Verfahren zur Erzielung einer Hochtemperaturwirbelverbrennung mit
verminderter Rezirkulation und Hochtemperaturwirbelbrennkammer. Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Erzielung einer Hochterzperaturwirbelverbrennung sowie eine dafür
geeignete fiochtemperaturwirbelbrennkammer. . Beil den bekannten Wirbelbrennkammern
wird die Flammenstabilität durch Rückströmung heißer Verbrennungsgase im Wirbelkern
(Rezirkulat-on) erreicht. Diese Rückströmung hat jedoch zur Folge, daB der wirksame
Brennkammerquerschnitt vermindert wird. Bei konstantem Feuerraumvolumen sinkt
der zulässige Wärmeanfall im
Feuerraum und somit die Leistung. Außerdem
vereinigt eich das rückströmende Gas wieder mit dem frischen' Arbeitsgag -und"-"äthöht
als Ballastmenge die im wirksamen@Quereehnitt'atrömende Gasmenge. Deshalb treten
bei den bekannten Wirbelbrenxücammern hohe Gasger schwindigkeit und somit hohe Kühlverhtlste
auf. Wird andererseits die Gasgeschwindigkeit verringert, wird lediglich
ein niedrigerer Wärmeanfall erreicht. Man war deshalb bemüht,die Rückströmung durch
geeignete Gestaltung der Brennkammer und der Düsen soweit zu vermindern, bis die
Flamme gerade noch stabil gehalten wird.*Es ist jedochsehr schwierig, die Rückstromverhältnisse
in einer Wirbelbrennkammer exakt einzustellen. Andererseits ist die Verminderung
der Rückströmung eine Voraussetzung, um kleine Brennkammern mit hoher thermischer
t Leistung in Kompaktbauweise herstellen zu können sowie bei ausreichender Verweilzeit
einen hohen Wärmeanfall zu erzielen. An der Entwicklung von besseren Wirbelbrennkammern
sind deshalb weite Bereiche der Technik interessiert. So können Hochtemperaturwirbelbrennkammern.für
magnetohydrodynamische Generatoren sowie für ihre als Beschleuniger arbeitende Umkehrung
(gewöhnlich unter YHD-Technik zusamnengefaßt), im Hüttenwesen, bei Wärmekraftwerken,
für Gasturbinen sowie in der Chemie und bei der Glasherstellung eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperaturwirbelverbrennung zu
entwickeln, bei der die Rückströmung ohne'die@-zuvor geschilderten Nachteile vermindert
ist. Der Erfindung liegt
dabei die.Erkenntnis.zugrunde, daß durch
eine Erhöhung des Kerndruckes in der Wirbelverbrennungszone die ungünstige axiale
Rückströmung weitgehend unterdrückt werden kann, ohne die erstrebenswerte
Rückströmung im Querschnitt senkrecht zur Achse der Wirbelströmung
zu verringern. Die Erfindung besteht darin, daß in einer Nirbelbrennkammer
außer einer verdrallten Ringströmung zur Verminderung der Rückströmung eine zur
Ringströmung zentrische Axialströmung aus Stoffen, die zumindest mit der
Ringströmung einen Verbrennungsprozeß unterhalten, bei solchen Strömungsmengen
erzeugt wird, daß maximale Brennkammertemperaturen auftreten. Es ist möglich,
Axialströmung wie Ringströmung durch einen Verbrennungsproseß zu erzeugen, bzw.
