DE4330083A1

DE4330083A1 - Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners

Info

Publication number: DE4330083A1
Application number: DE4330083A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling; Hans Peter Knoepfel; Thomas Dr Sattelmayer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1995-03-09
Also published as: EP0641971B1; US5489203A; JPH07208710A; EP0641971A3; DE59405946D1; EP0641971A2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

im Hinblick auf die vorgeschriebenen, extrem niedrige NO_x-, CO- und UHC-Emissionen beim Betrieb eines Wärmeerzeugers ist man dazu übergegangen, die Diffusionsverbrennung durch eine Vormischstrecke, und dementsprechend durch eine Vormischverbrennung zu ersetzen. Eine wichtige Neuerung auf diesem Gebiet ist seit Publikation der Druckschrift EP-0 321 809 bekanntgeworden. Der Vorschlag aus dieser Druckschrift geht dahin, die herkömmlichen Vormischstrecken durch einen Vormischbrenner zu ersetzen, der im wesentlichen in Strömungsrichtung aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen kegelförmigen Teilkörpern besteht, wobei die Mittelachsen dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen. Dadurch entstehen entlang des so gebildeten Vormischbrenners strömungsmäßig entgegengesetzte tangentiale Eintrittsschlitze, durch welche ein Luftstrom in den Innenraum des Vormischbrenners strömt. Die Gemischbildung aus Frischluft, allenfalls durch eine Menge rückgeführtem Abgas angereichert, und Brennstoff zur Bildung eines Verbrennungsluftstromes geschieht dergestalt, daß der Vormischbrenner verschiedene Brennstoffeindüsungen aufweisen kann. Eine erste Möglichkeit besteht darin, daß am Anfang des Vormischbrenners, also im Bereich seines kleinsten Querschnittes, mindestens eine Brennstoffdüse vorgesehen ist, welche mittig der zueinander versetzt verlaufenden Mittelachsen der Teilkörper plaziert ist. Eine weitere Brennstoff-Eindüsung, welche entweder individuell betreibbar ist, oder in Wirkverbindung mit der vorgenannten Brennstoffdüse steht, wird bereitgestellt, indem entlang der tangentialen Eintrittsschlitze, am Übergang in den Innenraum, eine Reihe Brennstoffdüsen vorgesehen werden. Beispielsweise die Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes durch die mittig plazierte Düse geschieht so, daß sich in Strömungsrichtung des Vormischbrenners eine kegelige sprayartige Brennstoffsäule bildet, welche indessen die Innenwände des Kegelhohlraumes nicht benetzt. Diese Brennstoffsäule wird von dem in den Innenraum einströmenden Luftstrom und allenfalls von einem axial herangeführten weiteren Luftstrom umschlossen, dergestalt, daß innerhalb des Vormischbrenners eine Gemischbildung stattfindet. Dieses Gemisch kommt am Ausgang des Vormischbrenners zur Zündung, wobei im Bereich dieser Brennermündung durch eine sich dort bildende Rückströmzone eine Stabilisierung der Flammenfront induziert wird.

Werden bei einem solchen Vormischbrenner aber Brennstoffe mit einem hohen wasserstoffgehalt verbrannt, so ergeben sich Probleme mit der oben erläuterten Flammenstabilisation. Der Brenner geht, bedingt durch die höhere Flammengeschwindigkeit des Wasserstoffes, von einem Vormischbetrieb in einen Diffusionsbetrieb über. Daraus ergeben sich folgende Probleme:

- Der Brenner überhitzt,
- Die NO_x-Emissionen steigen kräftig an,
- Im Übergangsbereich zwischen Diffusions- und Vormisch betrieb treten Pulsationen auf.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren sowie bei einem Brenner zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art Mittel vorzuschlagen, welche eine stabile Vormischverbrennung mit möglichst kleinem Turbulenzgrad und minimierten NO_x-Emissionen gewährleisten.

