DE19838062A1 - Verfahren zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern zur Erzeugung einer kompakten, NO¶x¶-armen Flamme - Google Patents

Verfahren zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern zur Erzeugung einer kompakten, NO¶x¶-armen Flamme

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Description

Die Erfindung betrifft das Verfahren zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme.
Bei Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe wird das Prinzip der Luftstufung eingesetzt, um die resultierende NOx-Emission zu reduzieren. Dabei wird der Brennstoff in einer ersten Stufe unter Zugabe von Primärluft unterstöchiometrisch, d. h. mit Brennstoffüberschuß, verbrannt. In der anschließenden zweiten Stufe wird die zum vollständigen Ausbrand notwendige Sekundärluft zugegeben. Zur Reduzierung der NOx-Emission bedarf es im wesentlichen der Einhaltung der beiden nachfolgenden Kriterien:
  • 1. Schnelle und homogene Vermischung der Verbrennungsgase aus der ersten Stufe mit der Sekundärluft.
  • 2. Ausreichend lange Aufenthaltszeit der Verbrennungsgase in der ersten Verbrennungsstufe zur Reduzierung des Anteiles der NOx-Emission, welcher aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff herrührt (fuel-NO-Mechanismus).
Während der zweite oben angesprochene Punkt ein generelles Problem der Luftstufung beinhaltet und über die Dimensionierung und/oder die Länge der ersten Stufe erfaßt wird, stellt die Vermischung der Verbrennungsgase aus der ersten Stufe mit der Sekundärluft ein Problem dar, welches durch das hier beschriebene erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst wird.
Exemplarisch für die Vermischung der Verbrennungsgase der ersten Stufe mit der Sekundärluft soll hier das im Patentanmeldung 2614 AT, 21.05.1997 (Brenner, insbesondere für Heizöle) beschriebene Konzept vorgestellt werden.
Ausgehend von einem Flammenrohr, welches die erste Verbrennungsstufe darstellt, wird die Vermischung mit der Sekundärluft derart realisiert, daß über eine Vielzahl von ringförmig um das Flammenrohr angeordneten Luftrohren die Zugabe der Sekundärluft parallel zum Flammenrohr erfolgt. Über die Freistrahlansaugung der einzelnen Sekundärluftstrahlen kommt es zur Ausbildung eines Unterdruckgebietes im Bereich der Flammenmitte und damit zu einer Aufweitung der Flamme. Diese großvolumige Flamme besitzt eine geringe Energiedichte, was eine Reduzierung der Verbrennungstemperatur und der resultierenden NOx-Emission bewirkt. In Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich jedoch einerseits das Problem des großen Mischungsgebietes, so daß Gebiete mit einem lokalen Luftverhältnis λ ≈ 1 an mehreren Stellen auftreten und somit die Unterdrückung der thermischen NO-Bildung nicht wirkungsvoll erzielt werden kann. Andererseits verhindert die großvolumige Flamme in der zweiten Verbrennungsstufe den Einsatz dieses Konzeptes in einer kompakten Unit.
Aus der Literatur ist ein Verbrennungskonzept bekannt (DE 196 25 216) bei dem ein Einsatz in Form einer Umkehrbrennkammer zur Stabilisierung einer Flamme eingesetzt wird. Mittels der Rezirkulation hoher Mengen an Verbrennungsabgasen und der Zufuhr von Wärme in ein Flammenrohr wird der flüssige Brennstoff hier vorverdampft und innerhalb der Umkehrbrennkammer stabilisiert und verbrannt. Mittels der homogenen Gemischaufbereitung (Vorverdampfung) können Temperaturspitzen vermieden und somit die NOx-Emission reduziert werden. Dieses Verbrennungskonzept basiert jedoch nicht auf dem Prinzip der Luftstufung, d. h. es existiert kein Sekundärluftvolumenstrom und somit kein Mischungsgebiet. Der generelle Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren liegt in der Tatsache begründet, daß bei dem Vorverdampfungskonzept die Umkehrbrennkammer zur Rückführung heißer Rauchgase zu den Rezirkulationsöffnungen benötigt wird, so daß hiermit die Zufuhr von Wärme zur Verdampfung des Brennstoffes in das Flammenrohr realisiert wird. Desweiteren ist ein ausreichender Abstand zwischen dem Flammenrohrende und der Rückwand der Umkehrbrennkammer notwendig, damit die Flamme in diesem Bereich stabilisiert werden kann.
