DE69101869T2

DE69101869T2 - Zerstäuber für zähflüssige Brennstoffe.

Info

Publication number: DE69101869T2
Application number: DE69101869T
Authority: DE
Inventors: Michele Gennaro De; Mario Graziadio
Original assignee: Enel SpA
Current assignee: Enel SpA
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1991-03-22
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2011-03-23
Also published as: EP0449788A3; US5143297A; DE69101869D1; EP0449788B1; IT9009352A0; EP0449788A2; ES2054476T3; IT9009352A1; IT1238699B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Zerstäuber für viskose flüssige Brennstoffe. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Zerstäuber, der zur Installation an Brennern für hochviskose flüssige Brennstoffe oder für Zwei-Phasen-Brennstoffgemische, wie beispielsweise aus Kohle und Heizöl oder Kohle und Wasser, geeignet ist, die selbst von hoher Viskosität sind, wobei in beiden Fällen ein Zerstäubungsfluid, wie Luft oder Dampf vorhanden ist.
Ein Zerstäuber eines Typs, der für Einsatzgebiete, wie die oben erwähnten, bekannt ist, besteht aus zwei koaxialen, in Reihe angeordneten Mischern, die jeweils ihre eigene Mischkammer umfassen. Die Mischkammer des ersten Mischers stellt im wesentlichen einen zylindrischen Kanal mit zwei Einlassen dar, einem axialen für den Brennstoff und dem seitlichen für das Zerstäubungsfluid. Diese Mischkammer steht direkt mit der Mischkammer des zweiten Mischers in Verbindung, die einen größeren Durchmesser als die erstere aufweist und in einem kegelstumpfförmigen Abschnitt endet, an dem sich eine Reihe von Auslaßöffnungen für den Zerstäubungsbrennstoff befinden, wobei die Öffnungen auf einer Kreislinie angeordnet sind und ihre Achsen senkrecht zur kegelförmigen Wand der zweiten Mischkammer verlaufen und sämtlich in einem innenliegenden Punkt in der Kammer entlang der Längsachse des Zerstäubers zusammenlaufen. Aufgrund der besonderen Beziehungen, die zwischen den Maßen der verschiedenen Teile des oben beschriebenen Zerstäubers bestehen, kommt es zu einer optimalen Zerstäubung des in die Brennkammer eingespritzten Brennstoffes. Ein Zerstäuber wie der oben beschriebene Last im U.S.-Patent Nr. 4,708,293 auf den Namen des gleichen Anmelders beschrieben.
Jedoch wird bei dieser, wie bei anderen Arten von Zerstäubern, die Begrenzung der Entstehung von Stickstoffoxid als nicht optimal angesehen.
In diesem Zusammenhang ist die Bedeutung der Überlagerung der verschiedenen Strahlen des in die Brennkammer eingespritzten zerstäubten Brennstoffes für die Zunahme der Erzeugung von Stickstoffoxid hervorgehoben worden. Die einander überlagernden Strahlen erzeugen eine einzelne große Flamme, die eine im Vergleich zu ihrem eigenen Volumen verringerte Strahlungsoberfläche hat, was zu einer Erhöhung der Flammentemperatur und parallel dazu einer Zunahme der erzeugten Stickstoffoxide führt.
Um diesen Nachteil zu begrenzen, ist eine spezielle Anordnung der Einspritzöffnungen für den zerstäubten Brennstoff in die Brennkammer vorgeschlagen worden, die die Überlagerung der Strahlen verhindert, viele kleine separate Flammen erzeugt, die die Strahlungsfläche in bezug auf das Gesamtvolumen der Flamme erheblich erhöhen, wobei die Temperatur der Flamme verringert wird und daher weniger Stickstoffoxide erzeugt werden. Das heißt, der durch die Einspritzachsen der Öffnungen zu der Längsachse des Zerstäubers gebildete Winkel nimmt mit dem Abstand der Öffnungen von der Längsachse zu, weshalb die Öffnungen in mehr kreisförmigen, konzentrischen Reihen angeordnet werden können, die gleichmäßigen Winkelabstand in jeder Reihe aufweisen, jedoch zwischen aneinandergrenzenden Reihen radial versetzt sind, so daß die Verbrennung jedes Strahles unabhängig von den angrenzenden Strahlen stattfindet.
Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Erzeugung von Stickstoffoxiden beim Verbrennungsvorgang von viskosen flüssigen Brennstoffen, die mittels Zerstäubern eines herkömmlichen Typs eingespritzt werden, zu verhindern oder wenigstens zu begrenzen.
Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Zerstäuber für viskose flüssige Brennstoffe des obenerwähnten Typs zu schaffen, bei dem mit einer speziellen Anordnung der Einspritzöffnungen für zerstäubten Brennstoff in der Brennkammer eine bessere Begrenzung der Erzeugung von Stickstoffoxiden hinsichtlich dessen, was bis jetzt erreicht worden ist, möglich ist.
Der erfindungsgemäße Zerstäuber ist vom oben beschriebenen Doppelmischkammer-Typ und beruht auf der Tatsache, daß der zerstäubte Brennstoff in zwei konzentrische Bereiche aufgeteilt wird, wobei der äußere Bereich mit der Verbrennungsluft in Kontakt kommt und beim Verbrennen dem inneren Bereich Sauerstoff entzieht, in dem wegen dieses Sauerstoffmangels die Erzeugung von Stickstoffoxiden verringert wird.
Praktisch ausgedrückt bedeutet das, daß die beiden Bereiche jeweils aus dem Schnittpunkt von verschiedenen Brennstoffstrahlen bestehen, die jeweils aus einer Auslaßöffnung des Zerstäubers austreten.
Um dieses Ergebnis zu erzielen, sind die Brennstoffeinspritzöffnungen, die sich an den Wänden der zweiten Mischkammer befinden, in zwei konzentrischen Reihen angeordnet, die in jeder Reihe gleichmäßig winklig beabstandet und radial fluchtend sind. Die Achsen der Öffnungen schneiden die Längsachse des Zerstäubers in einem gemeinsamen Punkt innerhalb der zweiten Mischkammer. Darüber hinaus beträgt die Differenz zwischen den Winkeln, die durch zwei Paare radial fluchtender Öffnungen gebildet werden, die zu der einen bzw. der anderen Reihe gehören, nicht weniger als 200.
Auf diese Weise sind die aus den aneinandergrenzenden und radial fluchtenden Öffnungen austretenden Strahlen ausreichend voneinander getrennt, so daß der äußere vollständig verbrennen kann und der inneren Öffnung mehr Sauerstoff entziehen kann.
Ändere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Zerstäubers für viskose flüssige Brennstoffe werden in der folgenden Beschreibung einer seiner möglichen Ausführungen erläutert, die als ein, jedoch nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Zerstäubers ist;
Fig. 2 eine Vorderansicht des Zerstäubers in Fig. 1 ist.
Unter Bezugnahme auf die oben erwähnten Figuren bezeichnet 1 den erfindungsgemäßen Zerstäuber, der einen Zufuhrabschnitt 2 für den flüssigen Brennstoff und Zerstäubungsfluid umfaßt, der im wesentlichen durch einen mittleren, röhrenförmigen Kanal 3 für den Brennstoff CO und einen seitlichen, röhrenförmigen Kanal 4 für das Zerstäubungsfluid FA - im allgemeinen Luft -, der mit ersterem konzentrisch ist, gebildet wird. Der Zerstäuber umfaßt des weiteren einen ersten Mischer 8 stromab des Zufuhrabschnitts, in dem sich eine röhrenförmige Mischkammer 9 befindet, die axial mit dem mittleren Kanal 3 entlang der Längsachse des Zerstäubers fluchtend ist, die mit X-X angedeutet ist. Die Mischkammer 9 steht über eine Vielzahl von Kanälen 10, die in dem Gehäuse des ersten Mischers 8 ausgebildet sind und auf einen gemeinsamen Punkt auf der Längsachse der Zerstäuberinnenkammer 9 zulaufen, mit dem Zerstäubungsfluid 4 in Verbindung.
