WO1983002993A1

WO1983002993A1 - Burner for pulverulent, gaseous and/or liquid fuels

Info

Publication number: WO1983002993A1
Application number: PCT/EP1983/000036
Authority: WO
Inventors: Hannover AG Körting
Original assignee: Wiedmann, Uwe; Hupe, Adolf; SCHMINCK, Jürgen; Sievert, Ernst-Joachim
Priority date: 1982-02-17
Filing date: 1983-02-15
Publication date: 1983-09-01
Also published as: EP0101462B1; DE3380271D1; JPS59500482A; DK162617B; AU564097B2; DK477283A; DK477283D0; CA1223775A; FI833772A; AU1221883A; EP0101462A1; TR21937A; JPH0252765B2; DE3206074C2; DK162617C; DE3206074A1; ZA831074B; FI833772A0; IN158983B; IT8319635A0

Description

Brenner für staubförmige, gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe

Die in den letzten Jahren stark nach oben tendierende Preisentwicklung der flüssigen und gasförmigen Brennstoffe hat dazu angeregt, vermehrt feste Brennstoffe nutzbar zu machen, die häufig in ausreichendem Umfang preisgünstiger verfügbar sind. Die bei festen Brennstoffen übliche Rostfeuerung, die überwiegend bei der Dampf- und Warmwassererzeugung -angewendet wird, ist jedoch in vielen Bereichen der industriellen Prozeßwärme nicht möglich, weil dort in der Regel spezifische Forderungen an den^* Ablauf und den Ort der Verbrennung gestellt werden. Für diese Bereiche kön¬ nen die festen Brennstoffe daher nur als "Staub" (d. h. in fein- teiliger oder pulverisierter Form) eingesetzt werden, der -sich mit entsprechenden Brennern in einer den Flammen von flüssigen ^' und gasförmigen Brennstoffen ähnlichen Flamme verbrennen läßt.

Der Einsatz von Brennstauben, in erster Linie Steinkoh¬ lenstaub, beschränkte sich bislang im wesentlichen auf Großfeue¬ rungen mit weitgehend stationären Feuerungsbedingungen, insbeson¬ dere für Kraftwerke und im Bereich der industriellen Prozeßwärme¬ für die Drehöfen der Zeraentindustrie. Es besteht jedoch ein zu¬ nehmender Bedarf an Staubfeuerungen für Anwendungsbereiche mit

CMPI γ WIPO mittlerer Feuerungsleistung, beispielsweise bei Glüh- und Schmelzöfen der Metallindustrie, Brennöfen für keramische Erzeug¬ nisse, Schmelzöfen für Hohl- und Flachglas, Dampfkesseln mit Brennkammer oder Apparaten zur. thermischen Behandlung (wie z. B. Trocknern mit vorgeschalteter Brennkammer) . Diese neuen Anwen¬ dungsbereiche erfordern außerordentlich flexible Brenner, die auch unter stark ^"variierenden Lastbedingungen eine Flamme mit de¬ finiertem Zünd- und Ausbrennverhalten (Flammenform) ergeben müs¬ sen. Außerdem müssen sie auch Brennstaube mit unterschiedlicher Zündfähigkeit und unterschiedlichem Heizwert verarbeiten können, denn aus Preisgründen kommen neben Steinkohlenstaub noch Braun¬ kohlenstaub, Holzschleifstaub und Klärschlammstaub infrage sowie auch alle sonstigen Staube, sofern sie ausreichend brennbar sind. Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit einer spezifischen Brenner¬ technik, auf welche die Konzeptionen und Erfahrungen, aus Brenn- staub-Großfeuerungen nur bedingt übertragbar sind. Andererseits haben Staubflammen einen anderen Zünd- und Ausbrennmechanismus als Flammen aus flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, so daß auch nicht auf die ausgereifte Brennertechnik für flüssige und gasförmige Brennstoffe zurückgegriffen werden kann.

Normalerweise wird einem Staubbrenner der Brennstaub im Gemisch mit einer geringen Menge Förderluft als verhältnismäßig kompakter Strahl zugeführt. Dieser Strahl muß zunächst zündfähig aufbereitet werden, d.. h. er muß. aufgeheizt und mit Verbrennungs¬ luft durchmischt werden. Bei der Aufbereitung erfolgt zuerst ein Ausgasen der im Brennstaubmaterial enthaltenen flüchtigen Be¬ standteile. Sobald eine ausreichend hohe Temperatur erreicht ist, zünden und verbrennen dann diese flüchtigen Bestandteile, und danach erfolgt der Ausbrand der brennbaren festen Bestandteile. Ein derartiger Zünd- und Ausbrennmechanismus hängt einerseits von der Teilchengröße des Brennstaubes ab (kleinere Teilchen werden schneller aufgeheizt) und andererseits von dem Brennstaubmaterial selbst, denn die Gehalte an flüchtigen Bestandteilen, Wasser und Asche weisen bei den Iverschiedenen Materialien eine erhebliche

Bandbreite auf.

