DE2611392C2

DE2611392C2 - Brenner

Info

Publication number: DE2611392C2
Application number: DE2611392A
Authority: DE
Inventors: Robert P. Dover N.J. Guerre; Dennis L. Morris Plains N.J. Juedes; Ross R. Hopatcong N.J. Ruland
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1975-07-31
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1986-01-16
Also published as: GB1561711A; NL7604276A; FR2319846A1; IT1058684B; FR2319846B1; NL181139C; NL181139B; JPS5218234A; DE2611392A1; US4175920A; JPS615047B2; BE844758A; CA1069040A

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Luftzufuhrraum, in welchem eine axiale Brennstoffzuführung und eine zu dieser konzentrische Wirbelkammer für Primärluft angeordnet sind und von welchem eine der Wirbelkammer nachgeschaltete, konvergierende Zuführung für die Sekundärluft ausgeht, die zwischen zwei von einem stromab erweiterten Kegelstumpfmantel begrenzten Ringkörper aus feuerfestem Material ausgebildet ist.

Ein derartiger Brenner ist aus der US-PS 36 71 173 bekannt Bei diesem Brenner ist jedoch lediglich eine axiale Brennstoffzuführung vorgesehen. Damit läßt er sich an bestimmte Einsatzbereiche nicht hinreichend anpassen, und es läßt sich oftmals kein optimaler Wirkungsgrad erzielen. Für den gleichzeitigen Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe ist dieser Brenner ungeeignet

Aus der DE-PS 12 29 229 ist es bekannt, zwei Brennstoffzuführungen innerhalb eines Brenners einzusetzen.

ίο Hierbei werden jedoch die Brennstoffe im wesentlichen in axialer Richtung im Gleichstrom mit der Zuführung der Verbrennungsluft eingeleitet so daß es zu einer mangelhaften Vermischung und damit oftmals zu einer unvollständigen Verbrennung kommt Dementspre-

i.- chend läßt der Wirkungsgrad dieses bekannten Brenners sehr zu wünschen übrig.

Schließlich ist aus der GB-PS 7 58 171 ein Brenner bekannt, in welchem sich schlechtbrennba-e Abgase verbrennen lassen sollen. Hierzu sind konzentrisch um eine axiale Brennstoffzuführung für flüssige Brennstoffe Düsen angeordnet, durch welche die Abgase zugeführt werden sollen, um eine möglichst vollständige Verbrennung zu erreichen. So können innerhalb dieses für den speziellen Zweck der Verbrennung schlechtbrennbare Abgase ausgelegten Brenners bis zu drei Brennstoffe verschiedenen Ursprunges der Verbrennung zugeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Brenner der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß er an verschiedene Einsatzbereiche anpaßbar ist, wobei unter Erzielung eines hohen Brennerwirkungsgrades verschiedene Brennstoffarten herkömmlicher Art gleichzeitig einsetzbar sein sollen, um eine universelle Verwendung zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale, wobei hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen wird.

•to Durch die Anordnung der Brennstoffzuführungen innerhalb der Tangentialzuleitungen für die Primärluft zur Wirbelkammer tritt eine innige Vermischung der Brennstoffe mit der Verbrennungsluft ein, wodurch eine vollständige Verbrennung gefördert wird. Die Temperatur innerhalb der Brennkammer läßt sich durch die Zufuhr des Brennstoffes durch die konvergierende Zuführung für die Sekundärluft einstellen.

Ein Ausführungsbeispiel soll die Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutern. Dabei zeigt im einzelnen

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners,

F i g. 2 einen Schnitt durch den in F i g. 1 dargestellten Brenner entlang der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1 in Richtung der Pfeile gesehen,

F i g. 3 einen Schnitt durch den in F i g. 1 dargestellten Brenner entlang der Schnittlinie 3-3 der F i g. 1 in Richtung der Pfeile gesehen,
Fig.4 einen Teilschnitt durch den Brenner entlang der Schnittlinie 4-4 der Fig. 2 in Richtung der Pfeile gesehen in einem größeren Maßstab,

Fig.5 die Draufsicht auf eine der Brennstoffzuführungen,

F i g. 6 einen Teilschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5 entlang der Schnittlinie 6-6 der Fig. 5 in Richtung der Pfeile gesehen in einem größeren Maßstab als die Darstellung gemäß F i g. 5,

Fig. 7 einen Teilschnitt durch eine andere Ausfüh-

rungsform der Brennerdüsenhalterung innerhalb der konischen Zuführungsleitung,

Fig.8 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß F i g. 7 entlang der Schnittlinie 8-8 der F i g. 7 in Richtung der Pfeile gesehen,

Fig.9 einen Teilschnitt durch eine Brennstoffdüse zusammen mit der Tangentialzuleitung für die Primärverbrennungsluft und

Fig. 10 einen Schnitt durch den Düsenauslaß der F i g. 9 entlang der Schnittlinie 10-10 der F i g. 9 in Richtung der Pfeile gesehen und in einem größeren Maßstab als die Darstellung gemäß F i g. 9.

