DE3740997A1

DE3740997A1 - Verfahren und brenner zum verbrennen eines gemisches aus brennstoff und primaerluft

Info

Publication number: DE3740997A1
Application number: DE19873740997
Authority: DE
Inventors: Sabine Dipl Ing Feldpausch; Gerhard Dr Ing Schmitz; Ivo Dr Ing Skunca
Original assignee: GASWAERME INST EV
Current assignee: GASWAERME INST EV
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1987-12-03
Publication date: 1989-06-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines Gemisches aus Brennstoff und Primärluft in mindestens einer Flamme unter Aufnahme von Sekundärluft aus der Umgebung. Fer ner richtet sich die Erfindung auf einen Brenner zur Durchfüh rung eines derartigen Verfahrens. Unter Brennstoff sind hier gas- und dampfförmige, aber auch fein verteilte flüssige und feste Brennstoffe zu verstehen.

Es ist ein Problem unserer Zeit, die bei Verbrennungsvorgängen entstehenden NO_x-Emissionen zu vermindern, und zwar vorzugs weise durch Primärmaßnahmen, d. h. durch solche Maßnahmen, die bereits die Entstehung von NO_x reduzieren. Gute Ergebnisse werden erzielt durch die Anordnung stabförmiger oder anders ausgebildeter Einsätze neben dem Flammenkern, die Wärme durch Strahlung nach außen abgeben und auf diese Weise eine für die NO_x-Minderung erwünschte Absenkung der Verbrennungstempera tur herbeiführen. Allerdings erscheinen die erzielten Ergeb nisse nach wie vor als verbesserungsbedürftig.

Die Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die NO_x- Emissionen weiter zu vermindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Zutritt von Sekundärluft in den Fußbereich der Flamme begrenzt wird.

Erfindungsgemäß läßt man also die Sekundärluft nicht mehr frei in die Flamme eindiffundieren, sondern schirmt den Fußbereich der Flamme gegen den Zutritt von Sekundärluft ab. Es wurde gefunden, daß diese überraschend einfache Maßnahme zu einer ganz erheblichen Absenkung der NO_x-Emissionen führt. Die Werte liegen wesentlich niedriger als die der Flammenkühlung.

Die niedrigsten Werte ergeben sich, wenn der Fußbereich der Flamme vollständig gegen den Zutritt von Sekundärluft abge schirmt wird. Die Sekundärluft tritt in den vom Fuß der Flamme entfernten Flammenbereich ein und erzeugt eine insgesamt sehr weiche, wenig strukturierte Flamme.

Allerdings muß dabei ein Anstieg der CO-Emissionen in Kauf genommen werden. Um die Emissionswerte für NO_x und CO zu optimieren, ist es daher vorteilhaft, daß ein geringer Anteil der Sekundärluft in den Fußbereich der Flamme eingeleitet wird.

Die Erfindung schafft ferner einen Brenner zur Verbrennung eines Gemisches aus Brennstoff und Primärluft unter Aufnahme von Sekundärluft aus der Umgebung mit mindestens einem Bren nerkörper, der einen Gemischraum mit mindestens einer eine Flamme bildenden Gemischaustrittsöffnung aufweist, wobei die ser Brenner erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch minde stens ein im Bereich unterhalb und seitlich der Gemischaus trittsöffnung angeordnetes Strömungshindernis zum Begrenzen des Zutritts von Sekundärluft in den Fußbereich der Flamme. Neben der Erzielung der oben diskutierten NO_x-Werte hat diese Konstruktion den Vorteil, daß das Strömungshindernis im Gegensatz zu den Einsätzen für die Flammenkühlung nicht auf Glühtemperatur erhitzt werden muß, um seine Funktion zu erfül len. Es hat vielmehr lediglich eine abschirmende Wirkung.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Strömungs hindernis eine unten im wesentlichen geschlossene Ummantelung auf, deren Seitenwand die Gemischaustrittsöffnung umgibt und sich in Flammenrichtung erstreckt. Diese Konstruktion ist an Einfachheit nicht zu überbieten. Es kann sich um einen der Form des Brennerkörpers angepaßten, oben offenen Kasten han deln, in den der Brennerkörper hineingesetzt wird. Auch kann erfindungsgemäß die Ummantelung seitlich am Brennerkörper ansetzen, so daß also der Brennerkörper mindestens einen Teil des Bodens der Ummantelung bildet. Wie vorteilhaft die erfin dungsgemäße Konstruktion ist, ergibt sich bei Betrachtung der Schwierigkeiten, die bei der Positionierung und Befestigung der Einsätze für die Strahlungs-Flammenkühlung auftreten.

