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Die
Erfindung betrifft eine Nachverbrennungsanlage für ein Verbrennungsfluid, insbesondere
thermische Nachverbrennungsanlage (TNV) oder regenerative Nachverbrennungsanlage
(RNV), mit einer Brennervorrichtung für flüssigen Brennstoff, insbesondere
für leichtes
Heizöl.
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Aus
der
DE 35 16 085 A1 ist
eine thermische Nachverbrennungsanlage für verbrennbare Abgasgemische
bekannt, mit einer in Längsrichtung
aufeinanderfolgenden baugruppenartigen Anordnung von Brenner(n)
für Heizöl, Hochtemperaturbrennkammer, Niedertemperaturbrennkammer
und Kamin für
Wärmeaustauschvorrichtungen
für die
Abgasgemische. Mit- tels in dem/den Brenner(n) generierten Stützflamme(n)
erfolgt die Aufheizung und Verbrennung des Abgasgemisches in den
Brennkammern.
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In
anderen bekannten Nachverbrennungsanlagen, insbesondere in thermischen
Nachverbrennungsanlagen (TNV) oder regenerativen Nachverbrennungsanlagen
(RNV), werden Brennervorrichtungen für flüssigen Brennstoff eingesetzt,
um Verbrennungsfluide, insbesondere schadstoffhaltige Abluft und/oder
flüssige
oder gasförmige
Schadstoffe, zu Reinigungszwecken nachzuverbrennen. Als Brennstoff
wird leichtes Heizöl,
insbesondere Heizöl EL
(extra leichtflüssiges
Heizöl),
unter Druckluftzugabe aus Düsen
dem Verbren nungsfluid zugeführt
und verbrannt. An solche Nachverbrennungsanlagen werden sehr hohe
Anforderungen in Hinblick auf Schadstoffemission und Funktionssicherheit
gestellt. Darüber
hinaus soll die Brennerleistung in einem großen Regelbereich möglichst
stufenlos veränderbar sein.
Das Verhältnis
zwischen Brennstoff und der Druckluft muss hierzu für die augenblickliche
Brennerleistung exakt einstellbar sein.
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Zur
Regelung und Überwachung
des Brennstoff-/Druckluftverhältnisses
weisen bekannte Ölbrenner
mechanische Öl-Druckluft-Verbundregler auf,
mit denen ein Regelbereich für
die Brennerleistung von 1:3 erreichbar ist. Bekannte Öl-Druckluft-Verbundregler
weisen eine mechanische Kopplung einer Ölpumpe mit einem Druckluftregler
auf. Dabei erfolgt die Brennereinstellung insbesondere über verstellbare
Kurvenbänder
oder -scheiben. Dies erfordert aber, dass die Ölpumpe und der Druckluftregler
so angeordnet sind, dass eine gute mechanische Verbindung vorzugsweise über Gestänge, flexible
Kraftüberträger (Bowdenzüge) oder
Umlenkungen möglich
ist. Die mechanischen Verbindungen unterliegen Verschleiß, so dass
mit der Zeit eine exakte Einstellung des Brenners zunehmend schwieriger wird.
Außerdem
ist eine Korrektur des Öl-Druckluft-Verhältnisses
insbesondere zur Minimierung der Schadstoffemission und Verbesserung
des Brennerwirkungsgrades während
des Betriebes nur mit großem
Aufwand möglich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, eine Nachverbrennungsanlage der
eingangs genannten Art zu gestalten, die einfach und funktionssicher
ist, einen großen
Regelbereich für
die Brennerleistung realisiert und mit der darüber hinaus möglichst
geringe Mengen an Schadstoffen, insbesondere NOx,
gebildet werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Brennervorrichtung eine einstellbare Brennerleistung hat
und wenigstens eine Zweistoffdüse
für den
Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Druckfluid umfasst, die eine
variable Druckfluid-Zerstäubung
und eine Mischeinrichtung für
den Brennstoff mit dem Verbrennungsfluid aufweist, und eine elektronische
Steuer-/Regelungseinrichtung zur Verbundregelung eines Brennstoff-Druckfluid-Mengenverhältnisses
vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist also
eine elektronische Verbundregelung für die Druckfluid-Zerstäubung vorgesehen,
mit der die Druckverhältnisse
zwischen dem Brennstoff und dem Druckfluid beispielsweise anhand
von zwei ermittelten, günstigen
Kennlinienfeldern oder in anderer Weise abgespeicherten Betriebsparameter-Kombinationen
optimal aufeinander abgestimmt sind, so dass ein großer Regelbereich
für die
Brennerleistung, vorzugsweise von größer als 1:10, erreichbar ist.
