DE3525161C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Verbrennung von fließfähigem Brennstoff in einer Flamme, bei dem der Brennstoff auf der Innenwandung einer sich in Strömungsrichtung erweiternden Düse geführt wird, in den Innenraum der Düse ein Strom eines inneren Zerstäubungsmediums eingebracht wird und der Brennstoff am schneidenartig ausgebildeten Endabschnitt der Düse unter weiterer Zufuhr eines äußeren Zerstäubungsmediums zerstäubt wird.

Aus der DE-OS 18 06 142, die den Ausgangspunkt der Erfindung bildet, ist ein Verfahren zur Verbrennung eines niedrigviskosen Brennstoffes in Gasturbinentriebwerke bekannt, bei dem der Brennstoff in einem oder mehreren Einzelströmen tangential zur inneren Oberfläche der Düse eingeführt wird, so daß er tangential entlang der inneren Oberfläche geleitet wird und als Wirbelring stromabwärts auf den schneidenartig ausgebildeten Endabschnitt zuströmt, der am freien Ende eines von dem Wirbelring umströmten und zur Düse konzentrischen Ablenkgliedes ausgebildet ist. Das innere Zerstäubungsmedium strömt innerhalb des Wirbelrings zum Endabschnitt hin. Eine solche Verfahrensführung ist wegen des zu erwartenden Verschleißes und höheren Düsenvordruckes nicht für die Verbrennung von hochviskosem und/oder suspensivem Brennstoff geeignet.

Aus dem Vortrag "A NEW BURNER DESIGN FOR CWS COMBUSTION" von Sushil K. Batra und William A. Walsh in "Fifth International Symposium on Coal Slurry Combustion and Technology", Tampe, Florida, April 1983, Seite 625-655, insbesondere Fig. IV auf Seite 636 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein in einer Ringschicht austretender suspensiver Brennstoff von zwei ebenfalls ringförmigen Zerstäubungsluftstrom umfaßt wird und zusammen mit diese unter Verringerung seiner Schichtdicke aus einem Ringspalt einer Düse austritt. Das den inneren Rand dieses Ringspaltes begrenzende Hitzeschild bedarf einer besonderen Kühlung. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß infolge von Instabilitäten die dünne Ringschicht auf die den Ringspalt begrenzenden Wandungsteile auftrifft und dort zu erhöhtem Verschleiß führt. Darüber hinaus tritt zwar der Brennstoff mit relativ langsamer Geschwindigkeit aus dem konisch aufgerichteten Ringspalt aus, jedoch strömt die Zerstäubungsluft mit hoher Ge­ schwindigkeit aus, so daß die relativ langsame Brennstoff- Geschwindigkeit nicht so klein sein darf, daß infolge von Scherkräften eine Zerstäubung in der Düse eintritt. Dieses Verfahren liefert für die Vergasung oder Verbrennung eine vergleichsweise schlechte Zerstäubungsqualität, insbesondere gestaltet sich die Flammenstabilisierung für niederkalorische Brennstoffe schwierig. Wegen der notwendigen kritischen Ausströmung ist darüber hinaus beim Einsatz für die Druckvergasung für die Zerstäubungsluft ein sehr hoher Düsenvordruck zu wählen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren der gattungsgemäßen Art und eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei denen bei Einsatz von flüssigem hochviskosem und/oder suspensivem Brennstoff ein geringer Verschleiß des Düsenkörpers auftritt und die Zerstäubung mit einem relativ niedrigen Düsendruck erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, daß bei Einsatz von flüssigem hochviskosem und/oder suspensivem Brennstoff der Brennstoff als geschlossener Ringfilm auf der Innenwandung der Düse geführt wird und daß der Brennstoff und der innerhalb des Ringfilms eingebrachte Strom des inneren Zerstäubungsmediums mit unterkritischer Geschwindigkeit aus der einbautenfreien Düse ausströmen.

Da der Brennstoff als geschlossener Ringfilm mit einer hinsichtlich einer Verschleißwirkung niedrigen Geschwindigkeit über die Wandung geführt wird und eine Zerstäubung erst an der Kante des schneidenartig ausgebildeten Endabschnitts vorliegt, kann nur ein geringer Verschleiß auftreten. Da das Zerstäu­ bungsmedium als Strom mit vollem Kreisquerschnitt aus der Düse austritt, ist ein besonderes Hitzeschild, das einem Verschleiß unterliegen könnte, nicht erforder­ lich. Die niedrige unterkritische Geschwindigkeit des inneren Zerstäubungsmediums läßt einen geringen Vordruck zu.

