DE19509219A1

DE19509219A1 - Verfahren zum Verbrennen von Brenngas

Info

Publication number: DE19509219A1
Application number: DE1995109219
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dreizler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2015-03-18
Also published as: DE19509219C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Verbrennen von Brenngas in einem Heizgerät nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. von einem Brennerkopf für Gebläsegasbrenner nach der Gattung des Anspruchs 4.

Eines der in der Feuerungstechnik moderner Heizungsanlagen bestehendes Problem sind die bei großer Verbrennungstemperatur entstehenden Stickoxyde (NOX), weshalb über die verschiedensten Verfahren und Einrichtungen bereits vorgeschlagen wurde, durch Schichtung der Zuführung der Gase bzw. durch Rückführen von Abgas eine niedrigere Verbrennungstemperatur und damit Senkung der Stickoxyde zu erzielen, ohne dadurch eine schlechtere Verbrennung mit sonstigen giftigen Bestandteilen im Abgas, wie beispielsweise CHX oder Co zu erhalten. Die modernen Feuerungsanlagen sind deshalb mit sehr fein aufeinander abgestimmten die Verbrennung beeinflussenden Teilen ausgestattet.

Bei einem bekannten Brennerkopf (DE-OS 40 02 237) ist koaxial zueinander in einem Brennrohr zentral ein rückgeführte Abgase zuführendes Rohr und als Ringrohr ein Brenngas zuführendes Rohr vorgesehen, das etwas kürzer ist als ersteres, wodurch das Abgas unmittelbar in den Kern der Flamme geführt wird und diese so weit abkühlen kann, daß eine Reduzierung der Stickoxyde entsteht. Außerdem wird das Abgasrückführungsrohr dabei aufgeheizt und kann diese Wärmeenergie an die dieses Rohr umströmende Verbrennungsluft abgeben.

Bei einem anderen bekannten Brennerkopf (DE-OS 43 04 057) wird zur Reduzierung der Stickoxyde, aber vor allem auch zur Reduzierung der Stickoxydbildung der Brennerflamme im Bereich der Flammenwurzel Abgas rezirkulierend zugeführt, wobei die Abgase durch eine Venturi-Wirkung angetrieben werden und wobei die Abgase möglichst dem Flammenkern zugeführt werden sollen. Während im äußeren Flammenbereich die Temperaturen verhältnismäßig hoch bleiben, so daß eine vollständige Verbrennung erfolgt, führt dieses bekannte Verfahren zu einer Senkung der Verbrennungstemperatur im Flammenkern.

In beiden bekannten Verfahren und Vorrichtungen erfolgt eine Rückführung des Abgases über extra Kanäle, die besonders im ersten Fall unmittelbar mit dem Brennerkopf verbunden sind bzw. durch diesen hindurchgeführt werden. Zudem werden in beiden Fällen im Außenbereich der Flamme hohe Temperaturen erzeugt, so daß die Stickoxydreduzierung tatsächlich nur im Kern der Flamme erfolgen kann, der mangels ausreichender Sauerstoffzuführung ohnehin kühler bleibt, während der stets mit ausreichend Sauerstoff versorgte Außenbereich die hohen Temperaturen aufweist, so daß bestenfalls in bezug auf Stickoxydreduzierung ein Mittelwert erzielbar ist.

