DE19509219C2

DE19509219C2 - Verfahren, bzw. Brennerkopf zum Verbrennen von Brenngas

Info

Publication number: DE19509219C2
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: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2015-03-18
Also published as: DE19509219A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum zweistufigen Verbrennen von Brenngas in einem Heizgerät nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. von einem Brennerkopf für Gebläsegasbrenner nach der Gattung des Anspruchs 5.

Eines der in der Feuerungstechnik moderner Heizungsanlagen bestehendes Problem sind die bei hoher Verbrennungstemperatur entstehenden Stickoxyde (NO_x), weshalb über die verschiedensten Verfahren und Einrichtungen bereits vorgeschlagen wurde, durch Schichtung der Zuführung der Gase bzw. durch Rückführen von Abgas in die Flamme eine niedrigere Verbrennungstemperatur und damit Senkung der Stickoxyde zu erzielen, ohne dadurch eine schlechtere Verbrennung mit sonstigen giftigen Bestandteilen im Abgas, wie beispielsweise CH_x 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 weiterhin die hohen Temperaturen aufweist, so dass bestenfalls in bezug auf Stickoxydreduzierung ein Mittelwert erzielbar ist.

Bei wieder einem anderen bekannten 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 mehr 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.

Bei wieder einem anderen Verfahren, jedoch der gattungsgemäßen Art (DE-OS 38 30 038) wird in einer ersten Ebene ein überstychometrisches Verbrennungsluft-/Brenngasgemisch gebildet, wobei allerdings der Flamme Inertgas zugeführt wird, während in der zweiten Stufe das zu verbrennende Brenngas in einer innerhalb der Flamme angeordneten Lanze so erwärmt wird, dass es eigenkarboriert mit Spaltung des Erdgases bei Temperaturen von 600-650°C, wodurch statt der üblichen blauen Flamme eine Gelbflamme mit einem höheren Strahlungsanteil entsteht. Der Sekundäranteil bewirkt dann die vollständige Verbrennung des Gases. Um die Verbrennungstemperatur abzusenken, wird über die gesamte innerhalb des Brennrohres strömende Flamme, radial von außen Enertgas zugeführt, wobei das Enertgas nicht direkt auf das Brenngas trifft, sondern lediglich radial auf die Flamme und um diese einen Kühlmantel bildet. Nachteilig hierbei ist, dass die Eigenkarborierung in beiden Verbrennungsstufen nahezu unkontrollierbar ist, da das Enertgas nur Kühlfunktion hat und keinen erkennbaren Einfluss auf die tatsächliche Verbrennung, insbesondere in der zweiten Ebene, in welcher bei diesem bekannten Verfahren ein ohnehin unterstychometrisches, also mageres Gasluftgemisch, besteht. Dieser Nachteil wird noch verstärkt, wenn sich zwischen den beiden Ebenen ein Strömungsstau einstellen sollte.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kontrollierte und vollständige Verbrennung des Brenngases bei Vermeidung von NO_x zu erzielen.

Der erfindungsgemäße Brennerkopf mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des Anspruchs 5 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Abstufung der Zuführung des Brenngases bei der ersten Stufe oder Ebene eine Verbrennung mit Luftüberschuß, jedoch niederem NO_X erzielt wird, während bei der zweiten Stufe oder zweiten Ebene eine Verbrennung unter Luftmangel stattfindet mit weitere verkleinertem NO_X. Durch die Mischung von rezirkuliertem Abgas und Brenngasen entsteht in der zweiten Ebene ein unterstychometrisches Gemisch, welches dann erst mit der fetten Flamme der ersten Stufe, die vollständige Verbrennung bewirkt. Endgültig entspricht somit diese Einstellung einer stychometrischen Verbrennung, also einer vollständigen Kohlenstoffoxidation und dies bei niedrigem NO_X.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist zwischen den beiden Ebenen ein Strömungsstau vorhanden, wobei durch den Strömungsstau das Gemisch aus Abgas und Brenngas in der zweiten Ebene in die Flamme hineingezogen wird.

