Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vormischverbrennung, wobei Brennstoff und gasförmige Arbeitsmittel vorgängig der Zündung vermischt werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur Vormischverbrennung sind beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt. Dort ist die Untergrenze der Stickoxidproduktion durch die magere Löschgrenze bestimmt, die vom verwendeten Brennstoff, Luftvorwärmung usw. abhängt. Ausgehend von einer stöchiometrischen Mischung kann nun der Luftüberschuss so weit erhöht werden, bis eine möglichst geringe Flammentemperatur ereicht wird, ohne dass ein Löschen der Flamme eintritt.
Ein Teil der Überschussluft kann auch durch rezirkuliertes Rauchgas ersetzt werden. Die Löschgrenze verschiebt sich dann aber zu höheren Flammentemperaturen, wodurch die Stickoxidemissionen auf den Wert von ca. 5-15 ppm (normiert für 3% Rest-Sauerstoff) limitiert werden.
Bei Brennern mit thermischen Leistungen bis zu ca. 100 kW können niedrige Stickoxid-Emissionen auch durch eine aktive Flammenkühlung erreicht werden. Dazu wird die Verbrennungs wärme auf Einbauten übertragen und von dort an die Brennerwände abgestrahlt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Vormischverbrennung der eingangs genannten Art für beliebige thermische Leistungen, insbesondere für thermische Leistungen grösser 100 kW, geringste Stickoxid-Emissionen zu erhalten.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zur Vormischverbrennung mindestens zwei Stufen verwendet werden, dass in einer ersten Stufe Brennstoff und Verbrennungsluft mit Luftüberschuss in einem Mischer gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch mittels einer Flammenstabilisierung stabilisiert und verbrannt wird, dass in einer zweiten Stufe Brennstoff und Verbrennungsluft und/oder Rauchgas in einem Mischer gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch den in der ersten Stufe entstandenen Abgasen zugemischt wird und dass diese Mischung nachverbrannt wird.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die erste Stufe mit einem Teil des verwendeten Brennstoffes an der mageren Löschgrenze betrieben werden kann und dass der restliche Teil des Brennstoffes in der zweiten Stufe so verbrannt wird, dass in der zweiten Stufe keine wesentliche Erhöhung der Stickoxidemission stattfindet.
Bei der Verwendung von Rauchgasen in der zweiten Stufe ist es vorteilhaft, den restlichen Brennstoff der zweiten Stufe mit dem Restsauerstoff der ersten Stufe zu verbrennen. Durch die Menge des verwendeten Rauchgases kann die Flammentemperatur eingestellt werden und die Bildung von zusätzlichen Stickoxiden kann auf ein Minimum beschränkt werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein innerer Ringbrennkanal und ein äusserer Ringbrennkanal koaxial zueinander angeordnet sind und dass in den Ringbrennkanälen Mischungselemente angeordnet sind. Dadurch kann beispielsweise die Bildung von Kohlenmonoxiden auch bei sehr niedrigen Flammentemperaturen verhindert werden. Wird beispielsweise die zweite Stufe dem inneren Ringbrennkanal zugeordnet, wird verhindert, dass das kalte Rauchgas-/Brennstoff-Gemisch mit kalten Brennerwänden in Kontakt kommt, was zu hohen Kohlenmonoxid-Emissionen führen würde.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Vormischverfahrens;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen konzentrischen Brenner;
Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch den konzentrischen Brenner entlang der Ebene III-III in Fig.2;
Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit axial verschobenen Ringbrennkanälen;
Fig. 5 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit axial verschobenen Ringbrennkanälen;
Fig. 6 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit darin angeordnetem Doppelkegelbrenner.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtungen der Arbeitsmittel sind durch Pfeile angegeben.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Vormischverfahren besteht im Wesentlichen aus einer ersten Stufe 1 und einer zweiten Stufe 2, wobei die Stufen im Wesentlichen mager betrieben werden. Die erste Stufe 1 besteht aus einem Mischer 21, in dem Verbrennungsluft 3 mit Brennstoff 7 vermischt wird, und einer Flammenstabilisierung 11. Das im Mischer 21 erhaltene Gemisch 23 wird also mittels der Flammenstabilisierung stabilisiert und gezündet. Die Mengen der Verbrennungsluft 3 und des Brennstoffes 7 werden so gewählt, dass die so erzeugte Vormischflamme mit Luftüberschuss an der mageren Löschgrenze betrieben wird (beispielsweise mit einer Luftzahl lambda APPROX 1.7 für Erdgas ohne Luftvorwärmung, was einer adiabaten Flammentemperatur von ca. 1600 K entspricht).
