DE2708630C2 - Gasbrenner - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasbrenner der im Oberbegriff des Patentanspruchs I vorausgesetzten Art.

Aus der DE-OS 24 59 502 ist ein derartiger Gasbrenner bekannt, bei dem Gas und Primärluft in einer Menge erheblich unter der theoretisch notwendigen Luftmenge getrennt direkt zum Verbrennungsbeginnpunkt in einer Verbrennungskammer geführt werden und das Gas dort in Diffusionsverbrennung teilweise verbrennt, während der Rest des Gases mittels der gesondert eingeblasenen Sekundärluft verbrennt, nachdem das Gasgemisch nach der Teilverbrcnniing entlang der Wand weiter geströmt und durch diese mittels Wärmestrahlung über seinen Flammpunkt hinaus erhitzt ist. Dadurch sollen lokale b5 Hochtemperaturzonen in den Flammgasen vermieden und eine Verbrennung weitgehend ohne Kohlenmonoxid- oder Rußentwickliing und mit erheblicher Verringerung der Erzeugung von Stickstoffoxiden erreicht werden. Bei dem bekannten Brenner ist es unmöglich, die Erzeugung von Stickstoffoxiden in einem Bereich zu hemmen, wo das Volumen der Primärluft nahe dem theoretischen Luftvolumen ist, da die durch Verbrennung erzeugte Flammentemperatur auf Maximalwerte kommt.

Ein Anstieg der Temperatur aber steigert die Geschwindigkeit, mit der NO gebildet wird, so daß eine große NO-Menge auch dann erzeugt wird, wenn die Flamme für nur kurze Zeit auf erhöhten Temperaturen gehalten wird. Ein Anstieg der Temperatur der Flamme um etwa 3O⁰C steigert die NO-Erzeugungsgeschwindigkeit zweifach.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasbrenner der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, der unter Verwendung eines Vorgemisches aus gasförmigem Brennstoff und Primärluft in einer von unten bis nahe an das theoretische Luftvolumen heranreichenden Menge eine geringe Stickstoffoxidbildufig gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Dadurch, daß bei Zustrom eines Brennstoff-Primär-Iuft-Vorgemisches zum ersten Auslaß die Wand als Kühlwand, d. h. als Wärme an ein Kühlmedium ableitende Wand, dient und die Sekundärluft gegen den maximalen Temperaturbereich der am ersten Auslaß gebildeten Flamrr>e gerichtet wird, verringert sich die NO-Erzeugung auch bei hohem Primärluftanteil sehr erheblich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei Ausbildung des zweiten Auslasses nach Anspruch 2 und 3 ist die Kühlwand intensiv nutzbar.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert: darin zeigt

Fig. I eine Vertikalschnittansicht des Gasbrenners nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung:

Fig. 2 eine Vertikalschnittansicht der Flamme des Gasbrenners nach F i g. 1 zur Darstellung der Temperatur der Flamme, wenn keine Sekundärluft gegen die Flamme geblasen wird:

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Höhe von der Flammenmündung des Gasbrenners nach F i g. 1 und 2 oder der Zeit einerseits und der Temperatur der Flamme sowie der NO-Konzentration andererseits;

Fig. 4 eine Vertikalschnittansicht des Gasbrenners r.ach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung:

Fig. 5 eine Schnittdarstellung nach der Linie V-V in Fig.4:

Fig.6 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Abkühlungsgeschwindigkeit einer Flamme und der Neigung der Verringerung der CO-Konzentration aufgrund dessen Oxyda'ion im Verlauf der Zeit bei zwei Arten von Abkühlungsgeschwindigkeit der Flamme;

Fig. 7 die Verteilung, in der Sekundärluft aus den Sekundärluftblasöffnungen des in Fig.4 dargestellten Gasbrenners strömt: und

Fig. 8. 9 und 10 Vorderansichten von Varianten der Sekundärluftblasöffnungen gemäß der Erfindung.

