DE10137683A1

DE10137683A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen

Info

Publication number: DE10137683A1
Application number: DE10137683A
Authority: DE
Inventors: David-Walter Branston; Guenter Lins; Jobst Verleger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: US20070026354A1; EP1412675B1; US7137808B2; DE50208080D1; DE10137683C2; WO2003014622A1; US20040185397A1; EP1412675A1

Abstract

Es ist bekannt, elektrische Mittel zur Führung und Änderung einer Flamme einzusetzen. Gemäß der Erfindung greifen diese Mittel derart in die Flammenfront ein, dass das erzeugte elektrische Feld nur solche Bereiche der Flammenfront durchsetzt, in denen es eine stabilisierende und schadstoffmindernde Wirkung entfaltet. Bei der zugehörigen Vorrichtung sind die Elektroden des Brenners außerhalb des Bereiches der Flamme angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen, bei dem elektrische Mittel zur Führung und/oder Änderung einer Flamme an einem Brenner eingesetzt werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung von stabilisierenden und schadstoffmindernden Mitteln zur Beeinflussung der Flamme beim Verbrennungsvorgang.
Die vorteilhaften Einflüsse, die elektrische Felder auf Verbrennungsflammen haben können, sind im Grundsatz seit langem bekannt. Gemäß den Veröffentlichungen

- Industrial and Engineering Chemistry 43 (1951), Seiten 2726 bis 2731,
- 12^th Annual energy-sources technology conf. (1989), Seiten 25 bis 31 und
- AIAA Journal 23 (1985), Seiten 1452 bis 1454 bestehen die Wirkungen des elektrischen Feldes in einer Verbesserung der Stabilität der Flamme. Gemäß
- Combust. Flame 78 (1989), Seiten 357 bis 364 und
- Combust. Flame 119 (1999), Seiten 356 bis 366 ist eine Verringerung der Rußemission und gemäß
- Fossil Fuel Combustion, ASME 1991, Seiten 71 bis 75 und
- Fluid Dynamics 30 (1995), Seiten 166 bis 174 eine Verminderung der Emission von gasförmiger Schadstoffen gegeben.

