CH691920A5 - Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe und Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen und einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 4. 



  Ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeigneter Brenner gattungsbildender Art ist beispielsweise aus der DE 4 009 222 A1 bekannt. 



  Bei diesem Brenner wird dem in die Brennkammer zentral über die Zerstäuberdüse eingesprühten Brennstoff in einer Mischzone Verbrennungsluft über eine Anzahl von den Brennstoffdurchlass der Blendenanordnung umgebenden \ffnungen aus der Vorkammer zugeführt. Wie die DE 4 238 529 A1 zeigt, kann die Mischzone selbst sich innerhalb eines Mischrohres befinden. In diesem Fall bildet sich im Bereich des stromabwärtig gelegenen Mischrohrendes im Betrieb eine Flammenfront aus, von der heisse Gase ausserhalb des Mischrohres zu einer Rezirkulationsöffnung am stromaufwärts gelegenen Ende des Mischrohres zurückströmen. 



  Bei den bekannten Brennern der gattungsbildenden Art ist weiterhin zur Einbringung von Rauchgasen aus dem Kesselraum in die Brennkammer das Brennrohr in dem der Blendenanordnung zugekehrten Bereich mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten \ffnungen versehen. Durch die Zuführung der Verbrennungsluft in die Mischzone werden durch den dadurch erzeugten Unterdruck die Rauchgase aus dem Kesselraum angesaugt und der Mischzone zugeführt. 



  Indem man also im Kesselraum abgekühlte Rauchgase in den Verbrennungsluftstrom rezirkuliert, kann man die Verbrennungstemperatur bei Beibehaltung der nahstöchiometrischen Verbrennung am einfachsten absenken und so die Stickoxidemission mindern. 



  Insbesondere bei einem Brenner mit Mischrohr entstammen die rezirkulierenden Rauchgase sowohl einer internen Rezirkulationszone als auch aus dem Kesselraum in Form einer kalten Rezirkulation. Aufgrund des damit verbundenen geringeren Wärmerückflusses vom heissen Bereich des Brennrohres zur Brennstoffdüse wird die Nacherwärmung der Düse nach Brennschluss begrenzt und damit die Schadstoffemission reduziert. Zusätzlich wird die Erwärmung des Zuführrohres und der darin enthaltenen Bauteile begrenzt, sodass Probleme des Brenners vermieden werden, die mit einer starken Erhitzung dieser Teile verbunden sind. 



  Der Umfang einer derartigen Flammenkühlung hat jedoch Grenzen. Wenn die Flamme zu stark unterkühlt wird, verringert sich die Rekombination von CO zu CO2, sodass die CO-Emission ansteigt. Zu niedrige Flammentemperaturen verschlechtern zudem die Flammenstabilität. 



  Im Falle eines Brenners mit Mischrohr kühlt eben das Mischrohr mit kälter werdenden Rezirkulationsgasen ebenfalls aus und die \lverdampfung läuft immer schleppender. Wegen der kegelförmigen Verteilung des Düsenstrahls reichert sich bei langsam verlaufender \lverdampfung das Gemisch in dem Strömungsbereich an, der in den Rezirkulationsbereich einbezogen wird. 



  Deshalb ist bereits der Versuch unternommen worden, eine Optimierung der Menge der aus dem Kesselraum ansaugbaren Rezirkulationsgase vorzunehmen, in dem auch im Dauerbetrieb die wirksame Grösse des zum Kesselraum hin offenen Rezirkulationsquerschnittes beispielsweise mittels Schieber wunschgemäss eingestellt werden kann. Sofern also die Temperatur der rezirkulierenden Rauchgase aus dem Kesselraum zu niedrig ist, ist es daher nötig, die aus dem Kesselraum angesaugte Abgasmenge zu verringern. Andererseits kann bei ausreichend hoher Abgastemperatur im Kesselraum die Rezirkulationsquote erhöht werden, wodurch sich aufgrund der oben bereits erwähnten Zusammenhänge besonders niedrige NOx-Anteile erreichen lassen. 