Es soll nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der F i g. I und 2 beschrieben werden: in F i g. 1 ist eine Brennerflammenmündung 1 neben einer

Köhlwand 3 angeordnet, durch die Wärme auf die Luft oder eine Flüssigkeit übertragen wird. Ein Vorgemisch von Primärluft und gasförmigem Brennstoff strömt aus der als erstem Auslaß dienenden Brennerflammenmündung 1 aus und streicht an der Kühlwand 3 entlang, um eine Flamme mit einem ersten Reaktionsbereich A und einem stromab des Bereichs A liegenden zweiten Reaktionsbereich B zu erzeugen, wobei beide Bereiche im Kontakt mit der Kühlwand 3 sind. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet eine als zweiten Auslaß dienende Sekundärluftblasöffnung, durch die Sekundärluft gegen einen Teil der Flamme, wo deren Temperatur den Maximalwert hat (im folgenden als Maximaltemperaturbereich C bezeichnet), geblasen wird. Wie in Fig.2 gezeigt ist, existiert der Maximaltemperaturbereich C in der Mitte eines Teils der Flamme, der sich etwas nach dem ersten Reaktionsbereich A befindet. In Fig. 2 ist eine Temperauirverteilung einer Flamme gezeigt, die eine Zufuhr von Sekundärluft aus der Umgebungsatmosphäre erhält, ohne daß dagegen Sekundärluft durch die Sekundäduftblasöffnung 4 nach F i g. 1 geblasen wird.

Durch Anordnen der Brennerflammenmü^r dung i. wie sie in F i g. 1 gezeigt ist, wird die Maximaltemperatur der Flamme gemäß F i g. 2 um etwa 100⁰C gesenkt, da Wärme von der Flamme durch die Kühlwand 3 rasch abgeführt und die Geschwindigkeit der NO-Erzeugung auf 7; reduziert wird, da auch der Anteil des Hochtemperaturbereichs gegenüber dem Niedrigtemperaturbereich in der Flamme klein ist.

Falls keine Sekundärluft gegen die Flamme geblasen wird, wird die Temperatur der Flamme zum Stromabbereich hin. wie F i g. 3 zeigt, nur allmählich gesenkt, so daß die erzeugte NO-Menge wächst. Wenn jedoch Sekundärluft gegen den Maximaltemperaturbereich C geblasen wird, dc^r sich etwas nach dem ersten Reaktionsbereich A Defindet, dann wird die Temperatur der Flamme rasch gesenkt, so daß die NO-Erzeugung nicht weiter steigt und insgesamt erheblich verringert ist. Durch solches Blasen von Sekundärluft gegen die Flamme ist es nögiich. die erzeugte NO-Menge auch in einem Bereich der Flamme zu reduzieren, der stromab des Maximaltemperaturbereichs C liegt, doch die Wirkung der Senkung der erzeugten NO-Menge wird bei weiterer Entfernung vom Maximaltemperaturbereich Cin Stromabrichtung verringert. Wenn Sekundärluft gegen den ersten Reaktionsbereicli A geblasen wird, der vor dem Maximaltemperaturbereich C liegt, ergibt sich die Störung, daß die Flamme instabil wird und ein Verbrennungsgeräusch erzeugt.

Wenn die Flammt gekühlt wird, neigt ein Hochtemperaturteil der Flamme dazu, sich von der Kühlwand 3 zu entferner. Durch Blasen von Sekundärluft gegen die Flamme lassen sich jedoch alle Teile der Flamm- in Kontakt mit der Kühlwand 3 unter günstigen Bedingungen bringen, so daß die Kühlung befriedigend durchfuhrbar ist.

Wenn eine Sekundarliiftblasöffnung 4n. wie in F ι g. I gestrichelt dargestellt ist. so angeordnet wird, daß die Zufuhr der Sekundärluft von der Stromaufseite der Flamme /u ihrer Stromabseite gerichtet ist. erfüllt die Sekundäriufl die Funktion des Streckens der Flamme längs der Kühl wand 3. So läßt sich die durch Ausnutzung der Kiihlwand 3 vorgenommene Kühlung der Flamme wirksamer erreichen, und die Erzeugung von Stickstoffoxiden kann weiter gehemmt werden.

