DE2300217C3 - Einspritzvorrichtung zur Einspritzung flüssigen Brennstoffs in Hochöfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um den Einsatz von Koks zu verringern und die Betriebsleistung von Hochöfen zu verbessern, ist man bestrebt immer größere Mengen an flüssigen Brennstoffen in die Ofen einzuspritzen. Eine Steigerung der Einspritzmenge ist jedoch deshalb schwierig, weil der in den Heißwindstrom eingeführte Brennstoff, der mit großer Geschwindigkeit durch die Dfr&n geblasen wird, die Form eines mehr oder weniger kompakten Strahls beibehält und sich daher in dem für die Verbrennungszone vorbehaltenen begrenzten Raum keine vollständige Verbrennung entwickeln kann. Auch geht man von den einfachen Düsenrohren ab und bemüht sich derzeit, die flüssigen, vorzugsweise vorgewärmten Brennstoffe vor der Einspritzung in die Verbrennungszone in der Düse hochgradig zu zerstäuben, um die Gesamtoberfläche der Partikel zu erhöhen und eine bessere Verteilung im Sauerstoffträger zu erzielen und auf diese Weise eine vollständige Verbrennung unter Beibehaltung einer möglichst kurzen Flamme zu erhalten.

Die zu diesem Zweck verwendeten Vorrichtungen haben jedoch bestimmte Nachteile. So erfolgt die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs im allgemeinen unter relativ hohem Druck mit Hilfe eines im Inneren der Einspritzvorrichtung in einer Ausdehnungskammer befindlichen Druckgases. Ein Teil der Gasenergie ist notwendig, um die Zerstäubung des Brennstoffs zu bewirken und der andere, um dem gebildeten Nebel eine hohe Austrittsgeschwindigkeit zu verleihen, Die notwendigen Drücke erfordern den Einsatz von Hochdruckgeräten, was schon ein Nachteil an sich ist. Außerdem wirken sich alle Druckschwankungen im Druckgas-Zufuhrsystem sofort auf das einwandfreie Funktionieren der Einspritzvorrichtungen aus und tragen nicht unbeträchtlich zu deren Abnutzung bei.

Aus der US-PS 33 66 469 ist eine Einspritzvorrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt geworden, bei der

in einer rohrförmigen Einspritzdöse Brennstoff strömt In den Innenraum dieser Düse ist eine relativ kurze schüsseiförmige Kammer eingesetzt, in die Druckluft eingeblasen werden kann. Angrenzend an diese Kammer ist eine Austrittsöffnung relativ geringen Durchmessers vorgesehen. Der Brennstoff tritt in die Kammer in ihren mittleren Bereich von der Seite her ein.

In dieser Kammer wird mit einer geringen Druckluftmenge der Brennstoff zerstäubt Es handelt sich also auch hier um ein System, in dem schon innerhalb der Kammer eine Zerstäubung stattfinden soll. Damit entstehen auch die oben bereits erwähnten Nachteile.

