DE19531387A1 - Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe und Brenner zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen und einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein zur Durchführung eines solchens Verfahrens geeigneter Brenner gattungsbildender Art ist beispielsweise aus der DE 40 09 222 A1 bekannt.

Bei diesem Brenner wird dem in die Brennkammer zentral über die Zerstäuberdüse eingesprühten Brennstoff in einer Mischzone Verbrennungsluft über eine Anzahl von den Brennstoffdurchlaß der Blendenanordnung umgebenden Öffnungen aus der Vorkammer zugeführt. Wie die DE 42 38 529 A1 zeigt kann die Mischzone selbst sich innerhalb eines Mischrohres befinden. In diesem Fall bilden sich im Bereich des stromabwärtig gelegenen Mischrohrendes im Betrieb eine Flammenfront aus, von der heiße Gase außerhalb des Mischrohres zu einer Rezirkulationsöffnung am stromaufwärts gelegenen Ende des Mischrohres zurückströmen.

Bei den bekannten Brennern der gattungsbildenden Art ist weiterhin zur Einbringung von Rauchgasen aus dem Kesselraum in die Brennkammer das Brennrohr in dem der Blendenanordnung zugekehrten Bereich mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Öffnungen versehen. Durch die Zuführung der Verbrennungsluft in die Mischzone werden durch den dadurch erzeugten Unterdruck die Rauchgase aus dem Kesselraum angesaugt und der Mischzone zugeführt.

In dem man also im Kesselraum abgekühlte Rauchgase in den Verbrennungsluftstrom rezirkuliert, kann man die Verbrennungstemperatur bei Beibehaltung der nahstöchiometrischen Verbrennung am einfachsten absenken und so die Stickoxidemission mindern.

Insbesondere bei einem Brenner mit Mischrohr entstammen die rezirkulierenden Rauchgase sowohl einer internen Rezirkulationszone als auch aus dem Kesselraum in Form einer kalten Rezirkulation. Aufgrund des damit verbundenen geringeren Wärmerückflusses vom heißen Bereich des Brennrohres zur Brennstoffdüse wird die Nacherwärmung der Düse nach Brennschluß begrenzt und damit die Schadstoffemission reduziert. Zusätzlich wird die Erwärmung des Zuführrohres und der darin enthaltenen Bauteile begrenzt, so daß Probleme des Brenners vermieden werden, die mit einer starken Erhitzung dieser Teile verbunden sind.

Der Umfang einer derartigen Flammenkühlung hat jedoch Grenzen. Wenn die Flamme zu stark unterkühlt wird, verringert sich die Rekombination von CO zu CO₂, so daß die CO-Emission ansteigt. Zu niedrige Flammentemperaturen verschlechtern zudem die Flammenstabilität.

Im Falle eines Brenners mit Mischrohr kühlt eben das Mischrohr mit kälter werdenden Rezirkulationsgasen ebenfalls aus und die Ölverdampfung läuft immer schleppender. Wegen der kegelförmigen Verteilung des Düsenstrahls reichert sich bei langsam verlaufender Ölverdampfung das Gemisch in dem Strömungsbereich an, der in den Rezirkulationsbereich einbezogen wird.

Deshalb ist bereits der Versuch unternommen worden, eine Optimierung der Menge der aus dem Kesselraum ansaugbaren Rezirkulationsgasen vorzunehmen, in dem auch im Dauerbetrieb die wirksame Größe des zum Kesselraum hin offenen Rezirkulationsquerschnittes beispielsweise mittels Schieber wunschgemäß eingestellt werden kann. Sofern also die Temperatur der rezirkulierenden Rauchgase aus dem Kesselraum zu niedrig ist, ist es daher nötig, die aus dem Kesselraum angesaugte Abgasmenge zu verringern. Andererseits kann bei ausreichend hoher Abgastemperatur im Kesselraum die Rezirkulationsquote erhöht werden, wodurch sich aufgrund der oben bereits erwähnten Zusammenhänge besonders niedrige NO_x-Anteile erreichen lassen.