Großanlagen werden normalerweise mit weitgehend gleich¬ bleibenden Brennstauben betrieben, sodaß größere Schwankungen in Art und Qualität des Brennstaubes nicht berücksichtigt zu werden brauchen. Im allgemeinen wird bei den für Großanlagen bestimmten Brennern der Brennstoffstrahl unmittelbar in den Verbrennungsraum eingeleitet. Die Aufbereitung und Zündung des Brennstoffstrahls erfolgt (entweder nur unter den thermischen Bedingungen im Ver¬ brennungsraum oder mit Unterstützung durch Öl oder Gas als Stütz¬ brennstoff) dadurch, daß die im Verbrennungsraum vorhandenen hei¬ ßen Gase zur Brennermündung hin rezirkulieren und in den Brenn¬ stoffstrahl eindringen. Dabei können noch zusätzliche Maßnahmen vorgesehen sein, die das Eindringen der heißen-Gase in den Brenn¬ stoffstrahl begünstigen und zur Stabilisierung des Zündvorganges beitragen. Beispielsweise kann der Brennstoffstrahl durch Ver- drallung oder durch Einblasen von Luft mehr oder weniger stark zur Kegelform aufgefächert werden. Eine entsprechende Wirkung ergibt sich, wenn die Verbrennungsluft um die Brennermündung her¬ um zugeführt *und durch teilweise Versperrung oder konische Erwei¬ terung der Luftrohrmündung oder durch Verdrallung so beeinflußt wird, daß sich nahe der Strahlwurzel ein Unterdruckgebiet ausbil¬ det. Mit zunehmender Auffächerung des Brennstoffstrahls wird -al¬ lerdings die Flamme kürzer und bauchiger, und außerdem werden vermehrt Staubteilchen und Ascheteilchen aus dem Zusammenhang der Flamme gelöst und radial nach außen getragen.

Diese mit Aufbereitung und Zündung des Brennstoff¬ strahls im Verbrennungsraum arbeitenden Brenner sind für variable Anforderungen nicht geeignet, weil sich dann der Zündvorgang nicht mehr stabil halten lässt. Außerdem verbietet sich in vielen Bereichen der industriellen Prozesswärme auch eine mit stärkerer Auffächerung des BrennstoffStrahls einhergehende Zündstabili-

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sierung, denn der radiale Teilchenaustrag kann Verschmutzungen des Produkts verursachen und Probleme im Verbrennungsraum erge¬ ben. So werden in heißen Verbrennungsräumen mit Temperaturen oberhalb etwa .1100°C die ausgetragenen Ascheteilchen weich oder sogar flüssig und führen zu Anbackungen und Korrosionserschein¬ ungen. In weniger heißen Verbrennungsräumen bleiben die ausgetra¬ genen Ascheteilchen zwar noch ausreichend fest, aber die ausge¬ tragenen Staubteilchen zünden nicht mehr bzw. erlöschen vor dem vollständigen Ausbrand, was in jedem Fall einen BrennstoffVerlust bedeutet- Erwünscht sind somit lange schlanke Flammenformen mit möglichst geringem Austrag von Teilchen nach außen.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den Brennstoff¬ strahl nicht erst im Verbrennungsraum, sondern bereits in einer besonderen, der Brennermündung vorgeschalteten Zündkammer zu zünden. Ein derartiger Brennertyp ist von F. Schoppe in der Broschüre "Berechnung von Brennern, Brennkammern und ähnlichen Strömungsapparaten", Verlag A. W. Gentner KG, Stuttgart (ohne Jahresangabe), Seiten 37 ff- beschrieben worden. Die Zündkammer hat dabei eine sich konisch erweiternde Wandung, die in ein in den Verbrennungsraum führendes Austrittsrohr übergeht- Zentral in der Kammerwandung ist die Mündung eines Rohres zur Zufuhr des Brennstoffstrahles angeordnet, und diese Mündung ist von einem Lufteinlaß (z. B. einem Ringspalt) umgeben, über den die Ver¬ brennungsluft in. Form .einer Drallströmung in die Zündkammer ein¬ geleitet wird, um nahe der Strahlwurzel ein Unterdruckgebiet zu erzeugen.

Im Betrieb strömt die Drallströraung entlang der Kammer¬ wandung zum Kammerende hin, wo sie sich in zwei Strömungsteile aufteilt. Der wandnahe Strömungsteil gelangt über das Austritts¬ rohr in den Verbrennungsraum, während der restliche Teil infolge des Unterdruckgebiets in einer Rezirkulationsströmung, also in entgegengesetzter Strömungsrichtung, am Brennsto fstrahl entlang

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Yx-ym viPO zur Strahlwurzel zurückgeführt wird. Dadurch werden die heißen Gase, die sich durch die in der Züridkammer ablaufenden Verbrenn¬ ungsvorgänge ergeben, zur Strahlwurzel transportiert, so daß schon kurz hinter der Mündung des Brennstoffrohres eine Aufberei tung und Zündung der äußeren Randzone des Brennstoffstrahls be¬ ginnt, die sich dann - weil sich zwischen dem Brennstoffstrahl und der entgegengesetzt gerichteten Rezirkulationsströmung Wirbe bilden » verhältnismäßig rasch in das Innere des Brennstoff¬ strahls fortsetzt.

* Dieser Brenner ist für kleinere Leistungen (z. B. für Zentralheizungskessel) entwickelt und hat einige wesentliche Nachteile, die ihn zum Betrieb bei mittleren Leistungen und ins¬ besondere im Bereich der industriellen Prozeßwärme ungeeignet machen. Da aus vers-chiedenen Gründen die gesamte Verbrennungsluf als Drallströmung in die Zündkammer eingeführt werden muß, tritt in der Zündkammer nicht nur eine Zündung, sondern auch bereits eine weitgehende Verbrennung des Brennstaubes ein, so daß nur noch eine kurze Flamme aus nahezu ausgebranntem Brennstaub die Brennermündung verläßt. Der Brennstoffstrahl wird dabei bereits in der Zündkammer fast vollständig aufgelöst, wodurch in erheb¬ lichem Umfang Ascheteilchen zur Kammerwand getragen werden. Wenn die Brennerleistung nicht ausreichend klein ist, ergeben sich in der Zündkammer so hohe Temperaturen, daß diese Ascheteilchen, .flüssig oder zähflüssig werden und zu Anbackungen führen können. Außerdem gelangt in jedem Fall ein Teil der Drallströmung in den Verbrennungsraum und verursacht dort einen radialen Austrag wei¬ terer Asche- und Brennstaubteilchen.