Zur oben diskutierten Optimierung der NO_x- und CO-Werte schlägt die Erfindung vor, daß die Ummantelung im unteren Bereich mindestens eine Öffnung für den begrenzten Zutritt von Sekundärluft aufweist. Diese Öffnung kann im Boden oder im unteren Bereich der Seitenwand der Ummantelung angeordnet sein. In der Regel wird man mehrere Öffnungen vorsehen. Die Form der Öffnung ist nicht von Bedeutung. Auch kann ihre Größe unterschiedlich sein, solange der angestrebte Zweck gewährlei stet ist, daß nämlich nur einem geringen Anteil der Sekundär luft der Durchtritt gestattet wird.

Vorzugsweise steht die Seitenwand der Ummantelung außer Berüh rung mit der Flamme. Dadurch wird das Material der Ummantelung geschont. Der Abstand von der Flamme darf allerdings nicht zu groß sein, da sonst die Sekundärluft in einen Bereich der Flamme eintritt, in dem die Temperatur zu niedrig ist, um eine vollständige Ausreaktion zu gewährleisten. Erhöhte CO-Emissio nen sind die Folge. Diese Kriterien gelten auch für die Bemes sung der Höhe der Seitenwand.

Eine wesentliche Weiterbildung des Brenners nach der Erfindung besteht darin, daß die Ummantelung oben unter Freilassung mindestens einer Öffnung geschlossen ist. Auf diese Weise läßt sich die Verteilung der Sekundärluft ganz besonders sorgfältig dosieren.

Bei Ausbildung des Brennerkörpers als Brennerrohr ist die obere Öffnung nach einem weiteren Merkmale der Erfindung als vorzugsweise zentraler Schlitz ausgebildet.

Aus Platzgründen wird man bestrebt sein, die Höhe der Ummante lung möglichst gering zu halten. Hierzu kann bei der oben im wesentlichen geschlossenen Bauform die Höhe der Ummantelung so gewählt werden, daß sie den Austritt einer Flamme aus der oberen Öffnung gestattet. Der Abschluß der Ausreaktion erfolgt also außerhalb der Ummantelung.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist der Brenner dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennerkörper mit zugehörigen Ummantelungen nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Ummantelungen mindestens ein Strö mungskanal für Luft gebildet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh rungsformen des erfindungsgemäßen Brenners im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Brennerab schnitt nach einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform;

Fig. 5 in perspektivischer Ansicht einen Brennerab schnitt nach einer vierten Ausführungsform;

Fig. 6 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform;

Fig. 7 in schematischer Seitenansicht eine sechste Aus führungsform;

Fig. 8 in schematischer Vorderansicht die Ausführungs form nach Fig. 7;

Fig. 9 einen Schnitt durch eine siebte Ausführungsform.

Der Brenner nach den Fig. 1 und 2 umfaßt einen Brennerkör per 1, der im vorliegenden Fall die Form eines Brennerrohres mit auf der Oberseite angeordneten schlitzförmigen Gemischaus trittsöffnungen 2 aufweist. Das Innere des Brennerkörpers bildet einen Gemischraum, in den ein Gemisch aus Brennstoff und Primärluft eingebracht wird. Bei atmosphärischen Brennern dient hierzu eine an einem Ende des Brennkörpers 1 angeordnete Injektoreinrichtung. Der Querschnitt des Brennerkörpers kann dabei in Strömungsrichtung abnehmen.

Der erfindungsgemäße Brenner weist ein Strömungshindernis in Form einer Ummantelung 3 auf. Letztere umfaßt eine Seitenwand 4, die rings um den Brennerkörper 1 herumläuft und somit des sen Gemischaustrittsöffnungen 2 umgibt. Die Ummantelung 3 ist unten durch einen Boden 5 geschlossen. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, daß die Sekundärluft, die in Fig. 2 durch Pfei le angedeutet ist, lediglich in denjenige Flammenbereich eintritt, der vom Flammenfluß, also von den Gemischaustritts öffnungen 2 entfernt liegt. Der Flammenfuß selbst ist völlig gegen den Zutritt von Sekundärluft abgeschirmt. Hieraus resul tieren extrem niedrige NO_x-Emissionen.

Ersichtlich ist die gesamte Vorrichtung extrem einfach. Die Ummantelung 3 bildet praktisch einen oben offenen Kasten, der den Brennerkörper 1 aufnimmt. Dabei steht die Seitenwand 4 der Ummantelung 3 nicht mit der Flamme in Berührung.

Die extrem niedrigen NO_x-Emissionen bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 bringt allerdings erhöhte CO-Emissio nen mit sich. Um letztere abzusenken, kann ein geringer Anteil an Sekundärluft in den Fußbereich der Flamme eingeleitet wer den. Hierzu dienen gemäß Fig. 3 Öffnungen 6, die im unteren Bereich der Ummantelung 3 vorgesehen sind. Durch die Größe dieser Öffnungen werden die Emissionswerte für NO_x und CO optimiert. Im übrigen zeigt Fig. 3, daß die Ummantelung 3 direkt am Brennerkörper 1 ansetzt. Letzterer bildet also einen Teil des Bodens der Ummantelung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Ummantelung 3 oben durch eine Abdeckung 7 verschlossen, die Öffnungen 8 freiläßt. Mit diesen Öffnungen 8 ist in Verbindung mit den Öffnungen 6 eine optimale Abstimmung der NO_x- und CO-Emissionswerte möglich. Die Öffnungen 6 sind im vorliegenden Fall im Boden 5 der Ummantelung 3 angeordnet.

