DE3807214A1 - Brenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmigen oder für gasförmigen und flüssigen Brennstoff mit einem zentralen Auslaß für Kernluft als ersten Verbrennungsluftanteil, mit einem den ersten Auslaß umgebenden ringförmigen zweiten Auslaß für Primärluft als zweiten Verbrennungsluftanteil und mit einem den zweiten Auslaß umgebenden ringförmigen dritten Auslaß für Sekun­ därluft als dritten Verbrennungsluftanteil, wobei der Auslaß des gasförmigen Brennstoffs ebenfalls ringförmig zum zentralen Kern­ luftstrom erfolgt.

Bei einem bekannten Gasbrenner dieser Art wird der gas­ förmige Brennstoff dem Sekundärluftstrom vollständig zugemischt und durch den dritten ringförmigen Auslaß konvergierend in den Verbrennungsraum geleitet, wo er auf den zentralen Kernluftstrom und den Primärluftstrom trifft und mit diesen Strömen in einer ersten Zone gemischt wird, in der die Zündung und eine Vorver­ brennung erfolgt, wobei die Durchmischung in dieser Flammenzone und die Begrenzung der Länge der Zone durch eine Verdrallung der zugeführten Luft begünstigt werden kann, weil hierdurch eine innere Rezirkulation entsteht, durch die unverbrannte Bestand­ teile des Brennstoffs vom Ende der Zone zur Flammenwurzel zurück­ geführt werden und dadurch die Flamme am Brennermund gehalten wird. Durch diese dreiflutige Luftführung wird die Ausbildung einer unerwünscht langen Flamme verhindert.

Solche Brenner werden in industriellen Anlagen, z.B. zur Erzeugung von Prozeßwärme, von Heißluft etc. eingesetzt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit der beschriebenen herkömmlichen Bauart die strengen Forderungen hinsichtlich der Schadstoffbe­ grenzung der Abgase entsprechend der Großfeuerungsanlagen- Verordnung und der TA-Luft nur mit geringem Sicherheitsabstand erfüllt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Schadstoffe im Abgas, insbesondere der NOx-Gehalt wesentlich ver­ mindert werden.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein erster Teil des gasförmigen Brennstoffs innerhalb des Brenners in den Primärluftstrom und der zweite restliche Teil des gasförmigen Brennstoffs in den Sekundärluftstrom einleitbar ist, daß die zugeführten Mengen von Kernluft und Primärluft einerseits und von Sekundärluft andererseits unabhängig vonein­ ander einstellbar sind, daß die Einstellung der Luftstrommengen und die Aufteilung der Brennstoffmengen so erfolgt, daß das aus dem zweiten Auslaß austretende Primärluft-Brennstoffgemisch zusammen mit der Kernluft unterstöchiometrisch und das Sekundär­ luft-Brennstoffgemisch überstöchiometrisch ist, und daß Mittel vorgesehen sind, um durch die Verbrennungsluft Rauchgase anzu­ saugen.

Hierdurch wird zweierlei erreicht. In der ersten Zone der Flamme entsteht eine sogenannte Vorgemischflamme, die mit hohem Brennstoffüberschuß, d.h. mit Luftmangel verbrennt, so daß in dieser Zone die Stickoxidbildung stark reduziert wird, während der Ausbrand dann in der mit dem Gemisch aus Sekundärluft und restlichem Brennstoff beschickten zweiten Zone erfolgt, in der die Flamme weiter abgekühlt ist, und in der der Ausbrand mit Luftüberschuß erfolgt, was ebenfalls die Entstehung von Stick­ oxiden verringert. Zum anderen wird eine weitere Verringerung der NOx-Werte durch die Abgasrückführung erreicht, die an sich für diesen Zweck unter Einsatz von Ventilatoren bekannt ist, die aber bei dem erfindungsgemäßen Brenner eigenständig, also ohne zusätz­ liche Hilfsmittel erfolgt.

