DE3609960A1

DE3609960A1 - Vorrichtung und verfahren zum zerstaeuben von fluessigem brennstoff

Info

Publication number: DE3609960A1
Application number: DE19863609960
Authority: DE
Inventors: Mervyn J. Sarnia Ontario Beckner; Edward F. Long Valley N.J. Kiczek; Emiliano Aruba Trimon
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1986-03-25
Publication date: 1986-10-09
Also published as: GB8607704D0; NL8600823A; CA1268697A; BE904519A; IT8619917A1; IT8619917A0; US4614490A; SG36289G; GB2173129B; FR2579722B1; FR2579722A1; IT1188470B; JPS61230759A; GB2173129A

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff innerhalb eines Brenners, wobei Dampf als Zerstäuberfluid eingesetzt wird.

5W Vorrichtungen zum Zerstäuben flüssigen Brennstoffes, bei welchen Dampf eingesetzt wird, sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, wobei typische Beispiele in der US-PS 3,829,015 und der US-PS 4,152,108 wiedergegeben sind. Bei jedem dieser älteren Patente wird Dampf als Treibmittel benutzt, um die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes zu unterstützen, während dieser von der Spitze des Zerstäubers abgesprüht wird. Die Wirksamkeit bei der Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes während dieser in die Brennkammer eines zugeordneten Brenners eingesprüht wird, bestimmt zum Teil die Menge an Uberschußverbrennungsluft, die dem Brenner zugeführt werden muß, um eine vollständige Verbrennung des zerstäubten Brennstoffes zu erzielen. Je höher der Wirkungsgrad oder der Grad der Zerstäubung ist, den man erreicht, umso niedriger ist die Menge an Uberschußluft, die dem Brenner zugeführt werden muß, während akzeptable Flammenformen aufrechtzuerhalten sind. Wenn dementsprechend die Menge an Überschußluft reduziert werden kann, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad des zugeordneten Brenners oder Ofens, oder einer sonstigen Feuerungsanlage. Dementsprechend ist es beim Verfeuern von flüssigen Brennstoffen und im besonderen von Schwerölen, die beim Erdölraffinierverfahren anfallen, in starkem Maße erstrebenswert, diese Schweröle wirksam und vollständig zu zerstäuben, mit Hilfe zugeführten Dampfes. Nach allem bewirkt jede Verwässerung bei der Zerstäubung des Brennstoffes eine Erhöhung des gesamten thermischen Wirkungsgrades der zugeordneten Heizeinrichtung, da weniger Überschuß

Luft benötigt wird, um die vollständige Verbrennung des Brennstoffes 2U erreichen.

A Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, wonach die Zerstäubung des Brennstoffes mit Unterstützung des Dampfes wesentlich verbessert wird, wobei die kinetische Energie des abgesprühten flüssigen Brennstoffes und des injizierten Dampfstromes freigegeben werden, in größter Annäherung zueinander, um so einen hohen Zerstäubungsgrad zu erzielen.

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.

Gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren nach der Erfindung wird die Zerstäubung mit einer optimalen Wirksamkeit durchgeführt, indem man den flüssigen Brennstoff unter Druck in einer ersten Wirbeüq>iralrichtung in eine Mischkammer einführt. Die Mischkammer umfaßt auch eine Einrichtung zur Zuführung von Dampf durch eine Mehrzahl von schrägverlaufenden Öffnungen, wobei der Dampf auf den eingesprühten flüssigen Brennstoff in einer Gegenstromwirbelrichtung auftrifft. Diese Anordnung einander entgegengesetzter Wirbelrichtungen des injizierten Brennstoffes und des Dampfes innerhalb der Zerstäubermischkammer erzeugt eine maximale Turbulenz zwischen den beiden Fluiden beim Aufeinandertreffen auf relativ kleinem Raum, so daß die kinetische Energie eines jeden Stromes, d.h. sowohl des Öls als auch des Dampfes freigesetzt wird, während die entgegengesetzten Ströme aufeinandertreffen, um dabei den flüssigen Brennstoff zu zerstäuben. Der Impakt dieser einander entgegengesetzten Brennstoff- und Dampfströmungen erzeugt höhere Reynolds-Zahlen, die zu einer zusätzlichen Turbulenz zur Unterstützung des Mischvorganges führen.