Mit der Erfindung soll ein Brenner geschaffen werden, der auch bei mittleren Leistungen und variablen Anforderungen eine stabile Zündung aufweist und im Verbrennungsraum eine lange schlanke Flammenform mit geringem radialen Austrag ergibt. Ausgehend von dem bekannten Brenner mit zentraler Einspeisung' des Brennstoff Strahls und verdrallter , sich mit dem Brennstoffstrahl durohmischender Verbrennungsluft in eine Zünd- kammer erreicht die Erfindung dieses Ziel dadurch, daß über den Dralluft-Einlaß nur ein Anteil der insgesamt erforderlichen Verbrennungsluft in die Zündkammer einleitbar ist, daß im Bereich zwischen der Kammerwandung und dem Austrittsrohr ein zweiter Lufteinlaß vorgesehen ist, über den ein weiterer, sich ganz oder teilweise ebenfalls mit dem Brennstoffstrahl durchmischender Verbrennungsluftanteil in die Zündkammer einleitbar ist, und daß die Summe der innerhalb der Zündkammer an der Durchmischung mit dem Brennstoffstrahl teilnehmenden Verbrennungsluftanteile auf nicht mehr als 50 % der insgesamt erforderlichen Verbrennungsluft eingestellt ist.

Die Erfindung beruht auf der konsequenten Ausnutzung der Erkenntnis, daß ein mit einer Zündkammer ausgerüsteter Bren¬ ner vom Prinzip her für variable Anforderungen auch bei mittleren Leistungen und insbesondere im Bereich der industriellen Prozeß¬ wärme einsetzbar sein müßte, wenn es gelingt, die bisherigen Nachteile dieses Brennertyps zu überwinden, überraschend wurde gefunden, daß diese Nachteile tatsächlich durch ein günstiges Zusammenwirken mehrerer Maßnahmen vollständig beseitigt werden können, nämlich - kurz gesagt - dadurch, daß die Zündkammer mit unterstöchiometrischer Verbrennungsluft betrieben wird und die Einleitung der unterstöchiometrischen Verbrennungsluft in be¬ stimmter Weise über zwei Einlasse erfolgt.

Im Betrieb des Brenners bildet der als Dralluft über den ersten Einlaß in die Zündkammer eingespeiste Verbrennungs¬ luftanteil um den Brennstoffstrahl herum ein Unterdruckgebiet aus, welches dazu führt, daß der Brennstoffstrahl etx-jas aufgefä¬ chert wird und daß zugleich eine heiße Rezirkulationsströmung zur Strahlwurzel zurückströmt. Diese Ausbildung eines Unterdruck¬ gebietes wird dabei von dem weiteren Verbrennungsluftanteil, der über den zweiten Einlaß zugeführt wird und den Brennstoffstrahl

OMPI > ringförmig umgibt, so unterstützt, daß bereits eine geringe Meng an Dralluft zur* stabilen Zündung des Brennstoffstrahls ausreicht. Die über den zweiten Einlaß zugeführte weitere Verbrennungsluft hat aber auch noch andere Funktionen. So bewirkt sie weiterhin, daß die Drallströmung besser in die Rezirkulationsströmung über¬ geht und weniger stark mit ihrem wandnahen Teil durch das Aus¬ trittsrohr hindurch abströmt. Außerdem sorgt sie dafür, daß die¬ ser Übergang innerhalb einer definierten und vorbestimmbaren Querschnittszone der Zündkammer erfolgt, also die axiale Länge des Rezirkulationsbereiches je nach Bedarf beeinflußt werden kann. Weiterhin baut sie im Austrittsrohr die Drallströmung der Dralluft sowie einen im Brennstoffstrahl vorhandenen Drall (der durch^' einen besonderen Drallerzeuger und/oder durch Einwirkung der Dralluft entstanden sein kann) ganz oder zumindest weitgehend ab, so daß die Brennstaubteilchen spätestens an der Brennermün¬ dung in eine überwiegend axiale Strömungsrichtung gebracht wer¬ den. Dazu kann es in einzelnen Fällen zweckmäßig sein, die weite¬ re Verbrennungslu t mit einem Gegendrall zu versehen. Im übrigen kühlt die weitere Verbrennungsluft das Austrittsrohr und verhin¬ dert daß sich darin Rückstände, insbesondere geschmolzene Asche¬ teilchen ansetzen können.

Für die Erfindung ist es ebenfalls wichtig, in der Zündkammer unterstöchiometrische Verbrennungsverhältnisse einzu¬ stellen- Das hat wiederum mehrere Funktionen. Erstens wird der Brennstoffstrahl innerhalb der Zündkammer nur unwesentlich aufge¬ löst, und der radiale Teilchenaustrag innerhalb der Zündkammer ist entsprechend gering. Weiterhin steht dem Brennstoffstrahl aber auch nur eine zwar zur Zündung und beginnenden Verbrennung, aber nicht mehr zur weitergehenden Verbrennung ausreichende Luft¬ menge zur Verfügung, was zur Folge hat, daß der Ausbrand des Brennstoffstrahls hauptsächlich im Verbrennungsraum stattfindet und die Zündkammer entsprechend kühler bleibt.

Insgesamt ergibt somit das Zusammenwirken der erfin¬ dungsgemäßen Maßnahmen einen innerhalb sehr

Grenzen vari- ablen und flexiblen Brenner, der auch bei mittleren Leistungen frei von störenden Ascheanbackungeri betrieben werden kann und der einen beliebig drallfreien und vollständig durchgezündeten Brenn¬ stoffstrahl mit weitgehend axialer Strömungsrichtung abgibt, welcher - abhängig jeweils vom eingesetzten Brennstoff und den geforderten Betriebsbedingungen - an der Brennermündung eine Temperatur von etwa 700 - 1200 °C angenommen hat. Damit ist in jedem Verbrennungsraum - ob heiß oder weniger heiß - ein stabiler Ausbrand des Brennstoffstrahls mit langer schlanker Flammenform gewährleistet.