Die Abhilfe wird bei vorliegender Erfindung durch Einführung an geeigneter Stelle eines Venturimischers, welcher im Verbrennungsluftstrom dem Innenraum des Brenners vorgeschaltet ist. Dabei kann der Venturimischer mit einem Kühlluftstrom erweitert werden. Die Auslegungsart bietet insbesondere dann große Vorteile, wenn der Brennstoff hohe Wasserstoffanteile aufweist. Der Brennstoff wird dabei an eine Stelle eingedüst, wo die höchste Verbrennungsluft- Geschwindigkeit vorherrscht.

Weitere Vorteile der Erfindung sind des weiteren insbesondere darin zu sehen, daß sich die Brennstoff- Eindüsungsstelle im Bereich der Venturistrecke befindet; dort herrscht eine relativ hohe Geschwindigkeit der Verbrennungsluft vor, wodurch eine schnelle und umfassende Durchmischung des eingegebenen Brennstoffes mit dem anderen Medium stattfindet.

Ferner vermögen die kleineren Flammengeschwindigkeiten am Ausgang des Brenners eine bessere Flammenstabilität zu induzieren, d. h. geringere Pulsationen auslösen.

Durch den Venturimischer ist eine gute Gemischbildung zwischen Brennstoff und Luft bei geringem Druckverlust realisierbar.

Die Erfindung weist ferner einen weiteren wesentlichen Vorteil auf, der darin besteht, daß oberhalb der tangentialen Eintrittsschlitze keine Vormischstrecke für einen dort eingedüsten Brennstoff vorgesehen werden muß, womit die ursprüngliche Kompaktheit des Brenners durch die Erweitereung auf Brennstoffe mit hohem Wasserstoffgehalt nicht verlorengeht.

Auch erübrigt sich durch die Erfindung, den Brennstoffdruck, zwecks Hilfebeistellung zu einer besseren Gemischbildung, vor Eindüsung des Brennstoffes zu erhöhen, wie dies bei üblichen Vormischstrecken stets der Fall ist.

Weitere Vorteile hinsichtlich Minimierung der Turbulenzen im Bereich der Eintrittsschlitze zum Innenraum des Brenners ergeben sich dann, wenn der Venturimischer im Bereich ebendieser Eintrittsschlitze plaziert ist oder dort seine Wirkung zu entfalten vermag.

Vorteilhafte zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen gekennzeichnet.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigt:

Fig. 1 einen Vormischbrenner von der Form eines Doppel kegelbrenners, in perspektivischer Darstellung, ent sprechend aufgeschnitten, wobei hier nur der Haupt körper des Vormischbrenners ersichtlich ist,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Ebene II-II aus Fig. 1 und

Fig 3 eine weitere Ausführung des Verbrennungsluft-Zufüh rung oberhalb der tangentialen Eintrittsschlitze.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit.

Um den Aufbau des Vormischbrenners X besser zu verstehen ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die Fig. 2, allenfalls auch Fig. 3, welche einen radialen Schnitt durch den Vormischbrenner X zeigen, herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötigerweise unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die aus Fig. 2 und 3 hervorgehenden Venturimischer im Bereich oder oberhalb der tangentialen Lufteintrittsschlitze sowie die Verbrennungsluft-Zuführung nicht dargestellt worden. Im folgenden wird auch bei der Beschreibung von Fig. 1, nach Bedarf für die Klarstellung, auf die anderen Figuren verwiesen.