Durch den Einsatz einer elektroni- schen Steuer-/Regelungseinrichtung
kann auf mechanische Verbindungselemente insbesondere zwischen Pumpen
und Druckreglern für
die Brennstoffzufuhr und Druckfluidzu fuhr verzichtet werden. Die
Nachverbrennungsanlage, insbesondere die Brennervorrichtung, ist
einfach und funktionssicher mit wenigen Bauteilen realisierbar.
Das Druckfluid ist ein sauerstoffhaltiges gasförmiges Fluid, welches mit dem
erforderlichen Druck beaufschlagt ist, um eine Zerstäubung des
Brennstoffes zu ermöglichen. Durch
die Zerstäubung
des Brennstoffes ist eine optimale, schadstoffarme, insbesondere
NOx-arme Verbrennung des Verbrennungsfluids,
insbesondere von schadstoffhaltiger Abluft („Verbrennungsluft") und/oder flüssiger oder
gasförmiger
Schadstoffe, realisierbar. Durch die Zweistoffdüse kann gleichzeitig der Brennstoff
und das Druckfluid gepumpt, der Brennstoff zerstäubt und mit dem Druckfluid
vermischt werden. Im Übrigen
ist mit einer solchen Nachverbrennungsanlage, insbesondere Brennervorrichtung,
die Verwendung von Verbrennungsfluid mit einer Vorwärmung vorzugsweise
bis 600°C
möglich.
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Das
Druckfluid kann vorzugsweise Druckluft sein. Druckluft enthält Sauerstoff
in einem für
die Verbrennung ausreichenden Maß. Sie kann einfach bereitgestellt
werden, ist selbst nicht brennbar und weitgehend frei von Schadstoffen.
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Ferner
kann die Mischeinrichtung eine Drallschaufel-Einrichtung umfassen. Mit der Mischeinrichtung
kann das Verbrennungsfluid einer Brennerflamme insbesondere in einer
Brennkammer zugeführt und
dort verbrannt werden. Mit Drallschaufeln kann eine gleichmäßige Verteilung
der Flamme beziehungsweise von Einzelflammen bewirkt werden. Die Drallschaufel-Einrichtung
ermöglicht
eine Drallbildung und eine Reduzierung der Flammentemperatur.
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Bei
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Zweistoffdüse eine
Vielzahl von insbesondere seitlichen Einzelbohrungen zur Bildung
von Einzelflammen aufweisen. Hiermit wird eine deutlich geringere
NOx-Bildung
erreicht als bei bekannten Brennern, die mit einer gebündelten Flamme
arbeiten.
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Die
Brennerleistung kann stufenlos regelbar sein, um sie exakt einstellen
zu können.
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Die
Steuer-/Regelungseinrichtung kann mit wenigstens einem Sensor zur
Erfassung wenigstens einer Betriebskenngröße, insbesondere einem Brennstoff-Durchsatzsensor
und/oder einem Druckluft-Sensor und/oder einem Brennkammer-Temperatursensor,
funktionell verbunden sein. Auf diese Weise ist eine Regelung der
Brennervorrichtung abhängig
von den entsprechenden Betriebskenngrößen möglich.