Der in der Zündkammer benötigte unterstöchiometrische Anteil an der Verbrennungsluft hängt ebenfalls von dem eingesetz¬ ten Brennstoff sowie den geforderten Betriebsbedingungen ab und ergibt sich aus derjenigen Menge der insgesamt in die Zündkammer eingeleiteten Verbrennungsluft, die sich mit dem Brennstoffstrahl durchmischt und dadurch an der Zündung und beginnenden Verbren¬ nung teilnimmt- Die in die Zündkammer eingeleitete Verbrennungs¬ luft setzt sich zusammen aus der Förderluft für den Brennstaub (mit etwa 2 - 7 % Anteil an der Gesamtluft) , der über den ersten Einlaß zugeführten Dralluft (mit etwa 2 - 15 % Anteil an der Gesamtluft) und der über den zweiten Einlaß zugeführten weiteren Verbrennungsluft. Davon nehmen die Förderluft vollständig und die Dralluft nahezu vollständig an der Durchmischung mit dem Brenn¬ stoffstrahl teil, während die

Verbrennungsluft unter¬ schiedlich gehandhabt werden kann. Sie kann so bemessen und geführt sein, daß sie vollständig mit durchmischt wird, in wel¬ chem Falle sich ihre Menge aus der Forderung ergibt, daß die Summe der durchmischten Verbrennungsluft nicht mehr als 50 % der Gesamtluft betragen darf. Andererseits kann die Menge dieser weiteren Verbrennungslu t aber auch höher bemessen sein und ggfs. sogar den vollen Rest der Gesamtluft ausmachen, sofern z. B. durch geeignete Strömungsführung dafür gesorgt ist, daß sich nur der maximal erlaubte Teil mit dem Brennstof strahl mischt, wäh- rend der restliche Teil unvermischt um den Brennstoffstrahl heru in den Verbrennungsra'um austritt. Mit dieser unterschiedlichen Handhabung der weiteren Verbrennungsluft ist eine Möglichkeit gegeben, das Strömungs- und Temperaturprofil an der Brennermün¬ dung zu beeinflussen.

Ein Vorteil der Erfindung ist es im übrigen auch, daß der Brenner nicht auf die Verwendung staubför iger Brennstoffe beschränkt ist, sondern ohne weiteres in gleicher Weise mit flüs sigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden kann. Bei Brennstaub als Hauptbrennstoff und Gas oder Öl als Stützbrenn¬ stoff genügt es beispielsweise, den Hauptbrennstoff abzuschalten und den Stützbrennstoff ohne Unterbrechung des Brennerbetriebs auf volle Leistung aufzufahren, wenn dies bei Engpässen im Nach¬ schub des Brennstaubes erforderlich sein sollte. Auch kann von vornherein Gas und/oder öl, insbesondere das .schlechter zündbare Schweröl, als Hauptbrennstoff vorgesehen sein.

Zahlreiche Ausgestaltungen und Weiterbildungen des er- findungsgemäßeή Brenners sind in den Unteransprüchen definiert und in der nachfolgenden Beschreibung einzelner Ausführungsformen anhand der Zeichnungen^' näher erläutert. Dabei sind gleiche oder funktionsmäßig gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen be¬ zeichnet. Es stellen dar:

Fig. 1 im-Längsschnitt einen Brenner für Brennstaub als Hauptbrennstoff und mit Gas als Stütz¬ brennstoff;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Brenner in der Ebene II-II der Fig. 1;

Fig. 3 im Längsschnitt einen Brenner mit einer anderen Ausgestaltung des Einlasses zur Ein¬ leitung der weiteren Verbrennungsluft in die Zündkammer; Fig. •*-! im Längsschnitt einen Brenner mit einer anderen Ausgestaltung des Einlasses zur

Einleitung von Dralluft in die Zündkammer;

» . . .

Fig. 5 im Längsschnitt eine gegenüber Fig. •*■! abge¬ wandelte Ausführungsform des Brenners;

Fig. 6 einen Querschnitt durch den Brenner in der Ebene V-V der Fig. 5;

Fig. 7 im Längschnitt eine weitere Ausführungsform eines Brenners für Brennstaub als Hauptbrenn¬ stoff mit Gas als Stützbrennstoff;

Fig. 8 einen Querschnitt durch den Brenner in der Ebene VIII-VIII der Fig. 7;

Fig. 9 im Längsschnitt einen Brenner für Brennstaub mit abgewandelter Zuführung des Stützgases;

Fig. 10 im Längsschnitt eine Züήdka mer mit einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausbildung des Einlasses für die weitere Verbrennungsluft;

Fig. 11 im Längsschnitt einen Brenner für Brennstaub als Hauptbrennstoff und Öl als Stützbrennstof

Fig. 12^* einen Querschnitt durch den Brenner in der Ebene XII-XII der Fig. 11;

Fig. 13 im Längsschnitt einen Brenner für flüssigen Brennstoff mit Drallzerstäubung;

Fig. 14 im Längsschnitt eine Abwandlung des Brenners gemäß Fig. 13; und

Fig. 15' ' im Längsschnitt eine Abwandlung des Brenners gemäß Fig.' 1-..