Es ist ferner aus der DE-OS 18 06 142 ein Brennstoffinjektor für Gasturbinentriebwerke bekannt geworden, in dem der Brennstoff tangential an der inneren Fläche einer sich erweiternden Kammer entlang strömt Eine Luftzufuhr erfolgt vom hinteren Ende der Kammer her, wobei die Luft in Richtung auf die Austrittsöffnung zu, im übrigen aber ohne besondere Ausrichtung strömt Bei dieser Ausführung ist insbesondere darauf geachtet worden, daß der Brennstoff, insbesondere kurz vor seiner Ablösung von der Zerstäubungskante, keine Winkelbeschleunigung erfährt Eine Druckgasleitung, die einen Ringspalt um die Brennstoffaustrittsöffnung bildet, ist von dieser Austrittsöffnung hinweg, d. h. schräg nach außen gerichtet Dieser Brennstoffinjektor schafft keine idealen Zerstäubungsverhältnisse, insbesondere nicht bei allen Brennstoffsorten und bei dem eingangs erwähnten Verwendungszweck.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit deren Hilfe man den flüssigen Brennstoff unter Verwendung eines Zerstäubungsgases mit nur relativ niedrigem Druck vollständig zu sehr kleinen Partikeln zerstäuben kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der flüssige Brennstoff wird also zunächst in einem noch relativ dicken Film am oberen Teil der gradlinigen und glatten, vorzugsweise zylinderförmigen Wand der Kammer verteilt und auf einer schraubenlinienförmigen Bahn entlang der Wand zum freien Ende der Kammer zu bewegt, wobei durch die Druckgasstrahlen aus der Druckgaszuleitung der Film einerseits beschleunigt und andererseits seine Dicke zu einem dünnen Film verringert wird. Dieser bewegt sich auf einer Bahn, die eine Komponente in Umfangsrichtung und eine in Richtung auf die Austrittsölffnung hat. An der Austrittsöffnung wird der dünne Brennstoff-Film durch den Druckgasstrahl aus der Druckgasleitung, der schräg auf den Austritt gerichtet ist, zerstäubt, also im Gegensatz zur vorerwähnten Ausführung, bei der eine Zerstäubung schon innerhalb der Kammer erfolgt.

So wird also vor der tatsächlichen Zerstäubung, die erst am Ausgang der Einspritzvorrichtung stattfindet, der flüssige Brennstoff zuerst zu einem dünnen Film verteilt, der sich weitaus leichter und wirksamer zerstäuben läßt als ein kompakter Strahl, Es hat sich auch erwiesen, daß schon ein Druck von etwa 4 Bar zum Einblasen des Zerstäubungsgases, dessen Austrittsmenge und -geschwindigkeit vorzugsweise durch eine der Druckgasleitung vorgeschaltete Regelvorrichtung den Bedürfnissen angepaßt werden können, zur Erzielung des gewünschten Resultates ausreicht.

Die Einspritzvorrichtung·, der flüssiger unter Druck stehender Brennstoff sowie Druckgas durch wenigstens zwei koaxiale Leitungen zugeführt werden kann, kann bei einer bevorzugten Ausführungsform so ausgebildet sein, daß die Kammer eine zylindrische Wand besitzt. Die Brennstoffzuleitung kann vorzugsweise wenigstens zwei Einspritzdüsen enthalten, die in Bezug auf die Hauptachse der Einspritzvorrichtung außermittig verlaufen. Auch die Druckgaszuleitung kann vorteilhaft aus wenigstens zwei in der Wand der Kammer angeordneten Gasdüsen bestehen. Diese blasen zur Beschleunigung des Films auf den Brennstoff-Film und sorgen mit dafür, daß dieser an der Wand anliegt

Vorteilhaft kann die Druckgasleitung die Kammer

über den größten Teil ihrer Ausdehnung koaxial umgeben und nahe dem Ende der Einspritzvorrichtung einen konvergierenden, kegelförmigen, über einen ringförmigen Spalt nach außen offenen Teil besitzen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor. Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung sichert einen hohen Zerstäubungsgrad ur-v erzeugt einen kegeiförmigen Strahl mit einem mindestens auf 30° einstellbaren Öffnungswinkel. Dadurch wird eine großflächige und kurze Flamme sichergestellt Die Feinheit des zerstäubten Brennstoffs und die Homogenität der Mischung aus Brennstoff und Sauerstoffträger sind besonders günstig und sichern eine beschleunigte und vollständige Verbrennung mit einem hohen Wärmeertrag.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch das Endteil,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linie AA nach F i g. 1 mit zwei möglichen Ausführungsformen für die Kanäle der zweiten Leitung,

F i g. 3 einen Aufriß eines Kanals nach F i g. 2 mit geradliniger Achse mit einem Neigungswinkel von 30°,

F i g. 4 eine Draufsicht auf die Brennstoff-Einspritzdüse, in Richtung des Pfeils 5 in F i g. 1 gesehen, und

Fig.5 eine Wiedergabe der Exzentrizitäts-Winkel der Bohrungen der Einspritzdüse.

