DE19547914A1

DE19547914A1 - Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE19547914A1
Application number: DE19547914A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Knoepfel; Thomas Ruck
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1997-06-26
Also published as: JPH09184605A; DE59607768D1; JP3842357B2; CN1137341C; EP0780628A2; CN1163371A; EP0780628B1; EP0780628A3; US5800160A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Wird bei drallstabilisierten Brennern, wie dieser beispiels weise aus EP-B1-0 321 809 als Vormischbrenner hervorgeht, auf der Brennerachse ein flüssiger Brennstoff eingedüst, so wirkt die sich von der Brennstoffdüse stromabwärts bildende Flüs sigkeitssäule für den tangential in den Innenraum des Vor mischbrenners einströmenden Verbrennungsluftstrom insbeson dere im ersten Bereich stromab der Eindüsung wie ein Festkör per. Gegenüber der Strömung ohne Flüssigbrennstoffeindüsung wird die Verbrennungsluftzuströmung im Brennerkopf behindert, wodurch sich die Tangentialkomponente der sich bildenden Drallströmung verstärkt. Dies führt zu einer Änderung der Flammenposition, welche weiter stromauf wandert. Wird entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze eine weitere Eindüsung eines Brennstoffes vorgenommen, so ist der Betrieb einer sol chen Brennstoffeindüsung aufs höchste gefährdet, weil einer in diesem Bereich wirkende Flammenfront unweigerlich zu einer Rückzündung in das System führt. Des weiteren kommt es zu ei ner Anfettung des Flammenzentrum, welche mannigfaltig den Be trieb eines solchen Vormischbrenners benachteiligt. Bei einer solchen Betrieb lassen sich verschiedentliche Nachteile aus machen, welche sich, nicht abschließend aufgezählt, wie folgt erfassen lassen:

a) Es findet eine nicht zu unterschätzende Erhöhung der Ge fahr eines Flammenrückschlages statt, wobei dies leicht zu einem Abbrennen von Teilen des Vormischbrenners führen kann. Findet eine solche statt, so entsteht ein Gefahren potential, insoweit, als abbröckelnde Teile eine schwer wiegende Havarie der Maschine auslösen können;
b) Ein Betrieb bei optimaler Flammenposition mit einem Flüs sigbrennstoff darf aus Sicherheitsgründen nicht breit aus gelegt sein, womit der Vormischbrenner einen kleinen Be triebsbereich aufweist;
c) Das Fehlen einer integralen Durchmischung von Anbeginn zwischen dem Spraykegel und dem Verbrennungsluftstrom aus obengenannten Gründen führt unweigerlich zu einer Steige rung der NOx-Emissionen;
d) Die inhomogene Gemischverteilung führt darüber hinaus zu weiteren Nachteilen, welche erhöhte Schadstoff-Emissionen sowie die Entstehung von Pulsationen auslösen;
e) Von den optimalen Strömungsbedingungen für eine sichere und effiziente Verbrennung sind große Abweichungen aus zu machen.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine Flammenstabilisation bei maximiertem Wirkungsgrad und Minimierung der Schadstoff-Emissionen zu erzielen.

Die wesentliche Maßnahme der Erfindung betrifft die Stellung der kopfseitigen Brennstoffdüse, welche um eine bestimmte Strecke gegenüber der Einströmung der Verbrennungsluft strom auf zurückversetzt wird, wobei diese Strecke von dem gewähl ten Spraywinkel abhängt. Durch diese Versetzung kommt die Mündung der Brennstoffdüse im Bereich einer festen Ummante lung zu stehen, womit hier gleichzeitig radial um die Düsen mündung Öffnungen vorgesehen werden können, durch welche Spülluft in den von der Brennstoffdüse induzierten Quer schnitt einströmt. Der Durchflußquerschnitt dieser Öffnun gen wird so gewählt, daß im Gasbetrieb der durch diese Öff nungen strömenden Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrenn stoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray praktisch als Strahl pumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Öffnungen erhöht. Dies bewirkt einen größeren axialen Im puls, der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse das Brennstoffspray mit einem größeren Kegelradius in die Hauptströmung, also in die durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze strömende Ver brennungsluft eintritt. Das Brennstoffspray ist in dieser Ebene bereits von einem Film zu Tropfen zerfallen und die Ke gelmantelfläche dieses Brennstoffsprays hat sich beim Eintre ten in den Bereich der Verbrennungsluft aus den tangentialen Lufteintrittsschlitze um einen Faktor 3 vergrößert. Dadurch wird die Ausbreitung des Brennstoffsprays verbessert und die Zuströmung der Verbrennungsluft nicht behindert.