Aus Combust. Flame 55 (1984), Seiten 53 bis 58 ist es auch bekannt, Verbrennungsvorgänge durch elektrische Entladungen, insbesondere Corona-Entladungen, zu beeinflussen. Auch hier soll eine Verbesserung der Flammenstabilität und eine Verminderung der Schadstoffemission resultieren. Eine technische Anwendung der genannten Effekte wird in der WO 96/01394 A1 beschrieben.
Allen dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren ist gemeinsam, dass die Elektroden, die benötigt werden, um das elektrische Feld oder eine Entladung in der Flamme zu erzeugen, derart angeordnet sind, dass die Flamme sich entweder zwischen den felderzeugenden Elektroden befindet oder von einer Elektrode umschlossen wird. Diese Elektrode kann mit der Brennkammer identisch sein. Eine solche Anordnung wird anhand Fig. 1 der Beschreibung verdeutlicht.
In Fig. 1 ist die Ausbreitungsrichtung einer Flamme 2 oder die Strömungsrichtung der Abgase als z-Richtung bezeichnet. Die Stelle z = 0 ist bestimmt durch die Position, an der der feste, flüssige oder gasförmige Brennstoff in die Flamme übergeht. An Stellen z < 0 tritt keine nennenswerte, durch den Verbrennungsprozess verursachte Ionisation auf.
Anordnungen, die dem Stand der Technik entsprechen, sind ausnahmslos dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode oder ein oder mehrere Teile einer solchen Elektrode sich ausschließlich oder überwiegend über Bereiche mit z > 0 erstrecken. Dabei kann auch die Brennkammer, die die Flamme umschließt, eine Elektrode oder Teil einer solchen sein. Im Extremfall ist die Anordnung derart gestaltet, dass Teilbereiche der Flamme eine Elektrode berühren können.
Ein Nachteil des vorbeschriebenen Standes der Technik besteht darin, dass das mittels der Elektroden erzeugte elektrische Feld einen großen Bereich der Flamme durchsetzt, während die eigentliche Wirkung des elektrischen Feldes in der so genannten Flammenfront auftritt. Die Flammenfront ist ein im Vergleich zu den Dimensionen der Flamme enger Bereich zwischen dem kaltem Brennstoff und der Flamme, in dem die chemischen Reaktionen stattfinden, die zur Bildung der Flamme führen. Da die Flamme durch die in ihr enthaltenen Ladungsträger eine nicht vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit besitzt, führt die Tatsache, dass das elektrische Feld weite Bereiche der Flamme durchsetzt, dazu, dass im gesamten von den Elektroden eingeschlossenen Flammenbereich ein elektrischer Strom fließt, der einen erhöhten Energieverbrauch verursacht, ohne zur erwünschten Wirkung innerhalb der Flammenfront beizutragen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn elektrisch leitfähige Bereiche der Flamme oder ihrer Umgebung in unmittelbarem Kontakt mit den Elektroden stehen.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen in einfacher und wirtschaftlicher Weise die Beeinflussung von Verbrennungsvorgänge bei Brennstoffen verbessert wird. Als Brennstoffe sollen insbesondere, aber nicht ausschließlich Gase, vorzugsweise in vorgemischter Form, verwendet werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruches 4. Weiterbildungen des Verfahrens und/oder der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Erfindung wird die Flamme der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt, wobei das Feld so gestaltet wird, dass es nur solche Bereiche der Flamme durchsetzt, in denen es eine stabilisierende und schadstoffmindernde Wirkung entfaltet. Bei der zugehörigen Vorrichtung sind für diesen Zweck Elektroden so angeordnet und mit einer Spannung beaufschlagt werden werden, dass ein elektrisches Feld bevorzugt jene Bereiche der Flamme durchsetzt, in denen es seine stabilisierende und schadstoffmindernde Wirkung entfaltet. Dies wird dadurch realisiert, dass alle felderzeugenden Elektroden in Bereichen angeordnet werden, in denen keine oder keine nennenswerte durch den Verbrennungsprozess bewirkte Ionisation auftritt. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Elektroden im Bereich z < 0 oder so angeordnet werden, dass sie nicht wesentlich in den Bereich z > 0 hinein ragen.
Besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich dann, wenn dem System Sensoren und Regelvorrichtungen zugeordnet werden, die die an den Elektroden anliegende Spannung so steuern, dass der Verbrennungsprozess in gewünschter Weise beeinflusst wird. Vorteilhafterweise sind Sensoren vorhanden, von denen einer die Frequenz etwa vorhandener Verbrennungsschwingungen und ein anderer die Schadstoffkonzentration im Abgas misst. Die Sensoren liefern das Eingangssignal zu einer Regelungseinheit, die Frequenz, Amplitude und Phase der an die Elektroden angelegten Spannung so steuert, dass die Verbrennungsschwingungen bzw. die Schadstoffkonzentration minimiert werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Schnittdarstellung
Fig. 1 eine Anordnung des Standes der Technik, auf die eingangs bereits eingegangen wurde, die Fig. 2 und 3 zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung,
Fig. 4 und 5 eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform und
Fig. 6 eine Anwendung der Erfindung bei der Anwendung zur Verbrennung von festen Stoffen.
Bei den einzelnen Ausführungsbeispielen haben gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Die Ausführungsformen werden teilweise gemeinsam beschrieben.
Bei allen Beispielen ist der Brenner jeweils mit 1 und die Flamme mit 2 bezeichnet. Der Brenner 1 hat eine Gaszuführung 3. Weiterhin ist wenigstens eine Elektrode 6 in der Anordnung vorhanden, mit der die Flamme mit elektrischen Feldern beaufschlagt werden kann. Die Flamme wird entlang der Z-Koordinate skaliert.
Auf Fig. 1 wurde eingangs bereits mit entsprechenden Ausführungen zum Stand der Technik eingegangen, worauf im Einzelnen verwiesen wird. Im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2 wird die vom Brenner 1 für gasförmige, flüssige oder in Gasen oder Flüssigkeiten transportierte, pulverförmig aufbereitete feste Brennstoffe erzeugte Flamme 2 gezeigt. Der Brennstoff wird durch den Brennstoffeintritt 3 durch den Brenner 1 in einen Brennraum 4 hinein geführt. Der Brenner 1 kann aus elektrisch leitfähigem oder nicht leitfähigem Material bestehen. Im ersten Fall dient der Brenner als Elektrode, im zweiten Fall wird eine in diesem Beispiel ringförmige, den Brenner 1 eng umschließende Elektrode 5 angebracht. Eine weitere Elektrode 6 wird so angeordnet, dass sie vollständig in dem durch z ~ 0 gekennzeichneten Bereich liegt. Die Elektroden werden mit dem Netzteil 7 elektrisch verbunden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist eine Stabelektrode 6a koaxial innerhalb des Brenners angeordnet, derart, dass sie sich vollständig in einem Bereich befindet, in dem keine durch den Verbrennungsprozess bewirkte Ionisation auftritt, d. h. dass sie allenfalls unwesentlich in den Bereich z > 0 hinein ragt. Ein elektrisches Feld im Sinne der Erfindung entsteht zwischen der Elektrode 6a einerseits und dem Brenner 1 andererseits, falls dieser aus elektrisch leitfähigem Material besteht, oder einer weiteren Elektrode 5, die in diesem speziellen Fall den als nicht leitfähig angenommenen Brenner formschlüssig umgibt. In erfindungsgemäßer Abwandlung kann die innerhalb des Brenners liegende Stabelektrode 6a durch ein Rohr oder eine Düse oder mehrere Rohre und Düsen ersetzt werden, die von brennbaren oder nicht brennbaren Gasen oder Gasgemischen werden. Durch den im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Fig. 1 kleinen Elektrodenabstand ist die Erzeugung eines elektrischen Feldes bereits mit entsprechend niedrigeren Spannungen möglich.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe beschränkt. In Fig. 6 ist eine Brennkammer 8 angedeutet, in der auf einem durch nicht leitende Stützelemente 9 gegen die Brennkammer elektrisch isolierten Rost 10 ein Haufwerk 11 aus einem festem Brennstoff, beispielsweise Kohle, brennt. Die Ebene z = 0 ist durch die Oberkante des Rostes 10, oder falls es sich um einen elektrisch leitenden Brennstoff handelt, durch die obere Abgrenzung des Haufwerks 11 definiert. Eine Ringelektrode 12 ist so angeordnet, dass sie nicht wesentlich in den Bereich z > 0 hinein ragt.
Die Erfindung beschränkt sich weder auf Systeme, die lediglich zwei Elektroden umfassen, deren eine der Brenner sein kann, noch auf Elektroden, die rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Brenners, also insbesondere ringförmig, toroidal oder zylindrisch sind. Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Stabelektroden 13a, 13b, 13c, 13d radial in Bezug auf einen Brenner 1 angeordnet sind.
Bei den anhand der Fig. 2 bis 6 beschriebenen Anordnungen wird die gewünschte Beeinflussung des Verbrennungsprozesses durch elektrische Felder erreicht, ohne dass das elektrische Feld weite Teile der Flamme durchsetzt, in denen es keine stabilisierende oder schadstoffmindernde Wirkung entfaltet. Die Berührung der Elektroden durch elektrisch leitfähige Bereiche der Flamme wird weitest gehend vermieden. Damit wird der durch das elektrische Feld induzierte Strom erheblich verringert und in dem selben Maße der Bedarf an elektrischer Leistung reduziert. Darüber hinaus nimmt die Wahrscheinlichkeit von störenden elektrischen Durchschlägen stark ab. Der vergleichsweise geringe Elektrodenabstand führt zu einem im Vergleich zum Stand der Technik verringerten Spannungsbedarf bei gleicher elektrischer Feldstärke.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Beeinflussung von Flammen mit Hilfe elektrischer Mittel sind gleichermaßen zum Betrieb mit Gleichspannung, pulsierender oder getakteter Gleichspannung und Wechselspannung sowie Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung geeignet. Bei der Anwendung einer Gleichspannung ist die Polarität des Brenners vorzugsweise negativ.
Weiterhin lassen sich dem System Sensoren zuordnen: Ein erster Sensor erfasst die Frequenz etwaig vorhandener Verbrennungsschwingungen. Ein zweiter Sensor misst die Schadstoffkonzentration im Abgasstrom der Flamme. Die Sensoren liefern Eingangssignale für eine nicht im einzelnen dargestellte Regelungseinheit, welche die Frequenz, Amplitude und Phase der an die Elektroden angelegten Spannung derart steuert, dass die Verbrennungsschwingungen und die Schadstoffkonzentration minimal werden.