In der zweiten Stufe 2 wird nun ebenfalls Verbrennungsluft 4 und/oder rezirkuliertes Rauchgas 9 mit Brennstoff 8 in einem Mischer 22 vermischt. Das im Mischer 22 erhaltene Gemisch 24 wird den heissen Abgasen 25 der ersten Stufe zugemischt und diese Mischung nachverbrannt. Die Rauchgase 9 werden abgeleitet.
Wird im Mischer 22 Verbrennungsluft 4 mit Brennstoff 8 vermischt, wird die zweite Stufe 2 ebenfalls mit Luftüberschuss an der mageren Löschgrenze betrieben. Die Luftzahl kann dann gegenüber der Luftzahl im Mischer 21 der ersten Stufe 1 erhöht werden, ohne dass die Flamme löscht. Dadurch können geringe Flammentemperaturen und damit sehr geringe Stickoxidemissionen erreicht werden.
Wird im Mischer 22 rezirkuliertes Rauchgas 9 mit Brennstoff 8 vermischt, wird der Brennstoff 8 mittels des Restsauerstoffes der Abgase 25 aus der ersten Stufe 1 in der zweiten Stufe 2 verbrannt. Durch die geeignete Wahl der Menge des Rauchgases 9 kann eine Stickoxid-Bildung in der zweiten Stufe 2 vollständig vermieden werden, da der Brennstoff mit dem Rauchgas vorgemischt war. Dadurch muss das Rauchgas bei der Verbrennung ebenfalls aufgeheizt werden und heisse Stellen, in denen sich Stickoxide bilden könnten, werden vermieden.
Als Zielwert der Spitzentemperatur ist dabei wieder die kleinste erreichbare adiabate Flammentemperatur anzustreben. Die dazu benötigte Menge an Rauchgas 9 hängt dabei beispielsweise ab von der Rauchgastemperatur, vom Mischungsmechanismus zwischen Brennstoff 8 und Rauchgas 9, dem Wärmeverlust an den Brennerwänden während der Mischung sowie dem Entnahmeort des Rauchgases 9. Durch die Rezirkulation von Rauchgas 9 kann die Gesamt-Luftzahl lambda Gesamt gesenkt werden. Wird dies bei einem Heizkessel angewendet, erhöht sich der thermische Wirkungsgrad des Kessels.
Zahlenbeispiel:
Für eine Gesamt-Luftzahl lambda Gesamt von 1.05 und einen Sauerstoffgehalt von weniger als einem Prozent im Abgas ergibt sich für Erdgas als Brennstoff und ohne Lufterwärmung:
Erste Stufe: lambda = 1.7; 100% Verbrennungsluft; 62% Gesamt-Brennstoff ( SIMILAR Brennstoff 7)
Zweite Stufe: 38% Gesamtbrennstoff ( SIMILAR Brennstoff 8); Rauchgasmenge </= 62% Verbrennungsluftmenge.
Nach Fig. 2 besteht ein zweistufiger Brenner 30 im Wesentlichen aus koaxial um eine Symmetrieachse 29 angeordneten Ringbrennkanälen, einem inneren Ringbrennkanal 32 und einem um den inneren Ringbrennkanal angeordneten äusseren Ringbrennkanal 31. Der Ringbrennkanal 32 wird durch ein inneres, geschlossenes Rohr 33 und ein mittleres Rohr 34 begrenzt, der Ringbrennkanal 31 wird durch ein äusseres Rohr 35 und das mittlere Rohr 34 begrenzt. Am stromabwärtigen Ende der Ringbrennkanäle 31, 32, an den Brenneraustritten 36, 37, erweitert sich der durchströmte Querschnitt, wodurch sich eine Rückströmzone ausbildet, die zur Flammenstabilisierung dient. Der Brenner 30 ist auf einer Frontplatte 6 der Brennkammer 5 montiert. Auf der Frontplatte kann eine Trennwand 40 angeordnet sein.
Diese Trennwand 40 umschliesst den äusseren Ringbrennkanal 31 ringförmig und erstreckt sich stromabwärts in die Brennkammer 5. Die Trennwand 40 dient zur Einstellung der Querschnittserweiterung am stromabwärtigen Ende des äusseren Ringkanales und damit der Flammenstabilisierung.
