DE10144472A1

DE10144472A1 - Atmosphärischer Brenner und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE10144472A1
Application number: DE10144472A
Authority: DE
Inventors: Frank Burmeister; Volko Kuschan
Original assignee: Gaswaerme Inst E V
Current assignee: Gaswaerme Inst E V
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen atmosphärischen Brenner, insbesondere mit überstöchiometrischer Vormischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, mit mindestens einer an eine Brennstoffleitung (2) angeschlossenen Brennstoffdüse (1), die gegen den Eintritt (3a) eines Mischrohres (3) gerichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines atmosphärischen Brenners. DOLLAR A Erfindungsgemäß mündet stromab des Eintritts (3a) des Mischrohres (3) mindestens eine zweite Brennstoffdüse (6). DOLLAR A Der Brennstoffstrahl aus der zweiten Brennstoffdüse (6) saugt keine Umgebungsluft an und beeinflusst somit nicht das Gemischverhältnis durch Zufuhr von Luft. DOLLAR A Vorteilhaft ist weiterhin, dass sich die Brennstoffstrahlen aus der ersten und der zweiten Brennstoffdüse nicht funktionsmindernd beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft einen atmosphärischen Brenner, insbesondere mit überstöchiometrischer Vormischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, mit mindestens einer an eine Brennstoffleitung angeschlossenen Brennstoffdüse, die gegen den Eintritt eines Mischrohres gerichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines atmosphärischen Brenner.
Atmosphärische Brenner bzw. Injektorbrenner insbesondere Gasbrenner, die ohne Ventilator im Verbrennungsluft- oder Abgasweg arbeiten, werden in hoher Stückzahl in Umlaufwasserheizern, Kombiwasserheizern, Spezialheizkesseln oder Raumheizern eingesetzt.
Bei derartigen Brennern wird der Brennstoff durch eine an die Brennstoffleitung angeschlossene Brennstoffdüse in ein Mischrohr bzw. Injektorrohr zentral eingedüst. Bei dem Brennstoff kann es sich um ein Gas, insbesondere Erdgas oder zerstäubten flüssigen Brennstoff handeln.
Beim Eindüsen des Brennstoffes in das Mischrohr wird durch den Brennstofffreistrahl Umgebungsluft in das Mischrohr transportiert. Die auf diese Weise angesaugte Verbrennungsluft wird durch die folgenden geometrischen Größen bestimmt: Durchmesser der Brennstoffe, Durchmesser des Mischrohres, Abstand der Brennstoffdüse vom Mischrohr, Länge des Mischrohrs und Querschnittsfläche des Mischrohres als Funktion der Länge.
Die Menge der angesaugten Verbrennungsluft ist ferner abhängig von den einzelnen Strömungswiderständen im Gemischweg, wie z. B. einer Mischkammer oder einem Flammenstabilisator sowie vom Geräteaufbau und dem an der Brennstoffdüse zur Verfügung stehenden Leitungsdruck.
Während des Betriebes kann das Brennstoff/Luftverhältnis bzw. die Luftzahl variieren, was zwangsläufig zu einer nicht optimalen Verbrennung führt. Dies gilt insbesondere für die Startphase oder bei einer Leistungsmodulation.
Die öffentliche Gasversorgung kann kein Gas mit konstanter Zusammensetzung bereitstellen, da Erdgas als Naturprodukt wechselnde Zusammensetzungen aufweist. Folglich ändert sich bei einem Wechsel der Gaszusammensetzung bei Gasbrennern die zur Verbrennung notwendige Mindestluftmenge, die laminare Flammengeschwindigkeit, die chemische Umsetzung sowie die Position der Reaktionszone und folglich der Durchströmungswiderstand der Brennfläche. Das führt zur Flammenstabilitätsproblemen.
Um die Emissionen von CO und NO_x zu minimieren, sind Brenner, insbesondere Flächenbrenner entwickelt worden, die mit einem überstöchiometrischen Brennstoff/Luftverhältnis betreiben werden, das heißt, die mit Primarluftzahlen betrieben werden, die über der für eine vollständige (stöchiometrische) Verbrennung notwendige Primärluftzahl von 1 liegen.
Es sind Brenner mit einer Wasserkühlung bekannt, die als Wärmesenke dient, so dass die Flammen fixiert werden und der Werkstoff der Brennfläche vor thermischer Überlastung bewahrt wird.
Bei Brennern ohne Kühlung sind die Möglichkeiten der Stabilisierung der Flammen eingeschränkt. Zudem ist bei derartigen Brennern der Durchströmwiderstand größer. Die Gewährleistung einer stabilen Verbrennung über einen großen Leistungsbereich mit unterschiedlichen Brenngaszusammensetzungen stellt daher hohe konstruktive Anforderungen an das Gesamtsystem. Mit der Komplexität der physikalischen Zusammenhänge ist auch die Empfindlichkeit in Bezug auf Parameteränderungen angewachsen.