Der Vormischbrenner X gemäß Fig. 1 besteht aus zwei halben kegeligen Teilkörpern 1, 2, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Selbstverständlich ist die zur Bildung des Vormischbrenners X benötigte Anzahl an kegeligen Teilkörpern nicht auf zwei beschränkt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 1, 2 weist in Strömungsrichtung einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich können die Teilkörper 1, 2 in Strömungsrichtung eine andere Öffnungskonfiguration aufweisen, beispielsweise eine regelmäßige oder unregelmäßige zunehmende Kegelneigung, welche bildlich etwa zu einer Trompetenform führt, oder eine regelmäßige oder unregelmäßige abnehmende Kegelneigung, welche bildlich in etwa zu einer Tulpenform führt. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie ohne weiteres nachzuempfinden sind. Welche formschlußendlich gewählt wird, hängt von den verschiedenen Parametern der jeweiligen Verbrennung ab. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse 1b, 2b der kegeligen Teilkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in achsensymmetrischer Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittschlitz 21, 22 (Fig. 2+3) und einen axialen Einströmungsquerschnitt 18 frei, durch welche die aus einem Frischluft oder einem Gemisch aus Frischluft und Rauchgas bestehende Verbrennungsluft 15, 16 in den Innenraum 14 des Vormischbrenners X strömt. Die beiden kegeligen Teilkörper 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a, welche ebenfalls analog zu den Teilkörpern 1, 2 versetzt verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 über die ganze Länge des Vormischbrenners X vorhanden sind. Selbstverständlich kann der Vormischbrenner X rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 1a, 2a ausgebildet sein. Innerhalb dieses zylindrischen Anfangsteils 1a, 2a, der sich beispielsweise besonders gut als Sitz für die Verankerung des ganzen Vormischbrenners X eignet, ist mindestens eine Brennstoffdüse 3 untergebracht. Beide Teilkörper 1, 2 weisen nach Bedarf je eine in axialer Richtung sich erstreckende Brennstoffleitung 8, 9 auf, welche mit einer Anzahl Düsen 17 versehen sind. Durch diese Leitungen wird vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 13 geleitet, der durch die genannten Düsen 17 im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 (vgl. Fig. 2) der dort durchströmenden Verbrennungsluft 15 beigegeben wird. Der Vormischbrenner X kann indessen auch allein mit der Brennstoffzuführung über der Düse 3, oder über die Düsen 17 betrieben werden. Selbstverständlich ist ein Mischbetrieb über beide Düsen 3, 17 möglich, insbesondere dann, wenn über die einzelnen Düsen verschiedenen Brennstoffe zugeführt werden sollen. Brennraumseitig 11 weist der Vormischbrenner X eine kragenförmige Platte 10 auf, welche eine Anzahl Bohrungen 10a aufweist, durch welche Verdünnungs- oder Kühlluft dem vorderen Teil des Vormischbrenners X zugeführt wird. Wird über die Düse 3 ein flüssiger Brennstoff zugeführt, so wird dieser in einem spitzen Winkel in den Innenraum 14 des Vormischbrenners X eingedüst, dergestalt, daß sich bis zur Brenneraustrittsebene ein möglichst homogenes kegeliges Spraybild 5 einstellt. Bei der Brennstoffeindüsung 4 kann es sich um eine luftunterstützte Düse oder um eine Düse handeln, welche nach einem Druckzerstäubungsprinzip arbeitet. Das kegelige Spraybild 5 wird, entsprechend der Anzahl der Lufteintrittsschlitze 21, 22, von tangential einströmenden Verbrennungsluftströmen 15 und von der axial herangeführten weiteren Verbrennungsluft 16 umschlossen. In Strömungsrichtung des Vormischbrenners X wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 12 fortlaufend durch die genannten Verbrennungsluftströme 15, 16 abgebaut. Wird allgemein ein gasförmiger Brennstoff 13 im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze 21, 22 eingebracht, beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 15 bereits in diesem Bereich. Beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffes 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 6 am Ende des Vormischbrenners X, die optimale, homogene Brennstoff-Konzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches beginnt an der Spitze der Rückströmzone 6. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 7 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Vormischbrenners X, wie dies bei den bis anhin bekanntgewordenen Vormischstrecken stets zu befürchten ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern nach Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 15, 16 allenfalls vorgewärmt, so stellt sich eine beschleunigte ganzheitliche Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 12 ein, bevor der Punkt am Ausgang des Vormischbrenners X erreicht ist, an welchem die Zündung des Gemisches stattfinden. Der Grad der Verdampfung ist von der Größe des Vormischbrenners X, der Tropfengröße des eingedüsten Brennstoffes 12 und von der Temperatur der Verbrennungsluftströme 15, 16 und deren Intensität abhängig. Die Minimierung der Schadstoff- Emissionen hängt gewichtig auch von der Rauchgasrezirkulation ab, welche dazu beiträgt, daß eine vollständige Verdampfung des Brennstoffes vor Eintritt in die Verbrennungszone stattfinden kann. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 1, 2 hinsichtlich Kegelneigung und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 ist es von Vorteil, wenn hier enge Grenzen eingehalten werden, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft mit ihrer Rückströmzone 6 im Bereich der Mündung des Vormischbrenners X zur Flammenstabilisierung einstellt. Allgemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze 21, 22 die Rückströmzone 6 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist hier zu sagen, daß die einmal örtlich fixierte Rückströmzone 6 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Vormischbrenners X zu. Die Axialgeschwindigkeit des Gemisches läßt sich des weiteren durch die bereits genannte axiale Zuführung von Verbrennungsluft 16 beeinflussen. Die Konstruktion des Vormischbrenners X eignet sich bei vorgegebener, nicht zu überschreitender Baulänge des Brenners vorzüglich, die Spaltbreite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 zu verändern, indem die kegeligen Teilkörper 1, 2 zu- oder auseinander verschoben werden können, wodurch sich der Abstand der beiden Mittelachsen 1b, 2b, als Folge davon, verkleinert resp. vergrößert, wie dies aus Fig. 2 gut ableitbar ist. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 1, 2 durch eine drehende Bewegung ineinander zu verschieben. Somit ist es möglich, bei entsprechender Vorkehrung, die Form und die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 während des Betriebes zu variieren, womit, ohne Veränderung der Baulänge, der gleiche Vormischbrenner X eine breite Funktionalität abdecken kann.