Die verbesserte Zerstäubung tritt innerhalb der Mischkammer des Zerstäubers ein, vor dem Verlassen der Zerstäuberspitze.

Der Zerstäuber,innerhalb welchem überhitzter Dampf zum Einsatz kommt, besitzt einen einfachen Aufbau, ist unempfindlich hinsichtlich seiner Ausgestaltung, zeichnet sich durch eine betriebssichere Funktionsweise aus und läßt sich wirtschaftlich herstellen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Zerstäubers gemäß der

Erfindung, der in eine nur teilweise dargestellte Brennerwandung oder einen entsprechenden Bodenteil eingesetzt wird,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Zerstäuberspitze

entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 3, und

Fig. 3 einen Teilschnitt durch die Zerstäuberspitze entlang der Schnittline 3-3 der Fig. 2.

In den Zeichnungen ist der Zerstäuber allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet und an einem Führungsrohr 12 montiert und von diesem gehalten, das durch eine Endplatte 14 eines Brenners hindurchgreift. Es ist herauszustellen, daß der Zerstäuber gemriß der Erfindung sich für den Einsatz in hochintensiven Brennern eignet, wie diese in der US-PS 3,476,494 oder der US-PS 3,746,499, die beide auf den vorliegenden Inhaber zurückgehen und auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird, beschrieben sind. Typischerweise ist der in den vorerwähnten

Patenten beschriebene Brenner in einer Seitenwandung oder im Boden 14 eines (nicht dargestellten) Brenners eingebaut. Der äußere Umfang des Zerstäubers 10 umfaßt eine Mehrzahl von Zentrierstützen 16, die den Zerstäuber innerhalb des Führungsrohres 12 stabilisieren. Der Zerstäuber 10 umfaßt eine Zerstäuberspitze oder Düse 18, die den zerstäubten Brennstoff in die zugeordnete Brennkammer des (nicht dargestellten) Brenners einsprühen, in einem vorbestimmten Sprühwinkel, der in der zeichnerischen Darstellung mit der Bezugsziffer 20 versehen ist. 10

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, die einen Querschnitt durch die ZerstMuberspitze 18 darstellt, umfaßt ein Brennstoffzuführrohr 22 eine Brennatoffsprühdüse 24, die in eine diese umgebende Gewindemuffe 26 eingeschraubt ist, welche an der Innenwandung des Brennstoffzuführrohres 22 gehalten ist. Um das Brennstoffzuführrohr 22 herum ist in einer konzentrischen Weise ein Dampfzuführrohr 28 angeordnet, wodurch ein ringförmiger Dampfdurchlaß 30 zusammen mit dem Zuführrohr 22 gebildet wird. Der Dampfdurchlaß führt,gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Dampf mit einem Druck von etwa 8,9 bis 10,3 bar in einem überhitzten Status von etwa 315 bis 400 C durch eine Mehrzahl tangentialer Dampföffnungen 32 zu. Diese Dampföffnungen erstrecken sich durch die Wandung des Brennstoffzuführrohres 22, um den Dampf im Uhrzeigersinn in einem schraubenförmigen Wirbel in eine Verlängerung 33 des Brennstoffzuführrohres 22 zu injizieren. Die Brennstoffsprühdüse 24 umfaßt ebenfalls ein Paar von tangentialen Brennstoffejektionsöffnungen 34, die den flüssigen Brennstoff in einen Bereich stromabwärts von der Düse 24 in einem Wirbel im Gegenuhrzeigersinn einsprühen.