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Außerdem kann
die Steuer-/Regelungseinrichtung mit einem Flammenüberwachungsmittel, welches
insbesondere einen Infrarot-Sensor umfasst, funktionell verbunden
sein. Dies hat den großen
Vorteil, dass keine separate Flammenüberwachung erforderlich ist.
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Um
die Flamme beziehungsweise die Einzelflammen einfach zünden zu
können,
kann ein Zündmittel,
insbesondere eine Gas-Pilotflamme oder eine Zündkerze, welches insbesondere
mit der Steuer-/Regelungseinrichtung steuerbar ist, vorgesehen sein.
Sofern das Zündmittel
mit der Steuer-/Regelungseinrichtung steuerbar ist, kann die Flamme auch
automatisch, beispielsweise auf ein Signal einer etwaigen Flammenüberwachung
hin gezündet werden.
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Die
Brennervorrichtung kann auch als Kombibrenner mit einer zusätzlichen
Gaslanze ausgestattet sein. Ein Betrieb ist dann mit zwei Brennstoffen, insbesondere
Heizöl
und/oder Erdgas, möglich.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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In
der einzigen Figur ist schematisch eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehene Brennervorrichtung
für extraleichtes
Heizöl
(Heizöl EL)
dargestellt. Die Brennervorrichtung 1 ist Teil einer ansonsten
nicht dargestellten thermischen oder regenerativen Nachverbrennungsanlage
(TNV oder RNV) für
nachzuverbrennende Verbrennungsluft, welche durch die Pfeile 3 angedeutet
ist.
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Die
Brennervorrichtung 1 umfasst eine Zweistoffdüse 5 in
einem Brennergehäuse 7 in
der Figur rechts und eine Steuer-/Regelungseinrichtung 9 links.
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Das
Brennergehäuse 7 besteht
im Wesentlichen aus einem langgestreckten hohlzylinderförmigen Grundkörper 11,
in der Figur links, und einem konzentrischen kurzen hohlzylinderförmigen Drallschaufel-Gehäuse 13 rechts.
Die Achsen des Grundkörpers 11 und
des Drallschaufel-Gehäuses 13 verlaufen
in der Figur horizontal. Der Durchmesser des Drallschaufel-Gehäuses 13 ist
etwa dreimal größer als
der des Grundkörpers 11.
Der Grundkörper 11 ragt
mit seiner einer nicht näher
umrissenen Brennkammer 15, in der Figur rechts, zugewandten
offenen Stirnseite 17 durch eine entsprechende Öffnung 19 in das
offene Drallschaufel-Gehäuse 13 hinein
und erstreckt sich in diesem über
etwa drei Viertel von dessen Länge.
Das Drallschaufel-Gehäuse 13 wird
außen
von einem Flammrohr 21 begrenzt und weist mittig in ihrer
der Brennkammer 15 zugewandten Stirnseite eine runde durchgängige Flammenöffnung 23 auf,
deren Durchmesser durch den äußeren Drallschaufel-Gehäuse-Durchmesser begrenzt
ist und mit dem Flammrohr 21 abgeschlossen ist. Die rückwärtige, der
Brennkammer 15 abgewandte Stirnseite des Drallschaufel-Gehäuses 13 ist
innen durch den Grundkörper 11 und
außen
durch das Flammrohr 21 begrenzt.
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In
dem Grundkörper 11 des
Brennergehäuses 7 ist
konzentrisch die hohlzylinderförmige
Zweistoffdüse 5 für das Heizöl EL und
Druckluft angeordnet. Die Zweistoffdüse 5 führt durch
eine Stirnplatte 27 an der dem Drallschaufel-Gehäuse 13 abgewandten
Stirnseite des Grundkörpers 11 hindurch
und ist dort befestigt. Auf ihrer Einlassseite außerhalb
des Grundkörpers 11,
in der Figur links, führen
von oben eine Ölleitung 29 und
von unten eine Druckluftleitung 31 in die Zweistoffdüse 5.