Der hier vorgestellten Erfindung jedoch liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die es ermöglicht, im Rahmen des Konzeptes der Luftstufung und der Brennstoffstufung eine sehr schnelle und homogene Vermischung der Verbrennungsgase der ersten Stufe mit der Sekundärluft und/oder dem Restbrennstoff zu realisieren und eine kompakte Flamme zu erzeugen.
Dieses Problem wird erfindungsgemaß gelöst durch ein Verfahren zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt ein Brennerkonzept zugrunde, bei dem die Verbrennungsgase der ersten Stufe eines luft- oder brennstoffgestuften Brenners im Kreuzstrom mir der Sekundärluft oder dem Restbrennstoff vermischt werden. Das Mischungsgebiet ist dabei so zu wählen, daß der vollständige Volumenstrom der Verbrennungsgase der ersten Stufe durch ein definiertes Mischungsvolumen strömen und dort mit dem Mischungsstrom vollständig und homogen vermischt werden. Wichtige Voraussetzung zur Reduzierung der NOx-Bildung ist die sehr schnelle Vermischung, so daß das zu wählende Mischungsvolumen eine geringe räumliche Ausdehnung besitzen muß.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in einer ersten Stufe, ausgeführt als ein Flammenrohr, der Brennstoff mit der Primärluft teilverbrannt, so daß sich unterstöchiometrische Verbrennungsverhältnisse einstellen. Über optional in das Flammenrohr integrierte Rezirkulationsöffnungen können Rauchgase in das Flammenrohr gesogen werden. Dies führt zu einer Inertisierung der Verbrennungsgase in der ersten Stufe und damit zu einer Temperaturabsenkung. Insgesamt kann mittels der Rezirkulation die thermische NO-Bildung reduziert werden. Außerdem können über die Rezirkulation von Verbrennungsabgasen die Bildung von Ruß und Ablagerungen in Form von Koks vermieden werden. Über eine optionale Verdrallung der Primärluft kann die Strömungsform innerhalb des Flammenrohres verändert und hiermit die Rezirkulation von Verbrennungsabgasen durch die Rezirkulationsöffnungen und die Stabilisierung der Flamme beeinflußt werden. Die Sekundärluft wird beispielsweise über einen Ringspalt in Höhe des Flammenrohrendes zugeführt. Durch das erfindungsgemäße Aufsetzen einer Prallplatte, die mit der Ausbrandkammer verbunden ist, werden die Verbrennungsgase der ersten Stufe derart umgelenkt, daß diese am Austritt aus dem Flammenrohr vorzugsweise eine nahezu radiale Ausströmgeschwindigkeit besitzen. Die Vermischung mit der Sekundärluft geschieht stromab des Flammenrohres im Gebiet des Austrittes der Verbrennungsgase der ersten Stufe. Mittels der ungleichen Ausströmrichtung von Sekundärluft und den Verbrennungsgasen der ersten Stufe, die vorzugsweise einen rechten Winkel annimmt, wird eine sehr homogene Vermischung erzielt und die Vermischungszeit stark verkürzt. Notwendiges Kriterium für die optimale Durchmischung dieser Volumenströme ist die geeignete Abstimmung der Impulsströme von Sekundärluft und den Verbrennungsgasen der ersten Stufe, d. h. der Abstimmung der jeweiligen Austrittsflächen. Das Verhältnis der Impulsströme wird wiederum definiert durch die jeweiligen Austrittsflächen und die vorherrschenden Druckniveaus in den Austrittsflächen.
Wählt man einen geringen Abstand a1 (s. Fig. 2) zwischen der Prallplatte und dem Flammenrohrende, der ein Maß für den Impulsstrom der Verbrennungsgase der ersten Stufe 1 ist, so führt dies zu einem notwendigen Anstieg des Druckes innerhalb des Flammen­ rohres, so daß die Rezirkulation von Verbrennungsabgasen erschwert oder verhindert wird. Ist der Abstand a1 zu groß gewählt, führt dies einerseits zu einem zu geringen Impulsstrom 1 und andererseits zu einem zu geringen Eindringen des Sekundärluftstromes, der vorzugsweise durch einen Ringspalt der Spaltbreite a2 definiert ist, in den Kreuzstrom der Verbrennungsgase der ersten Stufe. Beides führt zu einem Mischungsproblem welches durch einen Anstieg der Kohlenmonoxid- und NOx-Emission gekennzeichnet ist.
