rohr ausgegangen wird, die Einströmung der Verbrennungsluft ins Innere des Rohres über ebenfalls tangential angelegte Lufteintrittskanäle bewerkstelligt wird, und im Innern des Rohres ein kegelförmiger Körper mit in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnitt angeordnet ist, womit auch mit dieser Konfiguration eine kritische Drallzahl am Ausgang des Brenners erzielbar ist.
    Fig. 2 zeigt den gleichen Vormischbrenner gemäss Fig. 1, jedoch aus einer anderen Perspektive und in vereinfachter Darstellung. Diese Fig. 2 soll im wesentlichen dazu dienen, die Konfiguration dieses Vormischbrenners einwandfrei zu erfassen. Insbesondere ist in dieser Fig. 2 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 ist ein Mass für die Grösse der Durchflussbreite resp. des Durchflussquerschnittes der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6. Die jeweiligen Mittelachsen 3, 4 verlaufen hier parallel zueinander.
    Fig. 3 ist ein Schnitt etwa in der Mitte des Vormischbrenners. Die spiegelbildlich tangential angeordneten Zuführungskanäle 27, 28 erfüllen jeweils die Funktion einer Mischstrecke, in welchen die Verbrennungsluft 7, welche aus Frischluft 29 und rückgeführtem Rauchgas 30 gebildet ist, 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 dieses 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 Lufteintrittskanälen 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 die 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. Die Zuführkanäle 27, 28 weisen des weiteren Leitbleche 50 auf, auf welche in der Beschreibung von Fig. 4 näher eingegangen wird.
    Fig. 4 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 ebenfalls parallel zur Brennerachse 26 des Vormischbrenners verlaufen. In dieser Figur ist auch ersichtlich, wie die Injektordüsen 31a, 32a gelagert sind. Es sind hier zwei Möglichkeiten über die Führung der Injektordüsen 31a, 32a auszumachen. Zum einen zeigt die obere Darstellung einen durchwegs senkrechten Verlauf der Injektordüsen 32a. Zum anderen zeigt die untere Darstellung einen anderen Verlauf der Injektorendüsen 31a: Hier weisen diese einen Einströmungswinkel auf, der sich in Strömungsrichtung gegenüber der Brennerachse 26 fortlaufend verändert. Von einem anfänglich spitzen Winkel im Bereich der Kopfstufe des Vormischbrenners vergrössert sich dieser allmählich, bis die Injektorendüsen 31a im Bereich des Brennerendes dann in etwa senkrecht zur Brennerachse 26 stehen. Welche Ausführungsvariante zum Einsatz kommt, hängt von den spezifischen Betriebsparametern und von weiteren Hilfsvorkehrungen ab. Mischformen von senkrechter und schräger Eindüsung sind auch möglich. Zur Maximierung der Mischungsgüte des Luft/Rauchgas-Gemisches 7 und Verstärkung der Positionsstabilität der Rückströmzone (Vgl. Fig. 1) werden die Teilkörper 1, 2 (Vgl. Fig. 1-3) mit Leitschaufeln 50 bestückt. Diese lenken das tangential und weitgehend senkrecht einströmende Luft/Rauchgas-Gemisch 7 in einer axialen oder quasi-axialen Richtung um. Dabei nimmt der Einströmungswinkel a, d.h. der Winkel der entsprechenden Leitschaufel gegenüber der Brennerachse 26, vom Brennerkopf zum Brennerausgang hin zu, wobei selbstverständlich die Winkligkeit dieser Leitschaufeln 50 in Abhängigkeit zur jeweiligen Einströmungsebene der Injektordüsen 31a, 32a steht. Im Bereich des Brennausganges steht die letztwirkende Leitschaufel im wesentlichen fast senkrecht zur Brennerachse 26. In Zahlen ausgedrückt, steigert sich der Winkel bei senkrecht wirkenden Injektordüsen 31a von anfänglich ca. 40° bis zu einem Winkel αn von ca. 80°. Damit diese Leitschaufeln 50 richtig arbeiten können, wird deren Anzahl innerhalb der Länge des Vormischbrenners so gewählt, dass das Verhältnis zwischen Abstand S der Leitschaufeln zueinander und der Breite H der tangentialen Lufteintrittskanäle in den Innenraum des Vormischbrenners ca. 1 beträgt. Dadurch werden die vorne unter dem Kapitel "Stand der Technik" aufgeschlüsselten Nachteile behoben.