Bei einem weiteren bekannten gattungsgemäßen Brennerkopf (DE-OS 39 20 078) wird innerhalb des Brennerkopfes durch ein entsprechend gestaltetes Mundstück ein Strömungsstau erzielt, so daß in diesem Wurzelbereich der Flamme, nämlich stromauf des Mundstücks sich keine hohen Temperaturen entwickeln können und wobei stromab des Mundstückes die rezirkulierten Abgase in die Flamme geleitet werden, um diese in diesem normalerweise Hochtemperaturbereich so abzukühlen, daß keine hohen NOX-Werte entstehen können. Außerdem bewirkt der Stau einer Reduzierung der CO-Werte.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Der erfindungsgemäße Brennerkopf mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des Anspruchs 4 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Abstufung der Zuführung des Brenngases bei der ersten Stufe oder Ebene eine Verbrennung mit Luftüberschuß, jedoch niederem NOX erzielt, während bei der zweiten Stufe oder zweiten Ebene eine Verbrennung unter Luftmangel stattfindet mit weitere verkleinertem NOX. Endgültig ist die Einstellung so vorzunehmen, daß die Verbrennung einer stychometrischen Verbrennung entspricht, also vollständiger Kohlenstoffoxidation, allerdings bei niedrigem NOX.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird in der zweiten Ebene insbesondere rezirkuliertes Abgas zugemischt. Durch das Hinzuführen von Abgas in die zweite Ebene erfolgt zudem eine Kühlung der Flamme in der zweiten Stufe. Durch entsprechendes Richten der Austrittsströme von Brenngas bzw. Frischluft, sowie durch Mischung bzw. Weiterleitung derselben kann die Rezirkulation des Abgases im und aus dem Brennraum erfolgen. Bei dieser Rezirkulation wird vor allem der Außenbereich der Flamme, der besonders heiß ist, gekühlt mit den oben genannten Vorteilen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens werden die Brenngase in der zweiten Ebene radial nach außen in rezirkulierende Abgase hineingeblasen. Hierdurch wird das Brenngas "verdünnt", so daß von Hause aus keine so heißen Flammen entstehen können, abgesehen davon, daß durch die Temperatur des rezirkulierenden Abgases das Brenngas-/Abgas-Gasgemisch eine höhere Temperatur aufweist und damit eine Reduzierung der Kohlenmonoxide beim Verbrennen erzielt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Brennerkopfes sind die zweiten Brenngasdüsen in einer zweiten quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Ebene angeordnet, wobei die Düsenrichtung im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Feuerung verlaufen. Hierdurch ist eine besonders gute Durchmischung von Restgasen aus der ersten Verbrennungsstufe, sowie der Flamme der ersten Stufe und nicht zuletzt der rezirkulierten Abgase erzielbar. Außerdem wird ein Abreißen der Flamme vom Brennerkopf unterbunden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden in dem Brennraum rezirkulierte Abgase im Bereich der zweiten Brenngasdüsen der Flamme zugeführt, insbesondere in dem Bereich der Flammenwurzel der zweiten Ebene mit den oben genannten Vorteilen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Ebene unmittelbar stromab des Mundstücks angeordnet, um die dort am stärksten vorhandene Venturi- Wirkung von Gasen und Flamme in bezug auf rezirkulierendem Abgas zu nutzen. Außerdem ist die Effizienz der Mischung dort am stärksten.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Brenngasdüsen an Injektorträgern angeordnet und mindestens in der ersten Ebene quer zur Strömungsrichtung gerichtet. Hierdurch können bei Bedarf Injektorträger mit Brenngasdüsen ausgewechselt werden, beispielsweise gegen solche anderen Durchgangsquerschnitts oder anderer Düsenform. So können pro Injektorträger mehrere Düsen in einer Ebene oder auch hintereinander angeordnet sein. So kann beispielsweise der Winkel zwischen zwei an einem Injektorträger vorgesehenen Brenngasdüsen unterschiedlich gewählt sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Injektorträger röhrchenförmig ausgebildet und zweiteilig, so daß an einem Injektorträger zwei in den beiden Ebenen abblasende Brenngasdüsen vorhanden sind, deren Ausblasrichtung unterschiedlich einstellbar sind. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Injektorträger mit Angriffsflächen (Sechskant) für ein Werkzeug ausgestattet, wobei zwei Injektorträgern entsprechend jedes derselben diese Angriffsflächen aufweist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Injektorträger miteinander verschraubt und in die Einrichtung für die Brenngaszuführung einschraubbar.