Rein atmosphärisch betriebenen überstöchiometrisch vormischenden ungekühlten Brennern reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen der Betriebsbedingungen. Sie verhalten sich insbesondere problematisch beim Startvorgang und beim Betrieb mit Brenngasen, die mit Stickstoff angereichert sind. Dies sind Brenngase, die entstehen, wenn zur Spitzenlastabdeckung Flüssiggas/Luft-Gemische in das öffentliche Gasversorgungsnetz eingespeist werden.
Problematisch ist auch die prozessbedingte Beimengung von Wasserstoff und die damit verbundenen Gemischeigenschaften von z. B. höheren Flammengeschwindigkeiten, geringeren Mindestluftbedarf etc.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, bei einem gattungsgemäßen Brenner das Brennstoff/Luftverhältnis bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere bei Änderung der Brennstoffzusammensetzung und/oder bei verschiedenen Betriebsbedingungen, wie beim Startvorgang in einem definierten, vorteilhaften Bereich zu steuern, zu regeln oder konstant zu halten.
Zur Lösung dieser Aufgabe mündet mindestens eine zweite Brennstoffdüse im Mischrohr stromab von dessen Eintritt.
Der Brennstoffstrahl aus der zweiten Brennstoffdüse saugt keine Umgebungsluft an und beeinflusst somit nicht das Gemischverhältnis durch Zufuhr von Luft. Vorteilhaft ist weiterhin, dass sich die Brennstoffstrahlen aus der ersten und der zweiten Brennstoffdüse nicht funktionsmindernd beeinflussen.
Durch die Erfindung können derartige Brenner auch mit niedrig kalorischen Gasen in einem bisher nicht für möglich gehaltenen Leistungsmodulationsbereich (ca. 1 : 6 bei G20) betrieben werden.
Geeignete Brennertypen können erfindungsgemäß nachgerüstet werden.
Bei handelsübliche Brennen mit geschlitzten Metallblechoberflächen, die erfindungsgemäß betrieben werden, werden insbesondere ein größerer Modulationsbereich und geringere Schadstoffemissionen ermöglicht, weil durch die Steuerung bzw. Regelung des weiteren Brennstoffstromes die Position der Reaktionszone fixiert werden kann.
Vorzugsweise ist die zweite Brennstoffdüse in der Wand des Mischrohres angeordnet und in einem Winkel zur Achse des Mischrohres ausgerichtet. Dadurch wird eine gute Vermischung des Brennstoffstromes mit dem Gemisch erreicht.
Vorzugsweise beträgt der Winkel 30°-90° entgegen der Strömungsrichtung.
Diese zweite Brennstoffdüse kann mit Brennstoff über eine an die Brennstoffleitung angeschlossene Bypassleitung versorgt werden. Durch die Bypassleitung strömt stetig oder bedarfsweise Brennstoff.
Vorzugsweise wird die Bypassleitung stromab eines Regelventils, über das die Leistungsverstellung erfolgt, angeschlossen, so dass das Verhältnis der Teilvolumenströme durch die erste und zweite Brennstoffdüse über dem Leistungsbereich im wesentlichen gleich bleibt. Der Treibstrahl aus der ersten Brennstoffdüse muß für einen ausreichenden Verbrennungslufttransport sorgen, so dass eine Gemischanreicherung durch die zweite Brennstoffdüse zur Steuerung oder Regelung der Luftzahl erfolgen kann.
Vorzugsweise ist in der Bypassleitung ein strömungstechnischer Widerstand ausgebildet. Der Brennstoffstrom, der durch die zweite Brennstoffdüse ausströmt, wird durch den strömungstechnischen Widerstand, z. B. eine Drossel gesteuert, d. h. gedrosselt. Hierbei kann im unteren Leistungsbereich der Druckgradient zwischen der Bypassleitung und dem Mischrohr ausgenutzt werden.
Die optimale Wirkung wird erreicht, wenn die zweite Brennstoffdüse im Bereich des größten statischen Unterdruckes im Mischrohr mündet.
Bei einer alternativen Ausführungsform befindet sich in der Bypassleitung ein Regelventil. Der Brennstoffstrom aus der zweiten Gasdüse kann mittels eines Regelventils in Abhängigkeit vom aktuellen Verbrennungszustand gesteuert oder geregelt werden. Das Regelventil erhält als Eingangssignal das Ausgangssignal eines Sensors, der einen im Flammenbereich gemessenen Ionisationsstrom, eine Temperatur am oder im Brenner oder eine Konzentration von CO, CO₂, O₂ erfasst. Der Sensor liefert in Abhängigkeit vom Verbrennungszustand bzw. der Luftzahl ein Signal, das in einer Steuereinheit mit einem Sollwert verglichen wird. Es wird ein Regelsignal generiert, das als Eingangsgröße dem Regelventil übermittelt wird.
Vorzugsweise ist der Brenner als Strahlungsbrenner mit einer glühenden Brennplatte ausgebildet.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines atmosphärischen Brenners, insbesondere mit überstöchiometrischer Vormischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, mit mindestens einer Brennstoffdüse, der Brennstoff zugeführt wird und aus der Brennstoff in den Einritt eines Mischrohres strömt und dabei Verbrennungsluft durch Injektorwirkung in das Mischrohr saugt, gelöst. Erfindungsgemäß wird ein weiterer Brennstoffstrom durch eine zweite Brennstoffdüse stromauf des Eintrittes des Mischrohres in das Brennstoff/Luftgemisch eingebracht.