Der in F i g. 1 dargestellte Brenner 20 besitzt einen Speicherraum 22. Dieser Speicherraum 22 wird von einer äußeren, im wesentlichen zylindrischen Wandung 24 umschlossen, die auf ihrer inneren Oberfläche eine Schicht eines hitzebeständigen Wärmeisolationsmaterials 26 trägt. Der Speicherraum 22 besitzt außerdem eine innere Abschlußwand 28, die ebenfalls mit einem entsprechenden Wärmeisolationsmaterial 30 bedeckt ist Wie sich aus der F i g. 2 und auch dtr F i g. 1 ergibt ist der Speicherraum 22 mit einem Einlaß 32 von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt versehen, durch welchen die Verbrennungsluft die beispielsweise vorerhitzt sein kann, in den Speicherraum 22 eintritt Das Ende der zylindrischen Wand 24, das der Abschlußwand 28 gegenüberliegt trägt einen umlaufenden Flansch 34, der wiederum an der Außenseite 36 einer in F i g. 1 teilweise dargestellten Wand 38 befestigt ist, die eine Seitenwand oder der Boden eines Ofens sein kann.

Die Abschlußwand 28 des Speicherraumes 22 besitzt eine Zentralöffnung, in weiche ein Rohr 40 flüssigkeitsdicht eingebaut ist, wobei das Rohr 40 eine (in gestrichelten Linien dargestellte) Brennstoffzuführung 42 zu halten vermag, die sich durch die Mittelachse des Speicherraumes 22 erstreckt und in einer bekannten flüssigkeitsdichten Weise (im einzelnen nicht dargestellt) an das Rohr 40 angeschlossen ist Die Brennstoffzuführung 42 trägt eine Düse 43, durch weiche beispielsweise ein mit Dampf vermischter, flüssiger Brennstoff versprüht wird, um in einer nachfolgend noch näher beschriebenen Weise verbrannt zu werden.

Das Rohr 40 trägt innerhalb des Speicherraumes 22 koaxial mit diesem eine Wirbelkammer 44, innerhalb welcher der Primärluftstrom verwirbelt wird und welche von eher zylindrischen Wandurg 46 gebildet ist, die kouxial zur Achse der Brennstoffzuführung 42, wie auch des Speicherraumes 22 angeordnet ist.

Eine Tangentialzuleitung 48 (Fig.2) steht mit dem Inneren der Wirbelkammer 44 in Verbindung. Wie aus F" i g. 2 ersichtlich ist, besteht die Tangentialzuleitung 48 aus vier Z'jführungen 50 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, die die Primärverbrennungsluftzuführungen darstellen und sich tangential zur zylindrischen Wandung 46 erstrecken, wobei sie gleichmäßig verteilt um die Achse der Wirbelkammer 44 angeordnet sind. Dementsprechend strömt bei diesem Aufbau die in dem Speicherraum 22 befindliche Luft unter Druck durch die tangentiale Zuleitung 48 in einer tangentialen Strömung in die Wirbelkammer 44 ein, wodurch ein aus Primärverbrennungsluft gebildeter Wirbelstrom gebildet wird, der zu einer Verbrennung des durch die Brennstoffzuführung 42 eingeleiteten Brennstoffes führt.

Außer dem oben erwähnten tangentialen Einlaß und der Bahn des Wirbelstromes für die Primärverbrennungsluft ist eine Strömungsbahn für die Sekundärverbrennungsluft vorgesehen. Zu diesem Zweck dient eine konvergierende Zuführung 52. Die konvergierende Zuführung 52 wird einerseits durch einen inneren Ring 54 aus Isolationsmaterial gebildet, der die Wirbelkammer 44 umgib;. So besitzt die umlaufende Wand 46 der Wirbelkammer 44 einen umlaufenden Flansch 56, auf welchem der Ring 54 aus Isolationsmaterial beispielsweise mit Hilfe (nicht dargestellter) Drahtverankerungen befestigt ist Der innere Ring 54 besitzt eine äußere Schrägfläche 58, die Teil eines Konus ist, dessen Spitze in der Achse 60 der Wirbelkammer 44 in einem stromabwärts befindlichen Strom liegt