Nach Fig. 2 und Fig. 3 sind stromauf der Brenneraustritte 36 und 37 über den Umfang der Ringbrennkanäle 31 und 32 mehrere als Mischungselemente fungierende Wirbelgeneratoren 20 ver teilt. Der nicht näher dargestellte, beispielsweise tetraederförmige Wirbelgenerator 20 ist aus der EP-A1-0 623 786 bekannt. Ein solcher Wirbelgenerator 20 besteht im Wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen, die in die Ringbrennkanäle hineinragen. Es sind dies eine Dachfläche und zwei Seitenflächen, die unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung verlaufen. Die beiden Seitenflächen stehen üblicherweise senkrecht auf den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 und sind mit einer Seite auf diesen Wänden fixiert. Die beiden Seitenflächen sind symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung.
Die Dachfläche liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden, gebogenen Kante an den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 an. Die Verbindungskante der beiden Seitenflächen bildet die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators, die ebenfalls senkrecht zu den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 verläuft. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende gebogene Kante der Dachfläche ist die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante. Beim Umströmen der Kanten des Wirbel-Generators wird die Strömung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Deren Wirbelachsen liegen in der Achse der Strömung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down), falls letzteres gewünscht würde, werden bestimmt durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels der Dachfläche und des Winkels, den die beiden Seitenflächen einschliessen.
Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens wandert stromaufwärts. Der Wirbel-Generator 20 kann unterschiedliche Höhen h gegenüber der jeweiligen Ringbrennkanalhöhe H aufweisen. In der Regel wird man die Höhe h so mit der Kanalhöhe H abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Grösse erreicht, dass die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird, was zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt führt. Ein weiteres Krite rium, welches Einfluss auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Mit grösserem Verhältnis h/H steigt der Druckverlustbeiwert an.
Die Verhältnisse h/H können zudem in den verschiedenen Ringbrennkanälen 31, 32 verschieden ausgelegt werden, was die Durchmischung der Teilströme unterstützen kann.
Stromabwärts der Wirbelgeneratoren sind Brennstoffeindüsungen 38, 39 vorgesehen. Die Brennstoffzuleitungen zu den Brennstoffeindüsungen sind nicht dargestellt, sie werden jedoch üblicherweise innerhalb der Rohre 33, 34 und 35 angeordnet. Die stromabwärts liegende Strecke der Ringbrennkanäle 31, 32 bis zum Brenneraustritt 36, 37 dient somit als Vormischstrecke. Die Länge dieser Vormischstrecke ist dabei abhängig von der Ausgestaltung der Wirbelgeneratoren 20 und wird so abgestimmt, dass an den Brenneraustritten 36, 37 eine optimale Mischung erreicht wird.
Den Stufen 1 und 2 können nun im Wesentlichen der innere und der äussere Ringbrennkanal 32, 31 beliebig zugeordnet werden. Im Folgenden soll nun durch den äusseren Ringbrennkanal die erste Stufe definiert werden. Durch den äusseren Ringbrennkanal 31 wird Verbrennungsluft 3 geleitet und über die Brennstoffeindüsungen 38 Brennstoff 7 in die Verbrennungsluft 3 eingemischt. Das so erhaltene Gemisch 23 tritt aus dem äusseren Ringbrennkanal 31 aus und durch den Querschnittsprung am Brenneraustritt 36 bildet sich eine Rückströmzone. Die durch Zündung des Gemisches entstandene Vormischflamme wird durch diese Rückströmzone stabilisiert. Durch den inneren Ringbrennkanal 32 wird beispielsweise rezirkuliertes Rauchgas 9 geleitet und über die Brennstoffeindüsungen 39 Brennstoff 8 eingemischt. Dieses Gemisch 24 wird den Rauchgasen der Vormischflamme der ersten Stufe 1 zugemischt.
Dies geschieht durch den Querschnittssprung am Brenneraustritt 37. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit der Unterstützung der Durchmischung der Teilströme der ersten und der zweiten Stufe durch dem Brenner 30 nachgeschaltete beliebige Mischsysteme.
Nach Fig. 4 und 5 können die beiden Stufen 1, 2 auch entlang der Symmetrieachse 29 axial verschoben werden. Dadurch kann der Ort der Vermischung der Strömung der ersten Stufe 1 mit der Strömung der zweiten Stufe 2 genau eingestellt werden. Auch hier kann wieder die Trennwand 40 zur Einstellung der Querschnittserweiterung an der Frontplatte angeordnet werden.