CMPI Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform veran schaulicht das Prinzip des erfindungsgemäßen Brenners am Beispie von Brennstaub als Hauptbrennstoff in Verbindung mit Gas als Stützbrennstoff. Innerhalb eines Luftrohres 16 sind drei konzen¬ trische Rohre 1, 2 und 3 vorgesehen, die gemeinsam in eine Zünd¬ kammer 20 münden. Von diesen drei Rohren dient das zentrale Rohr 1 zur Zufuhr des BrennstoffStrahls, das mittlere Rohr 2 zur Zufuhr des Stützgases und das an seiner Mündung mit einem Drall¬ erzeuger 21 ausgerüstete äußere Rohr 3 zur- Zufuhr, von Dralluft in die Kammer 20. In der dargestellten Ausführungsform besteht dieser Drallerzeuger aus einem das Rohr 3 abschließenden Einsatz, in dem sich ein Drallringraum befindet, der über tangentiale Bohrungen 5 mit dem Innenraum des Rohres 3 und über einen Einlaß 50 mit der Kammer 20 in Verbindung steht. Zweckmäßig ist dabei an dem Einlaß 50 noch eine einschnürende Schwelle 22 angeordnet, die eine Rückströmung aus der Kammer 20 in den Drallringraum •*-! ver¬ hindert.

Die Kammer 20 ist begrenzt durch eine gewölbte Wandung 8, die sich von dem Dralluft-Einlaß 50 aus nach außen erstreckt, und ein stromabwärts davon angeordnetes Austrittsrohr 17, das zylindrisch ausgebildet sein kann, sich ebenso aber auch im Durchmesser erweitern oder verringern kann. In Fig. 1 ist ausge¬ zogen gezeigt, daß sich das Austrittsrohr 17 bis auf den Durch¬ messer eines zylindrischen Mündungsteils 11 verringert, und zugleich ist mit 17' gestrichelt eine zylindrische Ausführung dieses Austrittsrohres angedeutet. Zwischen der Wandung 8 und dem Austrittsrohr 17 weist die Kammer 20 einen zweiten ringförmigen Einlaß 60 auf, der dadurch gebildet ist, daß das Austrittsrohr 17 an dieser Stelle einen etwas größeren Durchmesser besitzt als die Wandung 8. Zweckmäßig ist der Öffnungsquerschnitt dieses Einlas¬ ses verstellbar. Dazu kann beispielsweise das Austrittsrohr 17 in Axialrichtung des Luftrohres 16 verschieblich angeordnet sein, oder es kann außen an der Kammerwandung 8 ein in Axialrichtung des. Luftrohres 16 verschieblicher , in Fig. 1 nicht dargestellter Drosselkörper vorgesehen sein. Im Betrieb des Brenners gemäß Fig. 1 und 2 wird zu- nächst das Stützgas zusammen mit der Dralluft in die Kammer 20 eingespeist und zum Brennen gebracht. Danach wird der aus einem Brennstaub-Förderluft-Gemisch bestehende Brennstaubstrahl der Kammer 20 zugeführt. Im Rohr 1 kann dabei noch ein Drallerzeuger 24 angeordnet sein, um den Brennstoffstrahl in der Kammer 20 kegelförmig aufzufächern, wie dies durch die Pfeile A angedeutet ist. Die aus dem Einlaß 50 austretende Dralluft strömt entlang der Kammerwandung 8 nach außen und geht dann, wie dies die Pfeile B zeigen, in eine innere Rezirkulation über. Dadurch werden die heißen Gase, die sich durch die in der Kammer 20 ablaufenden Verbrennungsvorgänge ergeben, zur Wurzel des BrennstoffStrahles transportiert, so daß sich eine stabile Zündung des Brennstoff¬ strahls ergibt und der Strahl an der Brennermündung 49 vollstän¬ dig durchgezündet ist.

- Die Hauptmenge der insgesamt erforderlichen Verbren¬ nungsluft wird bei der Ausführung gemäß Fig. 1 und 2 über das Luftrohr 16 zugeführt und strömt zum Teil außen an der Kammer 20 vorbei direkt in den Verbrennungsraum, wie dies die Pfeile D veranschaulichen, tritt zum Teil jedoch auch über den Einlaß 60 in die Kammer 20 ein und strömt dort entsprechend den Pfeilen C entlang des Austrittsrohres 17 zur Brennermündung 49. Dieser in die Kammer 20 eingetretene Teilluftstrom C kann

5 - 45 % der Gesamtluft ausmachen und bildet den weiteren Verbrennungsluftan¬ teil, der innerhalb der Kammer 20 neben der Dralluft und der Förderluft zumindest teilweise mit zur Zündung und beginnenden Verbrennung des Brennstaubes herangezogen wird. Somit ergibt sich die im Verbrennungsraum für den vollständigen Ausbrand des Brenn¬ stoffstrahls verfügbare Verbrennungsluft aus dem äußeren Teil¬ luftstrom D und ggfs. einem unverbrannten Rest des Teilluftstro- mes C.

Wenn der Teilluftstrom C zur Unterstützung seiner drallabbauenden Wirkung mit einem Gegendrall versehen werden

OtePI IPO soll, erfolgt das am einfachsten dadurch, daß im Bereich des Ei lasses 60 entsprechende Drallerzeuger angeordnet werden, die in Fig. 1 nicht mehr dargestellt sind.

Im übrigen ist es zweckmäßig, dem Brenner die Dralluf mit einem gegenüber der Hauptluft erhöhten Vordruck zuzuführen, damit auch mit einer geringen Luftmenge eine ausreichende Drall energie- erzeugt werden kann. Der typische Bereich für den Vor¬ druck der Verbrennungsluft im Hauptrohr 16 liegt 'bei etwa 0,01 bis 0,06 bar Überdruck, während der Vordruck der Dralluft im Roh 2 etwa 0,08 bis 0,4 bar Überdruck betragen kann.