Vorzugsweise wird der weiterer Brennstoffstrom durch eine Brennstoffdüse in der Wand des Mischrohres in einem Winkel zur Achse des Mischrohres in das Brennstoff/Luftgemisch eingebracht.
Vorzugsweise beträgt der Einströmwinkel des weiteren Brennstoffstromes 30°-90° entgegen der Strömungsrichtung. Die Einmischung des Brennstoffstromes wird dadurch.
Erfindungsgemäß wird dass das Einbringen des Brennstoffstromes in Abhängigkeit vom Verbrennungszustand geregelt oder gesteuert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasbrenners in schematischer Darstellung;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasbrenners.
Bei dem Gasbrenner nach Fig. 1 handelt es sich um einen Strahlungsbrenner für eine wandhängende Gastherme. Der Gasbrenner weist eine Brennstoffdüse 1 auf, die an eine Gasleitung 2 angeschlossen ist. Die Brennstoffdüse 1 ist gegen den Eintritt 3a eines Mischrohr 3 gerichtet. Mehrere Brennstoffdüsen/Mischrohrkombinationen münden in eine Mischkammer 4. Der Gasstrahl aus der ersten Brennstoffdüse 1 transportiert die zur Verbrennung benötigte Verbrennungsluft in das Mischrohr 3. Die Brennstoffdüse ist so ausgelegt, dass die Luftzahl etwa 1,4 beträgt. Das hoch überstöchiometrische Gas/Luft-Gemisch wird Erzeugung einer optimalen Gemischzusammensetzung über eine zweite Brennstoffdüse 6 mit zusätzlichem Brenngas angereichert, wobei sich die Luftzahl verkleinert.
Das Brenngas wird der zweiten Brennstoffdüse 6 über eine Bypassleitung 2a zugeführt, die an die Gasleitung 2 stromab einer nicht dargestellten an sich bekannten Gasarmatur angeschlossen ist. Über diese Gasarmatur erfolgt in üblicher Art und Weise die Leistungsregelung.
Die Zuführung von Brenngas durch die zweite Brennstoffdüse 6 kann kontinuierlich über den gesamten Leistungsbereich erfolgen oder nur bei Bedarf, wenn eine nicht optimale Gemischzusammensetzung vorliegt.
Die Brennstoffdüse 6 ist als Bohrung oder als gesondertes handelsübliches Bauteil ausgebildet, deren Durchtrittsquerschnitt vorzugsweise gleich groß oder größer ist als der Durchtrittsquerschnitt der Brennstoffdüse 1.
An der Mischkammer 4 befindet sich im Einflussbereich der Flammen ein Sensor 9, der als Ionisationselektrode ausgebildet und an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Aus der DE 44 33 425 C2 ist bekannt, zum verbesserten Auswerten des über die Ionisationselektrode fließenden Stromes auf diesen eine Wechselspannung aufzuschalten.
Der Sensor 9 liefert in Abhängigkeit von der aktuellen Luftzahl ein Signal, das in einem Messumformer 8 mit einem Sollwert verglichen wird. Der Messumformer 8 liefert in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Istwert ein Regelsignal, das dem Regelventil 7 über eine Signalleitung 11 zugeführt wird.
Wenn die Luftzahl zu hoch ist, wird der Gasvolumenstrom, der durch die zweite Brennstoffdüse strömt, vergrößert.
Die Regelung bzw. Anpassung der Luftzahl bzw. des Brenngas/Luftverhältnisses erfolgt über den gesamten Modulationsbereich mittels der zweiten Brennstoffdüse.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird der weitere Brennstoffstrom über den statische Druck im Mischrohr und einen nicht dargestellten volumenstrombegrenzenden Widerstand in der Bypassleitung 2a in Form einer Drossel gesteuert. Durch die Abstimmung von Widerstand, Mischrohr und den Durchtrittsquerschnitten der Brennstoffdüsen lassen sich verschiedene Kennlinien realisieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei einem rein atmosphärischer Strahlungsbrenner und überstöchiometrisch vormischenden Brenner, der ohne Wasserkühlung arbeitet besonders vorteilhaft. Die Flächenbelastung kann hoch sein (> 600 kW/m²). Es ergibt sich ein großer Modulationsbereich (ca. 1 : 6 bei G20). Über die Luftzahl als Regelgröße bleibt die Flammenstabilität auch bei Leistungsmodulation und Brenngaswechsel erhalten.
Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmöglichkeiten gegeben:
So kann die zweite Brennstoffdüse in Form von mehreren Bohrungen ausgebildet sein. Durch die zweite Brennstoffdüse kann dem Gemisch ein anderer Brennstoff als der Hauptbrennstoff zugeführt werden. Bezugszeichenliste 1 Brennstoffdüse
2 Gasleitung
2a Bypassleitung
3 Mischrohr
3a Mischrohreintritt
4 Mischkammer
5 Flammenstabilisator
6 2. Brennstoffdüse oder Bohrung
7 Regelventil
8 Messumformer
9 Sensor
10 Drossel
11 Signalleitung