In Fig. 4 erstreckt sich der innere Ringbrennkanal stromabwärts in die Brennkammer 5 hinein. Der äussere Ringbrennkanal 31 bildet dabei die erste Stufe 1, der innere Ringbrennkanal 32 die zweite Stufe. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung von rezirkuliertem Rauchgas 9 in der zweiten Stufe. Die Rauchgase 9 kommen hier nicht mit den kalten Aussenwandungen des Brenners in Kontakt und werden von den heissen Abgasen der ersten Stufe umschlossen. Dadurch wird die Gefahr der Bildung von Kohlenmonoxiden minimiert.
In Fig. 5 erstreckt sich der innere Ringbrennkanal stromaufwärts in den Brenner 30 hinein, d.h. der Brenneraustritt 37 des inneren Ringbrennkanales 32 liegt stromaufwärts des Brenneraustrittes 36 des äusseren Ringbrennkanales 31. Der äussere Ringbrennkanal 31 bildet hier die zweite Stufe 2, der innere Ringbrennkanal 32 die erste Stufe 1. Hier kommen nun die Abgase der ersten Stufe nicht in Berührung mit den kalten Aussenwandungen des Brenners.
Nach Fig. 6 sind der innere Ringbrennkanal 32 und das innere Rohr 33 durch einen Vormischbrenner 15 ersetzt. In der schematisch dargestellten Ausführungsform handelt es sich um ei nen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Er besteht im Wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 18 für die Verbrennungsluft 3, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Zum Betrieb des Brenners mit gasförmigem Brennstoff sind im Bereich der tangentialen Schlitze 18 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen in Form von Düsen vorgesehen.
Diese Düsen können mit speziellen Leitungen oder mittels der Brennstofflanze 17 versorgt werden. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 3 bereits in der Zone der Schlitze 18. Am Brenneraustritt 16 des Brenners 15 stellt sich jeweils eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner 15 stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Wirbelgeneratoren und der Doppelkegelbrenner können auch durch beliebige andere Mischelemente, die zur Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft oder Rauchgas geeignet sind, ersetzt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Deltaflügel, halbe Deltaflügel, Flügelprofile usw. handeln. Die Zahl der Ringbrennkanäle kann natürlich für eine feinere Stufung der Vormischung und Verbrennung auch erhöht werden. Die Ringbrennkanäle können beliebig ausgeformt werden und müssen nicht wie dargestellt zylindrisch verlaufen.
Sie können beispielsweise auch konisch verlaufen, sodass das innere Rohr im Wesentlichen als Kegel oder als Kegelstumpf ausgestaltet ist, dessen Spitze stromabwärts orientiert ist.
Bezugszeichenliste
1 Erste Stufe
2 Zweite Stufe
3 Verbrennungsluft erste Stufe
4 Verbrennungsluft zweite Stufe
5 Brennkammer
6 Frontplatte
7 Brennstoff erste Stufe
8 Brennstoff zweite Stufe
9 Rauchgas
11 Flammenstabilisierung
12 Nachverbrennung
15 Vormischbrenner
16 Brenneraustritt
17 Brennstofflanze
18 tangentiale Schlitze
20 Wirbel-Generator
21 Mischer erste Stufe
22 Mischer zweite Stufe
23 Gemisch Verbrennungsluft/Brennstoff
24 Gemisch Verbrennungsluft oder Rauchgas/Brennstoff
25 Abgase erste Stufe
29 Symmetrieachse
30 Brenner
31 äusserer Ringbrennkanal
32 innerer Ringbrennkanal
33 inneres
Rohr
34 mittleres Rohr
35 äusseres Rohr
36 äusserer Brenneraustritt
37 innerer Brenneraustritt
38 Brennstoffeindüsung äusserer Ringbrennkanal
39 Brennstoffeindüsung innerer Ringbrennkanal
40 Trennwand
H Kanalhöhe
h Höhe Wirbel-Generator
Technical field
The invention relates to a method for premix combustion, in which fuel and gaseous working medium are mixed prior to ignition. The invention also relates to an apparatus for performing the method.
State of the art
Such methods and devices for premix combustion are known, for example, from EP-B1-0 321 809. There the lower limit of nitrogen oxide production is determined by the lean extinguishing limit, which depends on the fuel used, air preheating, etc. Starting from a stoichiometric mixture, the excess air can now be increased until the lowest possible flame temperature is reached without the flame being extinguished.