Nach einer weiteren vorteilhaften diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Gewinde konisch ausgebildet, um ohne zusätzliche Dichtmittel auszukommen und die Brenngasdüsen in jede beliebige Richtung einsteckbar zu machen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Varianten dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Ausgangsteil eines Brennkopfes im Längsschnitt gemäß der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 eine Ansicht gemäß dem Pfeil II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 den Brennerring aus Fig. 1 mit Teilschnitten und nach Ansicht gemäß Pfeil IV in Fig. 5,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Brennerring gemäß der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine Explosionsdarstellung eines Injektorträgers mit Düsen,

Fig. 7 ein Funktionsdiagramm und

Fig. 8 eine Variante eines Brennerkopfes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Fig. 1-6 ist ein Brennerkopf dargestellt mit einem Brennrohr 1, einem Mundstück 2 des Brennrohres, einer der Brenngaszuführung und -aufteilung dienenden Einrichtung 3, durch die auch die Verbrennungsluft zugeführt und aufgeteilt wird und mit im Mundstück 2 vorhandenen Öffnungen 4, sowie Injektorträgern 5, an denen die Brenngasdüsen 6 angeordnet sind.

Das Brenngas selbst wird über einen nicht dargestellten Brennerstock zugeführt und über eine Verteilereinrichtung 7 einem Verteilerraum 8 zugeführt, der durch einen Brennerring 9 und eine Brennerplatte 10 (Fig. 4 und 5) abgedeckt ist.

Zwischen der Einrichtung 3 bzw. dem Brennerring 9 und dem Brennerrohr 1 sind Durchgänge 11 für die Verbrennungsluft durchgesehen, die durch nicht dargestellte Mittel unter Gebläsedruck in das Brennerrohr 1 bevorzugt bereits verwirbelt geleitet wird, um dann über die Durchgänge 11 in Richtung Mundstück 2 geleitet zu werden. Außerdem sind in dem Brennerring 9 auch Bohrungen 12 für den Durchgang von Verbrennungsluft vorhanden.

Die Injektorträger 5 bestehen aus zwei Teilen, nämlich einem Injektornippel 13 und einem Injektorendstück 14 (Fig. 6). Der Injektornippel 13 ist durch ein entsprechendes Gewinde in eine Gewindebohrung 15 den Brennerring 9 geschraubt. Auch der Injektornippel 13 und das Injektorstück 14 sind miteinander verschraubt. Diese Verschraubung kann entweder über Dichtmittel abgedichtet werden, oder sie kann konisch ausgebildet sein um damit ein sich Selbstlösen und Verstellen der Teile zueinander zu unterbinden. An der Mantelfläche des Injektornippels 13, sowie des Injektorendstücks 14 sind Abflachungen 16 vorhanden, die im Querschnitt beispielsweise einen Sechskant bilden und dem Eingriff eines Schraubwerkzeugs dienen. An dem Justierendstück 14 sind zwei hintereinander angeordnete Brenngasdüsen 6 vorhanden. Bei Bedarf können zusätzlich Düsen auch im Injektornippel 13 vorgesehen werden.

Erfindungsgemäß werden zwei Verbrennungsstufen angestrebt, was durch zwei Mischebenen A und B für Brenngas und Verbrennungsluft erzielt werden soll, von denen die erste Mischebene A unmittelbar stromab der Brennerring 9 und die zweite Mischebene B unmittelbar stromab des Mundstücks 2 verlaufen.

Zur Brenngaszuführung zu der ersten Mischebene A sind im Brennerring 9 Radialdüsen 18 und 19 vorhanden, von denen die Radialdüsen 18 größeren Querschnittes das Brenngas zu den Ausgängen der Durchgänge 11 hin leitet, während die Radialdüsen 19 kleineren Querschnitts in Richtung zu den Ausgängen der Bohrungen 12 gerichtet sind, durch welche entsprechend weniger Verbrennungsluft strömt.