Eine derartige Gemischaufbereitung ermöglicht einen innerhalb vom Brennrohr ablaufenden Verbrennungsprozeß mit totaler Verbrennung. Allerdings reagiert ein gattungsbildender Brenner empfindlich auf Kesselraumeigenschaften wie Geometrie, Undichtheiten der Kesselanlage oder Überdimensionierung.

Aus der DE 42 37 086 A1 ist ein Vorschlag bekannt geworden, die Temperatur des Rezirkulationsgases aus dem Kesselraum in ausreichender Höhe zu halten. Dazu ist um das Brennrohr konzentrisch ein weiteres Rohr von größerem Durchmesser angeordnet, das mit seinem Innendurchmesser zusammen mit dem Außendurchmesser des Brennrohres einen Ringraum bildet, der stirnseitig geschlossen ist. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Injektionswirkung der Verbrennungsluft im Brennrohr über die umfangsseitig angeordneten Öffnungen im Brennrohr Rauchgas aus dem Kesselraum in die Mischzone des Brennrohres einströmen, wobei das abgekühlte rezirkulierende Rauchgas bei der Durchströmung des Ringraumes entlang des Außendurchmessers des Brennrohres aufgeheizt wird.

Jedoch haben Messungen gezeigt, daß bei einer derartigen Brennerkonfiguration Änderungen der wirksamen Größe des zum Kesselraum hin offenen Rezirkulationsquerschnittes, d. h. eine Verstellung der Öffnungsgröße, für die Beeinflussung der Rezirkulationstemperatur im Brennrohr im wesentlichen unwirksam bleiben.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art und einen Brenner zur Heißgaserzeugung zur Durchführung des Verfahrens derart zu verbessern, daß einerseits Einflüsse auch sehr unterschiedlicher Kesselraumgeometrien, sowie Undichtheiten der Kesselanlagen wirkungslos sind und dennoch eine Einflußnahme auf Rezirkulationstemperatur durch Unterdrückung oder Erhöhung der äußeren Rezirkulation von Rauchgasen verbleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Gemischaufbereitung verbessernden außerhalb des Brennrohres rezirkulierenden Rauchgase aus der Verbrennungszone des Brennrohres kommend vom Mündungsbereich des Brennrohres mittels eines außerhalb des Brennrohres angeordneten Rauchgasleiteinrichtung in die Mischzone innerhalb des Brennrohres rezirkuliert werden, wofür an der Außenseite des Brennrohrs des gattungsbildenden Brenners eine Rauchgasleiteinrichtung vom in Strömungsrichtung der Verbrennungszone folgenden Mündungsbereich des Brennrohres zu den am Umfang des Brennrohres verteilten Öffnungen, deren Wirkungsquerschnitt einstellbar ist, führend vorgesehen ist.

Mit diesen Maßnahmen werden die Nachteile der bekannten Anordnungen vollständig vermieden.

Dadurch daß die Vergasung des Brennstoffes in der Mischzone zwar wie bei bekannten, vorstehend beschriebenen Brennern ebenfalls durch Rezirkulation von Rauchgasen außerhalb des Brennrohres unterstützt wird, wird eine zusätzliche Reduktion der Stickoxidemission des Brenners sichergestellt und eine rußfreie Verbrennung mit hoher Effizienz erzielt. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden jedoch für diese Außenrezirkulationen nicht die Rauchgase aus dem Kesselraum oder der unmittelbaren Umgebung verwendet, sondern Gase aus der Verbrennungszone kommend vom Mündungsbereich des Brennrohres außen am Brennrohr zurück in die Mischzone innerhalb des Brennrohres geführt.

Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, daß insbesondere im Anfahrbetrieb die Brennerbauteile keine zu starke Abkühlung durch rezirkulierende Rauchgase in beispielsweise überdimensionierten Kesseln erfahren.

Vor allem haben Messungen bestätigt, daß durch Reduzierung, bzw. Erhöhung der äußeren Rezirkulationsmenge durch die umfangsseitigen Öffnungen des Brennrohres die Verbrennungstemperatur im Brennrohr gezielt verringert, bzw. erhöht werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung entnehmbar.