F i g. 4 und 5 /eigen ein anderes Ausführungsbcispicl der Erfindung, bei dem '.er Aufbau des Brenners in konkreterer Form ;\ls beim Ausführungsbeispiel in F i g. 1 ersichtlich ist. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet Kühlwände, deren jede an ihrer Außenseite im Kontakt mit einem za erhitzenden Medium 5a, wie z. B. Wasser, gehalten wird. Die Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Brennstoff-Luft-Vorgemiseheinlaßleitung, und die Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Sekundärlufteinlaßleitung. Hauptflammenöffnungen 8 sind jeweils in der Form eines Schlitzes zwischen der Innenfläche einer der Kühlwände 5 und einer von zwei Flammenkochplatten 9

ίο angeordnet Hilfsflammenoffnungen 10 in diesen Platten 9 bestehen je aus einer Mehrzahl von Schlitzen einer engeren Weite als der Weite der Hauptflammenschliize 8 und sind neben den Hauptflammenschlitzen 8 an der den Kühlwänden 5 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Die Hilfsflammenschlitze 10 sind so angeordnet, daß sich ihre Längsachsen unter rechten Winkeln zu den Längsachsen der Hauptflammenschlitze 8 befinden. Eine Mehrzahl von Sekundärluftblasöffnungen in Form von Schlitzen 11 sind im mittleren Teil des ßrenners derart vorgesehen, daß sie in der Strömlingsrichtung der Flammen und zu den Kühlwänden '- nin ausgerichtet sind. Die Sekundärluftblasschlitze 11 sinü so geformt, daß sich ihre Längsachsen in einer Richtung von der Stromaufseite zur Stromabseite der Flammen ersi-ekken. Die Sekundärluftbiasschlitze 11 sind durch Schneiden vom Scheitel einer Oberabdeckung eines Sekundärluftkanals 12, der einen dreieckigen Querschnitt aufweist, in die beiden schrägen Flankenseiten der Oberabdeckung gebildet Die Bezugsziffer 13 bezeichnet zwei Endplatten, die die Längsenden des Brenners abschließen. Obwohl nicht dargestellt, sind Abstandsstücke so vorgesehen, daß die Hauptflammenschlitze 8 eine geeignete Weite und eine geeignete Vertikalstellup.g aufweisen.

Der nach vorstehender Erläuterung aufgebaute Gasbrenner arbeitet derart, daß ein Vorgemisch aus gasförmigem Brennstoff und Primärluft, das durch die Brennstoff-Luft-Vorgemischeinlaßleitung 6 eingeführt wird, aus den Hauptflammenschlitzen 8 und den Hilfsflammenschlit/en 10 ausströmt. Da die Hilfsflammen^hlit/e 10 jeweils eine Weite aufweisen, die geringer als die der Hauptflammenschlitze 8 ist. können die Hilfsflammensehlit/e 10 kleine Flammen liefern, die von stabiler Form sind. Das aus den Hauptf'ammenschlitzen 8 ausströmende Brennstoff-Luf-Vorgemisch streicht in Strömen derart entlang der Kühlwände 5. daß Flammen gebildet werden, die im Kontakt mit den Kühlwänden 5 gehalten werden: und zwar wird der erste Reaktionsbereich A an der Stromabseite jedes der Hauptflammenschlit/e 8 gebildet, und der zweite Reaktionsbereich B w ird an der Stromabseite des ersten Reaktionsbereichs A gebildet. Die durch die Sekundär lufteinlaßleitung 7 eingeführte Sekundärluft wird durch die in aer Nähe der Hilfsflammenschlit/e 10 ausgebilde ten Sekundärluftblasschli'./e 11 gegen den S'romabteil des brennenden Gases /ti den Kühlwänden 5 Viin derart geblasen, daß die Flammen in ihrer Stromabrichtung gestreckt werden. So werden die Flammen in der gleichen Weise, wi- anhand der F i g. 1 beschrieben.

gekühlt, und die Erzeugung von Stickstoffoxiden wird gehemmt.

Wenn jedoch die Flammen zu sehr gekühlt werden, kühlt sich CO ab. ohne zu COi oxydiert zu werden. Die Oxydation von CO findet viel schneller als die NO-Erzeugung statt. -Venn indessen, wie F i g. 6 zeigt. CO mit geeigneter Geschwindigkeit abgekühlt wird, oxydiert sich CO zu COj. falls jedoch die Abkühlungsgcschwindigkeii hoch ist. kühlt sich CO als solches ab. da es

nur eine ungenügende Oxydationsreaktion durchmacht.