Die Fig. 3 zeigt einen Brenner, bei dem die Einleitung des Teilluftstromes C in die Kammer 20 mit einem Rohr 10 erfolgt das konzentrisch zum zentralen Rohr 1 angeordnet und über eine Anzahl von Schrägbohrungen 29 mit der Kammer 20 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Kammerwandung 8 eben und da sich an die Bohrungen 29 anschließende Austrittsrohr 61 zylin¬ drisch ausgebildet, was aber an der grundsätzlichen Wirkungsweis des Brenners nichts ändert-. Im übrigen läßt sich ebenso wie in Fig. 1-die drallabbauende Wirkung des Teilluftstromes C noch dadurch unterstützen, daß in dem Rohr 10 Mittel zur Erzeugung eines Gegendralls vorgesehen werden bzw. die Bohrungen 29 auch i tangentialer Richtung entsprechend schräg angeordnet werden. Die Zufuhr des Teilluftstromes D in den Verbrennungsraum kann analog Fig. 1 über ein Luftrohr 16 erfolgen, wird aber zweckmäßig über separate Lufteinlässe bewirkt, denen jeweils Luftvorwärmer vorge schaltet sein können. Beides ist nicht weiter dargestellt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist es möglich, die Länge des Rezirkulationsbereichs der Dralluft während des Brennerbetriebs durch entsprechende Einstellung der Menge und ggfs. der Strömungsgeschwindigkeit des Teilluftstromes C zu be¬ einflussen, so daß der Rezirkulationsbereich entweder bis zur Mündung 9 ausgedehnt (Pfeile B') oder bis zu den Bohrungen 29

OMPI zurückgedrängt wird (Pfeile B) . Dadurch läßt sich erreichen, daß die Drallströmung ste'ts erst dann abgebaut wird, nachdem sie ihre Funktion erfüllt hat, was z. B. beim Einsatz von Brennstäuben mit wechselnden Eigenschaften wichtig ist. Bei Bedarf kann dabei der Teilluftstrom C auch so eingestellt werden, daß er die Gesamtmen¬ ge der benötigten Verbrennungsluft ausmacht, also keine restliche Verbrennungsluft separat in den Verbrennungsraum mehr eingeleitet zu werden braucht.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 entspricht weitgehend der Ausführung nach Fig. 3 , sieht jedoch die Einleitung von zwei Dralluftströmen in die Kammer 20 vor. Die Wandung der Kammer^'20 ist dabei in ein inneres Wandungsteil 8 und ein äußeres Wandungs¬ teil 9 unterteilt. Der erste Dralluftstrom wird analog Fig. 1 über ein Rohr 27 und die Bohrung 5 dem Drallringraum 4 zugeführt, so daß er aus dem Einlaß 50 verdrallt in die Kammer 20 eintritt. F r den zweiten Dralluftstrom ist zwischen den Wandungsteilen 8 und' 9 ein zusätzlicher ringförmiger Einlaß vorgesehen, der über ein das Rohr 27 konzentrisch umgebendes Rohr 28 und einen durch tangentiale Bohrungen 6 damit verbundenen zweiten Drallringraum 7 gespeist wird. Der Teilluftstrom C wird wiederum durch das Rohr 10 zugeführt und über einen ringförmigen Einlaß 60 in die Kammer 20 eingeleitet, deren Austrittsrohr 62 leicht konisch erweitert ist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die Drallströmung infolge des größeren Abstandes des zusätzlichen ringförmigen Einlasses 51 von der Kammerachse einen höheren Drehimpuls besitzt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 ist wie in Fig. 4 die Wandung der Kammer 20 in das innere Wandungsteil 8 und das äußere Wandungsteil 9 unterteilt. Es wird jedoch die gesamte Dralluft durch das Rohr 3 zugeführt und über die Bohrungen 5 und 6 sowohl in den inneren Drallringraum 4 als auch in den äußeren Drallringraum 7 eingeleitet. Aus den Drallringräumen 4 und 7 strömt die Dralluft dann über die Einlasse 50 und 51 auf die in diesem Fall konisch ausgebildeten Wandungsteile .8 und 9- Das Austrittsrohr 17 der Kammer ist an -dem äußeren Rohr 10 ange¬ bracht, durch das der Teilluftstrom C außen an dem Wandungsteil vorbei in die Kammer 20 eingeleitet wird. Im übrigen sind in Fig. 5 auch noch drallerzeugende Mittel 18 in dem Rohr 10 dargestellt.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 6 wird der Drall der aus den Einlassen 50 und 51 austretenden Dralluft durch Bohrungen 5 und 6 erzeugt, die tangenti.al in die Drallringräume 4 und 7 eingeführt sind. Stattdessen können aber auch, wie in Fig. 5 bei 18 gezeigt, zur _.Drallerzeugung Leitschaufelgitter einge¬ setzt werden. Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 und 8 darge¬ stellt. Den Einlassen 50 und 51 sind jeweils eigene Rohre 14 und 15 zugeordnet, in denen zur Drallerzeugung Leitschaufelgitter 12 bzw. 13 angeordnet sind. Zusätzlich sind dabei zum Drallabbau noch Leitkanten 23 in dem Mündungsteil 11 des Austrittsrohres vorgesehen. Außerdem können durch eine außen am Mündungsteil 11 angeordnete radiale Sperrfläche 19 im Weg der außen an der Kammer 20 vorbeigeführten Verbrennungsluft auch noch erwünschte Turbu¬ lenzen erzeugt werden.