  Eine derartige Gemischaufbereitung ermöglicht einen innerhalb vom Brennrohr ablaufenden Verbrennungsprozess mit totaler Verbrennung. Allerdings reagiert ein gattungsbildender Brenner empfindlich auf Kesselraumeigenschaften wie Geometrie, Undichtheiten der Kesselanlage oder Überdimensionierung. 



  Aus der DE 4 237 086 A1 ist ein Vorschlag bekannt geworden, die Temperatur des Rezirkulationsgases aus dem Kesselraum in ausreichender Höhe zu halten. Dazu ist um das Brennrohr konzentrisch ein weiteres Rohr von grösserem Durchmesser angeordnet, das mit seinem lnnendurchmesser zusammen mit dem Aussendurchmesser des Brennrohres einen Ringraum bildet, der stirnseitig geschlossen ist. Auf diese Weise kann mithilfe der lnjektionswirkung der Verbrennungsluft im Brennrohr über die umfangsseitig angeordneten \ffnungen im Brennrohr Rauchgas aus dem Kesselraum in die Mischzone des Brennrohres einströmen, wobei das abgekühlte rezirkulierende Rauchgas bei der Durchströmung des Ringraumes entlang des Aussendurchmessers des Brennrohres aufgeheizt wird. 



  Jedoch haben Messungen gezeigt, dass bei einer derartigen Brennerkonfiguration Änderungen der wirksamen Grösse des zum Kesselraum hin offenen Rezirkulationsquerschnittes, d.h. eine Verstellung der \ffnungsgrösse, für die Beeinflussung der Rezirkulationstemperatur im Brennrohr im Wesentlichen unwirksam bleiben. 



  Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art und einen Brenner zur Heissgaserzeugung zur Durchführung des Verfahrens derart zu verbessern, dass einerseits Einflüsse auch sehr unterschiedlicher Kesselraumgeometrien sowie Undichtheiten der Kesselanlagen wirkungslos sind und dennoch eine Einflussnahme auf Rezirkulationstemperatur durch Unterdrückung oder Erhöhung der äusseren Rezirkulation von Rauchgasen verbleibt. 



  Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die die Gemischaufbereitung verbessernden ausserhalb des Brennrohres rezirkulierenden Rauchgase aus der Verbrennungszone des Brennrohres kommend vom Mündungsbereich des Brennrohres mittels einer ausserhalb des Brennrohres angeordneten Rauchgasleiteinrichtung in die Mischzone innerhalb des Brennrohres rezirkuliert werden, wofür an der Aussenseite des Brennrohrs des gattungsbildenden Brenners eine Rauchgasleiteinrichtung vom in Strömungsrichtung der Verbrennungszone folgenden Mündungsbereich des Brennrohres zu den am Umfang des Brennrohres verteilten \ffnungen, deren Wirkungsquerschnitt einstellbar ist, führend vorgesehen ist. 



  Mit diesen Massnahmen werden die Nachteile der bekannten Anordnungen vollständig vermieden. 



  Dadurch, dass die Vergasung des Brennstoffes in der Mischzone zwar wie bei bekannten, vorstehend beschriebenen Brennern ebenfalls durch Rezirkulation von Rauchgasen ausserhalb des Brennrohres unterstützt wird, wird eine zusätzliche Reduktion der Stickoxidemission des Brenners sichergestellt und eine russfreie Verbrennung mit hoher Effizienz erzielt. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden jedoch für diese Aussenrezirkulationen nicht die Rauchgase aus dem Kesselraum oder der unmittelbaren Umgebung verwendet, sondern Gase aus der Verbrennungszone kommend vom Mündungsbereich des Brennrohres aussen am Brennrohr zurück in die Mischzone innerhalb des Brennrohres geführt. 



  Durch diese Massnahmen wird sichergestellt, dass insbesondere im Anfahrbetrieb die Brennerbauteile keine zu starke Abkühlung durch rezirkulierende Rauchgase in beispielsweise überdimensionierten Kesseln erfahren. 