Um die Flammenstabilität zu verbessern, ist es von Vorteil, daß das innere Zerstäubungsmedium vor Überströmen des Ringfilms verdrallt wird. Damit wird erreicht, daß nicht nur die aus der vorstehend angegebenen Literaturstelle, S. 635, Fig. III bekannte Ansaugung von Sekundärluft vorliegt, sondern auch eine innere Rezirkulation der Flammengase bis in den Düsenaustritt hinein auftritt, wodurch die verbesserte Stabilisierung erreicht wird.

Bei der Verbrennung eines hochviskosen Brennstoffes wird zweckmäßigerweise erwärmtes inneres Zerstäubungsmedium, z. B. Dampf, über den Ringfilm geführt, wodurch der Brennstoff auf eine für die Zerstäubung günstige Temperatur vorgewärmt wird. Dabei kann die Überstromlänge auf der Düsenwand entsprechend der erforderlichen Vorwärmung ausgelegt sein.

In besonders vorteilhafter Weise für die Zerstäubungs­ qualität in einem weiten Lastbereich wirkt sich aus, daß das Massenstromverhältnis zwischen innerem Zerstäubungsmedium und Brennstoff vorzugsweise auf einen Wert ≦1 eingestellt wird.

Als äußeres Zerstäubungsmedium kann dasselbe Zerstäubungsmedium verwendet werden, das den Brennstoffilm überströmt.

Das Verfahren kann insbesondere bei der Verbrennung von flüssigen suspensiven Rückständen der Mineralölverarbeitungs- und -veredelungsprozesse, flüs­ sigen suspensiven Rückständen und Zwischenprodukten der Petrochemie sowie Suspensionen von Kohle mit Wasser oder Öl verwendet werden.

In den Ansprüchen und in der Beschreibung wird unter "Verbrennung" auch eine Teilverbrennung bzw. eine Vergasung verstanden.

Als Zerstäubungsmedium können im Fall der Verbrennung Verbrennungsluft und/oder zurückgeführtes Rauchgas oder Dampf und im Fall der Vergasung Luft, Sauerstoff und/oder Dampf verwendet werden.

Die Erfindung ist auch auf eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung mit einer rotationssymmetrischen in Strömungsrichtung sich erweiternden Düse mit schneidenartig ausgebildetem stromab liegenden Endabschnitt und einem Innenraum, mit einer Einrichtung für die Zufuhr von Brennstoff und mit einer Einrichtung für die Zufuhr von innerem Zerstäubungsmedium in den Innenraum und mit einer Einrichtung für die Zufuhr von äußerem Zerstäubungsmedium gerichtet.

Vorrichtungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, daß für den Eintritt des inneren Zerstäubungsmediums an dem stromauf liegenden Endabschnitt der Düse ein zur Düse konzentrischer Einlauf mit anschließendem Austrittsabschnitt vorgesehen ist, denen eine Vorkammer vorgeschaltet ist, und daß die Außenwandung des Austrittsabschnitts zusammen mit der Innenwandung der Düse einen Ringspalt für die Zufuhr des Brennstoffs begrenzt, dem ein Ringkanal vorgeschaltet ist.

Aus der DE-OS 30 20 398 ist zwar ein Brenner bekannt, bei dem flüssiger Brennstoff, nämlich Öl, auf einer Schneide geführt wird. Hierbei handelt es sich jedoch um eine als gesondertes Bauteil mittig in der Düse angeord­ nete Flachschneide, deren Kante in der Öffnung der Düse liegt. Dieser Brenner ist weder für hochviskose noch für suspensive Brennstoffe geeignet oder geplant, wie insbe­ sondere der Einsatz eines länglichen Sintermaterialkör­ pers als Aufgabevorrichtung für das Öl auf die Schneide zeigt. Weiterhin wird auch hier der Film wie beim Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung beidseitig von zusammen mit ihm aus der Düsenöffnung austretenden Teilströmen umströmt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es zweckmäßig, wenn der Einlauf als Venturi-Einlauf ausgebildet ist.

Um eine Aufweitung des zerstäubten Strahls zu erreichen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß die Innenwandung des Austrittsabschnitts des Venturi-Einlaufs und die Innenwandung der Schneide in Strömungsrichtung gesehen im wesentlichen unter demselben Winkel aufgeweitet sind.

Um den durch die Verdrallung erreichbaren Vorteil der verbesserten Zündstabilisierung zu erreichen, ist die Vorkammer zylinderartig ausgebildet, in die das innere Zerstäubungsmedium mit einer tangentialen Komponente einströmt.