Die konvergierende Zuführung 52 wird andererseits durch einen äußeren Ring 62 aus einem hitzebeständigen Material gebildet, der an dem umlaufenden Flansch 34 befestigt ist und einen Teil der Ofenwandung darstellt Dieser äußere Ring 62 besitzt eine innere Schrägfläche 64, die auf die Schrägfläche 58 zu gerichtet ist, jedoch sich in einem Abstand von dieser befindet und Teil eines Konus bildet, dessen Spitze auf der Achse 60 in abwärtiger Richtung von der Wirbelkammer 44 liegt Die Scheitelwinkel der Konen, von denen die Schrägflächen 58 und 64 jeweils einen Teil buisn, sind im wesentlichen einander gleich und die Schräg.läche 64 ist in einem Abstand von der Schrägfläche 58 angeordnet, so daß sie mit der erstgenannten die konvergierende Durchtrittsöffnung 66 bildet, durch welche die Sekundärvei ürennungsluft einströmt wobei der Luftstrom nach innen auf die Achse 60 stromabwärts von der Wirbelkammer 44 gerichtet ist Dieser Strom trägt zu einer erwünschten Formung der Flamme bei und führt zu einer erheblich besseren Verbrennung, wie auch einer größeren Reinhaltung der Anordnung. Der Brenner ist mit einer üblichen, in den Zeichnungen nicht dargestellten, Zündleitung ausgerüstet, ebenso wie mit einem Rohr 68 zum Auslöschen der Zündflamme.

Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist neben der Brennstoffzuführung 42, die in der Bahn des Wirbelstromes für die Primärverbrennungsluft angeordnet ist, ein Paar zusätzlicher Brennstoffbeschickungen jeweils in der konvergierenden Strömungsbahn, die durch die konvergierende Zuführung 52 gebildet wird, wie auch in der tangentialen Strömungsbahn, die durch die Tangentialleitungen 48 gebildet wird, vorgesehen.

Für die Brennstoffzuführung durch die Tangentialleitungen 48 sind Düsen 70 vorgesehen, die jeweils in den Tangentialzuführungen oder Primärluftstrahlen 50, in der zum Teil in F i g. 2 dargestellten Weise, vorgesehen. Die Anordnung der Düsen ergibt sich ebenfalls aus F i g. 3. Wie die F i g. 9 und 10 zeigen, besitzen die Düsen die Form von Rohren, die sich durch eine Halteplatte 72 erstrecken, an welcher sie angeschweißt sind, die wiederum an einem Flansch einer Rohrhülse 74 befestigt ;3t, welche sich durch eine im der Isolationsschicht 26 befindlichen Bohrung und eine Öffnung in der Wandung 24 hindurcherstreckt. Somit erstrecken sirh die einzelnen Rohre durch den Speicherraum 22 in die Tangenti alzuführungen 50, in der in F i g. 3 dargestellten Weise, hinein. Außerhalb der Halteplatten 72 sind die Rohre an gekrümmte flexible Schläuche 76 angeschlossen, die wiederum mit einem Rohrverzweiger 78 in Verbindung stehen, der sich außerhalb und angrenzend an den Speicherraum 22 befindet. Der Rohrverzweiger 78 steht mit einer Beschickungsleitung 80 (F i g. 3) in Verbindung, welche wiederum an eine Brennstoffquelle beispielsweise für gasförmigen Drennstoff angeschlossen ist.

Wie im besonderen aus den F i g. 9 und 10 ersichtlich ist, befinden sich am Ende der Rohre 70 jeweils Abschlußwände 82, die eine Anzahl von Bohrungen 84 tra-

gen, durch welche der gasförmige Brennstoff strömt. Somit wird dieser Brennstoff aus den Rohren 70 durch die Bohrungen 84 in die Tangentialleitungen 50 geführt, so daß die Tangentialströmungen der Primärverbrennungsluft mit dem Brennstoff die Verbrennung unabhängig und gewünschtenfalls gleichzeitig mit dem flüssigen Brennstoff, der durch die Düsen 42 eintritt, aufrechtzuerhalten vermag. Die beiden beschriebenen Brennstoffzuführungen können somit eingesetzt werden, entweder um den gleichen Brennstoff gleichzeitig sowohl im Wirbelstrom als auch im Tangentialstrom zu verbrennen, wobei jeweils die Primär verbrennungsluft eingesetzt wird, oder auch verschiedene Brennstoffe können gleichzeitig mit Hilfe der beschriebenen Anordnung in diesen beiden Strömungen verbrannt werden.

Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist eine dritte Brennstoffzuführung 86 vorgesehen, bei welcher ein Rohrverzweiger 88 mit einer

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Die Brennerdüsen 90 sind innerhalb eines konischen Raumes angeordnet, der zwischen den Schrägflächen 58 und 64 liegt, wobei aus Fig.4 ersichtlich ist, daß die Brennerdüsen 90 in einem Abstand von den Schrägflächen 58 und 64 angeordnet sind und in der Durchtrittsöffnung 66 liegen. Darüber hinaus ergibt sich aus den F i g. 2, 3 und 5, daß die Düsen 90 in einem gleichförmigen Abstand um die Achse 60 herum angeordnet sind. Somit wird bei diesem Aufbau der Brennstoff aus der Zuleitung 86 dem konvergierenden Strom der Sekundärluft zugeführt, so daß auf diese Weise sogar ein dritter Brennstoff verbrannt werden kann und zwar in jeder gewünschten Kombination der drei Brennstoffquellen gleichzeitig, wenn diese erwünscht ist. Andererseits ist es auch möglich, eine gewünschte Kombination zweier Brennstoffe zwei der beschriebenen drei Brennstoffzuführungen zuzuleiten, während natürlich auch die Zuführungsgeschwindigkeiten für die verschiedenen Brennstoffe bzw. die Zuführungsgeschwindigkeiten des gleichen Brennstoffes in zwei oder mehr der oben beschriebenen Zuführungen steuerbar ist Auf diese Weise ist es nach der Erfindung möglich, die Verwendungsmöglichkeit des Brenners zu steigern, indem man gleichzeitig einen oder mehrere Brennstoffe an verschiedenen Stellen mit beliebigen Zuführungsgeschwindigkeiten im maximalen Kapazitätsbereich des Brenners einsetzen kann. So ist es beispielsweise nach der Erfindung möglich, gleichzeitig zwei gasförmige und einen flüssigen Brennstoff, gasförmigen Brennstoff von einer Quelle, gasförmige Brennstoffe von zwei verschiedenen Quellen, sowie jede andere Kombination von Brennstoffen einzusetzen.

Statt der in Fig.6 dargestellten Düsen 90 ist es beispielsweise möglich, die Enden der Düsen 90 mit entsprechenden Abschlußkappen zu versehen, von denen eine in F i g. 7 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Wandung der Düse 90 mit einer Anzahl von Seitenöffnungen 100 versehen, durch welche der Brennstoff austritt. Wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist, kann ein Paar von Koaxialstiften 102 an jeder Düse 90 befestigt sein, die sich von dieser aus radial erstrecken und mit den Schrägflächen 58 und 64 in Berührung stehen, so daß eine stabile Halterung für die Düsen 90 und gleichzeitig eine Flammenführung gebildet wird. Natürlich können diese Stifte 102 auch in Verbindung mit Rohren 90, wie in Fig. 6 dargestellt ist, verwendet werden, wobei der

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Bei der Anordnung der Düsen 90 und 70 für den gasförmigen Brennstoff in der dargestellten relativen Lage zu der Düse 43 für den flüssigen Brennstoff läßt sich erkennen, daß deren Verschmutzung durch flüssigen Brennstoff aus der Düse 43 während des gleichzeitigen Verbrennens zweier verschiedener Brennstoffe oder während des Betriebes des Brenners zu 100 Prozent durch flüssigen Brennstoff durch die Mitteldüse sicher verhindert werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brenner mit einem Luftzufuhrraum, in welchem eine axiale Brennstoffzuführung und eine zu dieser .konzentrische zylindrische Wirbelkammer für Primärluft angeordnet sind und von welchem eine der Wirbelkammer nachgeschaltete, konvergierende Zuführung für Sekundärluft ausgeht, die zwischen zwei von einem stromab erweiterten Kegelstumpfmantel begrenzten Ringkörpern aus feuerfestem Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Tangentialzuleitung (48) für die Primärluft zu der Wirbelkammer (44) und/oder der konvergierenden Zuführung (52) für die Sekundärluft Brennstoffzuleitungen (70) bzw. (90,92) angeordnet sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer über die drei Srennstoffzule&mgen (42,70,90) selektiv fester und/oder flüssiger öfennstoff zuführbar ist

3. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführungen (70) innerhalb der tangentialen Luftzuführung (48) an ihrem Ende eine Platte (82) tragen, die mit Austrittsöffnungen (84) für den Brennstoff versehen sind.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführungen (70) an eine den Luftzufuhrraum (22) umlaufende Ringleitung (78) angeschlossen sind.

5. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch geLennzei-nnet, daß die innerhalb der konvergierenden Sekundärluftzuführung (52) angeordneten Brennstoffzulei.ungen (90) gleichmäßig über deren Umfang verteilt und an eine zur Wirbelkammer (44) konzentrische Ringleitung (88) angeschlossen sind.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuleitungen (90) vor dem Austritt in die Brennkammer innerhalb der konvergierenden Sekundärluftzuführung (52) enden.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuleitungen (90) eine Abschlußkappe (98) tragen und in der Nähe der Kappe (98) mit seitlichen Öffnungen (100) versehen sind.

8. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuleitungen (90) im Endbereich Radialstifte (102) tragen, die sich zur Halterung der Zuleitungen (90) und Stabilisierung der Flamme an den Begrenzungswänden (58, 64) der Sekundärluftzuführung (52) abstützen.