  Vor allem haben Messungen bestätigt, dass durch Reduzierung bzw. Erhöhung der äusseren Rezirkulationsmenge durch die umfangsseitigen \ffnungen des Brennrohres die Verbrennungstemperatur im Brennrohr gezielt verringert bzw. erhöht werden kann. 



  Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Fortbildungen der übergeordneten Massnahmen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung entnehmbar. 



  Nachstehend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: 
 
   Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemässen Brenner, und 
   Fig. 2 einen weiteren Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemässen Brenner. 
 



  Der in Fig. 1 zu Grunde liegende Blaubrenner enthält in bekannter Weise ein Zuführrohr 1, das eine als Verbrennungsluft-Bereitstellungskammer fungierende Vorkammer 2 umfasst, in der sich eine koaxial angeordnete, von einer Brennstoffpumpe (nicht gezeigt) mit Brennstoff, vorzugsweise Heizöl, beaufschlagbare Zerstäuberdüse 3 befindet. 



  Am vorderen Ende des Zuführrohres 1 ist eine die Vorkammer 2 begrenzende Blendenanordnung 4 vorgesehen, die Blendenöffnungen 5 aufweist, über diese Brennstoff und Verbrennungsluft nach vorne austreten können. 



  Von der Blendenanordnung 4 steht nach vorne ein Mischrohr 6 ab, das über die Blendenöffnungen 5 mit Verbrennungsluft und Brennstoff beaufschlagt wird und die Mischzone 11 umfasst. Das Mischrohr 6 wiederum ist von einem koaxialen Brennrohr 7 umgeben, das vom Zuführrohr 1 nach vorne absteht und eine die Verbrennungszone bildende Brennkammer 8 begrenzt. 



  Das Mischrohr 6 ist in bekannter Weise mittels Haltelaschen (nicht gezeigt) starr an der Blendenanordnung 4 befestigt, wobei die Haltelaschen als Distanzelemente für einen Rezirkulationsquerschnitt 9 fungieren. Zwischen dem hinteren Ende des Brennrohres 7 und dem benachbarten vorderen Ende des Zuführrohres 1 ist ebenfalls ein Rezirkulationsquerschnitt in Form von am Umfang des Brennrohres 7 verteilten \ffnungen 10 vorgesehen. 



  Um die weiter oben bereits genannte Erhöhung bzw. Absenkung der Rezirkulationsquote zu ermöglichen, ist die Breite des zum Kesselraum 12 hin offenen Rezirkulationsquerschnittes 10 z.B. mittels einer relativen Verstellung des Brennrohres 7 zum Stützrohr 1 einstellbar (nicht gezeigt). 



  Um das Brennrohr 7 ist konzentrisch unter Bildung eines Ringkanals 13 ein weiteres Mantelrohr 14 starr am Zuführrohr 1 befestigt angeordnet, sodass der Ringkanal 13 an der dem Zuführrohr 1 zugekehrten Stirnseite geschlossen ist und das Mantelrohr 14 den Mündungsbereich des Brennrohres 7 um die Länge L überdeckt. 



  Im vorliegenden Falle ist die Länge L des Überstandes des Mantelrohres 14 in vorteilhafter Weise so gewählt, dass der Flammkegel 15 aus dem Mündungsbereich des Brennrohres 7 die innere Mantelfläche 16 des Mantelrohres 14 erreicht. Diese Massnahme bietet als besonderen Vorteil, dass ausschliesslich nur Rauchgase aus dem Mündungsbereich des Brennrohres 7, nicht aber eventuell geringe Mengen von Rauchgas aus dem Kesselraum rezirkuliert werden. 



  Messungen der Rezirkulationstemperatur im Rezirkulationsbereich vor der Blende 4 in Abhängigkeit von der Rezirkulationsmenge durch die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 und der Länge L des Überstandes des Mantelrohres 14 haben gezeigt, dass bei einer Länge L von 15% bis 20% der Länge des Brennrohres 7 sich bereits eine deutliche Einflussnahme auf die Rezirkulationstemperatur einstellt, wenn die Rauchgasrezirkulationsmenge durch die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 unterdrückt oder erhöht wird, bei kürzerem Mantelrohr 14 ist diese Einflussnahme messtechnisch kaum zu sehen. 