Die Fig. 9 zeigt- eine Abwandlung der bislang beschrie¬ benen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenners dahinge¬ hend, daß der Stützbrennstoff durch ein im Brennstoffrohr 26. angeordnetes Innenrohr 25 in die Kammer 20 eingeleitet wird. Somit erfolgt die Brennstoffzufuhr über^' den Ringraum, der zwi¬ schen den Rohren 25 und 26 gebildet wird.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 10 ist eine abgewan¬ delte Ausbildung des Einlasses für den Teilluftstrom C darge¬ stellt. Die Kammerwandung 9 ist im Bereich ihres größten Durch¬ messers mit dem Austrittsrohr 17 verbunden, wobei der Einlaß für den Teilluftstrom C durch Bohrungen 29 oder Schlitze 58 gebildet wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 und 12 wird im _ Gegensatz zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen 01 als

Stützbrennstoff verwendet. Die Zufuhr dieses Stützöls erfolgt über ein das zentrale Brennstoffrohr 1 koaxial umgebendes Rohr 30, das stirnseitig geschlossen und über radiale Bohrungen 31 mi einem weiteren koaxialen Rohr 33 verbunden ist, in das Zerstäu¬ bungsluft eingeführt wird. Das Stützöl tritt dann gemeinsam mit der Zerstäubungsluft aus der Mündung 32 eines Kanals 54 in die Kammer 20 aus. Die Bohrungen 31 können ggfs. schräg verlaufend •angeordnet sein, um dem Stützöl einen Drall zu erteilen.

Es ist aber auch möglich, öl (insbesondere Schwer'öl) als Hauptbrennstoff zu verwenden. Dafür geeignete Ausführungsfor¬ men sind in Fig. 13 - 15 gezeigt. Diesen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß nur die Brennstoff-Zufuhr an den öleinsatz ange¬ paßt zu werden braucht, während die Ausbildung der Zündkammer und ihr Betrieb mit Dralluft bzw. der weiteren Verbrennungsluft (Teilluftstrom C) unverändert bleibt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist eine Drall¬ zerstäubung des Hauptöls mit zusätzlichem Drallöl vorgesehen. Das Hauptöl wird durch ein zentrales Rohr 35 über eine Dralleinrich¬ tung 40 in die Kammer 20 eingeleitet, wobei sich an das Rohr 35 eine Austrittsdüse 41 anschließt. Durch ein das Zentralrohr 35 umgebendes Rohr 36 wird ebenfalls Öl zugeführt, das über Bohrun¬ gen 37 tangential in eine Drallkammer 38 eingebracht wird, von dort in eine vor dem Mündungsbereich der Austrittsdüse 41 ange¬ ordnete Brennstoffdüse 39 gelangt und aus dieser gemeinsam mit dem Hauptöl in die Kammer 20 austritt. Die Austrittsdüse 41 ist dabei vorzugsweise axial verschiebbar in bezug auf die Brenn¬ stoffdüse 39 gelagert. Außerdem ist das Rohr 36 zur Zuführung des Drallöls zweckmäßig von einem Rohr 42 umgeben, das einen stirn¬ seitig geschlossenen Ringmantel bildet, in den ein Heizmedium zur Vorwärmung des Brennstoffs eingeführt werden kann. Bei dem in Fig. 14 dargestellten Brenner, von dem nur der innere Teil gezeigt ist, findet ebenfalls eine Drallzerstäu¬ bung des Hauptöls mit Drallöl statt. Das Hauptöl wird in diesem Falle durch ein zentrales Rohr 45 eingeleitet, das am vorderen Ende mit einer Austrittsdüse 53 versehen ist, vor deren Mündung 46 sich die Brennstoffdüse 39 befindet. Zusammen mit dem aus der Mündung 46 austretenden Hauptöl gelangt Drallöl in die Brenn¬ stoffdüse. Das Drallöl wird wie bei Fig. 13 durch das Rohr 36 zugeführt, erfährt mittels der Bohrungen 37 einen Drall und tritt über die Drallkammer 38 in die Düse 3? ein. Bei diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel kann die Lage des Rohres 45 in bezug auf die Brenn¬ stoffdüse 39 nicht verändert werden. Stattdessen ist im Rohr 35 eine zentrale Düsennadel 55 axial verschiebbar angeordnet, durch deren konische Spitze 59 die austretende Ölmenge einstellbar ist. Im übrigen kann auch das Hauptöl mit Drall in die Brennstoffdüse 39 eingeleitet werden, indem eine Dralleinrichtung 48 im Zwi¬ schenraum zwischen der Düsennadel 55 und dem Rohr 45 angeordnet wird.

Der in Fig. 15 dargestellte Brenner unterscheidet sich im Aufbau von dem Brenner gemäß Fig. 14 nur darin, daß statt der zentralen Düsennadel 55 ein zentrales Rohr 43 vorhanden ist, das im Rohr 45 axial versehieblich gelagert ist. Das vordere Ende 47 dieses Rohres 43 ist zur Einstellung der Brennstoffzufuhr dur-ch die Düse 53 konisch ausgebildet und enthält außerdem einen Durch¬ laß 44, durch den Luft in die Brennstoffdüse 39 geblasen werden kann, um die Zerstäubung des Hauptöls durch das Drallöl zu unter¬ stützen. Auch hier kann ebenso wie bei Fig. 14 ein Heizmantel vorgesehen sein, der nicht weite 'dargestellt ist.

O I

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Brenner für staubförmige, gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe, enthaltend eine Zündkammer mit einer sich rotations¬ symmetrisch im Durchmesser erweiternden Wandung und einem sich daran anschließenden Austrittsrohr, sowie mit einer zentral in der Kammerwandung angeordneten Mündung eines Rohres zur Zufuhr eines Brennstoffstrahles und einem diese Mündung umgebenden Dral¬ luft-Einlaß zur Zufuhr verdrallter Verbrennungsluft, welche in¬ nerhalb der Zündkammer eine heiße Rezirkulationsströmung erzeugt, die den Brennstoffstrahl durchmischt und auf die Zündtemperatur aufheizt, dadurch gekennzeichnet, daß über den Dralluft-Einlaß (50, 51) nur ein Anteil der insgesamt erforderlichen Verbren¬ nungsluft als Dralluft (B) in die Zündkammer (20) einleitbar ist, daß im Bereich zwischen der Kammerwandung (8, 9) und dem Aus¬ trittsrohr (17, 11, 17*, 61, 62) ein zweiter Lufteinlaß (60, 29, 58) vorgesehen ist, über den ein weiterer, sich ganz oder teil¬ weise ebenfε.l'ls mit dem Brennstoffstrahl (A) durchmischender Verbrennungsluftanteil (C) in die Zündkammer einleitbar ist, und daß die Summe der innerhalb der Zündkammer an der Durchmischung mit dem Brennstoffstrahl teilnehmenden Verbrennungsluftanteile auf nicht mehr als 50 % der insgesamt erforderlichen Verbren¬ nungsluft eingestellt ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lufteinlaß (60, ^'29, 58) für den weiteren Verbrenrtungs- luftanteil innerhalb eines Luftrohres (16) zur Zufuhr von Ver¬ brennungsluft so angeordnet ist, daß ein Teil (C) dieser Verbren- nungsiuft in die Zündkanmer (20) eintritt und der restliche Teil (D) an der Zündkammer vorbei in den Verbrennungsraum strömt.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lufteinlaß (60, 29, 58) für den weiteren Verbrennungs luftanteil (C) mit einem gesonderten Zufuhrrohr (10) verbunden ist.