DtT flüssige Brennstoff, beispielsweise sehr schweres Heizöl, der zur Erhöhung seiner Strömungsfähigkeit auf eine Temperatur von etwa 110⁰C vorgewärmt wurde, wird unter Druck durch eine zentrale Leitung 310 zu v> einer als Einspritzdüse 320 ausgebildeten Brennstoffzuleitung geführt die mit mehreren Bohrungen 321 mit außermittigen Achsen ausgestattet ist Es können beispielsweise vier Bohrungen, wie in Fig.4 gezeigt, vorhanden sein. Der Brennstoff wird in Form von ίο mehreren schräg aui die Wand einer Kammer 330 gerichteten Strahlen in diese eingespritzt Bei der Berührung mit der Wand verteilen sich die Strahlen und bilden iire Schicht, die sich auf einer im wesentlichen schraubenlinienförmigen Bahn bewegt
Die die Wand enilangströmende Brennstc-ffschicht wird vorzugsweise, wenn sie ungefähr die halbe Strecke durch die Kammer 330 zurückgelegt hat unter der Einwirkung von Druckgasstrahlen bescheunigt, die durch in der Wand uer Kammer 330 verteilte Gasdüsen f 331 einer Dtuckgaszuleitung 200 eingeblasen werden, Die Gasdüsen 331 sind vorzugsweise mit einem Neigungswinkel von etwa 30° nach unten geneigt und münden tangential in die Brennstoffkammer, so daß die Druckgasstrahlen eine im wesentlichen schraubenlinienförmige Bahn entlang aer Seitenwand verfolgen und die Brennstoffschicht in ihrer Bewegung mitreißen. Unter der Einwirkung der Beschleunigung verdünnt sich die Brennstoffschicht beträchtlich und bildet schließlich

nur noch einen sehr dünnen flüssigen Film, der sich wirksam am Ausgang der Einspritzvorrichtung zerstäuben läßt Es wird jedoch nicht versucht, eine Vormischung mit dem Druckgas oder Zerstäubung des Brennstoffes im Innern der Kammer 330 der Einspritzvorrichtung zu erzielen.

Eine die Brennstoffkammer 330 koaxial umgebende Druckgasleitung 200 führt das Druckgas. Die Druckgasleitung 200 endet nahe dem Ende der Einspritzvorrichtung in einem kegelförmigen konvergierenden Abschnitt 220, der in einem ringförmigen Spalt 221 nach außen führt. Das Druckgas tritt in Form eines Ringmantels schräg auf die Strömrichtung des zylindrischen Brennstoff-Films zu geneigt aus dem ringförmigen Spalt 221 aus.

Die Druckgasleitung 200 ist mit einem Ring 210 versehen, durch den Kanäle 211 verlaufen, die gegenüber einer Längsmittelebene der Einspritzvorrichtung geneigt sind (F i g. 3). Der Querschnitt der Kanäle kann kreisförmig sein, wie in der unteren Hälfte der Fig. 2 gezeigt, er kann auch im wesentlichen halbki eisförmig sein, wenn beispielsweise schraubenlinienförmige Kanäle von außen in die Wand des Rings 210 gefräst sind. Die Kanäle 211 verleihen dem Druckgas eine kreisförmige Bewegung, so daß sie aus dem ringförmigen Spalt 221 nicht radial austreten, sondern daß ihre Strömungslinien eine tangential Geschwindigkeitskomponente haben.

Das durch die Druckgasleitung 200 strömende Druckgas dient auch als Kühlmedium sowohl für die jn Außenwand 100 der Einspritzvorrichtung, die so vor übermäßigen thermischen Belastungen geschützt wird, als auch für die Wand 300 der Brennstoffkammer 330, indem es so den flüssigen Brennstoff vor jeglichem Crackeffekt bewahrt, der durch eine hochgradige und abrupte Erwärmung hervorgerufen wird.