Während dieser Brennstoff aus den Öffnungen 34 ejiziert wird, dehnt er sich nach außen in einem Sprühwinkel von etwa 90 aus und nähert sich der inneren Wandung der Rohrverlängerung 33 in dem Bereich, in dem der nach innen injizierte überhitzte Dampf von den vier Öffnungen 32 emittiert wird.

INSPECTED

Das Ende des Dampfzuführrohres 28 trägt einen Gewindebereich, der mit einer Gewindemuffe 38 in Eingriff steht, die wiederum das Ende der Zerstäuberspitze 40 am Ende der Brennstoffzuführrohrverlängerung 33 hält. Die innere Aussparung der Zerstäuberspitze 40 in Zusammenwirkung mit der Brennstoffzuführrohrverlängerung 33 bildet eine Dampf- und Flüssigbrennstoffmischkammer 42, unmittelbar stromabwärtig von der Brennstoffsprühdüse 24. Die Düse .24 kann zueinander geneigte Schrägflächen 36 umfassen, durch welche die Brennstofföffnungen 34 austreten. Die Zerstäuberspitze 40 umfaßt zwei oder mehr Freigabeöffnungen 44 für den zerstäubten Brennstoff, durch welche die verwirbelte und zerstäubte Dampf/Brennstoff-Mischung in die Brennkammer des zugeordneten (nicht dargestellten) Brenners eingeführt wird. Der Aufbau des Zerstäubers wie er sich am deutlichsten aus Fig. 3 ergibt, zeigt, daß die Spitze 40 in die Gewindtmuffe 38 eingeschraubt werden kann, was entweder vor der Befestigung der Muffe 38 an dem Dampfrohr 28 erfolgen kann, oder nachdem das letztere auf das Rohr 28 aufgeschraubt wurde. In jedem Fall ist jedoch herauszustellen, daß der Übergriffsbereich,der mit 46 bezeichnet ist, zwischen der Zerstäuberspitze 40 und der äußeren Oberfläche der Rohrverlängerung 33 frei gleitet und gedreht werden kann, um eine Demontage des Mechanismus und einen Wechsel oder ein Austauschen der Zerstäuberspitze zu ermöglichen.

Beim Betrieb des Zerstäubers gemäß der Erfindung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Brennstoff, der typischerweise eine Dichte von 1° API (Schweröl) besitzen kann, den Öffnungen 34 mit einem Brennstoffdruck im Bereich vonptwa 11,7 bis 17,2 bar zugeführt, während der überhitzte Dampf, der eine Temperatur von etwa 315 bis 400° C besitzt, den Öffnungen 32 bei einem Druck im Bereich von etwa zwischen 8,9 und 10,3 bar zugeleitet wird, wobei eine ausgezeichnete Zerstäubung des Schwer* öls eintritt. Dies geschieht durch den engen Raum, in welchem die kinetische Energie des expandierenden überhitzten Dampfes durch die Öffnungen 32 gleichzeitig freigestzt wird mit der