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Die Ölleitung 29 kommt
von einer Ölpumpe 33,
die ihrerseits über
eine Ölspeiseleitung 35 mit Heizöl versorgt
wird.
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Die
Druckluftleitung 31 ist über einen Druckregler 37 und
eine Druckluftspeiseleitung 39 mit einem nicht dargestellten
Kompressor verbunden.
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Eine
Auslassseite 41 der Zweistoffdüse 5, in der Figur
rechts, ragt aus der offenen Stirnseite 17 des Grundkörpers 11 heraus
und mündet
etwas vor der Flammenöffnung 23 in
das Drallschaufel-Gehäuse 13.
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Mit
der Zweistoffdüse 5 ist
eine variable Druckluft-Zerstäubung realisierbar,
mit der das Heizöl
mit der Druckluft zu feinem Heizölnebel
zerstäubbar
ist. Im Bereich der Auslassseite 41 ist hierzu im Mantel
der Zweistoffdüse 5 eine
Vielzahl von seitlichen Einzelbohrungen 43 angeordnet,
derart, dass der fein zerstäubte
Heizölnebel
entlang eines Strömungskegels
mit einem definierten Öffnungswinkel zerstäubt wird.
Die Spitze des Strömungskegels
zeigt zur Zweistoffdüse 5 und
dessen Grundfläche
zur Brennkammer 15. An den Einzelbohrungen 43 bilden sich
bei gezündeter
Brennervorrichtung 1 Einzelflammen 45, die sich
in die Brennkammer 15 ausbreiten.
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In
dem Drallschaufel-Gehäuse 13 befindet sich
in einem Ringraum zwischen dem Flammrohr 21 des Drallschaufel-Gehäuses 13 und
dem Grundkörper 11 eine
Vielzahl von Drallschaufeln 47. Die Drallschaufeln 47 sind
schräggestellte
Verwirbelungsbleche die so angeordnet sind, dass die Verbrennungsluft 3,
welche in das Drallschaufel-Gehäuse 13 einströmt und dieses
durchströmt,
in eine Drehbewegung gebracht und an den Einzelbohrungen 43 vorbei
der Brennkammer 15 zugeführt wird.
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Die
Drallschaufeln 47 in dem Drallschaufel-Gehäuse 13 wirken
in Verbindung mit den Einzelbohrungen 43 der Zwei stoffdüse 5 als
Mischeinrichtung und bewirken eine Vermischung des Heizölnebels
mit der Verbrennungsluft 3, eine gleichmäßige Verteilung
der Einzelflammen 45, eine Drallbildung bei der Strömung der
Verbrennungsluft 3 und eine Reduzierung der Flammentemperatur.
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In
der Ölleitung 29 befindet
sich zwischen der Ölpumpe 33 und
der Zweistoffdüse 5 ein Öl-Durchsatzsensor 49 zur
Erfassung einer Öl-Durchsatzmenge.
Unter „Durchsatzmenge" wird hier die pro
Zeiteinheit strömende
Menge verstanden. Vom Öl-Durchsatzsensor 49 führt eine Öl-Durchsatz-Signalleitung 51 zur
Steuer-/Regelungseinrichtung 9. Von dieser führt eine Öl-Durchsatz-Steuerleitung 53 zu
einem Frequenzumformer 55, der seinerseits mit dem entsprechend
ausgestalteten, elektrischen Antriebsmotor der Ölpumpe 33 verbunden
ist. Die Ölpumpe 33 – und damit
die Öldurchsatzmenge – ist mit
der Steuer-/Regelungseinrichtung 9 über den Frequenzumformer 55 steuerbar beziehungsweise
regelbar.
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In
der Druckluftleitung 31 ist zwischen dem Druckregler 37 und
der Zweistoffdüse 5 ein
Druckluftsensor 57 zur Erfassung des Druckes und damit
auch der Druckluft-Durchsatzmenge
angeordnet. Der Druckluftsensor 57 ist über eine Druckluftsignalleitung 59 mit
der Steuer-/Regelungseinrichtung 9 verbunden.
