EP0189515A2 - Brenner kleiner Leistung und Verfahren zum Verbrennen von flüssigen Brennstoffen - Google Patents

Brenner kleiner Leistung und Verfahren zum Verbrennen von flüssigen Brennstoffen Download PDF

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EP0189515A2
EP0189515A2 EP85109036A EP85109036A EP0189515A2 EP 0189515 A2 EP0189515 A2 EP 0189515A2 EP 85109036 A EP85109036 A EP 85109036A EP 85109036 A EP85109036 A EP 85109036A EP 0189515 A2 EP0189515 A2 EP 0189515A2
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EP
European Patent Office
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burner
evaporator pot
return flow
channel
fuel vapor
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EP85109036A
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Friedrich-Johannes Hansen
Hans Selig
Hans Günter Stern
Friedhelm Salzmann
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Deutsche Babcock Werke AG
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Deutsche Babcock Werke AG
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/005—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space with combinations of different spraying or vaporising means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/44—Preheating devices; Vaporising devices
    • F23D11/441—Vaporising devices incorporated with burners
    • F23D11/443—Vaporising devices incorporated with burners heated by the main burner flame
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/04—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying action being obtained by centrifugal action
    • F23D11/06—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying action being obtained by centrifugal action using a horizontal shaft

Definitions

  • the invention relates to a burner of low power and a method for burning liquid fuels with the features of the preamble of claim 1.
  • Such a burner is known in part from DE-PS 26 49 669. With sufficient air excess, this burner provides a good mixture of fuel and combustion air, which is shown by a blue flame. However, a high excess of air is not permissible for continuous operation, since the C0 2 value and thus the combustion efficiency does not meet the requirements and the excess air disturbs the thermal balance so that the dreaded condensation occurs on the rear wall.
  • the invention has for its object to design the generic burner such that proper operation is guaranteed.
  • the arrangement of the baffle plate prevents the recirculating flue gas, which still contains residual oxygen, from entering the evaporator pot.
  • the evaporation of the fuel thus takes place in a largely oxygen-free atmosphere, so that coke formation by partial combustion of the fuel vapor is avoided.
  • the temperature of the recirculating flue gas in the rear part of the burner is not above the boiling end of the evaporating fuel, the flue gas temperature must be raised. This is done by entering a portion of the fuel vapor into the return flow channel and burning it there. Overall, these measures keep both the evaporator pot and the critical rear part of the treatment zone of the fuel clean, which ensures safer continuous operation and a rapid rise in temperature after the burner has started.
  • the drawing shows a longitudinal section through a burner according to the invention.
  • the burner has a cylindrical outer burner tube 1, in which a cylindrical inner burner tube 2 is arranged.
  • the outer burner tube 1 is closed at the rear end by an end wall 3 to which an air supply box connects.
  • the end wall 3 is provided with inlet openings 4, through which combustion air from the air supply box reaches an annular air chamber 5 which is delimited on the outside by the inner burner tube 2.
  • a rotationally symmetrical evaporator pot 6 is arranged within the inner burner tube 2 at a radial distance.
  • the evaporator pot 6 has a closed base 7, which is adjoined by a conically tapering jacket 8.
  • the bottom 7 of the evaporator pot 6 is opposite an outlet opening 9 which is arranged at an axial distance from the end wall 3 of the outer burner tube 1.
  • the heating coil 11 is switched on during the start-up of the burner in order to cause the fuel to evaporate immediately.
  • the evaporator pot 6 is connected to a shaft 12 which is engaged by a drive, not shown, via which the evaporator pot 6 is set in rotation.
  • a baffle plate 13 is arranged, which is opposed by a fixed baffle ring 14.
  • an injector channel 15 is formed between the jacket 8 of the evaporator pot 6 and the inner burner tube 2.
  • the annular air chamber 5 opens into the injector channel 15 via an air passage gap 16.
  • the burner tubes 1, 2 are arranged at a radial distance from one another and form a return flow channel 17 which is open on one side.
  • One or more passage tubes 18 are provided near the end wall 3, which penetrate the air chamber 5 and connect the backflow channel 17 to an inner chamber 19.
  • the inner chamber 19 is connected to the injector channel 15 via a passage cross section 20.
  • an annular flame forms in the outer burner tube 1 and heats the bottom 7 of the evaporator pot 6.
  • the liquid fuel fed into the evaporator pot 6 evaporates when it comes into contact with the bottom 7 and the front part of the jacket 8 and emerges as fuel vapor through the outlet opening 9. Due to the injector effect within the injector duct 15, flue gas is drawn from the outer burner tube 1 through the return flow duct 17 and flows through the injector duct 15 together with the fuel vapor generated in the evaporator pot 6 and the combustion air emerging through the air passage gap 16.
  • the jacket 8 of the evaporator pot 6 which are formed by bores 21 or slots.
  • the bores 21 are distributed in several rows over the circumference of the evaporator pot 6 and are provided in a region between the outlet opening 9 of the evaporator pot 6 and the retaining ring 14 in the part of the injector channel 15 through which there is an axial flow.
  • a part of the fuel vapor generated in the evaporator pot 6 exits through these bores 21 before the main amount of the fuel vapor has reached the outlet opening 9.
  • the emerging fuel vapor jets penetrate the medium flowing through the injector channel 15.
  • a baffle plate 22 is provided at a distance in front of the outlet opening 9 of the evaporator pot 6.
  • the baffle plate 22 is supported by a sleeve 23 which surrounds the shaft 12 and is connected to the end wall 3.
  • the baffle plate 22, the diameter of which is somewhat larger than the diameter of the outlet opening 9, is provided with a cylindrical edge 24.
  • the edge 24 of the bulge plate 22 engages around the rear part of the evaporator pot 6 and leaves an exit gap 25 for the exit of the fuel evaporating in the evaporator pot 6.
  • a plurality of nozzles 26 are arranged in the wall of the inner burner tube 2, which establish a connection between the injector duct 15 and the return flow duct 17.
  • each nozzle 26 merges into a recess 27 which is made in the wall of the inner burner tube 2.
  • the recess 27 has a larger diameter than the nozzle 26.
  • the diameter of the depression 27 is preferably at least three times larger than the diameter of the bore 26.
  • the depression 27 is provided with an outer, sharp edge 28.
  • the entire cross section of all nozzles 26 is dimensioned such that a certain proportion of the mixture of fuel vapor, air and flue gas flowing through the injector channel 15 is introduced into the return flow channel 17. The amount of fuel diverted in this way makes up about 2 to 5% of the total amount of fuel.
  • the temperature on the baffle plate 22 must not drop below the condensation temperature of the fuel.
  • fuel is introduced into the return flow channel 17 through the described nozzles 26 and burned there.
  • This combustion of a small proportion of the fuel raises the temperature of the flue gas to such an extent that the fuel vapor does not condense on the baffle plate 22.
  • the temperature required for this is about 450 o C.
  • the sharp edge 28 of the depression 27 stabilizes the flame in the flue gas flow so that it does not break off in the small amount of fuel that enters the return flow channel 17.