Wie bereits weiter oben dargelegt, treten beim Betrieb des Vormischbrenners X mit einem Brennstoff mit hohem Wasserstoffgehalt Probleme hinsichtlich der Flammenstabilisation auf, weshalb der Vormischbrenner X im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22 eine Erweiterung erfahren soll. Diese Erweiterungen sind in den folgenden Fig. 2 und 3 dargestellt, wobei bei diesen Ausführungsformen die ursprüngliche Brennstoffeindüsung über die Düsen 17 (Vgl. Fig. 1) entfällt. Selbstverständlich ist nach wie vor möglich, die Brennstoffdüse 3 mit in Betrieb zu nehmen.

Gemäß Fig. 2 wird der Brennstoff 31 am Ort der höchstens Gemischwindigkeit des Verbrennungsluftstromes 15 eingedüst, also ebenfalls im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 21, 22. In diesem Bereich wird ein Venturimischer 32 über die ganze Länge des Vormischbrenners vorgesehen, der aus einer zweifachen Passage, d. h. aus Durchströmungen 33, 34 besteht. Der mittlere Venturikörper 35 dient zugleich als Brennstoffzuleitung. Er ist des weiteren beidseitig in Richtung der genannten Durchströmungen 33, 34 mit Düsen 36 versehen. Die Durchströmungen 33, 34 entfalten eine Venturiwirkung, indem die beiden anderen benachbarten Körper 37, 38 ebenfalls venturimäßig ausgebildet sind. Schon diese einfache Aufspaltung des Venturimischers 32 bewirkt, daß die Baulänge des gemischbildenden Bereichs nachhaltig minimiert werden kann, ohne auf die Vorteile einzelner Venturistrecke verzichtet zu müssen. Diese Aufspaltung kann eine Mehrfache sein, und auch im Sinne einer nicht dargestellten Venturimatrix ausgeführt werden. Bei letztgenannter möglicher Ausführungsform geht es darum, die Durchströmung in den Innenraum 14 des Vormischbrenners X mit vielen kleinen Rohrventuries zu belegen.