Der Zerstäuber umfaßt des weiteren einen zweiten Mischer 11 stromab des ersten Mischers 8 entlang der Längsachse des Zerstäubers, der eine zweite Mischkammer 12 begrenzt, die direkt mit der ersten Mischkammer 9, zu der sie koaxial ist, in Verbindung steht. Der erste Mischer 8 und der zweite Mischer 11 sind mittels eines mit Gewinde versehenen Spannrings 7, der mit einem entsprechenden, an der Außenfläche des Zerstäubungsfluidkanals 4 ausgeformten Gewindeabschnitt im Eingriff ist, mit der Zuführkammer 2 verbunden.
Erfindungsgemäß besteht die zweite Mischkammer 12 aus einem zylindrischen Abschnitt und zwei aufeinanderfolgenden, koaxialen, kegelstumpfförmigen Abschnitten, an deren kegelförmiger Fläche sich zwei kreisförmige Reihen von Öffnungen 14 und 15 zum Einlaß des vollständig zerstäubten Brennstoffes in die Brennkammer befinden. In jeder Reihe sind die Öffnungen 14 und 15 gleichmäßig winklig voneinander beabstandet, wobei die Öffnungen der Reihen in Zweiergruppen radial fluchtend sind. Die Achsen Y bzw. Z der Öffnungen 14 und 15 treffen in dem gleichen Punkt C innerhalb der zweiten Mischkammer 12 und auf der Längsachse X-X des Zerstäubers zusammen.
Die Beziehungen zwischen den charakteristischen Maßen der verschiedenen Bauteile des Zerstäubers gemäß der vorliegenden Erfindung sind die bereits in dem erwähnten U.S.-Patent Nr. 4,708,293 dargestellten. Das heißt, wenn
D&sub0; = Durchmesser des mittleren Kanals 4
D&sub1;, L&sub1; = Durchmesser/Länge der ersten Mischkammer 9
D&sub2;, L&sub2; = Durchmesser/Länge der zweiten Mischkammer 12
D&sub3;, L&sub5; = Durchmesser/Länge des zylindrischen Abschnitts der zweiten Mischkammer 12,
gelten nach wie vor die folgenden Beziehungen:
L&sub5;/D&sub2; > 0,6
0,6 x D&sub2; < L&sub2; < 1,2 x D&sub2;
D&sub2; > 3 x D&sub1;
D&sub3; > D&sub1;
Darüber hinaus liegt erfindungsgemäß der zwischen den beiden Z-Achsen der beiden Öffnungen 15, die in bezug auf die Längsachse X-X des Zerstäubers symmetrisch sind, gebildete Winkel α zwischen 80º und 120º, während für den zwischen den Y-Achsen der beiden Öffnungen 14, die in bezug auf eine gemeinsame Längsachse symmetrisch sind, eingeschlossenen Winkel β gilt
α - β ≥ 20º.
Diese letzte Bedingung gewährleistet, daß die Strahlen des zerstäubten Brennstoffes in der Brennkammer ausreichend voneinander getrennt sind.
Die Öffnungen 14 und 15 sind zylindrisch, und ihre Y- und Z- Achsen sind senkrecht zu den jeweiligen Kegelflächen des zweiten Mischers 11. Der Durchmesser und die Länge der in der inneren Reihe angeordneten Öffnungen 14 können sich von denen der Öffnungen 15 der äußeren Reihe unterscheiden, wobei in beiden Reihen die Öffnungen einander gleichen müssen. Das heißt, wenn d und l der Durchmesser und die Länge der Öffnungen 14 und 15 sind, muß die folgende Beziehung gelten
d < l < 3 x d
Natürlich muß die Anzahl von Öffnungen 14, die die innere Reihe bilden, der Anzahl von Öffnungen 15, die die äußere Reihe bilden, gleich sein, und es muß es eine Winkelübereinstimmung zwischen den Öffnungen 14 und den Öffnungen 15 vorliegen. Diese geometrische Bedingung wird als überaus wichtig für das Erreichen der optimalen Verbrennungsbedingungen angesehen. Zwischen den Gesamtguerschnittsöffnungen 14 und 15 und dem Querschnitt S&sub1; der ersten Mischkammer 9 muß die Beziehung
S < n&sub1; x s&sub1; + S&sub1;
gelten, wobei n&sub1; und s&sub1; die Anzahl und der Querschnitt der Zufuhrkanäle 10 für das Zerstäubungsfluid sind.
Schließlich muß, wie in dem oben erwähnten U.S.-Patent, die Anzahl der Öffnungen in jeder Reihe größer als 3 sein.