Schließlich ist daraufhinzuweisen, daß der durch die Öff nungen im Bereich der Brennstoffdüse angesaugte Luftmassen strom eine Benetzung der Kegelinnenspitze verhindert, da er sich als Film zwischen Brennstoffspray und Wand legt und vor allem den Öffnungswinkel des Brennstoffsprays definiert. Dieser bleibt über einen großen Lastbereich konstant.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch varieren der Öffnungsquerschnitte für den Luftmassenstrom im Bereich der Brennstoffdüse die Rückström zone und somit die Flammenposition während des Betriebes di rekt beeinflußt werden kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschie denen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners mit Positionierung des Brennstoffsprays,

Fig. 2 einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 3-5 Ansichten durch verschiedene Schnittebenen des Vor mischbrenners gemäß Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vormisch brenners, der in den nachfolgenden Fig. 2-5 näher beschrieben wird. Wesentlich an Fig. 1 ist die Darstellung der mittig plazierten Brennstoffdüse 103, welche gegenüber dem Anfang 125 des kegeligen Durchflußquerschnittes stromaufzurückver setzt ist, wobei die Strecke 126 von dem gewählten Spraywin kel 105 abhängt. Durch diese Versetzung kommt die Mündung 104 der Brennstoffdüse 103 im Bereich der kopfseitigen festen Um mantelung 101a, 102a zu stehen. Das durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse 103 entstehende Brennstoffspray 105 tritt mit einem größeren Kegelradius in den von der Hauptströmung der Verbrennungsluft in den Innenraum 114 des Brenners abge deckten Bereich ein, so daß sich das Brennstoffspray 105 in diesem Bereich nicht mehr als einen festen kompakten Körper verhält, sondern bereits zu Tropfen zerfallen ist und demnach leicht vom Verbrennungsluftstrom durchdrungen werden kann. Die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 in das Brennstoff spray 105 wird demnach durch die Kompaktheit der Brennstoff eindüsung nicht mehr behindert, was sich auf die Mischungs qualität im positiven Sinne niederschlägt, dadurch, daß das Brennstoffspray 105 leichter durch die Verbrennungsluft durchdrungen werden kann. Darüber hinaus, im Bereich der Ebene der Brennstoffspray-Mündung 104 sind radial oder quasi radial angeordnete Öffnungen 124 vorgesehen, durch welche eine Spülluft in den von der Größe der Brennstoffdüse 103 induzierten Querschnitt einströmt. Der Durchflußquerschnitt dieser Öffnungen 124 wird so gewählt, daß im Gasbetrieb der durch diese Öffnungen strömenden Luftmassenstrom nicht aus reicht, um die Rückströmzone (Vgl. Fig. 2, Pos. 106) weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray 105 praktisch als Strahlpumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Öffnungen 124 erhöht. Dies bewirkt einen größeren axialen Impuls, der die Rück strömzone weiter stromab verschiebt, was als gute Maßnahme gegen eine Rückzündung der Flamme wirkt. Auf die schematisch dargestellten kegelförmigen Teilkörper 101, 102 wird in Fig. 2-5 näher eingegangen. Dort werden auch Konfiguration und Wirkungsweise der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 näher behandelt.

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen Schnitte nach den Fig. 3-5 herangezogen werden. Des weite ren, um Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 3-5 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 3-5 hingewiesen.