Die Aufteilung des Brennstoffs auf die Primärluft und die Sekundärluft hat einen weiteren überraschenden Vorteil. Bei Gasbrennern treten insbesondere in der Anlaufphase, aber auch im stationären Betrieb Schwingungen auf, die auf einer Wechselwir­ kung zwischen dem Verbrennungsvorgang und dem Hohlraum des nach­ geschalteten Kessels beruhen, und die den Kessel enorm beanspru­ chen. Es hat sich nun gezeigt, daß durch die Aufteilung der Gas­ anteile bei geeigneter Bemessung der Brenner vollständig ohne Brennerschwingungen betrieben werden kann.

Die individuelle Einstellbarkeit der Verbrennungsluft­ ströme ermöglicht es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, die Einstellung so vorzunehmen, daß Kern- und Primärluft den überwie­ genden Anteil der Verbrennungsluft im unteren Lastbereich und die Sekundärluft den überwiegenden Anteil der Verbrennungsluft im oberen Lastbereich bilden. Auf diese Weise ist es möglich, in Abhängigkeit von der Leistung die Luftverteilung optimal zu ge­ stalten.

Vorzugsweise mündet das Rauchgas-Rückführungsrohr mit seinem vorderen Ende in das hintere Ende des Kernluft-Zuführroh­ res und bildet mit diesem eine Ringdüse als Durchlaß für die Kernluft. Auf diese Weise wird ein Injektor gebildet, durch den die Kernluft gerichtet in das Kernluft-Zuführrohr eintritt und darin einen Unterdruck ausbildet, der ausreicht, um den benötig­ ten Verbrennungsluftanteil aus dem Rauchgas-Rückführungsrohr anzusaugen, ohne daß es eines aktiven Mittels wie eines Ventila­ tors bedarf.

Wenn der Brenner an einem Dreizug-Kessel arbeitet, ist es zweckmäßig, das rückwärtige Ende des Rauchgas-Rückführungs­ rohres für den unmittelbaren Anschluß an einen oder mehrere Rauchgaszüge in der vorderen Wendekammer des Dreizug-Kessels auszubilden. Hierdurch bietet sich die Möglichkeit, die Tempera­ tur- und Druckverhältnisse für den Brenner optimal anpassen zu können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Brenner mit dreiflutiger Luftführung in Seitenansicht und in Stirnansicht, und

Fig. 2 schematisch eine Seitenansicht eines Brenners mit der Rauchgas-Rückführung von den Zügen in der vorderen Wendekammer eines Dreizug- Kessels.

Das Gehäuse 1 des in Fig. 1 dargestellten Brenners 2 enthält eine Verbrennungsluft-Zuführung 3 und eine Gaszuführung 4. Die Luftzuführung 3 mündet in einen Verteiler 5. Von diesem Ver­ teiler 5 wird über die Kammer 6 und eine Regelklappe 7 dem Kern­ luft-Zuführrohr 8 ein erster Verbrennungsluftanteil und dem Ring­ spalt 9 andererseits Primärluft als zweiter Verbrennungsluft­ anteil zugeführt, wobei die Zuführung zum Ringspalt 9 über eine Dralleinrichtung 10 erfolgt. Der Ringspalt 9 bildet mit dem vor­ deren Ende des Kernluft-Zuführrohres 8 eine Ringdüse 11, aus der die Primärluft konvergierend in den Verbrennungsraum eintritt.

Über eine Kammer 12 wird durch Regelklappen 13 Sekun­ därluft als dritter Verbrennungsluftanteil über ein Leitgitter 14 und eine Dralleinrichtung 15 über eine Ringdüse 16 ebenfalls kon­ vergierend in den Verbrennungsraum geleitet. Die Ringdüse 16 um­ gibt die Ringdüse 11 auf einem größeren Durchmesser und befindet sich in Strömungsrichtung vor der Ringdüse 11.

Die Gaszufuhr 4 mündet in eine Kammer 17, die Durchläs­ se 18 zum Ringspalt 9 und Durchlässe 19 zum Ringraum vor der Ringdüse 16 aufweist, so daß ein Teil des Gases dem Primärluft­ strom und der restliche Teil des Gases dem Sekundärluftstrom zu­ gemischt wird.

