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Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner mit zumindest einer Druckleitung für einen fluiden Brennstoff, insbesondere Heizol, welche in eine Brennstoffzerstäubungseinrichtung, insbesondere Düse, mündet, die in eine Mischkammer entleert.
Brennern, sei es für feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe, ist zur Aufgabe gestellt, dass der Wirkungsgrad desselben und der anschliessenden Anlagen besonders hoch ist. Der Wirku gs- grad der anschliessenden Anlagen wird unmittelbar durch die Eintrittstemperatur des erhitzten Mediums und der Austrittstemperatur desselben bestimmt. Somit besteht das Bestreben, bei Bremern eine möglichst hohe Austrittstemperatur der Gase zu erreichen, da dieselben gegebenenfalls über einen Wärmetauscher die Temperatur des späteren Arbeitsmediums, sei es für Turbinen, chemische Reaktionen oder auch Raumheizung bestimmen.
Neben dieser Voraussetzung, dass eine möglichst hohe Temperatur der Abgase aus einem Brenner vorliegen soll, ist eine weitere Voraussetzung, u. zw. die der umweltschonenden Zusammensetzung der Abgase von besonderer Bedeutung. Einerseits liegt ein umso höherer Anteil von Kohlenmonoxid vor, je höher die Verbrennungstemperatur ist, so dass der Ausstoss von toxischen Gasen der Steigerung des Wirkungsgrades entgegengesetzt ist. Dieselbe Aussage gilt auch für die Stickoxide, welche aus dem Stickstoff der Luft, die üblicherweise für die Verbrennung herangezogen wird, deren Gehalt mit steigender Tempe 'atur zunimmt. Neben der Stickoxide, welche auf den Stickstoff der Luft zurückzuführen sind, liegen auch Stickoxide vor, die auf Stickstoffverbindungen des Brennstoffes zurückzuführen sind.
Derim wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaute Brennstoff, wie Braunkohle, Steink hle, Anthrazit, Erdöl oder Erdölfraktionen, Erdgas od. dgl., weist in der Regel Verbindungen auf die chemisch gebunden Stickstoff besitzen. Dieser Stickstoff ist auf die Eiweissstoffe der Organismen, durch deren Zersetzung die organischen Brennstoffe in fester, flüssiger und gasförmiger P ase entstanden sind, zurückzuführen. Neben der Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen sind von besonderer Bedeutung auch noch die Schwefelverbindungen, die ebenfalls auf die ursprüngli hen Eiweissstoffe zurückzuführen sind.
Bei der Verbrennung entstehen Schwefeloxide, die je nach Oxidationsstufe mit Wasser, schwefelige Säure oder Schwefelsäure bilden, wobei durch das in den Rauchgasen vorliegende und gegebenenfalls zur Kondensation gelangende Wasser verdünnte Sauren gebildet werden, die in Abhängigkeit von den Werkstoffen eine grössere Aggressivität aufweisen als konzentrierte Säuren
Ein besonderes Augenmerk wird den Stickoxiden in den Abgasen gewidmet, wobei dies Iben auf Grund ihrer Kinematik besonders schwierig zu entfernen sind. Zur Vermeidung von Sti oxiden, die auf den Stickstoff der Verbrennungsluft zurückzuführen sind, ist es lediglich erforderlich, die Temperatur der Verbrennungsgase geringer zu halten Dadurch kann allerdings ein schle chterer Wirkungsgrad bedingt sein.
Zur Verringerung der Stickoxide, die auf Stickstoffverbindungen des Brennstoffes zurückz@füh- ren sind, ist es bekannt, die mit Sauerstoffunterschuss verbrannten Gase, welche HCN bilde und in einer zweiten Oxidationsstufe Stickstoffmonoxid übergeführt werden, in den ersten Ve ren- nungsraum rückzuführen. Dadurch entsteht aus den Stickoxiden und dem NH-Radikalen Stic stoff und Wasser. Ein derartiger Brenner mit Rückführung der teilweise verbrannten Gase wird im Viessmann Heizungs-Handbuch 1987, Alfons W. Gentner Verlag, Stuttgart, Seite 90 beschri ben.