Part of the excess air can also be replaced by recirculated flue gas. The extinguishing limit then shifts to higher flame temperatures, which limits nitrogen oxide emissions to the value of approx. 5-15 ppm (standardized for 3% residual oxygen).
For burners with thermal outputs of up to approx. 100 kW, low nitrogen oxide emissions can also be achieved by active flame cooling. For this purpose, the combustion heat is transferred to internals and radiated from there to the burner walls.
Presentation of the invention
The invention is based on the object of obtaining the lowest nitrogen oxide emissions in a method and a device for premix combustion of the type mentioned at the beginning for any thermal outputs, in particular for thermal outputs greater than 100 kW.
According to the invention, this is achieved in that at least two stages are used for the premix combustion, in a first stage fuel and combustion air are mixed with excess air in a mixer, in that the resulting mixture is stabilized and burned by means of flame stabilization, and in a second stage fuel and combustion air and / or flue gas are mixed in a mixer, so that the resulting mixture is mixed with the exhaust gases produced in the first stage and that this mixture is afterburned.
The advantages of the invention can be seen, inter alia, in the fact that the first stage can be operated with part of the fuel used at the lean extinguishing limit and that the remaining part of the fuel is burned in the second stage in such a way that no essential one is burned in the second stage Nitrogen oxide emission increases.
When using flue gases in the second stage, it is advantageous to burn the remaining fuel in the second stage with the residual oxygen in the first stage. The flame temperature can be adjusted by the amount of flue gas used and the formation of additional nitrogen oxides can be kept to a minimum.
A device for carrying out the method is characterized in that an inner ring combustion channel and an outer ring combustion channel are arranged coaxially to one another and that mixing elements are arranged in the ring combustion channels. In this way, for example, the formation of carbon monoxides can be prevented even at very low flame temperatures. For example, if the second stage is assigned to the inner ring combustion channel, the cold flue gas / fuel mixture is prevented from coming into contact with cold burner walls, which would lead to high carbon monoxide emissions.
Brief description of the drawing
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings. Show it:
Fig. 1 is a schematic representation of the premixing process;
Figure 2 is a partial longitudinal section through a concentric burner.
3 shows a partial cross section through the concentric burner along the plane III-III in FIG. 2;
4 shows a partial longitudinal section through a burner with axially displaced annular combustion channels;
5 shows a partial longitudinal section through a burner with axially displaced ring combustion channels;
Fig. 6 shows a partial longitudinal section through a burner with a double-cone burner arranged therein.
Only the elements essential for understanding the invention are shown. The flow directions of the work equipment are indicated by arrows.
Way of carrying out the invention
The pre-mixing process shown schematically in FIG. 1 essentially consists of a first stage 1 and a second stage 2, the stages being operated essentially lean. The first stage 1 consists of a mixer 21, in which the combustion air 3 is mixed with fuel 7, and a flame stabilization 11. The mixture 23 obtained in the mixer 21 is thus stabilized and ignited by means of the flame stabilization. The amounts of combustion air 3 and fuel 7 are selected so that the premix flame thus generated is operated with excess air at the lean extinguishing limit (for example with an air ratio lambda APPROX 1.7 for natural gas without air preheating, which corresponds to an adiabatic flame temperature of approx. 1600 K) .
In the second stage 2, combustion air 4 and / or recirculated flue gas 9 are also mixed with fuel 8 in a mixer 22. The mixture 24 obtained in the mixer 22 is mixed with the hot exhaust gases 25 of the first stage and this mixture is combusted. The flue gases 9 are derived.
If combustion air 4 is mixed with fuel 8 in mixer 22, second stage 2 is also operated with excess air at the lean extinguishing limit. The air ratio can then be increased compared to the air ratio in the mixer 21 of the first stage 1 without the flame extinguishing. As a result, low flame temperatures and thus very low nitrogen oxide emissions can be achieved.
If recirculated flue gas 9 is mixed with fuel 8 in the mixer 22, the fuel 8 is burned by means of the residual oxygen of the exhaust gases 25 from the first stage 1 in the second stage 2. A suitable choice of the amount of the flue gas 9 can completely avoid nitrogen oxide formation in the second stage 2, since the fuel was premixed with the flue gas. As a result, the flue gas must also be heated up during combustion and hot spots in which nitrogen oxides could form are avoided.