Von dieser führt
eine Druckluft-Steuerleitung 61 zu dem Druckregler 37, über die
dieser – und
damit der Druck der Druckluft in der Druckluftleitung 31 – mit der
Steuer-/Regelungseinrichtung 9 steuerbar beziehungsweise
regelbar ist.
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Darüber hinaus
ist in der Brennkammer 15, in der Figur rechts oben, ein
Brennkammer-Temperatursensor 63 angeordnet, mit dem die
aktuelle Brennkammer-Temperatur erfassbar ist. Der Brennkammer-Temperatursensor 63 ist
zur Übermittlung
der Brennkammer-Temperatur über
eine Brennkammer-Temperatur-Signalleitung 65 mit der Steuer-/Regelungseinrichtung 9 verbunden.
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Die
elektronische Steuer-/Regelungseinrichtung 9 realisiert
in Verbindung mit dem Öl-Durchsatzsensor 49,
der Ölpumpe 33,
dem Druckluftsensor 57, dem Druckregler 37 und
dem Brennkammer-Temperatursensor 63 eine Verbundregelung
für das Öl-Druckluft-Mengenverhältnis. Die
Mengenverhältnisse
zwischen dem Heizöl
EL und der Druckluft werden abhängig
von der Brennkammer-Temperatur in der Steuer-/Regelungseinrichtung 9 optimal
aufeinander abgestimmt, so dass ein Regelbereich für die Brennerleistung
mit ein und derselben Zweistoffdüse 5 größer als
1:10 erreicht wird. Die Brennerleistung ist stufenlos regelbar.
Eine Änderung
der Brennerleistung erfolgt durch entsprechende Ansteuerung der Ölpumpe 33 und/oder
des Druckreglers 37. Die Brennervorrichtung 1 kann
für Verbrennungsluft 3 verwendet
werden, die bis 600°C
vorerwärmt
ist.
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Zur
Bedienung der Brennervorrichtung 1 und zur Signalausgabe
ist die Steuer-/Regelungseinrichtung 9 über nicht dargestellte Betätigungs-
und Signalleitungen mit einer nicht gezeigten Betätigungs-/Anzeigeeinheit
verbunden.
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Durch
die Stirnplatte 27 des Brennergehäuses 7, in Figur unterhalb
der Zweistoffdüse 5,
führt darüber hinaus
eine stabförmige
Zündkerze 66.
Der Zündbereich
der Zündkerze 66 befindet
sich nahe den Einzelbohrungen 43 der Zweistoffdüse 5.
Die Zündkerze 66 ist
an ihrem dem Zündbereich
abgewandten Ende außerhalb
des Brennergehäuses 7 über eine
Zündleitung 67 steuerbar
mit der Steuer-/Regelungseinrichtung 9 verbunden.
Zur Zündung der
Brennervorrichtung 1 wird die Zündkerze 66 mit der
Steuer-/Regelungseinrichtung 9 entsprechend angesteuert.
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Ferner
weist die Brennervorrichtung 1 eine Flammenüberwachungseinheit
auf. Die Flammenüberwachungseinheit
umfasst einen Infrarot-Sensor 69 welcher ebenfalls durch
die Stirnplatte 27 des Brennergehäuses 7 hindurch führt und
auf die Flammenöffnung 23 des
Drallschaufel-Gehäuses 13 gerichtet
ist. Der Infrarot-Sensor 69 ist außerhalb des Brennergehäuses 7 über eine
IR-Sensorleitung 71 mit der Steuer-/Regelungseinrichtung 9 verbunden. Mit
dem Infrarot-Sensor 69 wird charakteristische Wärmestrahlung
von den Einzelflammen 45 erfasst und über die IR-Sensorleitung 71 an
die Steuer-/Regelungseinrichtung 9 übermittelt. Erfasst der Infrarot-Sensor 69 keine
charakteristische Wärmestrahlung,
so erkennt die Steuer-/Regelungseinrichtung 9 daraus, dass
die Einzelflammen 45 erloschen sind. Die Steuer-/Regelungseinrichtung 9 gibt
dann ein Warnsignal an die etwaige Betätigungs-/Anzeigeeinheit aus.