Claims

1. Atmosphärischer Brenner, insbesondere mit überstöchiometrischer Vormischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, mit mindestens einer an eine Brennstoffleitung (2) angeschlossenen Brennstoffdüse (1), die gegen den Eintritt (3a) eines Mischrohres (3) gerichtet ist dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Eintritts (3a) des Mischrohres (3) mindestens eine zweite Brennstoffdüse (6) mündet.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennstoffdüse (6) in der Wand des Mischrohres (3) angeordnet und in einem Winkel zur Achse des Mischrohres ausgerichtet ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der zweiten Brennstoffdüse (6) 30°-90° entgegen der Strömungsrichtung beträgt.

4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennstoffdüse (6) als Bohrung oder als gesondertes Bauteil ausgebildet ist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennstoffdüse (6) über eine Bypassleitung (2a) erfolgt, die von der Brennstoffleitung (2) vorzugsweise stromab eines Regelventils angeschlossen ist.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (2a) ein strömungstechnischer Widerstand ausgebildet ist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennstoffdüse (6) im Bereich des größten statischen Unterdrucks im Mischrohr (3) mündet.

8. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Bypassleitung (2a) ein Regelventil (7) befindet.

9. Gasbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner ein Sensor (9) zugeordnet ist, der den Zustand der Verbrennung erfasst und ein Stellsignal für das Regelventil (7) in der Bypassleitung (2a) liefert.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner als Strahlungsbrenner mit einer glühenden Brennplatte ausgebildet ist.

11. Verfahren zum Betrieb eines atmosphärischen Brenners, insbesondere mit überstöchiometrischer Vormischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, mit mindestens einer Brennstoffdüse, der Brennstoff zugeführt wird und aus der Brennstoff in den Eintritt eines Mischrohres strömt und dabei Verbrennungsluft durch Injektorwirkung in das Mischrohr saugt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Brennstoffstrom stromab des Eintrittes des Mischrohres in das Brennstoff/Luftgemisch eingebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Brennstoffstrom durch eine Brennstoffdüse in der Wand des Mischrohres in einem Winkel zur Achse des Mischrohres in das Brennstoff/Luftgemisch eingebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, der Einströmwinkel des weiteren Brennstoffstromes 30°-90° entgegen der Strömungsrichtung beträgt.

14. Verfahren nach einen der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Brennstoffstromes in Abhängigkeit vom Verbrennungszustand geregelt oder gesteuert wird.