Ein kegelförmiger Ablenkkörper 33? ist divergierend am Ausgang der zentralen Kammer 330 angeordnet. Der Kegel 332 bildet zwischen sich und der Kammerwand einen freien Raum 340 in Form eines ringförmigen Jn Spalts für den Austritt des strömungsfähigen Brennstoffen« und den Austritt des Gases. Die Verengimc der Austrittsöffnung auf Grund des Kegels ruft noch eine zusätzliche Fließbeschleunigung und Verringerung der Dicke des Brennstoffilms hervor. Mehr oder weniger 4-, große Brennstofftröpfchen, die möglicherweise noch im durch die Gasdüsen 331 eingeblasenen Gas suspendiert sind, werden gegen eine der Wände geschleudert, und es wird vermieden, daß sie die Einspritzvorrichtung unverändert verlassen und in der Flamme eine größere >o Konzentration urgenügend verteilter Tröpfchen bilden.

Der Kegel kann mit Hilfe von radialen mit der Wand 300 der Brennstoffkammer 330 verbundenen Hügeln 333 an Ort und Stelle gehalten werden. Die Flügel 333 sind gegenüber der Längsrichtung der Einspritzvorrichtung geneigt so daß sie die Kreiselbewegung des Gases verstärken. Die dem Brennstoff und dem Zerstäubungsgas verliehenen Orientierungen der Drehbewegung sind vorzugsweise identisch.

Ein Teil des durch die gemeinsame Druckgasleitung 200 strömenden Druckgases wird zur Speisung der Gasdüsen 331 verwendet, die in die Brennstoffkammer 330 münden. Es könnte jedoch auch eine gesonderte Druckgasleitung vorgesehen sein. Das Druckgas kann eine oxydierendes Gas, wie Luft oder Sauerstoff oder auch ein Brenngas, wie Erdgas, sein. Die Gasdüsen können jedoch auch gesondert mit Druckgas mit der gleichen oder einer anderen Zusammensetzung wie das am Ausgang der Einspritzvorrichtung zur Zerstäubung des Brennstoffs dienende Gas versorgt werden, beispielsweise durch ein zweites ringförmiges Kanalsystem, das angrenzend an die Zufuhrleitung des Brennstoffs liegt und sich am oberen Teil der Brennstoffkammer 330 befindet. Diese Anordnung ist besonders günstig, wenn man in die Brennstoffkammer 33ö ein Brenngas, wie etwa F.rdgas. einblasen mochte und die Zerstäubung lieber mit Luft oder Sauerstoff durchführen möchte.

Die Endabschnitte der Außenwand 100 und Innenwand 300 der Einspritzvorrichtung sind mit den entsprechenden Teilen der Vorrichtung, die die eigentlichen Träger der Einspritzvorrichtung bilden, durch Gewinde-Verbindungsstücke verbunden und können bei Bedarf einzeln ersetzt werden, was auch für die Em. pritzdüse 320 und den perforierten Ring 210 gilt, d. h. für alle einer eventuellen Abnutzung, Beschädigung oder Verschmutzung ausgesetzten Funktionselemente.

Durch eine axia'e relative Verschiebung der Endteile der Wände 100 und 300 kann die öffnung des ringförmigen Spalts 221 verändert werden, wodurch man die Ausstoßgeschwindigkeit der Gasschicht verändern und so in hohem Maße die Ausbreitung des Brennstoffnebels und die Länge der Flamme kontrollieren kann.

Die im folgenden gegebenen Zahlenangaben beziehen sich auf eine Versuchseinspritzvorrichtung ähnlich der beschriebenen Vorrichtung, die aber ohne Ablenkungskegel in der Brennstoffkammer ausgeführt war. Die Ansahen werden nur heknieUweise genannt und sollen nicht als eine Grenze der mit dieser Art von Einspritzvorrichtungen erreichbaren Leistungen angesehen werden. Mit Hilfe der genannten Einspritzvorrichtung konnte man 70 g besonders schweres, auf 110⁰C vorgewärmtes öl pro Kubikmeter in die Gasdüsen eingeblasenen Heißwind mit einem Druck von etwa 1 Bar ausbringen. Das zur Zerstäubung des Brennstoffes dienende Druckgas, das im Falle von Luft eine Temperatur von 25" C hatte, hatte einen Drucic von 4 Bar. Die Einspritzung des Brennstoffs erfolgte bei einem Druck von 6 Bar.