Bei diesem Brenner ist eine Druckleitung für das Heizöl in einer Luftleitung zentrisch angeordnet. Am Ende der Druckleitung ist eine Düse vorgesehen. Mit der Luftleitung ist ein Brennerrohr verbunden, wobei zwischen dem Brennerrohr und der Luftleitung eine ringförmige Stauscheibe angeordnet ist. In Abstand von dieser Stauscheibe ist eine ringförmige Mischkammer angeordn et, in welche einerseits Luft von der Luftleitung und andererseits zerstäubter Brennstoff gelangt. In dieser findet eine Verbrennung mit Sauerstoffunterschuss statt, wohingegen im Brennerrohr mit nem geringfügigen Sauerstoffüberschuss verbrannt wird. Im Brennerrohr entsteht zwischen Stauscheibe und Mischkammer ein Unterdruck, so dass ein Teil der mit Sauerstoffüberschuss verbrannten Gase in das Mischrohr rückgeführt wird.
Aus der EP-0 227 637-A wird ein weiterer Brenner bekannt, bei dem das Mischrohr aus zwei Teilstücken besteht. Das erste Teilstück, in Strömungsrichtung gesehen, weist einen gerin eren Durchmesser als das zweite Teilstück auf. Der Brennstoff wird über eine Düse in das erste Teilstück eingesprüht und es gelangt Luft von der Luftleitung direkt in das erste Teilstück Das eite Teilstück, welches unmittelbar an das erste Teilstück anschliesst, hat eine zusätzliche Lu füh- rung, so dass hier zum Unterschied zum ersten Teilstück mit einem Luftüberschuss verbrannt
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werden kann. Die aus dem zweiten Teilstück austretenden Verbrennungsgase werden über den Spalt, der zwischen dem ersten Teilstück und der Stauscheibe gebildet ist, in das erste Teilstück rückgeführt.
Den oben angeführten Brennern haftet der Nachteil an, dass bei einem höheren Gehalt an Stickstoffverbindungen im Brennstoff, insbesondere im Heizöl, z. B. 1.400 mg Stickstoff/kg Heizöl die NOX-Emissionen bei 500 mg/kWh für Brennervollast und 390 mg/kWh bei Teillast, vorliegen.
In der DE 4 201 059 A wird ein Brenner beschrieben. Ein Brennstoff wird über eine Druckleitung in Form eines koaxialen Sprühkegels eingespritzt. Eine zusätzliche Luftzuführung in die Mischkammer könnte angeordnet werden.
Der vorliegenden Erfindung ist zur Aufgabe gestellt, einen Brenner zu schaffen, welcher auch bei höherem Gehalt an Stickstoffverbindungen im Brennstoff, z. B. Rückstandsheizölen, eine geringere NOx-Emission erlaubt, wobei sowohl die Russzahl als auch der Ausstoss von Kohlenmonoxid als auch der von Stickoxiden von der Brennerleistung weitgehend unabhängig sein soll. Weiters soll ein Brenner geschaffen werden, der keine beweglichen Teile insbesondere während des Brennerstarts und des Brennvorganges aufweist.
Der erfindungsgemässe Brenner mit zumindest einer Druckleitung für einen fluiden Brennstoff, insbesondere Heizöl, welche in eine Brennstoffzerstäubungseinrichtung, insbesondere Düse, mündet, die in eine in einer Brennkammer angeordneten Mischkammer entleert und in Strömungsrichtung am Beginn oder vor dieser angeordnet ist, einer Luftzuführungsleitung mit einstellbarer Durchflussvorrichtung in die Mischkammer, wobei die Mischkammer zumindest eine Öffnung aufweist, über welche die Mischkammer mit der Brennkammer verbunden ist und für die Rückführung der aus der Mischkammer in die Brennkammer austretenden Verbrennungsgase dient, besteht im wesentlichen darin, dass in die Brennkammer eine weitere Luftzuführungsleitung mündet, die eine einstellbare Durchflussvorrichtung aufweist.