  Deshalb ist in besonders vorteilhafter Weise das Mantelrohr 14 um 15% bis 20% länger als das Brennrohr 7 auszubilden. 



  Dabei ist zu erwähnen, dass die Länge des Brennrohres 7 allgemein so gewählt ist, dass ein vollständiger Ausbrand erreicht ist, insbesondere der Sauerstoffanteil weniger als 3% beträgt. 



  In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Brenners gezeigt, der sich jedoch vom ersten Ausführungsbeispiel nur durch die Ausbildung der Rauchgasleiteinrichtung unterscheidet, sodass alle entsprechenden Teile auch die gleichen Bezugszeichen aufweisen. 



  Die Rauchgasleiteinrichtung 17, 18 ist hier in Form von mehreren parallel zur Brennrohrachse verlaufenden Röhren 17, die einerseits im Mündungsbereich des Brennrohres 7 Rauchgas aufnehmen und andererseits in einen die \ffnungen 10 des Brennrohres 7 umgebenden Sammelraum 18 münden, ausgebildet. 



  In zweckmässiger Weise sind die Röhren 17 einerseits in Richtung des Mündungsbereiches des Brennrohres 7 abgewinkelt ausgeführt. 



  Für die Länge L des Überstandes der Röhren 17 über dem Mündungsbereich des Brennrohres 7 gilt das Gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel. 



  Vorstehend sind zwar zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, ohne dass jedoch hiermit eine Beschränkung verbunden sein soll. 



  Neben den Prozessen der Zerstäubung des Heizöls über die Zerstäuberdüse 3, der Verdampfung der \ltröpfchen und gleichförmigen Vermischung von verdampftem Brennstoff und Verbrennungsluft in der Mischzone 11 und der Verbrennung des \lgas-/Luftgemisches in einer strömungstechnisch definierten Brennkammer 8 werden aufgrund der Injektorwirkung der Verbrennungsluft über den Rezirkulationsquerschnitt 9 des Mischrohres 6 Verbrennungsprodukte aus dem Brennrohr 7 angesaugt und dem Mischrohr 6 zugeführt. Gleichzeitig werden über den Rezirkulationsquerschnitt 10 des Brennrohres 7 durch die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 oder 17, 18 Verbrennungsprodukte aus dem Mündungsbereich des Brennrohres 7 angesaugt und dem Brennrohr 7 bzw. dem Mischrohr 6 zugeführt.

   Aufgrund dieser Rezirkulation von Verbrennungsprodukten lassen sich der Sauerstoffpartialdruck und damit die Reaktionstemperaturen senken, wodurch der NOx-Anteil der Abgase abgesenkt wird. Gleichzeitig liefern die rezirkulierenden Abgase die Energie, die zur Erzielung einer optimalen Gemischaufbereitung benötigt wird. Die Temperatur der Rauchgase, die über die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 oder 17, 18 angesaugt werden, ist, da diese im Gegensatz zu bisher bekannten Brennern nicht aus dem Kesselraum kommen, nie so niedrig, dass die Stabilität der Verbrennung gefährdet sein könnte. Andererseits kann bei ausreichend hoher Abgastemperatur die Rezirkulationsquote erhöht werden, wodurch sich aufgrund der oben bereits erwähnten Zusammenhänge besonders niedrige NOx-Anteile erreichen lassen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe, bei dem der Brennstoff mittels einer Zerstäuberdüse (3) und unter Beimischung von Verbrennungsluft in einer Mischzone (11) innerhalb eines Brennrohres (7) verdampft wird, die Verbrennung des Brennstoff-/Luftgemisches innerhalb des Brennrohres (7) in einer strömungstechnisch definierten Brennkammer (8) vorgenommen wird und die Gemischaufbereitung durch ausserhalb des Brennrohres (7) rezirkulierende Rauchgase verbessert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die die Gemischaufbereitung verbessernden Rauchgase aus der Brennkammer (8) kommend vom Mündungsbereich des Brennrohres (7) mittels einer ausserhalb des Brennrohres (7) vorgesehenen Rauchgasleiteinrichtung (13, 14; 17, 18) in die Mischzone (11) innerhalb des Brennrohres (7) rezirkuliert werden.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Rauchgasleiteinrichtung (13, 14) ein das komplette Brennrohr (7) unter Bildung eines im Wesentlichen konzentrischen Ringkanals (13) umgebendes, den Mündungsbereich des Brennrohres (7) überdeckendes Mantelrohr (14) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Rauchgasleiteinrichtung (17, 18) mehrere parallel zur Brennrohrachse verlaufende Röhren (17), die einerseits sich in den Mündungsbereich des Brennrohres (7) erstreckend und andererseits in einen Umfangsöffnungen (10) des Brennrohres (7) umgebenden Sammelraum (18) mündend ausgeführt sind, verwendet werden.