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Abstract

Der Brenner besteht aus einem äußeren, durch eine rückwärtige Stirnwand (3) geschlossenen Brennerrohr (1), in dem ein an seinem vorderen Ende geschlossener Verdampfertopf.(6) rotiert. Der Verdampfertopf (6) ist von einem von Luft durchströmten Injektorkanal (15) und einem von Rauchgas durchströmten Rückströmungskanal (17) umgeben und weist eine Austrittsöffnung (9) auf, die in einem axialen Abstand von der Stirnwand (3) angeordnet ist. Vor der Austrittsöffnung (9) des Verdampfertopfes (6) ist eine Prallplatte (22) angeordnet, die ein Eintreten des Rauchgases in den Verdampfertopf (6) verhindert. Über Düsen (26), die den Injektorkanal (15) mit dem Rückströmungskanal (17) verbinden, wird eine Teilmenge des Brennstoffdampfes in den Rückströmungskanal (17) übergeführt und dort zur Anhebung der Temperatur des rückströmenden Rauchgases verbrannt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner kleiner Leistung und ein Verfahren zum Verbrennen flüssiger Brennstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
  • Ein solcher Brenner ist teilweise aus der DE-PS 26 49 669 bekannt. Dieser Brenner liefert bei einem ausreichenden Luftüberschuß eine gute Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, was sich in einer blauen Flamme zeigt. Ein hoher Luftüberschuß ist aber für den Dauerbetrieb nicht zulässig, da der C02- Wert und damit der feuerungstechnische Wirkungsgrad nicht den Anforderungen entspricht und die überschüssige Luft das Wärmegleichgewicht so stört, daß an der Rückwand die gefürchtete Kondensation auftritt.
  • Um bei einem solchen Brenner im nahstöchiometrischen Bereich den Brennstoffdampf mit der Frischluft und dem zurückgeführten Rauchgas gut durchzumischen, ohne daß die Injektorwirkung beeinflußt wird, ist gemäß der deutschen Patentanmeldung P 33 46 431. 6 der Mantel des Verdampfertopfes mit in mehreren Reihen über den Umfang verteilten Bohrungen versehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein Teil des in dem Verdampfertopf entstehenden Brennstoffdampfes vor dem Austritt aus der Austrittsöffnung durch die Bohrungen in feinen Strahlen in den Luftstrom eingegeben wird. Dabei durchdringen sich die Medien unter einem Auftreffwinkel von etwa 90°. Dieser Auftreffwinkel, verstärkt durch die Zentrifugalkraft am Austritt des Verdampfertopfes, bewirkt eine nahezu vollkommene Durchmischung des Brennstoffdampfes mit der Frischluft und dem zirkulierenden Rauchgas. Bei einem solchen Brenner können wenn er für kleine Leistungen eingesetzt wird, Verschmutzungen des Verdampfertopfes durch Koksbildung auftreten, durch die ein zuverlässiger Betrieb beeinträchtigt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Brenner derart auszubilden, daß ein einwandfreier Betrieb gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Brenner durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Durch die Anordnung der Prallplatte wird das rezirkulierende Rauchgas, das noch Restgehalte an Sauerstoff enthält, daran gehindert, in den Verdampfertopf einzutreten. Damit findet die Verdampfung des Brennstoffes in einer weitgehend sauerstofffreien Atmosphäre statt, so daß eine Koksbildung durch eine Teilverbrennung des Brennstoffdampfes vermieden wird. Sofern im rückwärtigen Teil des Brenners die Temperatur des rezirkulierenden Rauchgases nicht oberhalb des Siedeendes des verdampfenden Brennstoffes liegt, muß die Rauchgastemperatur angehoben werden. Das geschieht dadurch, daß eine Teilmenge des Brennstoffdampfes in den Rückströmungskanal eingegeben und dort verbrannt wird. Insgesamt bleibt durch diese Maßnahmen sowohl der Verdampfertopf als auch der kritische rückwärtige Teil der Aufbereitungszone des Brennstoffes sauber, was einen sichereren Dauerbetrieb und einen schnellen Temperaturanstieg nach dem Brennerstart gewährleistet.