Die Funktion des erfinderischen Brennerkopfes wird unter Hinzuziehung des Funktionsdiagramms in Fig. 7 beschrieben. In diesem Diagramm ist über dem Mischungsverhältnis x zwischen Verbrennungsluft und Brenngas (Abszisse) der jeweilige Anteil an Stickoxyden NOX (Ordinate) aufgetragen. Bei Luftzahl X = 1 ist soviel Sauerstoff vorhanden, daß sämtliche Kohlenstoffe oxidiert werden, d. h. es kann theoretisch eine vollständige Verbrennung stattfinden. Wie dem Diagramm entnehmbar ist, ist gerade bei X = 1, also nahe dem sogenannten stichiometrischen Gemisch bei D auch der NOX- Anteil im Abgas am höchsten. Um die Stickoxyde auf andere Weise zu binden und um zu vermeiden, daß eine derart hohe Anzahl von NOX-Molekülen entstehen, werden bekanntlich verschiedene Methoden eingesetzt, beispielsweise die Zuleitung von Abgas in die Flamme oder das Brenngas- /Verbrennungsluftgemisch, um einerseits die sehr hohe Verbrennungstemperatur die zur Bildung von NOX-Molekülen erforderlich ist zu senken, oder um andererseits dadurch eine Verbrennungsverzögerung zu erzielen, die ebenfalls eine Reduzierung der Temperatur zur Folge hat. Ein anderes Mittel zur NOX-Reduzierung ist die sogenannte Schichtung bei der
Verbrennung, d. h. daß der Sauerstoff über die Verbrennungsdauer nur in der Menge zugeführt wird, wie sie zur Aufrechterhaltung einer vernünftigen Verbrennung erforderlich erscheint. Beide Verfahren sind für sich gesehen schwer zu beherrschen, wobei das Problem besteht, daß durch diese Verfahren Kohlenmonoxyde verbleiben oder Kohlenwasserstoffe in einem unzulässigen Maß im Abgas vorhanden sind, d. h. daß der feuerungstechnische Wirkungsgrad verhältnismäßig schlecht ist.

Bei der Erfindung erfolgt die Verbrennung in zwei Stufen, wobei zwischen die beiden Stufen eine Staueinrichtung in Form des Mundstücks 2 angeordnet ist. In der Mischebene A erfolgt, wie Fig. 7 entnehmbar ist, eine Brenngas- /Verbrennungsluftmischung mit X über 2, also erheblichem Verbrennungsluftüberschuß, aber durch das Mundstück 2 gestaut, so daß der NOX-Anteil verhältnismäßig gering ist. Nachdem die Flammen dieser ersten Stufe und die teilweise verbrannten Gasmischungen die Öffnungen 4 des Mundstücks 2 durchdrungen haben; werden sie neuerlich über die Düsen 6 mit frischem Brenngas versehen, was in der Mischebene B erfolgt, wodurch bei dieser zweiten Verbrennungsstufe die wiederum mit Sauerstoffmangel arbeitet, der im Gemisch vorhandene Restsauerstoff für die Verbrennung der neu zugeführten Brenngase verbraucht wird. Diese Verbrennung wiederum weist einen NOX-Anteil auf, der noch niedriger ist. Zudem werden im Brennraum vorhandene Abgasmengen C von der in Strömungsrichtung der Flamme gegebenen Venturi- Wirkung mitgerissen, also rezirkuliert, wodurch insbesondere im Randbereich der Flamme eine gewisse Abkühlung und vor allem aber eine Verlangsamung des Verbrennungsvorgangs erzielbar ist. Wie in Fig. 1 ersichtlich, sind die Düsen 6 entgegen der Strömungsrichtung des rezirkulierten Abgases C gerichtet, so daß hier eine intensive Vermischung von Brenngas und Abgas in dieser zweiten Mischebene B erfolgt. Zu der Stabilität der Flamme trägt natürlich auch die Form der Öffnungen 4 bei, wobei die Form im Bereich der Injektorträger 5 tropfenförmig ist, hingegen im Zentrum des Mundstücks kreisförmig.