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 werden in dem Brennraum rezirkulierte Abgase im Bereich der zweiten Brenngasdüsen der Flamme zugeführt, insbesondere in den Bereich der Flammenwurzel der zweiten Ebene. 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 vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung verläuft die zweite Ebene unmittelbar stromab des Mundstücks, 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 in der zweiten Ebene 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 mit anderen Durchgangsquerschnitten 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 ist.

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.

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 Brennerkopfes 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.

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. der 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 1 zwischen Verbrennungsluft und Brenngas (Abszisse) der jeweilige Anteil an Stickoxyden NO_X (Ordinate) aufgetragen. Bei Luftzahl 1 = 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 1 = 1, also nahe dem sogenannten stichiometrischen Gemisch bei D auch der NO_X-Anteil im Abgas am höchsten. Um die Stickoxyde auf andere Weise zu binden und um zu vermeiden, daß eine derart hohe Anzahl von NO_X-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 NO_X-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 NO_X-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 1 über 2, also erheblichem Verbrennungsluftüberschuß, aber durch das Mundstück 2 gestaut, so dass der NO_X-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 NO_X-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.

Bezugszahlenliste

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
A erste Mischebene
B zweite Mischebene
C Abgase

Claims

1. Verfahren zum zweistufigen Verbrennen von Brenngas in einem Heizgerät unter Zuführung von Verbrennungsluft und zur Stickoxidreduzierung von Inertgas, wobei das Brenngas in bezug auf die Verbrennungsluft in zwei in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden Ebenen eingeblasen wird, mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluft-Brenngasgemisch in der stromauf der Flamme bei der Flammenwurzel liegenden ersten Ebene und mit ergänzender Brenngaszufuhr in der zweiten Ebene, dadurch gekennzeichnet,
dass als Inertgas rezirkuliertes Abgas des Heizgerätes dient,
dass das Abgas in der zweiten Ebene zugeführt wird und
dass mindestens ein Teil der in der zweiten Ebene eingeblasenen Brenngase mit dem rezirkulierenden Abgas ein unterstöchiometrisches Gemisch bildet, bevor dieses in die Flamme eingeleitet wird.

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

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Strömungsstau das Gemisch aus Abgas und Brenngas in der zweiten Ebene in die Flamme hineingezogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas vor Eintritt in die Flamme 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 bis 4,
mit einem in einen Brennraum mündenden 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),
mit mehreren in einer ersten quer zur Strömungsrichtung und stromauf des Mundstücks (2) verlaufenden Ebene (A) angeordneten, in das Brennrohr (1) mündenden ersten Brenngasdüsen (18, 19) und
mit mehreren in einer zweiten quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Ebene (B) angeordneten mehreren zweiten Brenngasdüsen (6) für die Beimischung einer gezielten zusätzlichen Brenngasmenge,
dadurch gekennzeichnet,
dass die der Verbrennungsluftzuführung und -aufteilung dienende Einrichtung (3) im Bereich der ersten Ebene der Verteilung der Verbrennungsluft dienende Öffnungen (11, 12) aufweist,
dass die zweite Ebene (B) stromab des Mundstücks (2) angeordnet ist,
dass das Mundstück (2) des Brennrohres (1) eine zwischen den beiden Ebenen (A, B) radial und quer zur Strömungsrichtung der Flamme verlaufende und einen Strömungsstau bewirkende Blechteile mit entsprechenden Durchgangsöffnungen (4) aufweist und
dass der Flamme aus dem Brennraum rezirkulierende Abgase zugeführt werden.

6. Brennerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Brennraum rezirkulierten Abgase im Bereich der zweiten Ebene (B) bzw. der zweiten Brenngasdüsen (6) zugeführt werden.

7. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ebene (B) unmittelbar stromab des Mundstücks (2) verläuft.

8. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngasdüsen in der zweiten Mischebene (B) an Injektorträgern (5) angeordnet sind und mindestens in der ersten Ebene (A) quer zur Strömungsrichtung gerichtet sind.

9. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 8, 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.

10. Brennerkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden relativ zueinander verdrehbaren Teile (13, 14) je mit Angriffsflächen (16) (Sechskant) für ein Werkzeug versehen sind.

11. Brennerkopf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (13, 14) miteinander und insgesamt an die Einrichtung (3) verschraubbar sind.

12. Brennerkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubung aus einem konischen Gewinde besteht.