Die Öffnungen 6 und 8 können beliebig geformt werden. So zeigt Fig. 5, daß auch eine schlitzförmige Gestaltung möglich ist. Im übrigen besitzt diese Ausführungsform noch die Eigenart, daß die Abdeckung 7 einwärts gezogen ist und eine der Öffnun gen 8 in Form eines durchgehenden zentralen Mittelschlitzes bildet. Auch die Gemischaustrittsöffnung 2 des Brennerkörpers 1 stellt einen durchgehenden axialen Schlitz dar.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die Abdeckung 7 dach förmig ausgebildet. Die Höhe der Seitenwand 4 der Ummantelung 3 ist so gewählt, daß sich Flammenfortsetzungen oberhalb der mittleren Öffnungen 8 ausbilden. Es ergibt sich eine relativ niedrige Bauhöhe.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 umfaßt der Brennerkörper 1 eine Mehrzahl senkrechter Injektoreinrichtun gen, die von einem entsprechenden Satz von Gasdüsen 9 gespeist werden. Die Ummantelung 3 umschließt also einen Flammentep pich.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 umfaßt der Brenner zwei Brennerkörper 1 mit zugehörigen Ummantelungen 3. Zwischen den beiden Ummantelungen kann Luft nach oben strömen, beidseitig durch die Öffnungen 6 in die Fußbereiche der Flammen gelangen und nach Passieren der Ummantelungen über deren Oberkanten in die oberen Flammenbereiche eintreten. Dieser Brenner stellt also im wesentlichen eine Verdoppelung der Ausführungsform nach Fig. 3 dar.

Dieses Mehrfach-Prinzip kann auch auf die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 Anwendung finden. Dort wird dann der Bren nerkörper 1 in eine Mehrzahl von leistenförmigen Brennerkör pern (vorstellbar am besten bei Betrachtung von Fig. 8) aufge teilt, wobei jeder leistenförmige Brennerkörper seine eigene Ummantelung erhält. Die gemeinsame Ummantelung 3 kann dann gegebenenfalls entfallen.

Andererseits kann der Brenner nach Fig. 9 um beliebig viele weitere Brennerkörper 1 mit zugehörigen Ummantelungen 3 er gänzt werden.

Grundsätzlich lassen sich die einzelnen Merkmale der Fig. 1 bis 9 beliebig miteinander kombinieren.

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen eines Gemisches aus Brennstoff und Primärluft in mindestens einer Flamme unter Aufnahme von Sekundärluft aus der Umgebung, dadurch gekennzeichnet, daß der Zutritt von Sekundärluft in den Fußbereich der Flamme begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein geringer Anteil an Sekundärluft in den Fußbereich der Flamme eingeleitet wird.

3. Brenner zur Verbrennung eines Gemisches aus Brennstoff und Primärluft unter Aufnahme von Sekundärluft aus der Umge bung mit mindestens einem Brennerkörper (1), der einen Ge mischraum mit mindestens einer eine Flamme bildenden Gemisch austrittsöffnung (2) aufweist, gekennzeichnet durch mindestens ein im Bereich unterhalb und seitlich der Gemischaustrittsöff nung (2) angeordnetes Strömungshindernis zum Begrenzen des Zutritts von Sekundärluft in den Fußbereich der Flamme.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungshindernis eine unten im wesentlichen geschlossene Ummantelung (3) aufweist, deren Seitenwand (4) die Gemischaus trittsöffnung (2) umgibt und sich in Flammenrichtung er streckt.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (3) seitlich am Brennerkörper (1) ansetzt.

6. Brenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (3) im unteren Bereich mindestens eine Öffnung (6) für den begrenzten Zutritt von Sekundärluft auf weist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Seitenwand (4) der Ummantelung (3) außer Berührung mit der Flamme steht.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ummantelung (3) oben unter Freilassung min destens einer Öffnung (8) geschlossen ist.

9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Brennerkörpers (1) als Brennerrohr die obere Öffnung (1) als vorzugsweise zentraler Schlitz ausgebildet ist.

10. Brenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Ummantelung (3) den Austritt einer Flamme aus der oberen Öffnung (8) gestattet.

11. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere Brennerkörper (1) mit zugehörigen Ummantelungen (3) nebeneinander angeordnet sind, wobei zwi schen benachbarten Ummantelungen mindestens ein Strömungskanal für Luft ausgebildet wird.