DE3923238A1 - Feuerung mit einer einrichtung zum rueckfuehren von verbrennungsprodukten - Google Patents
Feuerung mit einer einrichtung zum rueckfuehren von verbrennungsproduktenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Rückführen von
Verbrennungsprodukten oder Abgasen in Feuerungsanlagen zur
Verbrennung von fließfähigen und gasförmigen Brennstoffen
mit einer in einem Brennerrohr angeordneten Brennerdüse
für die Zufuhr von Brennstoff, mit einer Einrichtung für
die Zufuhr von Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer
und mit einer Einrichtung zur Rückführung von Verbrennungs
produkten oder Abgasen in die Verbrennungszone.
Feuerungsanlagen mit Einrichtungen zum Rückführen oder
Führen im Kreislauf von Verbrennungsprodukten oder Abgasen
dienen dem Zweck, eine möglichst vollständige Verbrennung
zu erzielen. Ein weiterer Zweck ist darin zu sehen, die
Temperatur im Feuerraum zu erniedrigen, um die Wände zu
schützen. Darüber hinaus wird seit einiger Zeit besonderer
Wert auf eine Verringerung der Emission von Stickoxiden
gelegt. Der zu etwa 78% in der Verbrennungsluft enthalte
ne Stickstoff oxidiert bei Temperaturen über ca. 1400°C
teilweise zu Stickoxiden. Das heißt, will man eine über
mäßige Produkten von Stickoxiden vermeiden, so sollte die
Temperatur in der Verbrennungszone nicht über ca. 1370°C
ansteigen. Die entsprechenden Zusammenhänge sind seit län
gerer Zeit bekannt. Man versucht, die genannten Ziele
durch Abgasrückführung zu erreichen.
In der deutschen Offenlegungsschrift 20 14 248 wird eine
Feuerungsanlage mit Abgasrückführung und zwei Verbrennungs
zonen beschrieben. In die erste Verbrennungszone wird ein
Gemisch aus Brennstoff und Luft zugeführt. Dabei ist der
mit der Verbrennungsluft eingebrachte Sauerstoffanteil ge
ringer als es für eine vollständige Verbrennung erforder
lich wäre. Durch die Zufuhr von Stickoxid enthaltenden Ab
gasen und durch Zufuhr eines Kühlmittels wird die Flammen
temperatur in dieser Verbrennungszone unter 1390°C gehal
ten. Dabei erscheint es offensichtlich, daß die Zugabe ei
nes Kühlmittels nicht nur mit beträchtlichem zusätzlichem
Aufwand verbunden ist, sondern darüber hinaus ergibt sich
somit auch ein recht ungünstiger Wirkungsgrad, was dazu
geführt hat, daß sich dieses Verfahren, insbesondere in
Anbetracht knapper und teurer werdender Brennstoffvorräte,
nicht durchsetzen konnte.
Das April-Heft 1973 der Zeitschrift "Energie" beschreibt
auf der Seite 126 eine Feuerungsanlage mit zwei Verbren
nungszonen, bei der auf die Zufuhr von Kühlmittel verzich
tet wird. Wie bei der zuvor genannten Anlage erhält die
erste Verbrennungszone ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit ei
nem weniger als der stöchiometrischen Menge entsprechenden
Sauerstoffanteil. Auch hierbei wird eine Rauchgasrückfüh
rung in die Flammenzone vorgenommen. Die zweite Verbren
nungszone zeichnet sich dadurch aus, daß hier der restli
che Teil der für die vollständige Verbrennung erforderli
chen Luft oberhalb des Brenners zugeführt wird. Bei dieser
Konstruktion sind sowohl die Flammentemperatur als auch
der Gehalt des Rauchgases an Stickoxiden, Kohlenmonoxid
und Kohlenstoff unbefriedigend. Eine Regelung zur Optimie
rung dieser Parameter ist nicht vorhanden.
Diesen Mißstand versucht die deutsche Patentschrift
24 61 078 auszuräumen. Auch bei der darin beschriebenen
Anlage erfolgt die Verbrennung in zwei unterschiedlichen
Zonen, wobei die erste Zone ebenfalls eine für eine voll
ständige Verbrennung zu geringe Sauerstoffmenge enthält.
Die Rauchgasbeimischung erfolgt ebenfalls in dieser Ver
brennungszone. Die Verbrennungszone 1 wird von einem Luft
mantel umgeben und führt zur Verbrennungszone 2, wo die
restliche Verbrennung erfolgen soll. Die Rauchgasrückfüh
rung wird auf mehrfache Weise vorgenommen: Hauptsächlich
wird aus dem Schlot Abgas entnommen und über ein
Rohrsystem mittels einer Pumpe in die Verbrennungszone 1
befördert. Auch werden Verbrennungsprodukte auf zwei wei
teren unterschiedlichen Wegen aus dem vorderen Flammenbe
reich entnommen und in die Verbrennungszone 1 zurückge
führt.