Um einen Zerstäubungsmediumdruck abzubauen, der größer ist als der für die Zerstäubung erforderliche Druck, ist der Eintritt des inneren Zerstäubungsmediums in die Vorkammer als Stufenbohrung mit kritischem Austrittsquerschnitt ausgebildet.

Zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffzerstäubungsvorrichtung sollen nun anhand der Zeichnung beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung längs der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Brennstoffzerstäubungsvorrichtung gemäß Fig. 1 längs der Linie II-II,

Fig. 3 einen mit der Fig. 1 vergleichbaren Längs­ schnitt einer weiteren Ausführungsform längs der Linie III-III in Fig. 4, und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3.

Bei der in der Fig. 1, 2 gezeigten rotationssymmetrischen Zerstäubungsvorrichtung 1 ist in einem Vorkammerbauteil 2 eine kreiszylindrische Vorkammer 3 ausgebildet, die sich zur einen Stirnseite hin öffnet und über Zuleitungen 4 mit einer nicht gezeigten Quelle für ein inneres Zerstäubungsmedium verbunden ist. Wie insbesondere aus der Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Zufuhrkanäle 4 tangential zur Vorkammer 3 angeordnet, so daß das in die Kammer eintretende innere Zerstäubungsmedium verdrallt wird. In die Öffnung der Stirnseite ist ein Venturi-Einlauf 5 eingeschraubt, der aus dem Einlaufabschnitt 5 a und dem Austrittsabschnitt 5 b besteht. Der Austrittsabschnitt 5 b mit konisch erweiterter Innenfläche und geradzylindrischer Außenwandung erstreckt sich in den Innenraum 6 a einer Düse 6 hinein, wobei zwischen der Außenwandung des Austrittsabschnitts 5 b und der Düse 6 ein Ringspalt 7 verbleibt.

Zwischen der Stirnseite des Bauteils 2 und dem Venturi- Einlauf 5 einerseits und der Stirnfläche 6 b der Düse 6 andererseits wird - wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich - ein sich im wesentlichen radial erstreckender Ringka­ nal 8 aufgebaut, der an seinem radial innenliegenden Ende mit dem Ringspalt 7 verbunden ist. Parallel zur Symmetrieachse erstrecken sich durch das Vorkammerbauteil 2 Brenstoffzufuhrkanäle 9, die in den Ringkanal 8 einmünden.

Die Düsenwandung läuft in eine Schneide 6 c aus, wobei die Düsenwandung unter im wesentlichen demselben Winkel wie der Auslauf 5 b aufgeweitet ist.

Auf die freie Stirnfläche der Düse 6 ist unter Aufspan­ nen eines Ringkanals 10 ein Düsenkopf aufgeschraubt, so daß der Ringkanal 10 über sich radial erstreckende Zufuhrleitungen 12 mit einem äußeren Zerstäubungsmedium beaufschlagt werden kann, das über einen zwischen der Schneide 6 c und dem Düsenkopf 11 vorgesehenen Ringpalt 10 a in den zentralen Zerstäubungsstrahl eintreten kann. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 werden sowohl die Vorkammer 3 als auch der Kanal 10 mit demselben Zerstäubungsmedium beaufschlagt.

Die Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der bisher beschriebenen Ausführungsform da­ durch, daß anstelle der geradzylindrischen Zufuhrkanäle 4 Zufuhrkanäle in Form von sich zur Vorkammer 3 hin verengenden Stufenbohrungen 13 mit kritischem Austritts­ querschnitt vorgesehen sind. Diese Zerstäubungsvorrichtung kann mit einem höheren Druck als dem für die Zerstäubung erforderlichen Druck beaufschlagt werden, da beim Übergang von den Zufuhrkanälen in die Vorkammer 3 hinein ein Druckabbau erfolgt.

Bei Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung wird der Ring­ kanal 8 mit flüssigem Brennstoff beaufschlagt; der Brennstoff tritt in den Ringraum 7 ein und strömt als geschlossener Film an der Innenwandung der Düse 6 bis zur Schneide 6 c, wo er unter dem Einfluß des aus der Vorkammer 3 über den Venturi-Einlauf 5 in die Düse 6 einströmenden inneren Zerstäubungsmediums zerstäubt wird. Die Geschwindigkeiten, mit der die beiden Stoffströme austreten, sind unterkritische Geschwindigkeiten. Infolge der Verdrallung des in die Düse 6 eintretenden inneren Zerstäubungsmediums wird diesem in der Düsenaustrittsöffnung 14 ein Geschwindigkeitsprofil aufgeprägt, das im mittigen Bereich der Düsenaustrittsöffnung zu einer inneren Rückströmung führt, die die Brennerflamme stabilisiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Brenner kann eine Verbrennung oder Vergasung flüssiger, hochviskoser und/oder suspen­ siver Brennstoffe mit geringem Verschleiß des Düsenkörpers erfolgen. Eine gute Flammenstabilisierung wird bereits allein durch den Zerstäubungsvorgang des an der Innenfläche der Ringschneide anliegenden Brennstoffilms erreicht. Diese Stabilisierung kann durch Verdrallung des inneren Zerstäubungsmediums noch verbessert werden. Außerdem wird ein gutes Teillastverhalten erreicht.