Durch die Anordnung einer Mischkammer in einer Brennkammer kann in der Mischkammer eine Verbrennung mit Sauerstoffunterschuss stattfinden, wohingegen die weitere Verbrennung in der Brennkammer mit Sauerstoffüberschuss stattfinden kann. Über die Öffnung in der Mischkammer kann die Rückführung der mit Sauerstoffüberschuss oxidierten Gase in die Mischkammer erfolgen, so dass die in der Mischkammer gebildeten NH-Radikale mit den Stickoxiden, die in der Brennkammer entstehen, zu Stickstoff und Wasser umgesetzt werden können. Weiters wird dadurch die Ablagerung von Russ und Koks im Inneren der Mischkammer verringert bzw. vermieden.
Durch die weitere Luftzuführungsleitung in die Brennkammer kann nicht nur eine sehr genaue Einstellung der für die Verbrennung erforderliche Überschuss von Sauerstoff erfolgen, sondern es kann auch noch eine zusätzliche Abkühlung der Brenngase und gegebenenfalls der Mischkammer durch die Luft erfolgen, so dass weniger Stickoxide, die auf den Stickstoff der Luft zurückzuführen sind, entstehen. Gleichzeitig kann auch der Gehalt an Kohlenmonoxid im Abgas geringer gehalten werden. Der Durchflussvorrichtung kann z. B. durch Schieber, Ventile aber auch Gebläse mit änderbarer Leistung gebildet sein.
Ist, wie an sich bekannt, die Brennstoffzerstäubungseinrichtung von einer Luftzuführungsleitung umgeben, welche in die Mischkammer mündet, so kann auf besonders einfache Weise eine zentrale Einleitung der Luft erfolgen, wobei eine intensive Vermischung des zerstäubten Brennstoffes mit der Verbrennungsluft ermöglicht ist, so dass der Verbrennungsvorgang in einem besonders kurzem Zeitraum erfolgen kann.
Sind in der Luftzuführungsleitung, welche in die Mischkammer mündet, Drallkörper angeordnet, die den Luftstrom in radiale und/oder tangentiale Richtung beaufschlagen, so wird eine spiralförmige Bewegung der Luft und damit auch der in der Mischkammer vorliegenden Flamme erreicht, die zu einer Stabilisierung der Flamme beiträgt. Eine derartige Stabilisierung ist insbesondere am Beginn des Brennvorganges von besonders hoher Bedeutung.
Sind die Drallkörper mit Leitblechen aufgebaut, welche insbesondere in ihrer Winkellage zur Strömungsrichtung veränderbar sind, so kann der Druckverlust innerhalb der Luftzuführungsleitung besonders gering gehalten werden, wobei weiters die erforderliche radiale bzw. tangentiale Ablenkung des Luftstromes einfach durchgeführt werden kann.
Ist ein gemeinsames Luftzuführungsrohr vorgesehen, das in die Luftzuführungsleitung für die Mischkammer und die Brennkammer mündet, so ist ein Brenner gegeben, der eine geringe Anzahl von Leitungen aufweist und somit besonders einfach zu montieren und auch zu warten ist.
Ist der freie Strömungsquerschnitt zwischen dem gemeinsamen Luftzuführungsrohr und der
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Wandung der Luftzuführungsleitung für die Mischkammer, insbesondere über einen im Querschnitt keilförmigen Schieber veränderbar, so kann auf besonders einfache Weise der Luftstrom, we her in die Mischkammer gelangt bzw. in die Brennkammer gelangt, gemeinsam eingestellt werden.
Ist/sind die Öffnung(en), welche aus der Brennkammer in die Mischkammer mündet/münden, in ihrer freien Öffnungsfläche, insbesondere über einen Schieber, welcher entlang der Mischt .ammeraussenwandung bewegbar ist, veränderbar, so kann der Anteil an rückzuführenden Bren gasen, der in der Regel durch den in der Mischkammer herrschenden Unterdruck geregelt wird zusätzlich willkürlich eingestellt, gegebenenfalls auch gesteuert, werden.
Ist die Luftzuführung in der Brennkammer mit einer Mehrzahl von Luftzuführungen, insbesondere Rohren, gebildet, so kann auf besonders einfache Weise eine gezielte Luftzufuhr ir die Brennkammer erfolgen, wobei Wärme der Mischkammer an die Brennkammer durch Strahlung abgegeben werden kann.
