DE19650973A1

DE19650973A1 - Start- und Betriebsweise einer schadstoffarmen, an porösen Körpern stabilisierten Verbrennung flüssiger Brennstoffe

Info

Publication number: DE19650973A1
Application number: DE19650973A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Ing Koehne; Heinz-Peter Gitzinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 1997-06-19

Description

Grundlage des Patents ist ein Brenner für flüssige Brennstoffe, mit einer zentralen Brennstofflanze, einer Luftzuführung, die mit einer Dralleinrichtung versehen sein kann, mit Zündelektroden, mit einem Flammenrohr und mit einem porösen Körper zur Stabilisierung einer großflächigen bzw. großvolumigen Flamme.

Ein ähnlicher Brenner ist bereits aus der DE 196 25 217 A1 der Anmelder bekannt. Die neu entwickelten Betriebsweisen sind jedoch auch grundsätzlich auf andere Brenner, die eine Vorheizung des Systems erfordern, anwendbar.

Der Brenner arbeitet in zwei Betriebszuständen. Der Zustand I, der Startmodus, entspricht der bekannten Form einer zum Beispiel durch ein Flammenrohr stabilisierten Verbrennung. Da dieser Betriebszustand nur zur Aufheizung des Systems auf die Mindest-Betriebstemperatur des Zustands II dient, und zeitlich kurz ausgelegt wird (weniger als eine Minute), kann dieser in Bezug auf ein betriebssicheres Startverhalten und weniger auf stickoxidmindernde Bedingungen ausgelegt werden. Die erst mit Anstieg der Brennertemperatur anwachsenden Stickoxidemissionen werden dann im Dauerbetrieb im Modus II auf einem geringen Niveau gehalten.

Die Innovation besteht in Einzelheiten der Betriebsweise, die es gestatten, diesen und ähnliche Brenner mit geringem Aufwand (Minimierung der notwendigen Brenneraggregate sowie der elektrischen Energie zur Versorgung der Aggregate) zu betreiben.

Umschaltung des Brenners in den Betriebszustand II

Zum Abbruch des Betriebszustands I (Startbetrieb) genügt es, die stabile Verbrennung des Brennstoffnebel-Luftgemischs kurzfristig zu unterbrechen. Dies geschieht zweckmäßig durch eine sehr kurze Unterbrechung der Ölzufuhr (Dauer wenige Sekunden). Nach dem Verlöschen der Flamme kann sich bei erneuter Ölzufuhr keine neue Flammenzone ausbilden, wenn die zur Zündung des (zündfähigen) Gemischs notwendige Zündenergie (Zündfunke) nicht zur Verfügung gestellt wird. Dazu darf an keiner Stelle des Bereiches der Mischung von Brennstoff und Luft die Zündtemperatur vorliegen. Im Bereich des Flammenrohres wird dann ein Öldampf-Luftgemisch erzeugt, das dem Bereich des porösen Körpers zugeführt werden kann.

Im Bereich des porösen Körpers kommt es zu einer Entzündung des Gemischs, wenn die Temperatur an mindestens einer Stelle genügend hoch liegt. Durch den Startbrenner kann der Bereich um das Flammenrohrende genügend stark aufgeheizt werden. Auf eine gesonderte Zündeinrichtung an dem porösen Körper kann verzichtet werden. Durch den relativ großflächigen Zündbereich an dem (teilweise glühenden) porösen Körper können die Startemissionen des Betriebsmodus II (Umschaltemissionen: Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid) der Verbrennung am porösen Körper im Vergleich zu punktuellen Zündquellen (Zündelektroden) niedrig gehalten werden.

Die Rauchgase des Startbrenners im Betriebszustand I können direkt durch den porösen Körper geleitet werden. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang der Gase an den aufzuheizenden Körper, so daß im Vergleich zu einer Vorbeiströmung der Gase eine Verkürzung der Startphase erreicht werden kann. Eine mechanische Versperrung einer zweiten Wegführung der Rauchgase des Startbetriebes entfällt damit ebenfalls.

Betriebszustand II

Durch eine geeignete Strömungsführung und Begrenzung der Temperatur kann die Selbstentzündung des zündfähigen Öldampf-Luft-Gemisches innerhalb des Brenners vermieden werden. Dadurch kann auf die Trennung des Luftstromes in einen Primär- und einen Sekundärluftstrom verzichtet werden, die eine Absenkung des Sauerstoffpartialdrucks in der Vormischkammer bewirkt und damit zur Unterdrückung der Selbstentzündung beitragen würde. Die Zufuhr inerter Rauchgase ist aus dem gleichen Grunde in der Vormischkammer nicht notwendig. Der Eintrag der erforderlichen Energie zur Verdunstung des Brennstoffs und zur Aufheizung der Verbrennungsluft kann auf anderem Wege - wie nachfolgend beschrieben - erfolgen.

Zufuhr der Verdunstungsenergie

Die Zufuhr der zur Verdunstung des Brennstoffs und zur Aufheizung der Verbrennungsluft notwendigen Energie kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Effizient kann eine Kombination der beschriebenen Wege sein.

Durch die Aufheizung der Luft auf eine Temperatur entsprechend dem Siedeende des verwendeten Brennstoffs (bei Heizöl ca. 400°C) wird die Rückkondensation von verdunstetem Brennstoff vermieden. Bei einer weiteren Aufheizung der Luft kann der Energiebedarf zur Verdunstung des Brennstoffs aus dem Luftstrom gedeckt werden. Die Erzeugung des Brennstoffdampfes erfolgt dann zweckmäßig durch die direkte Einspritzung des Brennstoffs in die heiße Luft.

Wärmetauscher

Durch einen Wärmetauscher kann die Verbrennungsluft vor der Mischung mit dem Brennstoffnebel aufgeheizt werden. Der Wärmetauscher kann in Form von Rohren, die von der Luft durchströmt werden, außerhalb oder innerhalb des Brenners angeordnet sein. Durch die Anordnung innerhalb des Brenners kann eine Überhitzung des Bereichs der Brennstoff- Luft-Mischung durch Wärmeabfuhr vermieden werden.

Wärmestrahlung

Die Abgabe der Wärme durch Strahlung durch den im Betriebszustand II sehr heißen porösen Körper erfolgt sowohl nach außen (an das zu beheizende Medium, z. B. Kesselwasser) als auch nach innen. Dieser Effekt kann zur Beheizung der Vormischzone genutzt werden, wenn diese innerhalb eines von dem porösen Körper umschlossenen Bereichs liegt. Die Verdunstung des Brennstoffs erfolgt dann nicht nur durch konvektiven Wärmetransport der heißen Luft an die Öltröpfchen, sondern auch durch die direkte Einstrahlung auf die einzelnen Tropfen. Die Begrenzung der Temperatur in der Vormischzone kann zum Schutz vor Selbstentzündung des Gemisches durch eine geschichtete Bauweise des porösen Körpers (Reaktionszone und Strahlungsschutz) erfolgen.

Rückfürung von an dem porösen Körper erhitztem Öldampf

Durch die Einsaugung von überhitztem Öldampf-Luft-Gemisch in den Bereich der Brennstoff- und Luftzufuhr kann Wärme zur Verdunstung in die Vormischzone eingetragen werden. Bei der Beaufschlagung des porösen Körpers mit dem Öldampf kommt es durch die Strahlung des Körpers nach innen zu einer weiteren Erwärmung des Gemisches. Ein Teil des Gemischstromes kann durch den Unterdruck der Luftzuführung in den Bereich der Vormischkammer zurückgesaugt werden. Dies erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Einsaugung von Rauchgasen zur Flammenkühlung bei herkömmlichen Brennern. Wird das Flammenrohr für den Brenner im Betriebszustand I mit Rezirkulationsöffnungen betrieben, so erfolgt die Rücksaugung von überhitztem Öldampf automatisch durch diese Öffnungen.

Claims

1. Brenner für flüssige Brennstoffe, mit einer zentralen Brennstofflanze (1), mit einer Luftzuführung (2), mit einer optionalen Dralleinrichtung (3), mit Zündelektroden (4), mit einer optionalen elektrischen Heizung (5), mit einem optionalen Flammenrohr (6) zur Stabilisierung einer kleinvolumigen Flamme (Betriebszustand I), mit einem porösen Körper (7) zur Stabilisierung einer großvolumigen bzw. großflächigen Flammenzone (Betriebszustand II) und einem optionalen Wärmetauscher (8) zur Luftvorwärmung.

2. Brenner nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Start des Brenners vorzugsweise durch eine elektrische Vorheizung mindestens bis zum Erreichen der Mindest-Betriebstemperatur des Betriebszustands II erfolgt.

3. Brenner nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Start des Brenners vorzugsweise durch eine elektrische Vorheizung bis zum Erreichen einer Temperatur unterhalb der Mindest-Betriebstemperatur des Betriebszustands II erfolgt. Danach oder zum Teil gleichzeitig erfolgt die weitere Aufheizung durch den Betrieb des Brenners im Betriebszustand I mindestens bis zum Erreichen der Mindest-Betriebstemperatur des Betriebszustands II.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Brenners vom Betriebszustand I in den Betriebszustand II vorzugsweise durch die kurzzeitige (wenige Sekunden) Unterbrechung des Brennstoffstromes erfolgt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Brenners in den Betriebszustand II vorzugsweise durch die Selbstzündung des Gemisches an dem vorgeheizten porösen Körper erfolgt.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase der Startverbrennung vorzugsweise direkt durch den porösen Körper geleitet werden.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Betriebszustand II vorzugsweise die gesamte zur Verbrennung erforderliche Luft in den Bereich des Flammenrohres, der als Vormischzone genutzt wird, eingeleitet wird. Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Vormischzone wird unterdrückt.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeignete Strömungsführung und die Begrenzung des Temperaturniveaus auf die Zuführung inerter Gase (insbesondere Rauchgase) zur Unterdrückung der Selbstentzündung verzichtet werden kann.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der zur Verdunstung erforderlichen Energie vorzugsweise ganz oder teilweise durch mittels Wärmetauschern aufgeheizte Luft erfolgt. Der Wärmetauscher koppelt dabei einen Teil der freigesetzten Wärme der Verbrennung wieder in den Prozeß ein.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher vorzugsweise durch die Wicklung von Hohlkörpern (z. B. Rohren) in tangentialer Form (relativ zum porösen Körper) erfolgt.

11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher vorzugsweise durch den Einsatz von Hohlkörpern (z. B. Rohren) in axialer Richtung (relativ zur Brennerachse) erfolgt.

12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher vorzugsweise außerhalb des Brenners angeordnet ist.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher vorzugsweise innerhalb des Brenners angeordnet ist. Dadurch gelingt es, gleichzeitig die Verbrennungsluft vorzuwärmen und das Temperaturniveau im Brenner zu begrenzen, um die Selbstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu unterdrücken.

14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der zur Verdunstung erforderlichen Energie ganz oder teilweise vorzugsweise durch Strahlung des um die Vormischzone angeordneten heißen porösen Körpers eingebracht wird.

15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeeinstrahlung in den Brenner vorzugsweise durch eine Wärmeschutzschicht (temperaturbeständiges Textil, Keramik- oder Metallgewebe/matrix) begrenzt wird, um die Selbstzündung oder Rückzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu unterdrücken. Der poröse Körper kennzeichnet sich dann durch einen geschichteten Aufbau.

16. Brenner nach dem Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundform des porösen Körpers vorzugsweise achsensymmetrisch oder zylindrisch um die Vormischzone (innerhalb des Flammenrohres) herum angeordnet ist.

17. Brenner nach dem Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper an einem Ende (vorzugsweise halbkugelförmig) geschlossen ist, wodurch die Randzonen des porösen Körpers, der die Verbrennungszone beschreibt, minimiert werden.

18. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der zur Verdunstung erforderlichen Energie ganz oder teilweise vorzugsweise durch die Rückführung von heißen Gasen, Luft und/oder Öldampf, die/der an der Innenseite des heißen porösen Körpers vorbei geleitet wurde, erfolgt.

19. Brenner nach dem Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung der heißen Gase, der Luft und/oder des Öldampfes vorzugsweise durch den Impuls der zugeführten Luft (Injektorprinzip) erfolgt.

20. Brenner nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung der Rauchgase vorzugsweise durch Rezirkulationsbohrungen im Flammenrohr erfolgt.

21. Brenner nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung der Rauchgase vorzugsweise durch in der Größe veränderliche Öffnungen im oder am Flammenrohr oder durch Verschieben des Flammenrohres (Öffnen eines Ringspalts) erfolgt.

22. Brenner nach dem Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Größe der Öffnungen oder das Verschieben des Flammenrohres vorzugsweise temperaturgesteuert durch ein Bimetall erfolgt.

23. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der zur Verdunstung erforderlichen Energie vorzugsweise durch eine Kombination zweier oder mehrerer Möglichkeiten der Ansprüche 9 bis 20 erfolgt.