4.

Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer mindestens eine Blendenöffnung (5) aufweisenden Blendenanordnung (4), die eine von einem Zuführungsrohr (1) begrenzte Vorkammer (2) und eine von einem Brennrohr (7) begrenzte Brennkammer (8) voneinander trennt, mit einer in der Vorkammer (2) angeordneten Zerstäuberdüse (3), aus welcher ein Brennstoffstrahl austritt, der durch die Blendenöffnung (5) der Brennkammer (8) zuführbar ist und dem Verbrennungsluft zur stöchiometrischen Verbrennung in einer Mischzone (11) beimischbar ist, wobei die Gemischaufbereitung in der Mischzone (11) mittels durch am Umfang des Brennrohres (7) verteilten \ffnungen (10), deren Wirkungsquerschnitt einstellbar ist, rezirkulierenden Rauchgase verbesserbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb des Brennrohres (7) eine Rauchgasleiteinrichtung (13, 14;

17, 18) vom in Strömungsrichtung der Brennkammer (8) folgenden Mündungsbereich des Brennrohres (7) zu den am Umfang des Brennrohres (7) verteilten \ffnungen (10) führend vorgesehen ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennrohr (7) unter Bildung eines Ringkanals (13) im Wesentlichen konzentrisch von einem Mantelrohr (14) umgeben ist, wobei der Ringkanal (13) an der dem Zuführrohr (1) zugekehrten Stirnseite geschlossen ist und das Mantelrohr (14) zumindest den Mündungsbereich des Brennrohres (7) um eine Länge (L) überdeckt.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (14) mindestens den Mündungsbereich des Brennrohres (7) um eine Länge (L), die ausreicht, dass ein Flammenkegel (15) aus dem Mündungsbereich des Brennrohres (7) die innere Mantelfläche (16) des Mantelrohres (14) erreichen kann, überdeckt.

7.

Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgasleiteinrichtung (17, 18) einerseits in Form von mehreren, im Wesentlichen parallel zur Brennrohrachse verlaufenden Röhren (17), die im Mündungsbereich des Brennrohres (7) Rauchgase aufnehmen und andererseits in Form eines die \ffnungen (10) des Brennrohres (7) umgebenden Sammelraum (18), in den die Röhren (17) münden, ausgebildet ist.

8. Brenner nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgasleiteinrichtung (13, 14; 17, 18) um eine Länge (L) von 15% bis 20% der Länge des Brennrohres (7) über den Mündungsbereich des Brennrohres (7) überstehend ausgeführt ist.

9. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren (17) einerseits in Richtung des Mündungsbereichs des Brennrohres (7) abgewinkelt ausgeführt sind.

10.

Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennrohr (7) ein von der Blendenanordnung (4) nach vorne abstehendes, die Mischzone (11) umfassendes Mischrohr (6) umfasst, das über die Blendenöffnung (5) mit Brennstoff und Luft und über radiale Rezirkulationsquerschnitte (9) mit rezirkulierenden Rauchgasen beaufschlagbar ist.