As the target value of the peak temperature, the lowest adiabatic flame temperature that can be achieved is to be aimed for again. The amount of flue gas 9 required for this depends, for example, on the flue gas temperature, the mixing mechanism between fuel 8 and flue gas 9, the heat loss on the burner walls during the mixing process and the point at which the flue gas 9 is removed. The recirculation of flue gas 9 can reduce the total air ratio lambda total can be lowered. If this is applied to a boiler, the thermal efficiency of the boiler increases.
Numerical example:
For a total air ratio lambda total of 1.05 and an oxygen content of less than one percent in the exhaust gas, the result for natural gas as fuel and without air heating:
First stage: lambda = 1.7; 100% combustion air; 62% total fuel (SIMILAR fuel 7)
Second stage: 38% total fuel (SIMILAR fuel 8); Flue gas quantity </ = 62% combustion air quantity.
According to FIG. 2, a two-stage burner 30 essentially consists of ring combustion channels arranged coaxially around an axis of symmetry 29, an inner ring combustion channel 32 and an outer ring combustion channel 31 arranged around the inner ring combustion channel. The ring combustion channel 32 is formed by an inner, closed tube 33 and a middle tube 34 limited, the ring combustion channel 31 is limited by an outer tube 35 and the middle tube 34. At the downstream end of the ring combustion channels 31, 32, at the burner outlets 36, 37, the cross section through which the flow flows increases, as a result of which a backflow zone is formed which serves to stabilize the flame. The burner 30 is mounted on a front plate 6 of the combustion chamber 5. A partition 40 can be arranged on the front panel.
This partition wall 40 surrounds the outer ring combustion channel 31 in an annular manner and extends downstream into the combustion chamber 5. The partition wall 40 serves to adjust the cross-sectional expansion at the downstream end of the outer ring channel and thus to stabilize the flame.
2 and Fig. 3 are upstream of the burner outlets 36 and 37 on the circumference of the annular combustion channels 31 and 32 several vortex generators 20 acting as mixing elements divides ver. The vortex generator 20, not shown, for example, is known from EP-A1-0 623 786. Such a vortex generator 20 essentially consists of three freely flowing triangular surfaces which protrude into the ring combustion channels. These are a roof surface and two side surfaces that run at certain angles in the direction of flow. The two side surfaces are usually perpendicular to the walls of the annular combustion channels 31, 32 and are fixed with one side on these walls. The two side surfaces are symmetrical in shape, size and orientation.
The roof surface lies against the walls of the annular combustion channels 31, 32 with a curved edge running transversely to the flow channel. The connecting edge of the two side surfaces forms the downstream edge of the vortex generator, which likewise runs perpendicular to the walls of the annular combustion channels 31, 32. The curved edge of the roof surface running across the channel through which the flow is flowing is the edge that is first acted upon by the flow. When flowing around the edges of the vortex generator, the flow is converted into a pair of opposing vortices. Their vortex axes lie in the axis of the flow. The number of swirls and the location of the vortex breakdown, if the latter is desired, are determined by appropriate selection of the angle of attack of the roof surface and the angle which the two side surfaces enclose.
With increasing angles, the vortex strength or the number of swirls is increased and the location of the vortex burst moves upstream. The vortex generator 20 can have different heights h compared to the respective ring combustion channel height H. As a rule, the height h will be coordinated with the channel height H in such a way that the vortex generated immediately downstream of the vortex generator has already reached such a size that the full channel height H is filled, which leads to a uniform speed distribution in the cross section acted upon. Another criterion that can influence the ratio h / H to be selected is the pressure drop that occurs when the vortex generator flows around. The pressure drop coefficient increases with a larger ratio h / H.
The ratios h / H can also be designed differently in the different ring combustion channels 31, 32, which can support the mixing of the partial streams.
Fuel injections 38, 39 are provided downstream of the vortex generators. The fuel supply lines to the fuel injectors are not shown, but they are usually arranged inside the pipes 33, 34 and 35. The downstream section of the ring combustion channels 31, 32 to the burner outlet 36, 37 thus serves as a pre-mixing section. The length of this premixing section depends on the design of the vortex generators 20 and is adjusted in such a way that an optimal mixing is achieved at the burner outlets 36, 37.