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen Brenner gemäß der Erfindung.
  • Der Brenner weist ein zylindrisches äußeres Brennerrohr 1 auf, in welchem ein zylindrisches inneres Brennerrohr 2 angeordnet ist. Das äußere Brennerrohr 1 ist an dem rückwärtigen Ende durch eine Stirnwand 3 geschlossen, an die sich ein Luftzuführungskasten anschließt. Die Stirnwand 3 ist mit Einlaßöffnungen 4 versehen, durch die Verbrennungsluft aus dem Luftzuführungskasten in eine ringförmige Luftkammer 5 gelangt, die außen von dem inneren Brennerrohr 2 begrenzt ist. Innerhalb des inneren Brennerrohres 2 ist mit einem radialen Abstand ein rotationssymmetrischer Verdampfertopf 6 angeordnet. Der Verdampfertopf 6 weist einen geschlossenen Boden 7 auf, an den sich ein konisch verjüngender Mantel 8 anschließt. Dem Boden 7 des Verdampfertopfes 6 liegt eine Austrittsöffnung 9 gegenüber, die in einem axialen Abstand von der Stirnwand 3 des äußeren Brennerrohres 1 angeordnet ist. In das Innere des Verdampfertopfes 6 münden eine Brennstoffzuführungsleitung 10 und eine Heizspirale 11 hinein. Die Heizspirale 11 ist während des Anfahrens des Brenners eingeschaltet, um eine sofortige Verdampfung des Brennstoffes zu bewirken. Der Verdampfertopf 6 ist mit einer Welle 12 verbunden, an die ein nicht dargestellter Antrieb angreift, über den der Verdampfertopf 6 in Rotation versetzt wird. Auf dem Mantel 8 des Verdampfertopfes 6 ist eine Stauscheibe 13 angeordnet, der ein feststehender Stauring 14 gegenübersteht.
  • In dem der Stirnwand 3 benachbarten Teil ist zwischen dem Mantel 8 des Verdampfertopfes 6 und dem inneren Brennerrohr 2 ein Injektorkanal 15 gebildet. In den Injektorkanal 15 mündet über einen Luftdurchtrittsspalt 16 die ringförmige Luftkammer 5. Die Brennerrohre 1, 2 sind mit einem radialen Abstand voneinander angeordnet und bilden zwischen sich einen einseitig offenen Rückströmungskanal 17. In der Nähe der Stirnwand 3 sind ein oder mehrere Durchtrittsrohre 18 vorgesehen, die die Luftkammer 5 durchdringen und den Rückströmungskanal 17 mit einer inneren Kammer 19 verbinden. Die innere Kammer 19 steht über einen Durchtrittsquerschnitt 20 mit dem Injektorkanal 15 in Verbindung.
  • Während des Betriebes des Brenners bildet sich in dem äußeren Brennerrohr 1 eine ringförmige Flamme aus, die den Boden 7 des Verdampfertopfes 6 aufheizt. Der in den Verdampfertopf 6 eingespeiste flüssige Brennstoff verdampft durch die Berührung mit dem Boden 7 und dem vorderen Teil des Mantels 8 und tritt als Brennstoffdampf durch die Austrittsöffnung 9 aus. Durch die Injektorwirkung innerhalb des Injektorkanals 15 wird Rauchgas aus dem äußeren Brennerrohr 1 durch den Rückströmungskanal 17 angesaugt und strömt zusammen mit dem im Verdampfertopf 6 entstehenden Brennstoffdampf und der durch den Luftdurchtrittsspalt 16 austretenden Verbrennungsluft durch den Injektorkanal 15.