Die Einstellung der Luftmengen und die Aufteilung der Gasmenge erfolgt nun so, daß das aus der Ringdüse 11 austretende Gemisch aus Primärluft und Gas zusammen mit der Kernluft einen Gasüberschuß aufweist, und daß das Gemisch aus Sekundärluft und Gas einen Luftüberschuß aufweist, wobei die Regelung lastabhängig erfolgt, so daß Kern- und Primärluft den überwiegenden Verbren­ nungsluftanteil im unteren Lastbereich und die Sekundärluft den überwiegenden Verbrennungsluftanteil im oberen Lastbereich des Brenners bildet.

Das Gas/Luft-Gemisch, das aus der Ringdüse 11 aus­ strömt, bildet die erste Flammenzone, in der die Zündung erfolgt, in der aber wegen des Gasüberschusses nur eine Vorverbrennung er­ folgt. Die Verdrallung der Primärluft führt hinter der Ringdüse 11 zu einem Unterdruck und damit zu einer inneren Rückströmung, die unverbrannte Brennstoffanteile zur Flammenwurzel zurückführt. Das aus der Ringdüse 16 austretende Gemisch aus Gas und Sekundär­ luft bildet die zweite Flammenzone, wodurch eine äußere Rückströ­ mung entsteht, die die Flamme stabilisiert. Zusätzlich sorgt eine konische Sperrfläche 20 zwischen den Ringdüsen 11 und 16 für die Flammenstabilisierung. Die unterstöchiometrische Verbrennung in der ersten Zone einerseits und die überstöchiometrische Verbren­ nung mit der in der zweiten Zone bereits abgekühlten Flamme ande­ rerseits bewirkt eine starke Reduzierung der NOx-Werte im Abgas.

Wie schon erwähnt wurde, bildet sich durch die Verdral­ lung der Primärluft vor dem Kernluft-Zufuhrrohr 8 ein Unterdruck aus, der nicht nur die innere Rückströmung innerhalb der Flamme bewirkt, sondern der auch eine Saugwirkung auf die Kernluft aus­ übt, wobei die Saugwirkung umso größer ist, je weniger das Pri­ märluft-Gasgemisch konvergent ausgebildet wird. Dieser Unterdruck kann nun noch dadurch verstärkt werden, wenn man die Kernluft nicht - wie bisher - einfach durch das Zuführrohr 8 strömen läßt, sondern indem man sie durch Bildung eines Injektors am Eingang des Zuführrohres 8 richtet. Die Saugwirkung kann dadurch so groß gemacht werden, daß sie ausreicht, Rauchgas anzusaugen, ohne daß es hierfür eines Gebläses bedarf, d.h. die Kernluft dient zu­ gleich als Treibmittel für die Zurückführung der Rauchgase, wobei in diesem Falle das sonst am Auslaßende des Kernluft-Zuführrohres zur Verbesserung der Mischleistung vorgesehene Lochblech ent­ fällt.

Bei dem dargestellten Brenner mündet das Rauchgas-Rück­ führungsrohr 21 in das hintere Ende des Kernluft-Zuführrohres 8, so daß ein Ringspalt nach Art eines Injektors gebildet wird. Durch die Art der Zuführung von Primärluft-Gasgemisch und Kern­ luft entsteht so ein zweistufiger Injektor, durch dessen Wirkung die erforderliche Menge an Rauchgas eigenständig ohne Gebläse angesaugt werden kann, die zusätzlich zu der Brennstoffaufteilung die Flamme kühlt und dadurch die NOx-Werte des Rauchgases weiter herabsetzt.

Darüber hinaus besteht der Vorteil, daß sich bei dieser Art der Rauchgasrückführung die Menge des zurückgeführten Rauch­ gases leistungsabhängig ändert, d.h. wenn bei kleiner Last wenig Primärluft und Kernluft zugeführt wird, ist die Menge des zuge­ führten Rauchgases gering, während andererseits bei Vollast eine sehr starke Saugwirkung entsteht und demzufolge entsprechend mehr Rauchgas zurückgeführt wird.

Das hintere Ende des Rauchgas-Rückführungsrohres 21 kann überall dort enden, wo die Rauchgase anfallen und wo sie am kühlsten sind.