Aufgrund der Tatsache, daß in der ersten Stufe, dem Flammenrohr, ein Teilumsatz des Brennstoffes, der vorzugsweise zu einem primären Luftverhältnis von 0.5 < λ1 < 0.8 führt, gegeben ist, bedarf es in der Ausbrandkammer lediglich der Verbrennung von circa 20 bis 50% des zugeführten Brennstoffes. Dies hat zur Folge, daß im Anschluß an die schnelle und homogene Vermischung der Sekundärluft mit den Verbrennungsgasen der ersten Stufe die resultierende Flamme einen sehr kompakten Charakter besitzt. Dies äußert sich in einer sehr kurzen Flammenlänge, verglichen mit herkömmlichen, marktgängigen Brennern vergleichbarer Brennerleistung. Der Vorteil dieser kompakten Flamme liegt in der möglichen Anwendung eines solches Verbrennungskonzeptes in einer kompakten Unit, d. h. einer sehr kleinen Bauform.
Zur Modellierung der Flamme kann die Ausbrandstufe derart gestaltet sein, daß hiermit eine Beeinflussung der Strömungsform möglich ist. Mögliche Ausführungsformen sind der Durchbrandbetrieb, bei dem die Strömungsrichtung der Verbrennungsgase nach dem Austritt aus der Ausbrandstufe mit der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase innerhalb des Flammenrohres gleichgerichtet sind, oder aber der Umkehrbetrieb der durch entgegengerichtete jeweilige Volumenströme gekennzeichnet ist. Desweiteren kann auf die Ausbrandkammer optional verzichtet werden, so daß lediglich eine geeignete Prallplatte, welche stromab des Flammenrohres plaziert ist, zu einer Umlenkung der Verbrennungsgase der ersten Stufe führt. Nach der Mischung mit der Sekundärluft würde in diesem Fall keine weitere Strömungsbeeinflussung der Flamme vorgesehen sein, so daß die Flamme eine vorzugsweise radiale Ausströmgeschwindigkeit besitzt.
Ein weiterer Anwendungsfall, der sich aufgrund des Verbrennungskonzeptes anbietet, stellt die Brennstoffstufung bei der Verbrennung gasförmiger und/oder verdampfter flüssiger Brennstoffe dar. Das Flammenrohr, d. h. die erste Verbrennungstufe dient nunmehr der Verbrennung eines Teilbrennstoffstromes, wobei sich insgesamt überstöchiometrische Verbrennungsverhältnisse einstellen. Durch den Ringspalt der Spaltbreite a3 wird der restliche Brennstoff im Kreuzstrom mit den austretenden Verbrennungsgasen der ersten Stufe vermischt. Das resultierende theoretische Luftverhältnis, das sich aufgrund der Bilanzierung der Volumenströme im Mischungsgebiet lokal einstellt, liegt vorzugsweise zwischen 0,7 < λ2 < 0,9. Über eine zusätzliche Öffnung, die wiederum vorzugsweise als Ringspalt mit der Spaltbreite a5 ausgeführt ist, wird die restliche Verbrennungsluft derart zugegeben, daß sich eine homogene Vermischung und ein insgesamt überstöchiometrisches Luftverhältnis einstellt.
Für die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich die nachfolgend genannten Forderungen zur Aufrechterhaltung der gewünschten Phänomene der schnellen und homogenen Mischung sowie der Reduzierung der resultierenden NOx-Emission:
  • 1. Das Verhältnis der Durchtrittsflächen der Sekundärluft (A2) zu dem der Verbrennungsgase in der ersten Stufe durch das Flammenrohr (A4) sind vorteilhaft in dem folgenden Bereich zu wählen:
  • 2. Das Verhältnis der Durchtrittsflächen der Verbrennungase durch den Ringspalt der Spaltbreite a1 (A1) zu dem der Verbrennungsgase in der ersten Stufe durch das Flammenrohr (A4) sind vorteilhaft in dem folgenden Bereich zu wählen:
  • 3. Bei Einsatz des Konzeptes der Brennstoffstufung sollte zusätzlich zu den beiden ersten Forderungen die nachfolgenden Gleichungen erfüllt sein:
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Konzept des luftgestuften/brennstoffgestuften Brenners mit Ausbrandkammer (Umkehrfeuerung)-Bauteile.