  • Zur Verbesserung der Durchmischung von Brennstoffdampf und Verbrennungsluft sind in dem Mantel 8 des Verdampfertopfes 6 mehrere Ausnehmungen angebracht, die durch Bohrungen 21 oder Schlitze gebildet sind. Die Bohrungen 21 sind in mehreren Reihen über den Umfang des Verdampfertopfes 6 verteilt und in einem Bereich zwischender Austrittsöffnung 9 des Verdampfertopfes 6 und dem Stauring 14 in dem axial durchströmten Teil des Injektorkanals 15 vorgesehen. Durch diese Bohrungen 21 tritt ein Teil des in dem Verdampfertopf 6 erzeugten Brennstoffdampfes aus, bevor die Hauptmenge des Brennstoffdampfes die Austrittsöffnung 9 erreicht hat. Die austretenden Brennstoffdampfstrahlen durchdringen das den Injektorkanal 15 durchströmende Medium.
  • In einem Abstand vor der Austrittsöffnung 9 des Verdampfertopfes 6 ist eine Prallplatte 22 vorgesehen. Die Prallplatte 22 ist von einer Hülse 23 getragen, die die Welle 12 umgibt und mit der Stirnwand 3 verbunden ist. Die Prallplatte 22, deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser der Austrittsöffnung 9, ist mit einem zylindrischen Rand 24 versehen. Der Rand 24 der Prallplatte 22 umgreift den hinteren Teil des Verdampfertopfes 6 und läßt einen Austrittsspalt 25 für den Austritt des in dem Verdampfertopf 6 verdampfenden Brennstoffes frei.
  • Stromaufwärts der Stauscheibe 13 und des Stauringes 14 sind in der Wand des inneren Brennerrohres 2 mehrere Düsen 26 angeordnet, die eine Verbindung zwischen dem Injektorkanal 15 und dem Rückströmungskanal 17 herstellen. Auf der dem Rückströmungskanal 17 zugewandten Seite geht jede Düse 26 in eine Vertiefung 27 über, die in die Wand des inneren Brennerrohres 2 eingebracht ist. Die Vertiefung 27 weist einen größeren Durchmesser als die Düse 26 auf. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Vertiefung 27 um mindestens das Dreifache größer als der Durchmesser der Bohrung 26. Die Vertiefung 27 ist mit einer außen liegenden, scharfen Kante 28 versehen. Der gesamte Querschnitt aller Düsen 26 ist so bemessen, daß ein bestimmter Anteil des durch den Injektorkanal 15 strömenden Gemisches aus Brennstoffdampf, Luft und Rauchgas in den Rückströmungskanal 17 eingebracht wird. Die auf diese Weise abgezweigte Brennstoffmenge macht etwa 2 bis 5 % der gesamten Brennstoffmenge aus.
  • Das durch den Rückströmungskanal 17 angesaugte und in die innere Kammer 19 gelangende Rauchgas trifft auf die Prallplatte 22 auf und wird außen an dem Rand 24 der Prallplatte 22 entlang in den Injektorkanal 15 geführt. Ein Eintritt des Rauchgases in den Verdampfertopf 6 wird auf diese Weise verhindert.
  • Durch die Rückführung des Rauchgases darf die Temperatur an der Prallplatte 22 nicht unter die Kondensationstemperatur des Brennstoffes sinken. Um das zu verhindern, wird durch die beschriebenen Düsen 26 Brennstoff in den Rückströmungskanal 17 eingebracht und dort verbrannt. Durch diese Verbrennung eines geringen Anteiles des Brennstoffes wird die Temperatur des Rauchgases soweit angehoben, daß eine Kondensation des Brennstoffdampfes an der Prallplatte 22 unterbleibt. Die dazu erforderliche Temperatur beträgt etwa 450o C. Damit bei der geringen Menge an Brennstoff, die in den Rückströmungskanal 17 eintritt, die Flamme in dem Rauchgasstrom nicht abreißt, wird sie durch die scharfe Kante 28 der Vertiefung 27 stabilisiert.