Sind die Rohre von der Mischkammeraussenwandung getragen, so kann die Temperatu der Mischkammer besonders einfach und wirksam niedrig gehalten werden, so dass NH-Rad kale bevorzugt aus den Stickstoffverbindungen des Brennstoffes entstehen und die Bildung von Stickoxiden in der Mischkammer unterdrückt wird.
Ist der Winkel, welcher die Rohre mit der Strömungsrichtung des Brennstoffes einschli #en grösser Null und gegebenenfalls veränderbar, so kann der Luftstrahl zur Stabilisierung der Flamme bzw. Verbrennungsgase beitragen, wobei durch die Veränderung des Winkels die Drallbewe ung des Luftstromes vorgegeben ist.
Enden die Rohre in Strömungsrichtung des Brennstoffes gesehen vor oder nach dem Be eich des Endes der Mischkammer, so kann in der gesamten Brennkammer ein erwünschter Saue toff- überschuss eingehalten werden.
Ist nach der Düse für den Brennstoff in Strömungsrichtung desselben gesehen die Luftzufüh- rungsleitung für die Mischkammer in ihrem Strömungsquerschnitt für die Luft verengt, so wird dadurch eine Art Stauscheibe gebildet, an welcher der Beginn der Oxidation des Brennstoffes erfolgt.
Ist der verengte Querschnitt der Luftzuführungsleitung in der Mischkammer vorgesehen, so beginnt der Oxidationsvorgang nicht am Boden der Mischkammer, sondern entfernt von dieser so dass ein besonders gutes Einleiten der rückgeführten Verbrennungsgase in die Mischkamme und auch in die erste Oxidationsphase ermöglicht ist.
Sind die Öffnungen in der Mischkammerwandung für die Rückführung der Verbrennungs gase in Strömungsrichtung am Beginn vorgesehen, so kann eine besonders grosse Verweilzeit der ückgeführten Rauchgase in der Mischkammer erreicht werden, so dass die erwünschte Reduktio der Stickoxide unter gleichzeitiger Oxidation der Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen erfolgen kann.
Sind die Öffnungen für die Rückführung der Verbrennungsgase, in Strömungsrichtung esehen, vor dem verengten Querschnitt der Luftzuführungsleitung angeordnet bzw. beginnen d vor, so kann bereits zu Beginn des Oxidationsvorganges in der Mischkammer auf die Stickoxid der Rauchgase besonders einfach rückgegriffen werden.
Weist die Mischkammer einen fluiddichten Boden auf bzw. ist mit einem derartigen verbu den, in welchem die Luftzuführungsleitung angeordnet ist, so ist eine besonders einfache und ro uste Brennerkonstruktion gewährleistet
Ist der verengte Querschnitt der Luftzuführungsleitung in der Mischkammer vorgesehen, so beginnt der Oxidationsvorgang nicht am Boden der Mischkammer, sondern entfernt von diese , so dass ein besonders gutes Einleiten der rückgeführten Verbrennungsgase in die Mischkamme und auch in die erste Oxidationsphase ermöglicht ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Brenner,,
Fig. 2 eine Lagerung von Rohren und
Fig. 3 ein Diagramm der Schadstoffbildung in Abhängigkeit von der Brennerleistung.
Der Brenner 1 ist einer nur teilweise dargestellten Brennkammer 2 angeordnet. Es ist eine Durchgangsflamme vorgesehen, obwohl der Einsatz in einer Brennkammer mit Umkehrfla me ebenfalls möglich ist.
Die Mischkammer 3, welche aus einem zylindrischen Rohr besteht, ist mit einem Boden4 verbunden, welcher ringförmig aufgebaut ist und in dessen konzentrische Öffnung eine Luftz füh-
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rungsleitung 5, die ebenfalls durch ein zylindrisches Rohr gebildet ist, eingeschweisst ist. In die Mischkammer 3 reicht ein Konus 6, durch welchen die Luftzuführungsleitung 5 verengt ist. Die Öffnung 7 des Konus 6 bildet eine Art Stauscheibe. Zentrisch in der Luftzuführungsleitung 5 ist eine Druckleitung 8 für einen fluiden Treibstoff, insbesondere Heizöl, angeordnet. Am Ende der Druckleitung 8 in Strömungsnchtung a des Brennstoffes bzw der Flamme gesehen, ist eine Düse 9 angeordnet Weiters ist auf der Druckleitung 8 eine Heizeinrichtung 10 vorgesehen, welche mit einer elektrischen Widerstandsheizung gebildet ist.