Freisetzung der kinetischen Energie des Brennstoffes, der durch die Öffnungen 34 eingesprüht wird. Die verstärkte Zerstäubung erhält man im besonderen durch die entgegengesetzten Rotationsrichtungen der Brennstoff- und Dampf ströme, wie dies oben beschrieben wurde. Darüber hinaus kann man, gemäß der Erfindung, die relativen Freigabe- oder Austrittsdurchlaßflächen auswählen zwischen der Gesamtfläche der Zerstäuberspitzenfreigabeöffnungen 44, relativ zu der Gesamtfläche der Dampfaustrittsöffnungen 32. Es wurde herausgefunden, daß es vorzugsweise so ist, daß die Freigabeöffnungsfläche in der Zerstäuberspitze das 2,5 bis 3-fache der Fläche der Dampfaustrittsöffnung beträgt. Vorzugsweise liegt das optimale Verhältnis bei dem etwa 3,0-fachen der Fläche der Dampfaustrittsöffnung 32. Auf diese Weise ergibt sich ein Gleichgewicht beim Gesamtablauf des zweistufigen Druckabfalls zwiee-hen dem Zuführdruck des Brennstoffes und des Dampfes und dem Brennkammerdruck, der im wesentlichen beim atmosphärischen Druck liegt, auf der Freigabeseite der Öffnungen 44. Es ist erstrebenswert, wenn der Großteil der kinetischen Energie der unter Druck stehenden Strömungen in den entgegengesetzten Wirbelströmungen des Dampfes und des flüssigen Brennstoffes in der Mischkammer freigegeben wird. Dies wird erzielt, indem man relativ große Freigabeöffnungen 44 an der Zerstäuberspitze vorsieht. Dementsprechend wird der größere Teil der verfügbaren kinetischen Energie der unter Druck stehenden Dampf- und Brennstoffströme in der Mischzone 42 unmittelbar stromabwärtig von der Sprühdüse 34 freigegeben.

Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich angeführt werden, daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung nur um eine solche beispielhaften Charakters handelt, und daß verschiedene Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

- Leerseite -

Claims

Vorrichtung und Verfahren zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Zerstäuben flüssigen Brennstoffes, gekennzeichnet durch ein Brennstoff zuführrohr (22), ein Dampfzuführrohr (28), das das Brennstoffzuführrohr (22) konzentrisch umgibt und einen ringförmigen Dampfdurchlaß (30) um das Brennstoffzuführrohr (22) bildet, sowie eine hohle Zerstäuberspitze (40) mit Freigabeöffnungen (44) für den zerstäubten Brenn-

-β-

stoff am Ende des Brennstoffzuführrohres (22), die zusammen mit dem Ende des Brennstoffzuführrohres (22) eine Brennstoff/ Dampf-Mischkammer definiert, wobei innerhalb des Brennstoffzuführrohres (22) eine Brennstoffsprühdüse (24) angeordnet ist, mit mindestens einer Tangentialöffnung (34), zum Absprühen des Brennstoffes in die Mischkammer (42) in einer ersten Richtung, während sich mindestens eine tangential angeordnete Dampfaustrittsöffnung (32) durch das Ende des Brennstoff zuführrohres (22) hindurcherstreckt, über welche eine Verbindung zwischen dem ringförmigen Dampfdurchlaß (30) und der Mischkammer (42) gebildet wird, während die tangentiale Dampfdurchtrittsöffnung (32) so ausgerichtet ist, daß der hierdurch in die Mischkammer (42) eingeleitete Dampf in entgegengesetzter Richtung gewirbelt wird, wie die Wirbelrichtung des flüssigen Brennstoffes, wodurch die kinetische Energie des unter Druck stehenden Dampfes und des Brennstoffes aufrechterhaltbar sind, zum Zerstäuben des Brennstoffes beim Eintritt in die Mischkammer (42) unter dem Aufeinandertreffen der einander entgegengesetzten

Wirbelströme.
20

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die Düse (24) mit zwei Brennstoffejektionsöffnungen (34) versehen ist, die in einem Sprühwinkel von 90° zueinander zur Injektion des Brennstoffes in die Mischkammer