Unverständlicherweise wird eine gründlichere Durchmischung
des Luft-Brennstoff-Rauchgasgemisches erst hinter der Ver
brennungszone 1 vorgenommen. Hier soll über ein querge
stelltes gitterförmiges Rohrsystem eine Verwirbelung er
folgen und weiterer Sauerstoff zugeführt werden. Die große
Anzahl unterschiedlicher Maßnahmen legt die Vermutung
nahe, daß sich mit geringerem Aufwand der gewünschte Er
folg nicht einstellen würde.
Die stickoxidhaltigen Verbrennungsprodukte ergeben sich
nicht nur durch Oxidation des Luftstickstoffs, sondern
auch aus der Verbrennung z.B. staubförmiger Brennstoffe.
Die deutsche Patentschrift 29 08 427 hat sich zur Aufgabe
gemacht, die Bildung von Stickoxiden insbesondere aus der
Verbrennung staubförmiger fester Brennstoffe zu verringern.
Auch hierbei wird zwischen zwei Verbrennungszonen unter
schieden, wobei in die Primärzone außer Brennstoff eine im
Verhältnis 0,5-0,9 unterstöchiometrische Menge Verbren
nungsluft eingeführt wird. Die zur vollständigeren Ver
brennung erforderliche Restluft wird erst in einer Nach
verbrennungszone, die sich etwa ein bis zwei Mantelrohr
durchmesser stromab entfernt befindet, in die Flamme ge
lenkt. Für die Abgasrückführung sind keine besonderen Vor
kehrungen getroffen: Es heißt, daß eine Rauchgasrückfüh
rung durch den Impuls der Flamme erfolgen soll. Wie das im
einzelnen geschehen könnte, und ob das überhaupt geschieht,
wird nicht näher erläutert.
Hier greift nun die Erfindung ein. Die Erfindung hat sich
die Aufgabe gestellt, eine Abgasrückführung zu beschrei
ben, die bei aller Einfachheit derartig regelbar ist, daß
sich bei optimalem Wirkungsgrad eine Minimierung der
Schadstoffemission ergibt.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Pa
tentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Er
findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der besondere Wert der Erfindung ist in einer weitgehenden
Verhinderung von Schadstoffen aller Art zu sehen. Sowohl
Stickoxide als auch Kohlenmonoxid und Kohlenstoff sind nur
noch in vernachlässigbaren Größenordnungen im Abgas ent
halten. In Verbindung mit einer weitgehend vollständigen
Verbrennung konnte der Wirkungsgrad optimiert werden.
Zunächst wurde durch die teilweise Rückführung der Abgase
in die Verbrennungszone die Flammentemperatur soweit ver
ringert, daß eine Oxidation von molekularem Luftstickstoff
praktisch unterbunden wurde. Aus der Verbrennungszone er
folgt die Wärmeabgabe in Form von Wärmestrahlung. Hinter
der Verbrennungszone werden die noch heißen Abgase an den
Wänden der Verbrennungskammer entlang bis an den Brenner
kopf zurückgeführt, wobei sie weitere Wärmeenergie durch
Konvektion abgeben. Auf diese Weise wird nicht nur eine
Abgasrückführung, sondern auch ein optimaler Wärmetransfer
an den Heizkessel erreicht. Die rückgeführten Abgase kom
men, außer mit den Wänden der Verbrennungskammer, nur mit
dem Brennerkopf in Berührung. Da zusätzliche Aggregate,
wie z.B. Rückführleitungen, Abgaspumpen und dergleichen,
nicht vorhanden sind, ist ein Verrußen bzw. eine Korrosion
derartiger Einrichtungen von vornherein ausgeschlossen.
Trotz der einfachen Bauweise sind die Parameter der Ver
brennung reproduzierbar und zuverlässig durch Verschieben
der Stauscheibe einstellbar.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher
beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brennerkopf,
Fig. 2 den Ausschnitt 2 aus Fig. 1 im Maßstab 2 : 1 ver
größert,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Brennerrohr (und durch das
Führungsrohr) im Bereich der Abgasinjektionsöffnun
gen,
Fig. 4 den Anschnitt 4-4 aus der Fig. 1 mit der ringförmi
gen Scheibe zwischen Brennerrohr und Mischkanälen
mit vier Durchlaßöffnungen für Primärluft,
Fig. 5 und
Fig. 6 verschiedene Ausführungsbeispiele eines Kreisseg
ments der Ansicht 5 aus der Fig. 1 im Maßstab
2 : 1 vergrößert.
Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfin
dung zeigt einen Brennerkopf 10 mit einem Brennerrohr 12
und vier koaxial darin befindlichen Mischkanälen 14, die
beide mittels ringförmigen Platten 16 miteinander verbun
den sind. Das Brennerrohr 12 weist zwei konische Verengun
gen 12a und 12b auf. Für die Zerstäubung des Brennstoffs
befindet sich mittig innerhalb der Mischkanäle 14 die
Brennstoffdüse 18.
Am vorderen Ende der Mischkanäle 14 ist vor der Brennstoff
düse 18 eine axial verschiebbare Stauscheibe 20 angebracht.
Die Stauscheibe 20 hat einen zylindrischen Rand 20a als
Sitz zur Verstellung der Stauscheibe 20 innerhalb der
Mischkanalmündung 14. Der axiale Stellweg 22 der Stau
scheibe 20 ist in Fig. 2 angegeben. In der Mitte weist die
Stauscheibe 20 vorzugsweise eine sternförmige Öffnung auf,
durch die der aus der Brennstoffdüse 18 austretende Brenn
stoff 19 in die Verbrennungskammer 44 gelangt. Die Stau
scheibe 20 bildet eine Einheit mit dem Zündelektrodenpaar
und ist auf dem axial verstellbaren Düsenstock mit der Öl
druckzerstäubungsdüse oder der Gasdosierdüse 18 fest ver
schraubt.
Zwischen der sternförmigen Öffnung und dem Rand 20a der
Stauscheibe 20, wie sie aus der DE-PS 35 42 174 bekannt
geworden ist, sind Schlitze angeordnet, deren Ränder über
einen Anstellwinkel verfügen. Wird nun Verbrennungsluft,
sogenannte Primärluft 32, in Richtung auf die Verbrennungs
kammer 44 getrieben, so muß die Verbrennungsluft 32 durch
die Schlitze der Stauscheibe 20 hindurchströmen. Dabei er
gibt sich durch die angestellten Kanten der Schlitze eine
starke Verwirbelung der hindurchtretenden Verbrennungsluft
32, wodurch eine kräftige Durchmischung mit den einge
spritzten Brennstoffpartikeln 19 erfolgt. Hier, in der
Durchmischungszone Öl/Luft 40, beginnt auch die Verbren
nungszone 44. Eine unterstöchiometrische Dosierung der zu
geführten Verbrennungsluft 32 bewirkt, daß der Luftsauer
stoff so knapp bemessen ist, daß eine Verbrennung der
Stickstoffmoleküle der Luft zu Stickoxiden nahezu vermie
den wird.
Der für eine vollständige Verbrennung erforderliche Luft
sauerstoff wird über ringförmig angeordnete Luftbeschleu
nigungs-Düsen 30, die in der ringförmigen Platte 16 zwi
schen Brennerrohr 12 und Mischkanal 14 eingelassen sind,
am peripheren Rand in die Verbrennungszone 44 befördert.
Diese Düsen 30 sind in vier Segmenten zu jeweils fünf Dü
sen zusammengefaßt. Korrespondierend zu den Düsen 30 be
finden sich im sich verjüngenden Teil des Brennerrohres 12
ringförmig angeordnet mehrere Öffnungen, sogenannte Abgas
injektionsöffnungen 26, die ebenfalls zu vier Segmenten
mit jeweils vier Öffnungen zusammengefaßt sind. Diese der
Abgasinjektion dienenden Öffnungen 26 befinden sich je
weils zwischen zwei Düsen 30 als Bohrungen, vorzugsweise
in dem Erweiterungsbereich des Brennerrohres 12. Mittels
der durch die Düsen 30 eingeführten ( sekundären) Verbren
nungsluft entsteht hinter den Düsen 30 ein Niederdruck 36,
der bewirkt, daß Abgas 46 aus der Verbrennungszone 44 in
nerhalb der Verbrennungskammer 42 außen am Brennerrohr 12
entlang zurückgeführt wird und sich mit der sekundär zuge
führten Verbrennungsluft vermischt, d.h. eine abgasange
reicherte Sekundärluft 38 ergibt, die durch den Mischkanal
14 nach vorne und weiter durch den ringförmigen Spalt 24
zwischen dem Brennerrohr 12 und zylindrischem Rand 20a der
Stauscheibe 20 in die Verbrennungszone 44 gelangt, wo nun
mehr eine vollständige Verbrennung der restlichen unver
brannten Kohlenstoffpartikel und Kohlenmonoxidbestandteile
zu Kohlendioxid erfolgt. Wegen der Verdünnung der Verbren
nungsgase durch einen Abgasanteil wird eine Überhitzung
der Flamme vermieden. Da sich Stickoxide aus molekularem
(Luft-) Stickstoff erst bei höherer Temperatur (über
1370°C) bildet, wird auf diese Weise die Entstehung von
nennenswerten Mengen an Stickoxiden unterdrückt. Zur Mini
mierung der Schadstoffemission kann die Beimengung der mit
Abgas 46 angereicherten Sekundärluft mittels des
verschiebbaren Randes 20a der Stauscheibe 20 eingestellt
werden, denn die axial verschiebbare Stauscheibe 20 regu
liert den freien Querschnitt des Ringspalts 24 zwischen
Brennerrohr 12 und Mischkanal 14. Gleichzeitig steuert die
Stauscheibe 20 den Querschnitt der unverdünnten
( Primär-)Luftzuführung 32 im Bereich der mischkanalfreien
Ringspaltzone, so daß das Verhältnis zur abgasangereicher
ten Sekundärluft 38 über den gesamten Leistungsbereich des
Ölbrenners konstant bleibt.