Fig. 2 Konzept des luftgestuften/brennstoffgestuften Brenners mit Ausbrandkammer (Umkehrfeuerung)-Maße.
Fig. 3 Einsatz des Brenners in einer kompakten Unit.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brenner basiert auf dem Konzept der Luftstufung/Brenn­ stoffstufung und besteht im wesentlichen aus einer Brennstoffdüse (1), welche auf dem Düsenstock (2) befestigt ist, dem Luftleitrohr (3), in dem ein Drallgitter (4) montiert ist, welches der Primärluft auf dem Weg zur Luftdüse (5) einen Tangentialimpuls aufprägt, und dem Flammenrohr (6) mit dem Durchmesser D4, welches mit mindestens einer Rezirkulationsöffnung (7) versehen ist.
In Höhe des Flammenrohrendes wird die Sekundärluft bei Anwendung des Luftstufungskonzeptes durch einen Ringspalt (9) der Spaltbreite a2, der sich auf dem Durchmesser D2 befindet, eingeblasen. Dazu wird diese zunächst über eine Anzahl von Sekundärluftrohren (14) in die Verteilerkammer (12) geleitet. Die Anwendung des Konzeptes der Luftstufung erfordert es jedoch, daß die Durchtrittsfläche (15) geschlossen ist.
Im Falle des Brennstoffstufungskonzeptes wird der restliche Brennstoff durch einen Ringspalt (8) der Spaltbreite a3, der sich auf dem Durchmesser D3 befindet, eingeblasen. Dieser wird dabei zunächst über eine Anzahl von Brennstoffrohren (13) in die Verteilerkammer (11) geleitet. Im Falle der Brennstoffstufung wird weiter die zum Ausbrand notwendige Restluft über die Öffnung (15), die vorzugsweise als Ringspalt der Spaltbreite a5 ausgeführt ist und sich auf dem Durchmesser D5 befindet, wiederum im Kreuzstrom mit den Verbrennungsgasen in der Ausbrandkammer vermischt.
Über den Abstand a1 zwischen der Prallplatte (9) und dem Flammenrohrende wird der Impuls der austretenden Verbrennungsgase der ersten Stufe und das Mischungsgebiet mit der Sekundärluft/dem Restbrennstoff (10) definiert. Die Ausbrandkammer (16) dient der Modellierung der Flamme und ist so angeordnet, daß über den Ringspalt (18) Verbrennungsgase aus der Umgebung aufgrund der Injektorwirkung in die Ausbrandkammer (16) eingesogen werden. Der Ausbrand der Flamme erfolgt aufgrund der geringen Restbrennstoffkonzentration in Form einer sehr kompakten Flamme im Inneren der Ausbrandkammer (19), so daß der Ausbrand stromab der Ausbrandkammer (20) abgeschlossen und Quenching ausgeschlossen ist.
Für den Einsatz dieses erfindungsgemäßen Verfahrens könnte das nachfolgend in Fig. 3 dargestellte Unit-Konzept in Frage kommen. Mittels der Isolierung (21) (optional) soll das Abkühlen der Ausbrandkammer (Quenching) verhindert werden, da an deren äußerer Wandung die bereits zurückgekühlten Verbrennungsgase vorbeigeführt werden. Die kompakte Unit wird außen begrenzt durch die Isolierung (22), die, je nach Wahl des Wärmetauschers, einen sehr kleinen inneren Durchmesser annehmen kann. Die Wärmeauskopplung, wie sie in Fig. 3 exemplarisch dargestellt ist, wird über die Rohrbündel (23) realisiert, die mit dem Vor- und Rücklauf (24, 25) verbunden sind. Über die Rezirkulation von bereits rückgekühlten Verbrennungsgasen (26) kann die Flammentemperatur gesenkt werden. Die Verbrennungs­ gase werden anschließend über den Anschluß (27) zum Kamin transportiert.