Zur Zündung des Brennstoffes sind zwei Elektroden 11 beim Austritt der Düse 9 angeordnet, die ihrerseits Stromzuleitungen 12 aufweisen. Die Menge des Brennstoffes ist über eine in ihrer Fördermenge änderbare Pumpe einstellbar. Der Druck des Brennstoffes liegt zwischen 7 Bar und 30 Bar. Die Luftzuführungsleitung 5 ist von einem Luftzuführungsrohr 13 umgeben. Im Luftzuführungsrohr 13 ist ein im Querschnitt keilförmiger Schieber 14 vorgesehen, welcher entlang der Innenwandung des Luftzuführungsrohres 13 zur Öffnung 15 der konzentrisch angeordneten Luftzuführungsleitung 5 hin- und wegbewegt werden kann. Durch diesen Schieber 14 kann, wie strichpunktiert dargestellt, die gesamte Luft auch in die Luftzuführungsleitung 5 und damit in die Mischkammer 3 geführt werden. Eine Aufteilung der Luftmengen ist damit möglich.
Die Luftmengen können auch über in ihrer Leistung veränderbare Gebläse od. dgl. eingestellt werden. Durch die Wandungen des Luftzuführungsrohres 13 und der Luftzuführungsleitung 5 wird eine ringförmige Kammer 16 gebildet, in welcher Drallkörper 17 angeordnet sind. Diese Drallkörper 17 sind durch Leitbleche 29 gebildet, deren Winkel gegebenenfalls verstellt werden kann. Im Boden 4 sind zwölf Rohre 18 (in Fig. 1 aus Gründen der Übersicht lediglich eines dargestellt) angeordnet. Die Rohre 18 können, so wie in Fig. 1 dargestellt, fix im Boden 4 eingeschweisst sein oder wie in Fig. 2 dargestellt, über eine teilkugelförmige Buchse 26 und über Kugelkörper 27 der Rohre schwenkbar im Boden 4 angeordnet sein Die Rohre 18 endigen im Bereich des Endes der Mischkammer 3. Die Rohre 18 sind über Schweissstellen 19 mit der Mischkammer 3 verbunden.
Die Mischkammer 3 weist weiters Öffnungen 20 auf, die sich teilweise über den Konus 6 in Strömungsrichtung a des Brennstoffes erstrecken. Diese Öffnungen können über einen Schieber 21, welcher entlang der Aussenwandung der Mischkammer 3 bewegbar ist, mit einem Gestänge 30 in ihrem freien Strömungsquerschnitt verkleinert werden. Die Luft aus den Luftzuführungsrohr 13 wird zweigeteilt. Ein Luftstrom gelangt von der ringförmigen Kammer 16 zum Boden 4 der Mischkammer 3, in welchem die Rohre 18 eingefügt sind und über diese bis zur Mündung der Mischkammer 3. Der andere Teilluftstrom gelangt über die Luftzuführungsleitung 5, den Drallkörper 22, den Konus 6 in die Mischkammer 3. Der Drallkörper 22 ist mit einem feststehenden Ring 23 und einem entlang eines Gewindes 25 drehbaren Ring 24 aufgebaut.
Die Ringe 23 und 24 weisen jeweils Speichen auf, zwischen welchen der Luftdurchtritt erfolgen kann, und in diesen Speichen sind weiters die Leitbleche 29 angelenkt. Durch Verdrehen des Ringes 24 kann der durchtretende Luftstrom stärker oder schwächer radial und/oder tangential abgelenkt werden, so dass der Luftstrom eine spiralförmige Bewegung ausübt.
Wie durch die Pfeile b dargestellt, gelangen die aus der Brennkammer austretenden Verbrennungsgase von der Brennkammer in die Mischkammer über die Öffnungen 20.
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