Claims

1. Zerstäuber für viskose flüssige Brennstoffe, der einen ersten Mischer (8) und einen zweiten Mischer (11) zum Mischen des Brennstoffes mit einer Zerstäubungsflüssigkeit umfaßt, die jeweils durch einen mittleren Einlaß (3) und einen seitlichen Einlaß (4) zugeführt werden, wobei der erste Mischer eine erste Mischkammer (9) umfaßt, in die der Brennstoff und das Fluid durch den mittleren und den seitlichen Einlaß eingeleitet werden, wobei der zweite Mischer eine zweite Mischkammer (12) umfaßt, die mit der ersten Mischkammer entlang einer Längsachse fluchtend ist, in die vorgemischter Brennstoff und Zerstäubungsfluid eingeleitet werden, sowie eine Vielzahl von Auslassen (14, 15), zum Einspritzen des zerstäubten Brennstoffes in die Brennkammer, wobei der Zerstäuber dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vielzahl von Auslassen aus der zweiten Mischkammer durch zwei Reihen von Öffnungen (14, 15) gebildet wird, die in zwei konzentrischen Kreislinien gleichmäßig winklig beabstandet und radial fluchtend angeordnet sind, wobei die Achse jeder der Öffnungen auf einen gemeinsamen Punkt (C) zuläuft, der sich innerhalb der zweiten Mischkammer (12) auf der Längsachse befindet, wobei die Winkel α und β, die durch die Achsen von zwei Öffnungen gebildet werden, die in bezug auf die Längsachse symmetrisch sind und zu der inneren bzw. der äußeren Kreislinie gehören, so sind, daß gilt

α - β ≥ 20º.

2. Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei Winkel α, der durch die Achsen von zwei Öffnungen gebildet wird, die in bezug auf die Längsachse symmetrisch sind und zu der äußeren Kreislinie gehören, zwischen 80º und 120º liegt.

3. Zerstäuber nach Anspruch 1 und 2, wobei die zweite Mischkammer (12) durch einen zylindrischen Abschnitt mit einer Achse gebildet wird, die mit der Längsachse zusammenfällt, und durch zwei aufeinanderfolgende kegelstumpfförmige Abschnitte, die koaxial zu dem zylindrischen Abschnitt sind, wobei sich die Öffnungen an den kegelförmigen Wänden befinden, die die kegelstumpfförmigen Abschnitte begrenzen, wobei die Achsen der Öffnungen zu den jeweiligen Wänden, an denen sie sich befinden, rechtwinklig sind.

4. Zerstäuber nach Anspruch 3, wobei sich an jeder der kegelförmigen Wände eine Reihe der Öffnungen befindet.

5. Zerstäuber nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Anzahl der an einer der kegelförmigen Wänden befindlichen Öffnungen der Anzahl der an der anderen befindlichen Öffnungen gleich ist.

6. Zerstäuber nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Summe der Durchlaßquerschnitte jeder Öffnung (14, 15) geringer ist als die Summe des Querschnitts der ersten Mischkammer (9) und des Gesamtdurchlaßquerschnitts von Zufuhrkanälen (10) für das Zerstäubungsfluid zu der ersten Mischkammer (9).