(42) angeordnet sind, während im Endbereich des Brennstoffzuführrohres (22) vier Tangentialdampfdurchtrittsöffnungen stromabwärts von der Brennstoffejektionsdüse (24) etwa in dem Punkt vorgesehen sind, in welchem der abgesprühte Brennstoff auf das Brennstoffzuführrohr (22) auftrifft.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Gewindemuffe (38) vorgesehen ist, mittels welcher die Zerstäuberspitze (40) am äußeren Ende des Dampfzuführrohres (28) gehalten ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkammer (42) über die Dampfdurchtrittsöffnung (32) überhitzter Dampf mit einem Druck von etwa 10 bar und einer Temperatur im Bereich von 315 bis 400° C zuführbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Zuführrohr für flüssigen Brennstoff mit einem kreisförmigen Querschnitt, ein Dampfzuführrohr mit kreisförmigem Querschnitt, das konzentrisch das Brennstoffzuführrohr umgibt und hiermit einen ringförmigen Dampfdurchlaß bildet, sowie eine hohle Zerstäuberspitze, die zusammen mit dem freien Ende des Brennstoffzuführrohres eine Brennstoff/Dampf-Mischkammer bildet, wobei innerhalb des Brennstoffzuführrohres eine Brennstoffsprühdüse mit zumindest zwei Tangentialöffnungen zum Absprühen des Brennstoffes in die Mischkammer in einer ersten Wirbelrichtung vorgesehen ist, während sich durch den Endbereich des Brennstoffzuführrohres mindestens eine tangentiale Dampfdurchtrittsöffnung erstreckt, die den ringförmigen Dampfdurchlaß mit der Mischkammer verbindet, wobei die DampfÖffnung so ausgerichtet ist, daß der Dampf in einer Wirbelrichtung der Mischkammer zugeführt, die der Wirbelrichtung des Brennstoffes entgegengesetzt ist, und der Dampf und der Brennstoff in einander entgegengesetzten Wirbelrichtungen in der Mischkammer aufeinandertreffen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß die Tangentialöffnungen der Brennstoffdüse derart angeordnet sind, daß der Brennstoff in einem Sprühwinkel von 90° in die Mischkammer einsprühbar ist, während im Endbereich des Brennstoffzuführrohres vier tangentiale Dampföffnungen stromabwärts von der Brennstoffsprühdüse, etwa an der Stelle angeordnet sind, an welcher der Brennstoff auf

die Innenwandung des Brennstoffzuführrohres auftrifft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß eine Gewindemuffe die Zerstäuberspitze mit dem freien Ende des Dampfzuführrohres verbindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , daß der Mischkammer über die Dampfdurchtrittsöffnungen überhitzter Dampf mit einem Druck von etwa 8,9 bis 0 10,3 bar bei einer Temperatur im Bereich von 315 bis 400° C zuführbar ist, während die Zerstäuberspitze mit Ejektionsöffnungen (44) versehen ist, zur Freigabe des zerstäubten Schweröls für seine Verbrennung in einem zugeordneten Brenner.

1^r> 9. Verfahren zum Zerstäuben flüssigen Brennstoffes mit Dampf vor der Ejektion aus der Spitze eines Zerstäubers, mit einem inneren Brennstoffzuführrohr und einem das Brennstoffrohr umgebenden und dabei einen ringförmigen Dampfdurchlaß bildenden Dampfzuführungsrohr, dadurch gekennzeichnet daß man den flüssigen Brennstoff tangential durch eine oder mehrere Öffnungen in eine Mischkammer einsprüht, die durch die Zerstäuberspitze und das freie Ende des Brennstoffzuführrohres gebildet wird, und dabei einen Wirbelstrom einer ersten Richtung innerhalb der Mischkammer erzeugt, und Dampf von dem Darnfpdurchlaß in die Mischkammer in einen Wirbelstrom einführt, dessen Richtung derjenigen des ersten Wirbelstroms entgegengesetzt ist, wobei der Dampf und der Brennstoff innerhalb der Mischkammer in entgegengesetzten Wirbelrichtungen aufeinandertreffen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man den zerstäubten Brennstoff aus der Mischkammer durch Öffnungen in der Zerstäuberspitze ejiziert, während die Brennstoff- und Dampfströme mit einer maximalen

kinetischen Energie aufeinandertreffen, die freigegeben wird, wenn die Zerstäubung in der Mischkammer eintritt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, d a durch gekennzeichnet, daß man überhitzten Dampf von 10,3 bar und einem Temperaturbereich von 315 bis 400° C bei einem Flüssigbrennstoff einer Dichte von 1° API einsetzt.