einen Verbrennungsprozeß in diesen Strömungen ablaufen zu lassen. idan kann auch
als Axialströmung oder als Ringströmung nur eine Komponente für einen Verbrennungsprozeß
zuführen und den zweiten Partner in der anderen Strömung zuleiten. Es ist jedoch
vorteil-haft, mindestens in einer Strömung einen Verb^ennungsprozeß
ab-
laufen zu lassen. Diese Verbrennung kann man dann nicht stoechiometrisch
einstellen und in der zweiten Strömung den Partner für eine etwa stoechiometrische
Verbrennung zugeben. Besonders ge-drungene Wirbelbrennkammern lassen
siel: bauen, wenn man die Axial-
strömung als Verbrennungsprozeß ablaufen
läßt. Die axiale Strömung wirkt dann als Pilotflamme. Die Strömungsverhältnisse
in der Brennkammer können weitgehend durch die Drallintensität der Ringströmung
beeinflußt werden,
beispielsweise also durch die Eintrittsgeschwindigkeit
eines tangential einströmenden Mediums.. Der Impuls-, Konzentrations-und Wärmeausgleich
zwischen Ringströmung und Axialströmung hat , eine hohe thermische Flammenstabilität,
wie sie bei üblichen Wir-. belbrennkammern nur durch rückströmende Verbrennungsgase
erreicht werden Kann, zur Folge. Bei der erfindungsgemäßen Wirbelbrennkammer treten
an den Grenzflächen zwischen der Axialströmung und der Ringströmung Scherkräfte
auf, die eine gute Durchmischung beider Strömungen bewirken. Bei der Wirbelbrennkammer
mit Pilotflamme kann -ran durch Verändern des Mengenstromverhältnisses von axialer
zu verdrallter Strömung die Druck- und Strömungsverhältnisse und damit die Verbrennungsintensität
auf kleinem Raum besonders wirksam steuern. Strömungen, in denen Verbrennungsprozesse
ablaufen sollen, kann man Brenn^1 und als Verbrennungsmittel Sauerstoff zuleiten.
Bei Wirbelbrennkammern mit Pilotflammt kann für die Ringströmung auch einfach heiße
Luft verwendet werden. Es ist dann zweckmäßig, die Pilotflamme mit Brennstoffüberschuß
zu betreiben. Der Verbrennungsprozeß in der axialen Strömung kann in einer
Primärbrennkammer undIdie Verbrennung in der verdrallten Ringströmung in einer Sekundärbrennkammer
ablaufen. Die Wirbelbrennkammer nach der Erfindung ist besonders geeignet, dem Verbrennungsprozeß
einen dritten Stoff in fester Porml,_.beispielsweise als Pulver, zuzuführen. Solche
Substanzen können Brennstoffe wid Kohle oder Substanzen für chemische Aufbereitung
sein.
Diese Feststoffe, die vor oder mit der Ringströmung in einem
Trägergas eingeleitet werden können, sind nach Verdampfen oder chemischer Reaktion
über den gesamten Querschnitt der aus der Wirbelbrennkammer austretenden Strömung
der Flammenabgase gut verteilt. Es ist dazu vorteilhaft, die Feststoffe radial einzuleiten.
Verwendet man als feste Substanzen Brennstoffe, arbeite die 'itirbelbrennkammer
als Dreistoffbrenner. Brennstoffe und Feststoffe werden besonders gut aufgeschlossen,
wenn die Brennkammer zumindest ab der verdrallten Strömung eine Innenwand aus Keramik
aufweist. it:an kann dann stärkere Korngrößen oberhalb 70 /u verarbeiten, da die
Feststoffe an der Brennkammerwand aufgeschlossen werden. Bei Brennkammern mit gekühlten
Metallwänden ist der Betrieb dagegen so einzustellen, daß kein Fest-Stoff zur Wand
gelangt. Man ist dann in der Drallstärke oder in der Korngröße beschränkt. Die Erfindung
soll nun anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt
sind, näher erläutert werden. In den Figuren 1 bis 6 sind neuartige Wirbelbrennkammern
zu Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Längsschnitt dargestellt. In
Figur 1 ist die Achse der dargestellten Wirbelbrennkammer mit 1 bezeichnet. Eine
an sich bekannte Zweistoffzerstäuberdüse mit Flammenhalter -ist mit 2 bezeichnet
wiedergegeben. Sie dient der Erzeugung einer als Pilotflamme brennende Axialströmung.
An die Zweistoffzerstäuberdüse 2 schließt eich eine konische Primärbrennkammer,
3
an. Es ist günstig,-das Verhältnis ihrer Länge 1 zu ihebth weitesten Durchmesser
d etwa Eins zu wählen. An die Primärbrennkammer 3 schließt sich eine zylindrische
Sekundärbrennkammer 4 an.fIn die Sekundärbrennkammer 4 münden tangential Zuführungen
5 sowie über den Umfang-verteilt, radial angeordnete Zerstäuberdüsen 6. Das Ausströmungsende
der Wirbelbrennkammer karr. als Düse 7 ausgebildet sein. Der 'firbelbr,gnnkammer
nach Figur 1 kann über die Zweistoffzerstäuberdüse 2 Brennöl und Sauerstoff für
etwa stcechiometrische Verbreinung zugeleitet werden. Über die Zuführungen 5 kann
dann Luft oder Sauerstoff und über die Düsen 6 Brennöl für die Ringströmung zugegeben
werden. Die Strömungsmenge der zugeführten Stoffe für die Axialströmung im VerhältnJ_3
zu dene,-i der Ringströmung ist dann so abzustimmen, daß die aus der Düse 7 ausströmenden
Flammenabgase die höchste Temperatur erreichen. In der Wirbelbrennkammer hat sidh
denn einstabiler 3etrieb bei vernachläßigbarer Rückströmung eingestellt. In Figur
1 ist der Verlauf des Randbereiches der Axialströmung mit 8 und der der Ringströmung
mit 9 wiedergegeben. Der punktierte Bereich 10 zeigt den Verlauf der Mischströmung.