In dem in F i g. 4 und 5 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind eine Mehrzahl von Sekundärluftblasschlitzen 11, derart angeordnet, daß ihre Längsachsen unter rechten Winkeln zur Strömungsrichtung der flammen gerichtet und gegenseitig durch geeigneten Abstand getrennt sind. Durch diese Anordnung zerschneidet die Sekundärluft von den Schlitzen Il in einer Mehrzahl von Strahlslrömen die Flammen kreuzweise in eine Mehrzahl von Flammenteile. Diese aufgespaltenen Teile der Flammen sind durch die .Struhlströmc von Sekundärluft in einzelne Schichten unterteilt und werden mit Optimalgcschwindigkeit allmählich abgekühlt, so daß die Flammen nicht schnell erkalten und CO ausreichend zur Umwandlung in COj r, oxydiert wird.

Die Art, in der Sekundärluft durch die Sekundärluftblasschlitze Il der in Fig.4 gezeigten Form geblasen wird, soll nun erläutert werden. Wie F i g. 7 zeigt, ist jeder der Sekundärluftblasschlitze 11 im Scheitel der dreicckförmigen Oberabdeckung des Sekundärluftkanals 12 ausgebildet und reicht in Schlitzform längs der gegenüberliegenden Flankenseiten der Oberabdeckung des Kanals 12. Das Volumen der durch den Scheitelteil geblasenen Sekundärluft ist gering, und die Sekundärluft wird überwiegend durch die Flankenteile angenähert vertikal zu den Flankenteilen ausgeblasen, so daß es möglich ist, die überwiegende Menge der zugeführten Sekundärluft gegen den bestimmten Bereich jeder der längs der Kühlwandoberflächen vorhandenen Flammen jo zu blasen. Der Dreiecksoberteil weist einen Winkel θ auf. der im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel 100° ist. Wenn der Winkel θ größer als 100°. beispielsweise 150° wird, erhöht sich der Anteil der durch den Scheitelteil geblasenen Sekundärluft im Verhältnis zu dem Anteil der durch die Flankenteile gebutterten Sekundärluft.

Das Ergebnis eines bezüglich der Stickstoffoxiderzeugung mit dem gemäß vorstehender Erläuterung aufgebauten Brenner unter Verwendung von CH* als Brennstoff durchgeführten Versuchs war:

Stickstoffoxidmenge 35 ppm

CO'CO: 0.0005

Temperatur der dem ersten und zweiten Reaktionsbereich

der Flammen zugeordneten

Teile der Kühlwände unter 300⁰C.

Da die Stickstoffoxidbildung mittels der Kühlwände und der Zufuhr von Sekundärluft gehemmt wird, läßt sich die erzeugte Stickstoffoxidmenge auf einem im wesentlichen konstanten Niveau auch dann halten, wenn das Primärluftverhältnis verringert oder erhöht wird.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispte! sind die Sekundärluftblasschlitze 11 in der Art angeordnet, daß die Strahlströme von Sekundärluft über den Hilfsflammenschlitzen 10 strömen. Bei dieser Anordnung können.

wenn die Sekundärluftblasschlitze 11 und die Hilfsflammenschlitze IO so angeordnet sind, daß für jeden der Schlitze 11 ein Schlitz 10 vorgesehen ist. die Fhimmen in Einzelflammenteile großer Zahl aufgetrennt werden.

Zusätzlich sind bei dem genannten Ausfflhrungsbeispie! die unteren Enden aller Sekundärluftblasschlitze 11 auf (Jem gleichen Niveau angeordnet, so daß die Sekundärluft der gleichen Stelle jeder Flamme zugeführt wird. Jedoch können auch, wie F i g. 8 zeigt, zwei Arten von Sekundärluftblasschlitzen 14 und 15 abwechselnd unterschiedlicher Länge an Stelle der Sekundärluftblasschlitze 11 gleicher Länge vorgesehen werden. Dies ermöglicht ein Blasen der Sekundärluft gegen unterschiedliche Teile der Flammen, wodurch eine Steuerung der Kühlung der Flammen und eine Erzielung der CO-Oxydation mit besonderen Ergebnissen ermöglicht werden.