Die Flamme der Brennstoffdispersion ist großflächig und kurz und bleibt sehr stabil. Die Verbrennung hinterläßt keine unverbrannten Rückstände.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von flüssigem Brennstoff in Hochöfen mit einer Kammer, in die eine Brennstoffzuleitung und außermittig s eine Druckgaszuleitung führt und die eine Austrittsöffnung besitzt, dadurchgekennzeichnet, daß die Brennstoffzuleitung (320) an dem der Austrittsöffnung (340) entgegengesetzten Ende der von einer gradlinigen und glatten Wand begrenzten zentralen Kammer (330) angeordnet und zur Aufbringung des Brennstoffes in einem sich auf einer schraubenlinienförmigen Bahn in Richtung auf die Austrittsöffnung (340) zu bewegenden Film auf die Wand der Kammer (330) ausgerichtet ist, daß die Druckgaszuleitung zwischen der Brennstoffzuleitung (320) und der Austrittsöffnung (340) zur Beschleunigung des sich an der Wand entlangbewegenden Brennstoff-Films unter Verringerung seiner Dicke mittels tangential und in Richtung auf die Austrittsöffnung (340) weisender Gasstrahlen angeordnet ist, und daß an der Austrittsöffnung (340) der Kammer (330) eine Druckgasleitung (200) für ein als Zerstäubungsgas dienendes Druckgas mit schräg auf die Austrittsöffnung (340) weisender Austrittsrichtung mündet

2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgasleitung (200) eine Regelvorrichtung vorgeschaltet ist

3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (330) eine zylindrische Wand besitzt.

4. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuleitung (320) wenigstens zwei Einspritzdüsen (321) enthält, die in Bezug auf die Hauptachse der Einspritzvorrichtung außermittig verlaufen.

5. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgaszuleitung aus wenigstens zwei in der Wand der Kammer (330) angeordneten Gasdüsen (331) besteht.

6. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgasleitung (200) die Kammer (330) über den größten Teil ihrer Ausdehnung koaxial umgibt und einen konvergierenden, kegelförmigen, über einen ringförmigen Spalt (221) nach außen offenen Endteil

(220) besitzt.

7. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige äußere Druckgasleitung (200) in ihrem Endteil (220) mit Kanälen (211) versehen ist, die in eine dem ringförmigen Spalt

(221) benachbarte Ebene münden und dem Gas eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente verleihen.

8. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kanäle (211) geradlinig und gegenüber einer Längsmittelebene geneigt oder schraubenlinienförmig sind, m>

9. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmiger Ablenkkörper (332) axial und divergierend am Austritt der zentralen Kammer (330) angeordnet ist. · >

10. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Ablenkkörper (332) durch radiale Flügel (333), die zur axialen Längsebene der Einspritzvorrichtung geneigt sind, befestigt ist

11. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des ringförmigen Spalts (221) durch axiale Relatiwerschiebung der Endabschnitte der Wände der zentralen Kammer (330) und äußeren Druckgasleitung (200) veränderbar ist

12. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige äußere Druckgasleitung (200) auch die in die Kammer (330) mündenden Gasdüsen (331) mit Druckgas versorgt,

13. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die äußere Druckgasleitung (200) kaltes Gas mit einem Druck von etwa 4 Bar führt

14. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Zerstäubungsgas ein oxydierendes Gas oder ein Brenngas ist

15. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das von den Gasdüsen (331) der Druckgaszuleitung in die zentrale Kammer (330) eingeblasene Druckgas ein oxydierendes Gas oder ein Brenngas ist