Die Sekundärbrennkammer 4 wird deshalb zweckmäßigerweise so lang ausgebildet, daß
vor dem Ausströmungsende die Jischung und die Verbrennung vollendet ist. Die Sekundärbrennkammer
4 der Wirbelbrennkammer nach Figur 2 weit
gegenüber der Primärbrennkammer
3 einen erweitereten Querschnitt
auf. Dadurch wird der Querschnitt
am Strömungsende der Primärbrennkammer besonders gut ausgenutzt. An der Stirnseite
der Primärbrennkammer 3 ist wieder eine Zweintoffzerstäuberdüse 2 angeordnet. In
die Sekundärbrennkammer 4 münden am Strömungseinlaß tangential eine oder mehrere
Zuführungen 5 und radial mindestens eine Zuführung 11. Wird die Verbrennung in der
Primärbrennkammer 3 mit Brennstoffübersdhuß gefahren, kann über die Zuführung 5
lediglich ein Verbrennungsmittel wie Sauerstoff oder Luft zugeführt werden. Wird
Luft zugeführt, ist es zweckmäßig, diese möglichst hoch aufzubeizen, um hohe Betriebstemperaturen
der Wirbelbrennkamme r zu erreichen. Über die radial mündende Zuführung 11 kann
in einem Teilstrom des Verbrennungsmittels oder in einem anderen Trägergas ein pulverförmiger
Feststoff eingeleitet werden. Bei nicht brennbaren Feststoffen und annähernd stoechiometrischer
Verbrennung in der Primärbrennkammer 3 kann über die Zuführung 5 auch i7 einem Luftstrom
ein ölnebel zugeführt werden. Die Wirbelbrennkammer nach Figur 3 weist einen zylindrischen
Ringspalt mit Drallelementen wie lreitschaufeln 14 auf. Dieser Ringspalt bildet
einen Kanal 12, durch den man ein Medium zur Ausbildung der Ringströmung
leiten kann. Der Kanal 12 kann insbesondere mit hochtemperaturbeständigen Materialien,
wie Keramik, ausgemauert sein und eignet sich dann zur Zuleitung von 800 bis 1300
°C heißer Luft als Verbrennungsmittel für die Sekundärbrennkammer 4. Über
die Zweiatoffzerstäuberdüse 2 kann auch lediglich e in gasförmiger Brennstoff
zugeleitet werden. An die Stelle der Zweistoffzerstäuberdüse kann dann eine einfache
Zuführung treten. Wird die Wirbelbrennkammer nach Figur 3 mittels einer Zweistoffzerstäuberdüse
mit
brennbarem Gemisch in etwa stoechiometrischem Verhältnis versorgt, kann über am
Umfang verteilt angeordnete radial mündende Druckzerstäuberdüsen 13 zusätzlich Brennöl
zugeführt werden. Über radial mündende Zuführungen 11 kann in einem Trägergasstrom
wieder ein Feststoff .zugeführt werden. In Figur 4 ist eine Hochtemperaturwirbelbrennkammer
nach der Erfindung im Längsschnitt abgebrochen dargestellt, bei der die Primärbrennkammer
3 die Form eines Diffusors aufweist. In der Sekundärbrennkammer 4 können wieder
tangential mündende Kanäle 5 zur Ausbildung der Ringströmung vorgesehen sein. Ein
Treibmittel für die Axialströmung kann über den Zentrakörper 15 und zu zerstäubender
Brennstoff über den Düsenringspalt 16 der Primärbrennkammer 3 zugeleitet werden.