In Fig. 4 sind vier Mischkanäle 28 zu sehen, die jeweils
mit fünf Luftbeschleunigungsdüsen 30 bestückt sind (Fig.
5). Die vier Mischkanalsegmente 28 dienen gleichzeitig zur
zentrischen Halterung der Stauscheibe 20.
Jeweils auf Lücke zwischen den Beschleunigungsdüsen 30 be
finden sich die Abgasinjektionsöffnungen 26 (Fig. 3, Fig.
5). Eine andere Ausführungsform der erfinderischen Luftbe
schleunigungsdüsen 30 zeigt Fig. 6, wo mehrere Einzeldüsen
zu einer Breitbanddüse zusammengefaßt sind. Diese Form ist
für den Kleinleistungsbereich bis ca. 50 kW angezeigt,
weil ein Austrittsdruckmesser von unter 5 mm wegen der
größeren Reibungsverluste die Abgasinjektionsrate verrin
gern würde und somit ein Ausgleich nur durch erhöhten
Luftstaudruck möglich wäre, was zu einer Überdimensionie
rung des Luftventilators führen müßte.
Claims (9)
1. Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten
oder Abgasen in Feuerungsanlagen zur Verbrennung von
fließfähigen und gasförmigen Brennstoff
- - mit einer in einem Brennerrohr angeordneten Brenner düse für die Zufuhr von Brennstoff,
- - mit einer Einrichtung für die Zufuhr von Verbrennungs luft in die Verbrennungskammer
- - und mit einer Einrichtung zur Rückführung von Verbren nungsprodukten oder Abgasen in die Verbrennungszone,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß sich an der Innenseite des Brennerrohres (12) Dü sen (30) befinden (zur Beschleunigung eines Teiles der Verbrennungsluft (32), und zur Erzeugung eines Niederdrucks (36) hinter diesen Düsen (30)),
- - und daß in der Wandung des Brennerrohres (12) im Be reich der Austrittsöffnungen der Düsen (30) Öffnungen (26) zur Injektion von Verbrennungsprodukten (46) in den Niederdruckbereich (36) und zur Weiterbeförderung über einen zwischen dem Brennerrohr (12) und dem äußeren Rand (20a) einer Stauscheibe (20) befindli chen Ringspalt (24) in die Verbrennungszone (44) an geordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Querschnitt des Ringspalts (24) zwischen der koni
schen Mündung des Brennerrohrs (12) und der Stauscheibe
(20) durch axiales Verschieben (22) der Stauscheibe
(20) veränderbar ist, so daß das Verhältnis zwischen
abgasangereicherter Sekundärluft (38) und Primärluft
(32) regelbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sich im Brennerrohr (12) vier koaxiale Mischkanäle (14)
befinden, welche gleichzeitig die zentrische Führung
der Stauscheibe (20) bewirken, mittels ringförmiger
Platten (16) befestigt sind und je vier Mischkanalseg
mente (28) ausbilden.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Anzahl der Beschleunigungsdüsen (30)
je Mischkanalsegment (28) vorzugsweise 2 bis 5 beträgt
und in einem Winkelsegment von maximal 65° unterge
bracht ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Bohrungen der Abgasinjektionsöffnungen (26)
jeweils zwischen zwei Düsen (30) befinden, und zwar
insbesondere im Erweiterungsbereich (12a) des Brenner
rohres (12).
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere Düsen (30) zu einer Breitbanddüse
zusammengefaßt sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abgasbeimischungsgrad 10-30 Vol.-% beträgt und
für den jeweils einregulierten Betriebszustand konstant
bleibt.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Brennerrohr (12), sowie die Mischkanäle (28) und
die Stauscheibe (20) die Flammenhaltungsvorrichtung
darstellen und aus Chrom/Nickelstahl bestehen.
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