Nachstehend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Brenner, und

Fig. 2 einen weiteren Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Brenner.

Der in Fig. 1 zugrunde liegende Blaubrenner enthält in bekannter Weise ein Zuführrohr 1, das eine als Verbrennungsluft-Bereitstellungskammer fungierende Vorkammer 2 umfaßt, in der sich ein koaxial angeordnete, von einer Brennstoffpumpe (nicht gezeigt) mit Brennstoff, vorzugsweise Heizöl beaufschlagbare Zerstäuberdüse 3 befindet.

Am vorderen Ende des Zuführrohres 1 ist eine die Vorkammer 2 begrenzende Blendenanordnung 4 vorgesehen, die Blendenöffnungen 5 aufweist, über diese Brennstoff und Verbrennungsluft nach vorne austreten können.

Von der Blendenanordnung 4 steht nach vorne ein Mischrohr 6 ab, das über die Blendenöffnungen 5 mit Verbrennungsluft und Brennstoff beaufschlagt wird und die Mischzone 11 umfaßt. Das Mischrohr 6 wiederum ist von einem koaxialen Brennrohr 7 umgeben, das vom Zuführrohr 1 nach vorne absteht und eine die Verbrennungszone bildende Brennkammer 8 begrenzt.

Das Mischrohr 6 ist in bekannter Weise mittels Haltelaschen (nicht gezeigt) starr an der Blendenanordnung 4 befestigt, wobei die Haltelaschen als Distanzelemente für einen Rezirkulationsquerschnitt 9 fungieren. Zwischen dem hinteren Ende des Brennrohres 7 und dem benachbarten vorderen Ende des Zuführrohres 1 ist ebenfalls ein Rezirkulationsquerschnitt in Form von am Umfang des Brennrohres 7 verteilten Öffnungen 10 vorgesehen.

Um die weiter oben bereits genannte Erhöhung bzw. Absenkung der Rezirkulationsquote zu ermöglichen, ist die Breite des zum Kesselraum 12 hin offenen Rezirkulationsquerschnittes 10 z. B. mittels einer relativen Verstellung des Brennrohres 7 zum Stützrohr 1 einstellbar (nicht gezeigt).

Um das Brennrohr 7 ist konzentrisch unter Bildung eines Ringkanals 13 ein weiteres Mantelrohr 14 starr am Zuführrohr 1 befestigt angeordnet, so daß der Ringkanal 13 an der dem Zuführrohr 1 zugekehrten Stirnseite geschlossen ist und das Mantelrohr 14 den Mündungsbereich des Brennrohres 7 um die Länge L überdeckt.

Im vorliegenden Falle ist die Länge L des Überstandes des Mantelrohres 14 in vorteilhafter Weise so gewählt, daß der Flammkegel 15 aus dem Mündungsbereich des Brennrohres 7 die innere Mantelfläche 16 des Mantelrohres 14 erreicht. Diese Maßnahme bietet als besonderen Vorteil, daß ausschließlich nur Rauchgase aus dem Mündungsbereich des Brennrohres 7, nicht aber eventuell geringe Mengen von Rauchgas aus dem Kesselraum rezirkuliert werden.

Messungen der Rezirkulationstemperatur im Rezirkulationsbereich vor der Blende 4 in Abhängigkeit von der Rezirkulationsmenge durch die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 und der Länge L des Überstandes des Mantelrohres 14 haben gezeigt, daß bei einer Länge L von 15% bis 20% der Länge des Brennrohres 7 sich bereits eine deutliche Einflußnahme auf die Rezirkulationstemperatur einstellt, wenn die Rauchgasrezirkulationsmenge durch die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 unterdrückt oder erhöht wird, bei kürzerem Mantelrohr 14 ist diese Einflußnahme meßtechnisch kaum zu sehen.