Zentralkörper 15 und Düsenringspalt 16 mit ihren Zuleitungen 17 und 18 bilden einen
Zweistoffzerstäuber. Die in Figur 5 abgebrochen wiedergegebene Wirbelbrenakammer
weist eine Primärbrennkammer 3 in Form eines Venturirohres auf. Der Zweistoffzerstäuber
2 beseht aus einer zentralen Druckzerstäuberdüse mit der Zuführung 17 und aus einem
trichterförmigen Ringspalt 16, mit der Zuführung 18. Lye Hochtemperaturwirbelbrennkammer
nach Figur 6 unterscheidet sich -von den bisher geschilderten Brennkammern im wesentlichen
dadurch, dafa die Sekundärbrennkammer 4 strömungsab der Zuführung 5 für die Ringströmung
mit einer keramischen Innenwand 20 versehen ist. Die übrigen wesentlichen Bauteile
des Brenners weisen die Bezugszeichen nach den Figuren 1 bis 5 auf. Mit 21
ist außerdem
ein Ringspalt für Kühlmittel bezeichnet.
Kaltöasteilchens größer als das der Heißluft ist, triftet es mit einer
Geschwindigkeit zur Wand, die von der Stärke der Zirkulation nahezu unabhängig ist.
Auf seinem Weg zur Wand durchquert das Öltröpfchen dabei die heiße Frischlußtschicht
der Ringströmung l in der es erwärmt, teilweise verdampft und verbrannt wird. Gleichzeitig
steigen die spezifisch leichteren Teilchen der heißen Luft und der Verbrennungsgase
in einer Gegenströmung zum Flammenkern. Radiale Triftströmung und Gegenströmung
bewirken eine thermische Mischung. Wesentlich ist weiter, daß Ölteilchen und Frischluftteilchen
gegeneinander eine Relativgeschwindigkeit aufweisen, wodurch der Verdampfungs- und
Verbrennunßsprozess intensiviert wird, da die Randatmosphäre der Öltröpfchen ständig
weggerissen wird. Bei Wirbelbrennern mit einer gekühlten Metallinnenwand in der
Sekundärbrennkammer
kann es vorteilhaft sein, nach Einstellen der maximalen Flammentemperatur die Ringströmung
noch etwas zu verstärken, um die Wirbelschicht so mächtig zu machen, daß der überwiegende
Teil des Öles verbrannt ist, bevor es an die kalte Wand gelangt. Anwendungsmöglichkeiten
Als Dreistoffbrenner für einen Betrieb mit festem Bre»nstoff wird die erfindungsgemäße
Wirbelbrennkammer dann eingesetzt, wenn aus wirtqr.naftlichen oder technischen Erwägungen
die Verfeuerung von Kohle gewünscht wird. Bei den technischen Erwägungen kommt zum
Tragen, daß durch eine überstoechiomet'rische ZL!;#abe von Kohlenstaub - sogenanntes
Fremdkarburieren - eine gut stra"lende Ölflamme erzielt werden kann. In vielen Anwendungsfällen
ist ein direkter wärmeleitender Kontakt mit den Flammenabgasen nicht erwünscht.
In solchen Fällen kann man mit Flammen aus annähernd stoechiometrisch verbrännten
Ölen bei optimalen Betriebstemperaturen guten Wärmeübergang durch Strahlung erzielen.
Das ist beispielsweise für Heizkraftwerke bedeutungsvoll. Aus den geschilderten
Gründen eignet sich die Wirbelbrennkammer nach der Erfindung als Brenner im Hüttenwesen
und insbesondere zur Stahlerzeugung eingesetzt zu werden. Die technische Entwicklung
1
bei der stahlerzeugenden und verarbeitenden Industrie zielt nämlich darauf
ab, die Wärmebelastung der verwendeten Öfen zu steigern. So kann durch den Einsatz
von Sauerstoff bei der Herstellung von Stahl und Gußeisen eine beträchtliche Verminderung
des Energieaufwandes
erzielt werden. Man kann nun zunächst einen
Wirbelbrenner zumiAufschmelzen und Erwärmen des Gußeisens und des eventuell zugesetzten
Schrotts einsetzen und somit den Schrottanteil höher wählen als das möglich wäre,
wenn man nur die _Eigenwärme des Aufblasprozesses ausnutzte. Anschliebend an den
Einschmelzvorgang kann der Wirbelbrenner bei geschlossener Brennstoffzufuhr als
Sauerstoffdi,»e zum Aufblasen und Frischen dienen. Bei der Wirbelbrennkam:ner nach
der Erfindung ist es außerdem möglich - über den gesamten Brennkanal gesehen - eine
stoechiometrische Verbrennung durchzuführen, so daß kein überschüssiger_Sauerstoff
verbleibt, der durch Oxidation von Eisen den gefürchteten braunen Rauch verursacht.