Claims

1. Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen, bei dem elektrische Mittel zur Führung und/oder Änderung einer Flamme eingesetzt werden, mit folgenden Maßnahmen:

- die Flamme wird der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt,

- Dabei wird das elektrische Feld wird so gestaltet, dass es nur solche Bereiche der Flamme durchsetzt, in denen es eine stabilisierende und schadstoffmindernde Wirkung entfaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorgemischte Gase verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass thermoakustische Emissionen vermindert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 oder 3, unter Verwendung von stabilisierenden und schadstoffmindernden Mitteln zur Beeinflussung der Flamme bei einem Verbrennungsvorgang, wobei die Mittel durch Elektroden am Brenner gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5, 6) außerhalb des Bereiches der Flamme (2) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Flamme (2) des Brenners (1) die Elektroden (5, 6) im Bereich z ≤ 0 angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5, 6) derart angeordnet sind, dass sie nicht wesentlich in den Bereich z < 0 der Flamme (2) hineinragen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ringförmige, den Brenner (1) weiträumig umschließende Elektrode (6) vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine ringförmige Elektrode (5) unmittelbar am Brenner (1), unterhalb der Flamme (2) vorhanden ist.

9. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stabelektrode (6a) koaxial innerhalb des Brenners (1) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabelektrode (6) innerhalb des Brenners (1) sich vollständig in einem solchen Bereich befindet, in dem keine durch den Verbrennungsprozess bewirkte Ionisation auftritt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme (2) des Brenners (1) von mehreren, auf dem Umfang um die Flamme (2) angeordneten Elektroden (12, 13) umgeben ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12, 13) symmetrisch um die Flamme angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden zentrisch auf die Flamme (2) gerichtete Stabelektroden (13a bis 13d) sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren für die Frequenz und Amplitude von Verbrennungsschwingungen und/oder die Schadstoffkonzentration im Abgasstrom vorhanden sind, die durch wenigstens eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung Frequenz, Amplitude und Phase der angelegten Spannung so steuern, dass die Verbrennungsschwingungen bzw. die Schadstoffkonzentration im Abgas minimiert werden.