Fig. 3 unterscheidet sich grundsätzlich gegenüber Fig. 2 dadurch, daß die kegeligen Teilkörper 1, 2 mit zusätzlichen Leitblechen 41, 42 erweitert werden, durch welche zusätzlich ein Kühlluftstrom 43 strömt, der die Teilkörper 1, 2 unter anderen kühlt. Beim hier gezeigten Venturimischer 44 entsteht gegenüber der Verbrennungsluft 15 eine einfache venturimäßige Durchströmung 45, weshalb die Brennstoffdüsen 46 auch nur hierein wirken. Eine andere Venturiwirkung entsteht gegenüber dem Kühlluftstrom 43. Der Venturikörper 47 ist auch hier als Brennstoffzuführungsrohr ausgebildet.

Allgemein wird postuliert, daß die Venturimischer 32, 44, unabhängig ihrer Ausführungsform, dem Innenraum 14 des Vormischbrenners X vorgeschaltet sind.

Bezugszeichenliste

X Vormischbrenner
1, 2 Teilkörper
1a, 1b Anfangsteil des kegeligen Teilkörpers
1b, 2b Mittelachse des kegeligen Teilkörpers
3 Brennstoffdüse
4 Brennstoffeindüsung
5 Kegeliges Spraybild
6 Rückströmzone
7 Flammenfront
8, 9 Brennstoffleitungen
10 Platte
10a Bohrungen, Öffnungen
11 Brennraum
12 Brennstoff
13 Brennstoff
14 Innenraum des Vormischbrenners
15, 16 Verbrennungsluft
17 Brennstoffdüse
18 Axiale Einströmung, Querschnitt des Brenners
21, 22 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
31 Brennstoff
32 Venturimischer
33, 34 Durchströmungen
35 Venturikörper
36 Brennstoffdüsen
37, 38 Venturikörper
41, 42 Leitblechen
43 Kühlluftstrom
44 Venturimischer
45 Durchströmung
46 Brennstoffdüsen
47 Venturikörper.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, der im wesentlichen aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkörpern besteht, deren Mittelachse in Längsrichtung der Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß dadurch jeweils ein axialer Einströmungsquerschnitt und tangentiale Eintrittsschlitze für die Zuführung eines Verbrennungsluftstromes in den Innenraum des Vormischbrenners entstehen, und wobei der Vormischbrenner über mindestens eine Brennstoffzuführung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung (36, 46) im Bereich mindestens einer Venturistrecke (33, 34, 45) stattfindet, welche oberhalb des Innenraumes (14) des Vormischbrenners (X) wirkt, und daß diese Venturistrecke (33, 34, 45) von dem Verbrennungsluftstrom (15) durchströmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischbrenner (X) mit einem Brennstoff (31) von hohem Wasserstoffgehalt betrieben wird.

3. Vormischbrenner zum Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischbrenner (X) in Strömungsrichtung aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkörpern (1, 2) besteht, deren Mittelachsen (1b, 2b) in Längsrichtung der Teilkörper (1, 2) zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß tangentiale Eintrittsschlitze (21, 22) und ein axialer Einströmungsquerschnitt (18) entstehen, daß im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze (21, 22) mindestens ein Venturimischer (32, 44) angeordnet ist, und daß mindestens eine Brennstoffdüse (36, 46) in Wirkverbindung mit dem Venturimischer (32, 44) steht.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischbrenner (X) mit mindestens einer kopfseitig plazierten Brennstoffdüse (3) und/oder mit einer Anzahl von im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze (21, 22) angeordneten Brennstoffdüsen (17) versehen ist.

5. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Brennstoffdüse (36, 46) im Bereich des Venturimischers (32, 44) ein gasförmiger Brennstoff (31), durch die kopfseitig angeordnete Brennstoffdüse (3) ein flüssiger Brennstoff (12) und durch die im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze (21, 22) angeordneten Brennstoffdüsen (17) ein gasförmiger Brennstoff (13) eindüsbar ist.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen gleichmäßig zunehmenden strömungsquerschnitt aufweisen.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen ungleichmäßig zunehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen gleichmäßig abnehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung einen ungleichmäßig abnehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen.