DE19738054C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft eines Brenners während des Betriebes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Verfahren und die Vorrichtung zur Veränderung des Abgas- Rezirkulations-Massenstroms eines Brenners für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe.

Bei Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe kann durch Rezirkulation von Verbrennungsabgasen in die Verbrennungszone eine Abkühlung der Flamme und eine bessere Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erreicht werden. Dies führt zu einer Reduzierung der mittleren und der maximalen Temperatur in der Flamme, so dass die thermisch gebildete Stickoxidemission verringert wird.

Neben der Rezirkulation von Abgasen wird die Verdrallung der Verbrennungsluft innerhalb einer Mischeinrichtung eines Brenners oftmals zur Verbesserung der Flammenstabilisierung herangezogen. Der Drall der, Verbrennungsluft, vielfach definiert durch die Drallzahl (Dissertation Hoffmann, 1994), führt zu einer Beeinflussung der Strömungsform und damit zu einer Beeinflussung der vorliegenden Druckverhältnisse.

Die Vorteile der verdrallten Verbrennungsluft-Zufuhr sind vielfältig und aus vielen Entwicklungen bekannt (EP 0 231 628 A2, AT 301733, DE 23 01 156 A, DE 466 831 C, DE 451 189 C, US 1893533). Die aus der Literatur bekannten Wirbelstrombrenner nutzen diese Verdrallung beispielsweise zur verbesserten Durchmischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft, was u. a. auch zu geringeren NO-Emissionen führt. Auch eine Verstellung der Drallzahl ist aus diesen Quellen bekannt, so dass jeweils optimale Strömungs- und Mischungsverhältnisse an wechselnde Randbedingungen angepasst werden können.

In technischen Verbrennungssystemen werden die Verbrennungsabgase aufgrund der Injektorwirkung der Luft über Rezirkulationsöffnungen in die Flamme eingesaugt und mit dem Brennstoff und der Verbrennungsluft vermischt. Bei blau brennenden Konzepten führt ein hoher Rezirkulationsmassenstrom im stationären Betrieb zu einer deutlichen Reduzierung der Stickoxidemission. Realisiert wird dies in der Praxis beispielsweise durch große Rezirkulationsöffnungen.

Begrenzt wird die Höhe des Rezirkulationsmassenstromes durch das Stabilitätsverhalten der Flamme, da aufgrund der Temperaturabsenkung Teilverlöschungen im Bereich der Flammenfront auftreten, die zum Auftreten thermoakustischer Druckschwingungen und/oder zur Verlöschung der Flamme führen können. Insbesondere in der Startphase des Brenners kann dies zu Problemen führen, da die rezirkulierten Verbrennungsgase wesentlich kälter sind als im Dauerbetrieb.

Aus der DE 39 30 569 A1 ist ein Brennerkopf bekannt, bei dem am stromaufliegenden Ende des Flammenrohres Eintrittsöffnungen vorgesehen sind, durch welche aufgrund der Injektorwirkung der Strömung Verbrennungsabgase aus der Umgebung in das Flammenrohr gesaugt werden. Die Eintrittsöffnungen sind in der Wand des Flammenrohres stromabseitig von der Mischkammerrückwand angeordnet. Eine Beeinflussung der Rezirkulationsfläche ist nicht vorgesehen.

Bei dem Brenner K1(sv) der Firma Körting ist der Durchtrittsquerschnitt für das rezirkulierende Gas einstellbar, was zu einer Anpassung der rezirkulierenden Verbrennungsgase an die Feuerraumtemperatur und daher zu einer Vermeidung der oben genannten Probleme führt.

Das gleiche Prinzip der veränderbaren Rezirkulationsfläche zur Verringerung der Abgasrezirkulation ist Gegenstand der Mischeinrichtung nach Erfindung US 005252059 A.

Auch in dieser Anwendung wird ein Verstellring dazu herangezogen, Öffnungen innerhalb eines Flammenrohres zu verschließen bzw. zu öffnen.

Die Verstellbarkeit von Durchtrittsflächen rezirkulierender Verbrennungsabgase ist jedoch problematisch, da in vielen Fällen eine Verschiebung von Bauteilen im Bereich hoher Temperaturen notwendig ist. Zudem ist in diesen Fällen in der Regel ein Stellmotor notwendig, der als zusätzliches Brennerbauteil kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vollständige oder teilweise Unterdrückung der Rezirkulation von Verbrennungsabgas aus der Brennkammer während des Brennerstarts so zu realisieren, dass durch eine Verstellung im kalten Bereich des Brenners vom Startbetrieb zum Dauerbetrieb übergegangen werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung des Abgas-Rezirkulations-Massenstroms eines Brenners für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Veränderung des Abgas-Rezirkulations- Massenstroms eines Brenners für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe liegt die Idee zugrunde, anhand einer Veränderung der Strömungsverhältnisse im Bereich der Verbrennungsluftzufuhr, die korrespondierende Drallzahl (vergleiche Hoffmann, 1994) derart zu beeinflussen, dass eine vorteilhafte Veränderung der Rezirkulationsmenge gegeben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft sieht nun vor, die Drallzahl durch eine Veränderung des Verhältnisses 'Drehimpulsstrom' zu 'Axialimpulsstrom' so zu beeinflussen, dass in der Brenner-Startphase ein im Vergleich zum stationären Betrieb veränderter Wert eingestellt wird. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist der Sachverhalt, dass auf eine Verstellung von Bauteilen im Bereich hoher Temperaturen verzichtet werden kann und lediglich ein Verstellmechanismus im Bereich der Verbrennungsluftzufuhr und demzufolge niedriger Temperaturen notwendig ist, was zu einer höheren Betriebssicherheit führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Drallerzeuger mit tangentialer und axialer Luftzuführung.

Fig. 2 und 2b Zweistufiger Drallerzeuger.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Erzeugung eines Drehimpulses ist die Anordnung von Einzelrohren (1) an ein Luftleitrohr (2), wie es der Fig. 1 zu entnehmen ist. Die Einzelrohre (1) sind so positioniert, dass die zugeführte Verbrennungsluft rein tangential in das Luftleitrohr (2), in dem der Düsenstock (3) konzentrisch geführt ist, einströmt. Nach Austritt aus der Luftdüse, tritt die Verbrennungsluft in die Mischkammer (4) des Brenners ein, die durch ein Flammenrohr (5) mit Rezirkulationsbohrungen (6) begrenzt wird. Stromauf am Luftleitrohr (2) befindet sich ein Deckel (7), in dem mehrere Bohrungen (8) vorhanden sind, durch welche die Verbrennungsluft in das Luftleitrohr (2) eintreten kann.

Die Aufteilung der Luftströme, die durch die Einzelrohre (1) und die Bohrungen (8) in das Luftleitrohr (2) eintreten, geschieht mit Hilfe des Bechers (9), der durch den Düsenstock (3) zentriert wird und zudem drehbar gelagert ist. In dem Becher (9) befinden sich Bohrungen im Deckel (11) und im Kragen (10), die so angeordnet sind, dass bei vollständiger Überdeckung der Bohrungen (8) und (11) der Becher (9) das Eindringen von Luft in die Einzelrohre (1) verhindert. Umgekehrt sind bei Überdeckung der Bohrungen (10) mit den freien Querschnitten (12) der Einzelrohre (1) die Bohrungen (8) durch den Becher (9) verschlossen. Durch Verdrehen des Bechers (9) mittels der Verstelleinrichtung (13) ist somit eine stufenlose Verstellung der Luftvolumenströme 'tangential zugeführte Luft' und 'axial zugeführte Luft' und demzufolge der Drallzahl möglich.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 2. Analog zur Fig. 1 kann über die Einzelrohre (17) die Verbrennungsluft rein tangential zugegeben werden. Dies setzt voraus, dass der Verschiebering (18) so positioniert ist, dass die freie Querschnittsfläche der Einzelrohre (17) nicht verdeckt ist. In Fig. 2 ist dieser Verschiebering (18) so eingestellt, dass die schräg angeordneten Rohre (19) von der Verbrennungsluft durchströmt werden, während die Rohre (18) verdeckt sind. Anhand der axialen Verschiebung des Verschieberinges (18) ist somit eine Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft möglich, da das Verhältnis von Drehimpulsstrom zu Axialimpulsstrom bei Durchströmung der Rohre (17) höher ist als bei Durchströmung der Rohre (19).

Claims (3)

1. Verfahren zur Veränderung des Abgas-Rezirkulations-Massenstroms eines Brenners für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe, der zur Stabilisierung der Flamme mit einem Flammenrohr versehen ist, das mit mindestens einer Rezirkulationsöffnung versehen ist und in welches die Verbrennungsluft/der Oxidator nach Durchströmen eines Drallerzeugers variabler Drallzahl zusammen mit dem Brennstoff einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft/des Oxidators dazu herangezogen wird, aufgrund unterschiedlicher Strömungsverhältnisse die Rezirkulation von Verbrennungs­ abgasen, die durch die Rezirkulationsöffnungen in den durch das Flammenrohr gebildeten Raum treten, in der Startphase des Brenners zu reduzieren oder zu verhindern und in der stationären Brennerbetriebsphase die Rezirkulation möglichst großer Mengen von Verbrennungsabgasen zu ermöglichen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Veränderung des Abgas-Rezirkulations-Massenstroms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger ausgebildet ist als ein Luftleitrohr (2), in welches mindestens ein Rohr (1) mündet, dessen Achse sich versetzt zu der des Luftleitrohres befindet und durch welches die Verbrennungsluft in das Luftleitrohr strömt und der Hauptströmung im Luftleitrohr (2) eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente aufprägt, welches stromauf mit einem Deckel versehen ist, in dem mindestens eine Öffnung (8) vorhanden ist, durch welche Verbrennungsluft in das Luftleitrohr (2) strömen kann und welches am stromab liegenden Austritt mit einer Luftdüse/-blende versehen ist, und dass in diesem Drallerzeuger mittels eines Bechers (9), der durch Bewegen wahlweise mindestens eine erste Bohrung (11) oder mindestens eine zweite Bohrung (10) freigibt, durch welche Verbrennungsluft in die mindestens eine Öffnung (8) oder in das mindestens eine Rohr (1) strömt, das Verhältnis 'Volumenstrom durch die erste Bohrung (11)' zu 'Volumenstrom durch die zweite Bohrung (10)' festgelegt wird, über das die Drallzahl der Strömung innerhalb des Drallerzeugers bestimmt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Veränderung des Abgas-Rezirkulations-Massenstroms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Drallzahl dadurch erzeugt wird, dass mindestens ein erstes Rohr (17) und mindestens ein dazu unterschiedlich angeordnetes zweites Rohr (19), durch welche die Verbrennungsluft wahlweise strömt und welche einen unterschiedlichen Anstellwinkel (20) besitzen, und ein Verstellring (18) vorhanden sind, der so bewegt werden kann, dass jeweils mindestens ein erstes Rohr (17) von der Verbrennungsluft durchströmt werden kann und gleichzeitig sämtliche zweiten Rohre (19) teilweise oder komplett verschlossen werden können oder bei Verstellung des Ringes (18) die Durchströmung der zweiten Rohre (19) möglich ist, während die ersten Rohre (17) teilweise oder komplett verschließbar sind.