Eine zweckmäßige Anordnung des Rauchgas-Rückführungs­ rohres zeigt Fig. 2 am Beispiel eines sogenannten Dreizug- Kessels, bei dem die Rauchgase hinter dem Brennraum über eine hintere Wendekammer in einen zweiten Zug nach vorn zurückgeführt werden, wo sie in eine vordere Wendekammer gelangen, und von dort werden sie dann über einen dritten Zug am hinteren Ende des Kes­ sels ins Freie geleitet.

Fig. 2 zeigt den Brenner 1 mit dem sich daran anschlie­ ßenden Verbrennungsraum 23, von dem die Verbrennungsgase in Rich­ tung des Pfeils 34 in die nicht dargestellte hintere Wendekammer gelangen und von dort zurück über den aus einzelnen Zügen 25 be­ stehenden Kesselteil in die vordere Wendekammer 26 strömen, bevor sie von dort über den dritten, wiederum einzelne Züge enthalten­ den, nicht dargestellten Kesselteil ins Freie gelangen.

Bei diesem Kessel ist das Rauchgas-Rückführungsrohr mit der vorderen Wendekammer verbunden und dadurch kurz. Dabei ist das Rauchgas-Rückführungsrohr 21 nicht an die Wendekammer 26 ins­ gesamt, sondern direkt an einen oder mehrere Züge 25 angeschlos­ sen. Hierdurch wird die Geschwindigkeit der zurückgeführten Rauchgase reduziert, und dadurch werden die Druckverluste gerin­ ger, so daß die Saugwirkung größer und die Auskühlung der Flamme und damit die NOx-Verminderung stärker wird. Auf diese Weise kön­ nen die Bedingungen für den Brenner optimal angepaßt werden.

Der beschriebene Brenner ist nicht nur als reiner Gas­ brenner verwendbar. Es kann in das Kernluft-Zuführrohr 8 in be­ kannter Weise eine Öllanze 27 eingeführt werden, so daß der Bren­ ner als Kombinationsbrenner mit Gas und Öl oder aber als reiner Ölbrenner betreibbar ist.

Claims (4)

1. Brenner für gasförmigen oder für gasförmigen und flüs­ sigen Brennstoff mit einem zentralen Auslaß für Kernluft als ersten Verbrennungsluftanteil, mit einem den ersten Auslaß umge­ benden ringförmigen zweiten Auslaß für Primärluft als zweiten Verbrennungsluftanteil, und mit einem den zweiten Auslaß umgeben­ den ringförmigen dritten Auslaß für Sekundärluft als dritten Ver­ brennungsluftanteil, wobei der Auslaß des gasförmigen Brennstoffs ebenfalls ringförmig zum zentralen Kernluftstrom erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil des gasförmigen Brennstoffs innerhalb des Brenners in den Primärluftstrom und der zweite restliche Teil des gasförmigen Brennstoffs in den Sekun­ därluftstrom einleitbar ist, daß die zugeführten Mengen von Kern­ luft und Primärluft einerseits und von Sekundärluft andererseits unabhängig voneinander einstellbar sind, daß die Einstellung der Luftstrommengen und die Aufteilung der Brennstoffmengen so er­ folgt, daß das aus dem zweiten Auslaß (11) austretende Primär­ luft-Brennstoffgemisch zusammen mit der Kernluft unterstöchiome­ trisch und das aus dem dritten Auslaß (16) austretende Sekundär­ luft-Brennstoffgemisch überstöchiometrisch ist, und daß Mittel (21, 22) vorgesehen sind, um durch die Verbrennungsluft Rauchgase anzusaugen.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströme so einstellbar sind, daß die Kern- und Primärluft den überwiegenden Anteil an der Verbrennungsluft im unteren Last­ bereich und die Sekundärluft den überwiegenden Anteil an der Ver­ brennungsluft im oberen Lastbereich bilden.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas-Rückführungsrohr (21) mit seinem vorderen Ende in das hintere Ende des Kernluft-Zuführrohres (8) mündet und mit diesem eine Ringdüse (22) als Durchlaß für die Kernluft bildet.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das rückwärtige Ende des Rauchgas-Rückführungsrohres (21) zum un­ mittelbaren Anschluß an einen oder mehrere Rauchgaszüge in der vorderen Wendekammer (26) eines Dreizug-Kessels ausgebildet ist.