Der Brenner 100 nach Fig. 2 ist ein Vormischbrenner und be steht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Verse tzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz oder Kanal 119, 120 frei (Vgl. insbesondere Fig. 3-5), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimm ten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebs einsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähn lich einer Trompete oder Tulpe resp. Diffusor oder Konfusor. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht er faßt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a auf, die eben falls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintritts schlitze 119, 120 über die ganze Länge des Brenners 100 vor handen sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, die gegenüber der Kegelinnen spitze zurückversetzt ist, wie bereits unter Fig. 1 näher zur Erläuterung gekommen ist. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, aus einem einzigen Teilkörper mit einem einzigen tangentialen Lufteintrittsschlitz, oder aus mehr als zwei Teilkörpern ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegel hohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten Bohrungen 110a treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, daß Verdünnungsluft oder Kühl luft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flam menstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammen stabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen flüssigen Brennstoff 112, wobei ein gasförmiger Brennstoff nicht ausgeschlossen bleibt. Diese Brennstoffe können allenfalls mit einem rückge führten Abgas angereichert werden. Der flüssige Brennstoff 112 aus der Düse 103 bildet ein ausgeprägtes kegeliges Brenn stoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotie renden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112, auch durch die bereits gewürdigten Versetzung der Düse 103, rasch und fortlaufend durch die einströmende Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Düsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Übergang der Luftein trittsschlitze 119, 120 zum Kegelhohlraum 114 hin zustande kommt. Die Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 erfüllt die Funktion einer Kopfstufe; sie kommt normalerweise bei Inbetriebsetzung und bei Teillastbetrieb zum Zuge. Selbstverständlich ist über diese Kopfstufe auch ein Grund lastbetrieb mit einem flüssigen Brennstoff möglich. Am Ende des Brenners 100 stellt sich einerseits die optimale, homo gene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt, anderer seits die kritische Drallzahl ein; letztgenannte führt dann im Zusammenwirken mit der dort disponierten Querschnittser weiterung zu einem Wirbelaufplatzen, gleichzeitig auch zur dortigen Bildung einer Rückströmzone 106. Die Zündung erfolgt an der Spitze dieser Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekann ten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des allenfalls eingesetz ten flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbren nungszone erreicht wird. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüs sige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der ke geligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkels und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strö mungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Rückströmzone 106 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Allgemein ist zu sa gen, daß eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintritts schlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, daß die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Ke gelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit inner halb des Brenners 100 läßt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstro mes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Luftein trittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ große betriebli che Bandbreite erfaßt werden kann. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 101, 102 spiralförmig in einander zu verschachteln.

Aus Fig. 3-5 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungs funktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jewei lige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungs richtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spalt größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verän dert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkeh rungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teil körpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Bezugszeichenliste

100 Vormischbrenner
101, 102 Teilkörper
101a, 102b Zylindrische Anfangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
108, 109 Brennstoffleitungen
112 Flüssiger Brennstoff
113 Gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
116 Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109
117 Brennstoffdüsen
119, 120 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b Leitbleche
123 Drehpunkt der Leitbleche
124 Öffnungen
125 Kegelinnenspitze
126 Versetzung der Brennstoffdüse 103 stromauf.

Claims

1. Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörper, wobei die jeweilige Längssymmetrieachse dieser Teilkör per zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längser streckung tangentiale Lufteintrittsschlitze für die Durchströmung einer Verbrennungsluft in von den Teilkör pern gebildeten Kegelhohlraum bilden, und wobei im Ke gelhohlraum mindestens eine Brennstoffdüse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) gegenüber dem durch die Teilkörper (101, 102) des Vormischbrenners (100) induzierten Kegelanfang (125) um eine Strecke (126) stromauf versetzt ist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentiale Lufteintrittsschlitze (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoff düsen (117) angeordnet sind.

3. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) mit einem flüssigen Brennstoff (112) und die Brennstoffdüsen (117) mit einem gasförmigen Brennstoff (113) betreibbar sind.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung einen gleichmäßig zunehmenden Strömungsquerschnitt bil den.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) spiralförmig ineinander geschachtelt sind.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) auf der Brennerachse ange ordnet ist.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt der tangentialen Luftein trittsschlitze (119, 120) in Längsrichtung des Brenners (100) abnimmt.

10. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich einer zur Brennstoffdüse (103) gehörigen Eindüsung (104) radial oder quasi-radial angeordnete Öffnungen (124) vorgesehen sind, durch welche ein Luft massenstrom in einen stromab der Brennstoffdüse (103) gebildeten Durchflußquerschnitt einströmbar ist.