Bei der in Fig. 8 gezeigten zweiten Variante der Erfindung sind der Einfachheit halber die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszahlen versehen, unterschieden lediglich durch einen Indexstrich. Im Unterschied zu der bereits beschriebenen Variante wird hier das Brenngas für die zweite Stufe durch Injektorträger 5′ der zweiten Mischebene B zugeführt, welche bereits stromauf des Brennerrings 9′ vom Verteilerraum 8′ radial abzweigen und außerhalb des Brennrohres 1′ zur zweiten Mischebene B geführt werden. Die Brenngasdüsen 6′ für diese zweite Mischebene B an den Injektorträgern 5′ weisen somit radial nach innen zur Flamme hin, wodurch auch die rezirkulierten Abgase C venturiartig durch das Brenngas und die Brennflamme mitgerissen werden. Die Mischqualität ist somit eine andere wie bei der ersten Variante. Die Vermischung von Brenngas und Verbrennungsluft in der ersten Vermischungsebene A erfolgt entsprechend wie bei der ersten Variante.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und in der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Brennrohr
2 Mundstück
3 Einrichtung
4 Öffnungen
5 Injektorträger
6 Brenngasdüsen
7 Verteilereinrichtung
8 Verteilerraum
9 Brennerring
10 Brennerplatte
11 Durchgänge
12 Bohrungen
13 Injektornippel
14 Injektorendstück
15 Gewindebohrung
16 Abflachung
17 Düsen
18 Radialdüsen
19 Radialdüsen
20
A erste Mischebene
B zweite Mischebene
C Abgase.

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen von Brenngas in einem Heizgerät unter Zuführung von Verbrennungsluft und Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas in bezug auf die Verbrennungsluft in zwei in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden Ebenen eingeblasen, also in zwei Stufen verbrannt wird und daß in der stromauf der Flamme liegenden ersten Ebene ein überstichiometrisches Verbrennungsluft-/Brenngasgemisch besteht, hingegen in der stromab gelegenen zweiten Ebene ein unterstichiometrisches Gemisch besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete daß zwischen den beiden Ebenen ein Strömungsstau vorhanden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß in der zweiten Ebene insbesondere rezirkuliertes Abgas zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Ebene das Brenngas radial nach außen in die radial nach innen rezirkulierenden Abgase geblasen wird.

5. Brennerkopf für Gebläsegasbrenner, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4,

- mit einem Brennrohr (1), in welchem eine der Brenngaszuführung und -aufteilung, sowie der Verbrennungsluftzuführung und -aufteilung dienende Einrichtung (3) angeordnet ist,
- mit einem Mundstück (2) des Brennrohres (1), welches radial und quer zur Strömungsrichtung der Flamme verlaufende, einen Strömungsstau bewirkende Blechteile, sowie entsprechend vorhandene Öffnungen (4) aufweist,
- mit einer in weitgehend einer quer zur Strömungsrichtung und stromauf des Mundstücks (2) verlaufenden Ebene angeordneten Brenngasdüsen (18, 19) und
- mit im Bereich dieser Ebene der Verteilung der Verbrennungsluft dienenden Öffnungen (11, 12), dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Mundstücks (2) eine Anzahl zweiter Brenngasdüsen (6) für die Beimischung einer gezielten zusätzlichen Brenngasmenge in die vorhandene Flamme vorhanden sind.

6. Brennerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Brenngasdüsen in etwa einer zweiten quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Ebene B angeordnet sind.

7. Brennerkopf nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Brennraum rezirkulierte Abgase im Bereich der zweiten Brenngasdüsen (6) der Flamme zugeführt werden (Flammenwurzel der zweiten Verbrennungsebene).

8. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ebene B unmittelbar stromab des Mundstücks (2) verläuft.

9. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüsen in der zweiten Mischebene B an Injektorträgern angeordnet sind und mindestens in der ersten Ebene A quer zur Strömungsrichtung gerichtet sind.

10. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorträger (5) röhrchenförmig ausgebildet und zweiteilig sind, wobei die beiden Teile (Injektornippel 13 und Injektorendstück 14) relativ zueinander verdrehbar und insgesamt zu der sie tragenden Einrichtung (Brennerplatte 9) verdrehbar sind.

11. Brennerkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden relativ zueinander verdrehbaren Teile (13, 14) je mit Angriffsflächen (16) (Sechskant) für ein Werkzeug versehen sind.

12. Brennerrohr nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (13, 14) miteinander und insgesamt an die Einrichtung (3) verschraubbar sind.

13. Brennerkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschraubung aus einem konischen Gewinde besteht.