Claims (7)

1. Brenner kleiner Leistung zum Verbrennen von flüssigen Brennstoffen mit einem äußeren Brennerrohr (1), das eine rückseitige Stirnwand (3) aufweist und in dem ein aus einem Boden (7) und einem mit Bohrungen (21) versehenen Mantel (8) bestehender rotierender Verdampfertopf (6) angeordnet ist, dessen Austrittsöffnung (9) in einem axialen Abstand zur Stirnwand (3) des äußeren Brennerrohres (1) angeordnet ist und dessen Mantel (8) unter Bildung eines von Luft durchströmten Injektorkanals (15) in einem radialen Abstand von einem durch ein inneres Brennerrohr (2) begrenzten, ringförmigen Rückströmungskanal (17) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet , daß in einem Abstand vor der Austrittsöffnung (9) des Verdampfertopfes (6) eine Prallplatte (22) angeordnet ist, deren Durchmesser etwa dem Durchmesser der Austrittsöffnung (9) entspricht.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallplatte (22) mit einem Rand (24) versehen ist, der in einem radialen Abstand den Verdampfertopf (6) umgreift.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Wand des inneren Brennerrohres (2) von Düsen (26) durchdrungen ist, die den Injektorkanal (15) und den Rückströmungskanal (17) verbinden und deren gesamter Querschnitt so bemessen ist, daß ein Teil des aus dem Verdampfertopf (6) austretenden Brennstoffdampfes in den Rückströmungskanal (17) eintritt.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge des in den Rückströmungskanal (17) eintretenden Brennstoffdampfes etwa 2 bis 5 % der gesamten Menge des erzeugten Brennstoffdampfes beträgt.
5. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß jede Düse (26) auf der dem Rückströmungskanal (17) zugewandten Seite in eine Vertiefung (27) übergeht, die in die Wand des inneren Brennerrohres (2) eingebracht und mit einer scharfen, außen liegenden Kante (28) versehen ist.
6. Brenner nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Vertiefung (27) mindestens dem dreifachen Wert des Durchmessers der Düsen (26) entspricht.
7. Verfahren zum Verbrennen von flüssigen Brennstoffen in einem Brenner kleiner Leistung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des durch den Rückströmungskanal zurückströmenden Rauchgases durch eine Verbrennung der in den Rückströmungskanal eintretenden Teilmenge des Brennstoffdampfes soweit erhöht wird, daß die Prallplatte auf eine oberhalb des Kondensationspunktes des Brennstoffdampfes liegende Temperatur erwärmt wird und daß der Zutritt von Restsauerstoff aus dem Rauchgas in den Verdampfertopf verhindert wird.
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Inventor name: SALZMANN, FRIEDHELM

Inventor name: STERN, HANS GUENTER

Inventor name: HANSEN, FRIEDRICH-JOHANNES

Inventor name: SELIG, HANS