Essentially, the inner and outer ring combustion channels 32, 31 can now be assigned to stages 1 and 2. In the following, the first stage is to be defined by the outer ring combustion channel. Combustion air 3 is passed through the outer ring combustion channel 31 and fuel 7 is mixed into the combustion air 3 via the fuel injectors 38. The mixture 23 obtained in this way emerges from the outer ring combustion channel 31 and the cross-sectional jump at the burner outlet 36 forms a backflow zone. The pre-mixing flame generated by ignition of the mixture is stabilized by this backflow zone. Recirculated flue gas 9, for example, is passed through the inner ring combustion channel 32 and fuel 8 is mixed in via the fuel injectors 39. This mixture 24 is mixed with the flue gases of the premix flame of the first stage 1.
This takes place through the cross-sectional jump at the burner outlet 37. The possibility of supporting the mixing of the partial streams of the first and the second stage by the burner 30 downstream of any mixing systems is not shown.
4 and 5, the two stages 1, 2 can also be axially displaced along the axis of symmetry 29. This allows the location of the mixing of the flow of the first stage 1 with the flow of the second stage 2 to be set precisely. Here too, the partition 40 can be arranged on the front panel to adjust the cross-sectional expansion.
In Fig. 4, the inner ring combustion channel extends downstream into the combustion chamber 5. The outer ring combustion channel 31 forms the first stage 1, the inner ring combustion channel 32 the second stage. This is particularly advantageous when using recirculated flue gas 9 in the second stage. The flue gases 9 do not come into contact with the cold outer walls of the burner and are surrounded by the hot exhaust gases of the first stage. This minimizes the risk of carbon monoxide formation.
In Fig. 5, the inner ring combustion channel extends upstream into burner 30, i.e. the burner outlet 37 of the inner ring combustion channel 32 is located upstream of the burner outlet 36 of the outer ring combustion channel 31. The outer ring combustion channel 31 here forms the second stage 2, the inner ring combustion channel 32 the first stage 1. Here, the exhaust gases of the first stage do not come into contact with the cold outer walls of the burner.
6, the inner ring combustion channel 32 and the inner tube 33 are replaced by a premix burner 15. In the embodiment shown schematically, it is a so-called double-cone burner, as is known for example from EP-B1-0 321 809. It essentially consists of two hollow, conical part-bodies, which are nested in the direction of flow. The respective central axes of the two partial bodies are offset from one another. The adjacent walls of the two partial bodies in their longitudinal extent form tangential slots 18 for the combustion air 3, which in this way reaches the interior of the burner. To operate the burner with gaseous fuel, gas inflow openings in the form of nozzles distributed in the longitudinal direction are provided in the region of the tangential slots 18 in the walls of the two partial bodies.
These nozzles can be supplied with special lines or by means of the fuel lance 17. In gas operation, the mixture formation with the combustion air 3 already begins in the zone of the slots 18. At the burner outlet 16 of the burner 15, a fuel concentration that is as homogeneous as possible is established over the cross section acted upon. A defined dome-shaped recirculation zone is created at the burner outlet, at the tip of which the ignition takes place. The flame itself is stabilized by the recirculation zone in front of the burner 15 without the need for a mechanical flame holder.
Of course, the invention is not limited to the exemplary embodiments shown and described. The vortex generators and the double cone burner can also be replaced by any other mixing elements which are suitable for mixing fuel and combustion air or flue gas. These can be delta wings, half delta wings, wing profiles, etc., for example. The number of ring combustion channels can of course also be increased for a finer grading of the premixing and combustion. The ring combustion channels can be shaped as desired and do not have to be cylindrical as shown.
For example, they can also run conically, so that the inner tube is essentially configured as a cone or as a truncated cone, the tip of which is oriented downstream.
Reference list
1 first stage
2 Second stage
3 combustion air first stage
4 combustion air second stage
5 combustion chamber
6 front panel
7 First stage fuel
8 second stage fuel
9 flue gas
11 flame stabilization
12 afterburning
15 premix burners
16 burner outlet
17 Fuel lance
18 tangential slots
20 vortex generator
21 mixer first stage
22 mixer second stage
23 Combustion air / fuel mixture
24 Combustion air or flue gas / fuel mixture
25 exhaust gases first stage
29 axis of symmetry
30 burners
31 outer ring combustion channel
32 inner ring combustion channel
33 inside
pipe
34 middle tube
35 outer tube
36 outer burner outlet
37 inner burner outlet
38 Fuel injection in the outer ring combustion channel
39 Fuel injection in inner ring combustion channel
40 partition
H channel height
h Vortex generator height