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Die
Steuer-/Regelungseinrichtung 9 vereinigt so einen Feuerungsautomaten,
eine Flammenüberwachung,
einen Temperaturregler und einen Temperaturwächter in einer Einheit.
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Die
Brennervorrichtung 1 kann statt in Verbindung mit einer
TNV oder RNV auch bei einer andersartigen Nachverbrennungsanlage
verwendet werden.
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Die
Brennervorrichtung 1 ist nicht beschränkt auf die Verwendung von
Heizöl
EL. Vielmehr kann auch ein anderer flüssiger, vorzugsweise leichtflüssiger,
Brennstoff, beispielsweise Heizöl
mit einer anderen Spezifikation, Dieselöl oder ein pflanzliches Öl, verbrannt
werden.
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Die
Brennervorrichtung 1 kann auch mehr als eine Zweistoffdüse 5 haben.
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Anstelle
von Druckluft kann auch ein anderes sauerstoffhaltiges Druckfluid,
beispielsweise auch ein brennbare Gase und Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch,
verwendet werden.
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Statt
Verbrennungsluft 3 kann auch ein anderes Verbrennungsfluid,
beispielsweise flüssige
oder gasförmige
Schadstoffe, nachverbrannt werden, bevorzugt in einer weiteren Zweistoff-Düse, wie
oben beschrieben.
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Anstelle
der Drallschaufeln 47 im Drallschaufel-Gehäuse 13 in
Verbindung mit den Einzelbohrungen 43 kann auch eine andersartige
Mischeinrichtung vorgesehen sein.
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Die
Einzelbohrungen 43 können
statt seitlich auch an der Stirnseite der Zweistoffdüse 5 angeordnet
sein. Es können
auch seitlich und an der Stirnseite Einzelbohrungen 43 vorgesehen
sein. Die Zweistoffdüse 5 kann
auch nur eine einzige Bohrung aufweisen.
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Statt
der Zweistoffdüse 5 kann
auch eine andere Düse
mit variabler Druckluft-Zerstäubung
und einer Mischeinrichtung für
den Brennstoff mit einem Verbrennungsfluid, insbesondere Verbrennungsluft 3,
eingesetzt werden.
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Zusätzlich oder
anstelle des Öl-Durchsatzsensors 49 und/oder
des Brennkammer-Temperatursensor 63 kann auch ein andersartiger
Sensor zur Erfassung einer anderen Betriebskenngröße, beispielsweise
ein O2-Sensor, ein CO-Sensor oder ein NOx-Sensor
vorgesehen sein.
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Statt
oder zusätzlich
zu der Flammenüberwachungseinheit
mit dem Infrarot-Sensor 69 kann auch ein andersartiger
Feuerwächter,
beispielsweise ein UV-Flammenüberwachungseinheit
und/oder ein Ionisations-Flammenüberwachungseinheit,
verwendet werden.
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Auf
die Zündkerze 66 kann
auch verzichtet werden. Statt dessen kann ein anderes Zündmittel, beispielsweise
eine Gas-Pilotflamme, eingesetzt werden. Die Steuerung des Zündmittels
kann auch manuell erfolgen, in diesem Fall ist eine funktionelle Verbindung
zur Steuer-/Regelungseinrichtung 9 nicht erforderlich.
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Die
Brennervorrichtung 1 kann auch so ausgestaltet sein, dass
ihre Brennerleistung über
einen Regelbereich von weniger als 1:10 regelbar ist.
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Die
Brennereinrichtung 1 kann auch als Kombibrenner mit einer
zusätzlichen
Gaslanze ausgestattet sein. Ein Betrieb ist dann mit Heizöl und/oder
Erdgas möglich.