Die Wirbelbrennkammer nach der Erfindun e kann in der Chemie zum Kracken von Kohlenwasserstoffen
für Syntheseprozesse eingesetzt werden. Zur Zierstellung von Azetijylen und nthylen
aus Leichtbenzir: benötiet man bei hohen Temperaturen gro2e Energiemengen. Die notwendigen
Reaktionstemceraturen liegen bei 1500 o C. Die zu krackenden Stuffe dürfen dabei
in diesen Temperaturzonen nur kurze Verweilzei ter. aufweise:. Die ::oci^,temperaturwirbelbrennkammer
kann man für diese Reaktionen so einsetzen, daß in der Primärbrenrinamver
A:ethan oder höhere Kci::.enwasserstoffe, wie Brennöl, möglichst stoeciiiometrisch
mit Sauerstoff verbrannt werden. Die Brennstoffzufuhr ist dann so zu dosieren, daß
die Flamme Temperaturen von 250C bis 300: o. annimmt. Über die Feststoffleitung
kann dann das zur Reaktion nötige Wasser in flüssiger oder dampfförmiger Form zugemischt
werden. Am Ausgang der Trennkammer kann man zum Abschrecken auf 600 0 C Wasserdampf
zumischen.
Für nicht brennbare Feststoffe ergeben sich für die
Wirbelbrennkammer nach der Erfindung weitere Einsatzmöglichkeiten: Für magnetohydrodynamische
Generatoren sowie ihre als Beschleuniger 1
arbeitenden Umkehrungen eingesetzt,
gewinnt man den Vorteil, daß das-als Feststoff zugegebene Saatmaterial in den Flammenabgasen
gleichmäßig gut verteilt und ionisiert wird. Randschichten aus flüssigem Saatmaterial
werden dabei vermieden. , Ferner wird die Hochtemperaturwirbelbrennkammer vorteilhaft
dort eingesetzt, wo die Flammenabgase durch Zusatz von Stoffen aufbereitet werden
sollen. Die Flammenabgase aufzubereiten, ist beispielsweise in folgenden Fällen
interessant: ei schwefelhaltigen Brennöl kommt es neben einer Verunreinigung der
Atmosphäre durch Schwefeltriorid leicht zur Bildung von Schwefelsäure, die Brennkammern
und nachgeschaltete Aggregate gefährdet. Bei der erfindungsgemäßen Wirbelbrennkammer
kann man dem Brennraum über die Feststoffleitung bekannte neutralisierende Zusätze
wie Dolomit, :dagnesiumoxid, Kalkstein, Soda Ammoniak und organische Amine zuführen,
die in der Sekundärbrennkammer gut vermischt werden. Da diese Zusätze im allgemeinen
in Brennöl unlöslich sind, hat bei konventionellen Brennkammern der :'ersatz
bisher viele ungelöste Probleme aufgeworfen. 'Ton weiteren Zusätzen, wie Dolomitstaub,
ist auch bekannt, daß sie aschebedingtes Verstopfen in Kesseln und Gasturbinen vermeiden,
da sie die Niederschläge lockern.
Die Hochtemperaturwirbelbrennkammer
ermöglicht auch Rückstandsöle zur Versorgung von Gasturbinen zu verfeuern und dennoch
eine Korrosion durch Vanadiumpentoxid durch Zusätze von Kaolin, Aluminiumhydrgsilikat,
Kieselgur und andere siliziumhaltige Verbin-41 dungen zu vermeiden. Für die Schlackenarbeit
der Hüttenindustrie kann man der erfindungsgerräßen Wirbelbrennkammer über die Feststoffleitung
Kalk in Sauerstoff als Trägergas in Pulverform zuführen und auf das Metallbad zur
Verschlackung größerer Phosphormengen aufblasen. In der Glashüttung ist es nachteilig,
daß Kalzium- und Natriumoxid in.der Glasschmelze nach unten wandern und eine Anreicherung
von Silikaten an der Badoberfläche entsteht. Die an sich bekannte Zugabe von Natriumslulfat
zur Schmelze wird durch ein gleichmäßiges Aufbringen in den Flammenabgasen des erfindungsgemäßen
Wirbelbrenners besonders wirksam und verhindert eine Silikatanreicherung an der
Badoberf läche.