Deshalb ist in besonders vorteilhafter Weise das Mantelrohr 14 um 15% bis 20% länger als das Brennrohr 7 auszubilden.

Dabei ist zu erwähnen, daß die Länge des Brennrohres 7 allgemein so gewählt ist, das ein vollständiger Ausbrand erreicht ist, insbesondere der Sauerstoffanteil weniger als 3% beträgt.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners gezeigt, der sich jedoch vom ersten Ausführungsbeispiel nur durch die Ausbildung der Rauchgasleiteinrichtung unterscheidet, so daß alle entsprechenden Teile auch die gleichen Bezugszeichen aufweisen.

Die Rauchgasleiteinrichtung 17, 18 ist hier in Form von mehreren parallel zur Brennrohrachse verlaufenden Röhren 17, die einerseits im Mündungsbereich des Brennrohres 7 Rauchgas aufnehmen und andererseits in einen die Öffnungen 10 des Brennrohres 7 umgebenden Sammelraum 18 münden, ausgebildet.

In zweckmäßiger Weise sind die Röhren 17 einerseits in Richtung des Mündungsbereiches des Brennrohres 7 abgewinkelt ausgeführt.

Für die Länge L des Überstandes der Röhren 17 über dem Mündungsbereich des Brennrohres 7 gilt das gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Vorstehend sind zwar zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, ohne daß jedoch hiermit eine Beschränkung verbunden sein soll.

Neben den Prozessen der Zerstäubung des Heizöls über die Zerstäuberdüse 3, der Verdampfung der Öltröpfchen und gleichförmigen Vermischung von verdampften Brennstoff und Verbrennungsluft in der Mischzone 11 und der Verbrennung des Ölgas-/Luftgemisches in einer strömungstechnisch definierten Verbrennungszone 8 werden aufgrund der Injektorwirkung der Verbrennungsluft über den Rezirkulationsquerschnitt 9 des Mischrohres 6 Verbrennungsprodukte aus dem Brennrohr 7 angesaugt und dem Mischrohr 6 zugeführt. Gleichzeitig werden über den Rezirkulationsquerschnitt 10 des Brennrohres 7 durch die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 oder 17, 18 Verbrennungsprodukte aus dem Mündungsbereich des Brennrohres 7 angesaugt und dem Brennrohr 7, bzw. dem Mischrohr 6 zugeführt. Aufgrund dieser Rezirkulation von Verbrennungsprodukten lassen sich der Sauerstoffpartialdruck und damit die Reaktionstemperaturen senken, wodurch der NO_x-Anteil der Abgase abgesenkt wird. Gleichzeitig liefern die rezirkulierenden Abgase die Energie, die zur Erzielung einer optimalen Gemischaufbereitung benötigt wird. Die Temperatur der Rauchgase, die über die Rauchgasleiteinrichtung 13, 14 oder 17, 18 angesaugt werden, ist, da diese im Gegensatz zu bisher bekannten Brennern nicht aus dem Kesselraum kommen, nie so niedrig, daß die Stabilität der Verbrennung gefährdet sein könnte. Andererseits kann bei ausreichend hoher Abgastemperatur die Rezirkulationsquote erhöht werden, wodurch sich aufgrund der oben bereits erwähnten Zusammenhänge besonders niedrige NO_x-Anteile erreichen lassen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe, bei dem der Brennstoff mittels einer Zerstäuberdüse (3) und unter Beimischung von Verbrennungsluft in einer Mischzone (11) innerhalb eines Brennrohres (7) verdampft wird, die Verbrennung des Brennstoffs-/Luftgemisches innerhalb des Brennrohres (7) in einer strömungstechnisch definierten Verbrennungszone (8) vorgenommen wird und die Gemischaufbereitung durch außerhalb des Brennrohres (7) rezirkulierende Rauchgase verbessert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gemischaufbereitung verbessernden Rauchgase aus der Verbrennungszone (8) kommend vom Mündungsbereich des Brennrohres (7) mittels einer außerhalb des Brennrohres (7) vorgesehenen Rauchgasleiteinrichtung (13, 14; 17, 18) in die Mischzone (11) innerhalb des Brennrohres (7) rezirkuliert werden.

2. Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rauchgasleiteinrichtung (13, 14) ein das komplette Brennrohr (7) unter Bildung eines im wesentlichen konzentrischen Ringkanals (13) umgebendes, den Mündungsbereich des Brennrohres (7) überdeckendes Mantelrohr (14) verwendet wird.

3. Verfahren zum Verbrennen insbesondere flüssiger Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rauchgasleiteinrichtung (17, 18) mehrere parallel zur Brennrohrachse verlaufende Röhren (17), die einerseits sich in den Mündungsbereich des Brennrohres (7) erstreckend und andererseits in einen Umfangsöffnungen (10) des Brennrohres (7) umgebenden Sammelraum (18) mündend ausgeführt sind, verwendet werden.

4. Brenner, insbesondere für flüssige Brennstoffe mit einer eine Blendenöffnung (5) aufweisenden Blendenanordnung (4), die eine vom Zuführungsrohr (1) begrenzte Vorkammer (2) und eine vom Brennrohr (7) begrenzte Brennkammer (8) voneinander trennt, mit einer in der Vorkammer (2) angeordneten Zerstäuberdüse (3), aus welcher ein Brennstoffstrahl austritt, der durch die Blendenöffnung (5) dem Brennraum (8) zuführbar ist und dem Verbrennungsluft zur stöchiometrischen Verbrennung in einer Mischzone (11) beimischbar ist, wobei die Gemischaufbereitung in der Mischzone (11) mittels durch am Umfang des Brennrohres (7) verteilten Öffnungen (10), deren Wirkungsquerschnitt einstellbar ist, rezirkulierenden Rauchgase verbesserbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Brennrohres (7) eine Rauchgasleiteinrichtung (13, 14; 17, 18) vom in Strömungsrichtung der Verbrennungszone (8) folgenden Mündungsbereich des Brennrohres (7) zu den am Umfang des Brennrohres (7) verteilten Öffnungen (10) führend vorgesehen ist.

5. Brenner, insbesondere für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennrohr (7) unter Bildung eines Ringkanals (13) im wesentlichen konzentrisch von einem Mantelrohr (14) umgeben ist, wobei der Ringkanal (13) an der dem Zuführrohr (1) zugekehrten Stirnseite geschlossen ist und das Mantelrohr (14) zumindest den Mündungsbereich des Brennrohres (7) um eine Länge (L) überdeckt.

6. Brenner, insbesondere für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (14) mindestens den Mündungsbereich des Brennrohres (7) um eine Länge (L), die ausreicht, daß der Flammenkegel (15) aus dem Mündungsbereich des Brennrohres (7) die innere Mantelfläche (16) des Mantelrohres (14) erreichen kann, überdeckt.

7. Brenner, insbesondere für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgasleiteinrichtung (17, 18) in Form von mehreren, im wesentlichen parallel zur Brennrohrachse verlaufende Röhre (17), die einerseits im Mündungsbereich des Brennrohres (7) Rauchgase aufnehmen und andererseits in einen die Öffnungen (10) des Brennrohres (7) umgebenden Sammelraum (18) münden, ausgebildet ist.

8. Brenner, insbesondere für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgasleiteinrichtung (13, 14; 17, 18) um eine Länge (L) von 15% bis 20% der Länge des Brennrohres (7) über den Mündungsbereich des Brennrohres (7) überstehend ausgeführt ist.

9. Brenner, insbesondere für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (17) einerseits in Richtung des Mündungsbereichs des Brennrohres (7) abgewinkelt ausgeführt sind.

10. Brenner, insbesondere für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennrohr (7) ein von der Blendenanordnung (4) nach vorne abstehendes, die Mischzone (11) umfassendes Mischrohr (6) umfaßt, das über die Blendenöffnung (5) mit Brennstoff und Luft und über die radiale Einströmquerschnitte (9) mit rezirkulierenden Rauchgasen beaufschlagbar ist.