Im Hinblick auf die Ausnutzung der am Einsatzort vorhan­ denen Versorgungssysteme für das innere Zerstäubungsmedium kann das Zerstäubungsmedium vor Überströmen des Films von einem hohen Druck auf einen für die Zerstäubung ausreichenden niedrigen Vordruck entspannt werden. Somit kann das Zerstäubungsmedium von einem vorhandenen Produktions- und/oder Verteilungssystem - z. B für Dampf, Sauerstoff - bei hohem Druck entnommen werden, auch wenn der in dem Verteilungssystem herrschende Druck um ein Vielfaches größer ist als in dem Raum, in dem die Brennerflamme brennt.

Bei atmosphärischem Druck in der Brennerflamme kann die Relativgeschwindigkeit des inneren Zerstäubungsmediums bei Überströmen des Brennstoffilms auf einen Wert im Bereich von 60-150 m/s eingestellt werden.

Bei höheren Drücken in der Brennerflamme wird die Rela­ tivgeschwindigkeit des inneren Zerstäubungsmediums proportional 1/√ ρ eingestellt, wobei p die Dichte des Zerstäubungsmediums ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verbrennung von fließfähigem Brennstoff in einer Flamme, bei dem der Brennstoff auf der Innenwandung einer sich in Strömungsrichtung erweiternden Düse geführt wird, in den Innenraum der Düse ein Strom eines inneren Zerstäubungsmediums eingebracht wird und der Brennstoff am schneidenartig ausgebildeten Endabschnitt der Düse unter weiterer Zufuhr eines äußeren Zerstäubungsmediums zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von flüssigem hochviskosem und/oder suspensivem Brennstoff der Brennstoff als geschlossener Ringfilm auf der Innenwandung der Düse geführt wird und daß der Brennstoff und der innerhalb des Ringfilms eingebrachte Strom des inneren Zerstäubungsmediums mit unterkritischer Geschwindigkeit aus einer einbautenfreien Düse ausströmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Zerstäubungsmedium vor Überströmen des Ringfilms verdrallt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verbrennung eines hochviskosen Brennstoffes erwärmtes inneres Zerstäubungsmedium über den Ringfilm geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenstromverhältnis zwischen innerem Zerstäubungsmedium und Brennstoff auf einen Wert ≦1 eingestellt wird.

5. Brennstoffzerstäubungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer rotationssymmetrischen in Strömungsrichtung sich erweiternden Düse (6) mit schneidenartig ausgebildetem stromab liegenden Endabschnitt und einem Innenraum (6 a),
mit einer Einrichtung (9) für die Zufuhr von Brennstoff,
einer Einrichtung (4) für die Zufuhr von innerem Zerstäubungsmedium in den Innenraum (6 a) und mit einer Einrichtung (10) für die Zufuhr von äußerem Zerstäubungsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß für den Eintritt des inneren Zerstäubungsmediums an dem stromauf liegenden Endabschnitt der Düse (6) ein zur Düse (6) konzentrischer Einlauf mit anschließendem Austrittsabschnitt (5 b) vorgesehen ist, deren eine Vorkammerwand (3) vorgeschaltet ist, und daß die Außenwandung des Austrittsabschnitts (5 b) zusammen mit der Innenwandung der Düse (6) einen Ringspalt (7) für die Zufuhr des Brennstoffs begrenzt, dem einen Ringkanal (8) vorgeschaltet ist.

6. Brennstoffzerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlauf als Venturi-Einlauf (5) ausgebildet ist.

7. Brennstoffzerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Austrittsabschnitts (5 b) des Venturi-Einlaufs (5) und die Innenwandung der Schneide (6 c) in Strömungsrichtung gesehen im wesentlichen unter demselben Winkel aufgeweitet sind.

8. Brennstoffzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (3) zylinderartig ausgebildet ist, in die das innere Zerstäubungsmedium mit einer tangentialen Komponente einströmt.

9. Brennstoffzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt des inneren Zerstäubungsmediums in die Vorkammer (3) als Stufenbohrung (13) mit kritischem Austrittsquerschnitt ausgebildet ist.