Weitere Varianten zu den Sckuiidärluftblasschlit/en sind in den K ig. 9 und 10 gezeigt, in Fig. 9 sind Luftblasöffnungen 16 und 17 in der Form großer und kleiner Kreise an Stellen vorgesehen, die den Stromabbzw. Stromaufteilen der Flammen entsprechen. Die Sekundärluftblasöffnungen 18 nach Fig. 10 weisen eine Dreiecksform auf. Außerdem können die Sekundärluftblasöffnungen so ausgebildet sein, daß sie in verschiedenen Richtungen, jedoch auf gleichem Niveau angeordnet sind.

Bei iiem in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Hauptflammenöffnungen 8 jeweils die Form eines Schlitzes, der sich längs einer der Kühlwände 5 erstreckt. Es versteht sich, daß auch die Hilfsflammenöffnungen 10 als Hauptflammenöffnungen verwendet werden können, indem man die Hauptflammenöffnungen 8 eliminiert. Wenn dies der Fall ist. kann man eine Mehrzahl von die Hauptflammenöffnungen bildenden und sich unter rechten Winkeln zu den Kühlwänderi 5 erstreckenden Schlitzer, in der Weise vorsehen, daß jedes Ende jedes der Schlitze in Berührung mit einer der Kühlwände 5 ist. Die Abkühlungsgeschwindigkeit der Flammen läßt sich steuern, indem man für jede der Sekundärluftblasöffnungen einen Hauptflammenschlitz vorsieht. Weiter wird in diesem Fall, wenn eine Flammenlochplatte, die mit den Flammenöffnungen ausgestattet ist, an der Seite der Kühlwand von geringerer Dicke als an der Seite der Sekundärluftöffnung gemacht wird, ein Flammenteil an der Seite der Kühlwand eine Hauptflamme, während ein anderer Flammenteil an der Seite der Sekundärluftöffnung eine Hilfsflamme wird.

Bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel ist die Hauptflammenöffnung im Kontakt mit der Kühlwand vorgesehen, wobei der zweite ReaKtionsbereich im Kontakt mit der Kühlwand ist. und die Sekundärluft wird dagegen geblasen. Jedoch kann die Flammenöffnung in der Nähe der Kühlwand vorgesehen werden, wobei dann die Flamme durch die Wirkung der Sekundärluft in Kontakt mit der Kühlwand gebracht wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Gasbrenner mit einem ersten Auslaß für eine aus gasförmigem Brennstoff und Primärluft gebildete Flamme, einer an einer Seite dieses Auslasses in dessen Nähe vorgesehenen, von der Flamme berührten Wand und einem zweiten Auslaß zum Blasen von Sekundärluft gegen die Ramme, der an der der einen Seite gegenüberliegenden Seite des ersten Auslasses zur Wand gerichtet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Auslaß (1; 8,10) ein Vorgemisch aus Brennstoff und Primärluft zuströmt, daß die Wand als Kühlwand (3;

   5) dient und daß der zweite Auslaß (4; 11) die Sekundärluft gegen den maximalen Temperaturbereich (C) der am ersten Auslaß (1; 8, 10) gebildeten Flamme richtet.

   2. Gasbrenner nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Auslaß (4) zum zusätzlichen Blasen vuo Sekundärluft gegen einen Teil der Fiamme stromab des maximalen Temperaturbereichs ^eingerichtet ist

   3. Gasbrenner nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Auslaß (4a) schräg zur Hauptströmungsrichtung angeordnet ist.

   4. Gasbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung je eines ersten Auslasses an zwei gegenüberliegenden Kühlwänden (5) der zweite Auslaß von einer Mehrzahl von symmetrisch zwischen diesen angeordneten Schiitzen (U) gel ildet ist, die in einem im Querschnitt dreieckigen Vorsprung ei"*is Sekundärluftkanals (12) ausgebildet sind.

   5. Gasbrenner nach Ar.sprurS4. dadurch gekennzeichnet, daß sich senkrecht an einen die Hauptflammenöffnung (8) bildenden Schlitz der beiden ersten Auslässe zum zweiten Auslaß (11) hin schlitzförmige Hilfsflaminenöffnungen (10) geringerer Weite anschließen.

   6. Gasbrenner nach Anspruch I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze des zweiten Auslasses aus zwei Gruppen von Schlitzen (14, f-5) abwechselnd unterschiedlicher Länge bestehen.

   7. Gasbrenner nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Auslaß anstelle der Schlitze kreisförmige Öffnungen (16, 17) zweier verschiedener Durchmesser aufweist.