    Fig. 5 und 6 zeigen im wesentlichen die gleiche Konfiguration gemäss Fig. 3 und 4, 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. 3 und 4, 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. Die Anordnung und Winkelstellung der auch hier vorzusenden, aber nicht näher gezeigten Leitschaufeln werden gegenüber der Brennerachse 26 aufgrund der vorgegebenen Einströmungsebenen des Luft-/Abgas-Gemisches entsprechend angepasst.
    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
    Brennraum
    18
    Frontplatte
    19
    Bohrungen in Frontplatte
    20
    Luft, Mischluft, Kühlluft
    21
    Lufteintrittsebene
    22
    Brennstoffinjektionsebene
    23
    Brennstoffprofil
    24
    Rückströmzone, Rückströmblase
    25
    Flammenfront
    26
    Hauptmittelachse, Brennerachse
    27,28
    Zuführungskanäle
    29
    Frischluft
    30
    Rückgeführtes Rauchgas
    31,32
    Lochplatten
    31a, 32a
    Injektordüsen
    33
    Einströmungsebene der Züführungskanäle 27, 28
    34,35
    Lochplatten
    34a, 35a
    Injektordüsen
    36
    Einströmungsebene der Zuführungskanäle 27, 28
    50
    Leitkörper, Leitschaufeln
    200
    Injektorsystem
    α
    Einströmungswinkel
    αn
    Einströmungswinkel
    S
    Leitschaufelabstand
    H
    Tangentialer Lufteintrittskanal

    Claims (13)

    1. Brenner zum Betrieb eines Aggregates zur Erzeugung eines Heissgases, wobei der Brenner im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörper (1, 2) besteht, deren Mittelachsen (3, 4) zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass benachbarte Wandungen dieser Teilkörper (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für die Einströmung einer Verbrennungsluft (7) in einen von den Teilkörpern (1, 2) gebildeten Innenraum (8) bilden, und wobei der Brenner mit mindestens einer Brennstoffdüse (11, 15) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) an ihren Innenwänden zueinander beabstandete und in Wirkverbindung mit der in den Innenraum (8) einströmenden Verbrennungsluft (7) wirkende Leitkörper (50) aufweisen.
    2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitkörper (50) in Längsrichtung des Brenners einen veränderlichen Anströmungswinkel (α, αn) gegenüber der Brennerachse (26) aufweisen.
    3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmungswinkel der Leitkörper (50) zwischen 40° am Brennerkopf und 80° am Brenneraustritt zunimmt.
    4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Abstand (S) der einzelnen Leitkörper (50) zueinander und der Breite (H) der tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) annähernd 1 beträgt.
    5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitkörper (50) die Form von Leitschaufeln haben.
    6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (11) kopfseitig und auf der Brennerachse (26) angeordnet ist.
    7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in Längserstreckung des Brenners eine Anzahl zueinander beabstandeter Brennstoffdüsen (15) angeordnet sind.
    8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt des von den Teilkörpern (1, 2) gebildeten Innenraumes (8) in Strömungsrichtung gleichförmig zunimmt.
    9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt des von den Teilkörpern (1, 2) gebildeten Innenraumes (8) einen Diffusor, einen diffusorähnlichen Verlauf, einen Konfusor, einen konfusorähnlichen Verlauf bildet.
    10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.
    11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in radialer oder quasi-radialer Richtung gegenüber den Lufteintrittskanälen (5, 6) Zuführungskanäle (27, 28) erstrecken, welche je mindestens ein Injektorsysten (200) für die Bereitstellung einer aus Frischluft (29) und Rauchgas (30) bestehenden Verbrennungsluft (7) aufweisen.
    12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Injektorsystem (200) 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) senkrecht und/oder quasi-senkrecht steht, und/oder fortlaufend veränderbar ist.
    13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussebene der Injektordüsen (31a, 32a; 34a, 35a) im Bereich des Brennerkopfes einen spitzen Winkel aufweist, und dass dieser Winkel in axialer Richtung der Lochplatten (31, 32; 34, 35) allmählich zunimmt bis dieser im Bereich des Brenneraustrittes annähernd senkrecht zur Einströmungsebenen (33, 36) der Zuführungskanäle (25, 26) und/oder zur Brennerachse (26) des Brenners steht.
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