Claims (9)

1. Verfahren zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase der ersten Stufe im Falle der Anwendung des Luftstufungskonzeptes mit der Sekundärluft und im Falle der Brennstoffstufung mit dem Restbrennstoff derart gemischt werden, daß es aufgrund der Strömungsführung der jeweiligen zwei Volumenströme zu einer Kreuzstrom-Mischung kommt, die in einem definierten Mischungsgebiet realisiert wird, so daß einerseits die Mischungszeit so niedrig ist, daß die Bildung von thermischen Stickoxiden nahezu vollständig vermieden wird und andererseits die vollständige und homogene Vermischung der jeweiligen zwei Volumenströme zu einem vergleichmäßigten Temperaturprofil führt.
2. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme, die zur Stabilisierung der Flamme mit einem Flammenrohr (6) versehen sind, das optional mit mindestens einer Rezirkulationsöffnung (7) versehen ist, welches den Durchmesser D4 besitzt und in welches ein Teil der Verbrennungsluft/des Oxidators nach dem optionalen Durchströmen eines Drallerzeugers (4) durch eine Luftdüse/-blende (5) einströmt zur Umsetzung einer Verbrennung nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz einer Prallplatte (17), die sich stromab im Abstand a1 hinter dem Flammenrohrende befindet, zu einer Strömungsumlenkung der Verbrennungsgase der ersten Stufe führt, so daß die Sekundärluft aus mindestens einer Öffnung (9) und der Restbrennstoff aus mindestens einer Öffnung (8), die jeweils vorzugsweise als Ringspalte mit der Spaltbreite a2 (9) und a3 (8) ausgeführt sind, sich mit diesen Verbrennungsgasen derart mischt, daß es aufgrund der sehr schnellen und homogenen Vermischung zu einer Reduzierung der NOx-Emission kommt, und daß optional mindestens eine Öffnung (15) vorhanden ist, die vorzugsweise als Ringspalt der Spaltbreite a5 ausgeführt ist und durch welche ein Teil der Ausbrandluft/des Oxidators aus einer Verteilerkammer (12) in den Ausbrandbereich der Flamme (19) gelangt, der optional durch eine Ausbrandkammer (16) begrenzt ist.
3. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis von Austrittsfläche der Sekundärluft (A2) zu Flammenrohrdurch­ trittsfläche (A4) einen Wert innerhalb des Bereiches
annimmt.
4. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis von Austrittsfläche des Restbrennstoffes (A3) zu Flammenrohr­ durchtrittsfläche (A4) einen Wert innerhalb des Bereiches
annimmt.
5. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis von Durchtrittsfläche der Verbrennungsgase (A1) durch den Ringspalt der Spaltbreite a1 zu Flammenrohrdurchtrittsfläche (A4) einen Wert innerhalb des Bereiches
annimmt.
6. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis von Durchtrittsfläche der Ausbrandluft/des Oxidators (A5), vorzugsweise ausgeführt als Ringspalt der Spaltbreite a5 zu Flammenrohrdurchtrittsfläche (A4) einen Wert innerhalb des Bereiches
annimmt.
7. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Prallplatte (17) und der Ausbrandkammer (16) ein Ringspalt (18) vorhanden ist, so daß mittels der Injektorwirkung der austretenden Verbrennungsgase der ersten Stufe und der Sekundärluft/des Restbrennstoffes Gase aus der Umgebung eingesogen werden.
8. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbrandkammer (16) eine Strömungsbeeinflussung der Flamme ermöglicht, so daß, bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgase der ersten Stufe, eine gleichgerichtete Strömung der Flamme realisierbar ist.
9. Vorrichtung zur schnellen, vollständigen und homogenen Vermischung bei luft- und/oder brennstoffgestuften Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe zur Erzeugung einer kompakten, NOx-armen Flamme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbrandkammer (16) eine Strömungsbeeinflussung der Flamme ermöglicht, so daß, bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgase der ersten Stufe, eine entgegengerichtete Strömung der Flamme realisierbar ist.
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