4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lufteinlaß (60) als Ringspalt zwischen der Kammer¬ wandung (8, 9) und dem Austrittsrohr (17, 17') ausgebildet ist.

5. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lufteinlaß aus einer Anzahl von Bohrungen (29) oder Öffnungen (58) besteht, die im Bereich des Überganges der Kammerwandung in das Austrittsrohr angeordnet sind.

6. Bre-nner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Lufteinlaß (60, 29, 58) ein Drallerzeuger (z. B. 18) zur Erzeugung eines der Dralluft (B) entgegengesetzt gerichteten Dralles zugeordnet sind.

7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt des zweiten Lufteinlasses (60, 29, 58) einstellbar ausgebildet ist.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (8) der Kammer (20) sich konisch oder gewölbt erweiternd an den Dralluft-Einlaß anschließt und dieser mit einem gesonderten, in seinem Mündungsbereich einen Drallerzeuger (21, 13) enthaltenden Luft-Zufuhrrohr (3, 27, 14) verbunden ist.

9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Kammer (20) in ein inneres Wandungsteil (8) und ein äußeres Wandungsteil (9) unterteilt ist, sich das innere Wan¬ dungsteil an den Dralluft-Einlaß (50) anschließt und zwischen den beiden Wsndungsteil en ein zusätzlicher Dralluft-Einlaß ( 51 ) ange- ordnet ist, wobei über beide Einlasse jeweils ein Teilstrom der ingesamt vorgesehenen Dralluft in die Kammer einleitbar ist.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Dralluft-Einlässe (50, 51) mit einem gesonder¬ ten, in seinem Mündungsbereich jeweils einen Drallerzeuger (4, 5, 6, 7, 13) aufweisenden Luft-Zufuhrrohr (27, 28) verbunden ist.

11- Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beide Dralluft-Einlässe (50, 51) mit einem gemeinsamen Luft- Zufuhrrohr (3) verbunden sind, welches zwei den beiden Einlassen zugeordnete Drallerzeuger (4, 5, 6, 7) aufweist.

12. Brenner nach einem der Ansprüche 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verdrallung bestimmte Luft in minde¬ stens eines der Luft-Zufuhrrohre (3, 27, 28, 14) mit einem ge¬ genüber dem weiteren Verbrennungsluftanteil (C) erhöhten Vordruck einleitbar ist.

13- Brenner nach einem der Ansprüche 8 - 11, dadurch -gekennzeichnet, daß einer oder beide Dralluft-Einlässe (50, 51) als Ringspalt ausgebildet sind.

14. - Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Brennstaub als Hauptbrennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in¬ nerhalb des ersten Dralluft-Einlasses (50) die Mündungen eines zentralen Rohres (1) und eines dieses konzentrisch umgebenden Rohres (2) angeordnet sind, wobei eine 'der Rohrmündungen zur Zu¬ führung des Hauptbrennstoffes und die andere zur Zuführung eines verdrallten oder unverdrallten Stützgases dient.

15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ■ mit Brenn¬ staub als Hauptbrennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des ersten Dralluft-Einlasses (50) die Mündung eines zentralen Rohres (1) zur Zuführ'ung des Hauptbrennstoffes und die gemeinsam Mündung (32) eines das zentrale Rohr konzentrisch^' umgebenden Rohrpaares (30, 33) zur Zuführung von verdrallt oder unverdrallt mit Zerstäubungsluft beaufschlagtem Stützöl angeordnet sind.

16. Brenner^' nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit öl als Hauptbrennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des ersten Dralluft-Einlasses (50) die Mündungen eines zentralen Rohres (35, 45) mit einer Austrittsdüse (41) für den Hauptbrennstoff und eines dieses konzentrisch umgebenden, mit drallerzeugenden Mit¬ teln (37) versehenen Rohres (36^") zur Zuführung von flüssigem Drallbrennstoff angeordnet sind, wobei in Strömungsrichtung hin¬ ter der Austrittsdüse (41) eine Brennstoffdüse (39) angeordnet ist, durch die der Hauptbrennstoff und der Drallbrennstoff ge¬ meinsam hindurchströmen.

17-' Brenner. nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (41) und die Brennstoffdüse (39) relativ zuein¬ ander verschiebbar gelagert sind.

18. - Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im zentralen Rohr (45) eine in Achsrichtung verstellbare Düsen¬ nadel (55) angeordnet ist.

19- Brenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel als ein in Achsrichtung verstellbares Rohr (43) ausgebildet ist, durch das Zerstäubungsluft in die Brennstoffdüse (39) einführbar ist.

20. Brenner nach einem der Ansprüche 16 - 19, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Rohr (36) zur Zuführung von flüssigem Drallbrennstoff von einem Heizmantel (42) umgeben ist.