DE3923238C2 - Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten an einem Brennerkopf für Feuerungsanlagen zur Verbrennung von fließfähigem Brennstoff nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Feuerungsanlagen wird seit einiger Zeit besonderer Wert auf eine Verringerung der Emission von Stickoxiden gelegt. Der zu etwa 78% in der Verbrennungsluft enthaltene Stickstoff oxidiert bei höheren Temperaturen teilweise zu Stickoxiden. Will man eine übermäßige Produktion von Stickoxiden vermeiden, so sollte die Temperatur in der Verbrennungszone nicht über ca. 1370°C ansteigen. Die entsprechenden Zusammenhänge sind seit längerem bekannt. Eine Absenkung der Verbrennungstemperatur ist durch Abgasrückführung zu erreichen.

Die WO 86/07434 betrifft eine gattungsgemäße Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten. Ein Führungsrohr mit einer Stauscheibe ist mittels einer Ablenkplatte in einem Brennerrohr gehalten. Für den Durchlaß eines Sekundärluftstromes hat die Ablenkplatte Öffnungen in Form zylindrischer Bohrungen. Das Brennerrohr wird vorn durch eine Hülse ergänzt, mit der es über Verbindungslaschen verbunden ist. Hierdurch sind zwischen Brennerrohr und Hülse Öffnungen für die Rückführung eines Verbrennungsproduktstromes gebildet. Die abrupten Strömungsübergänge der Öffnungen in der Ablenkplatte für den Sekundärluftstrom bedingen einen hohen Druckverlust. Die erhebliche Weite der Öffnungen zwischen Hülse und Führungsrohr sorgt für einen schnellen Ausgleich mit dem Druck in der Verbrennungskammer. Folglich kann der Sekundärluftstrom nur einen verhältnismäßig geringen Verbrennungsproduktstrom ansaugen und ist eine unzureichende Flammenkühlung gegeben. Außerdem sind die Verhältnisse von Primärluftstrom, Sekundärluftstrom und rückgeführtem Verbrennungsproduktstrom durch die Konstruktion starr vorgegeben.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei verbessertem Wirkungsgrad und verringerter Schadstoffemission eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Die DE-PS 35 42 174 offenbart bereits eine Mischvorrichtung für Ölbrenner mit einer in einem Brennerrohr angeordneten Brennerdüse für die Zufuhr von Brennstoff. Die Brennerdüse ist unmittelbar von einem Führungsrohr umgeben, das vorn axial verschieblich eine Stauscheibe trägt. Durch das Führungsrohr und die Stauscheibe gelangt Primärluft, und durch den Ringspalt zwischen Führungsrohr und Brennerrohr gelangt Sekundärluft in eine nachgeordnete Verbrennungskammer. Über eine Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten an dem Brennerkopf ist in dieser Druckschrift nichts ausgesagt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

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 vernachlässigbarer Größenordnung im Abgas enthalten. In Verbindung mit einer weitgehend vollständigen Verbrennung konnte der Wirkungsgrad verbessert werden.

Zunächst wird durch die teilweise Rückführung der Abgase in die Verbrennungszone die Flammentemperatur soweit verringert, daß eine Oxidation von molekularem Luftstickstoff praktisch unterbunden wird. Aus der Verbrennungszone erfolgt die Wärmeabgabe in Form von Wärmestrahlung. Hinter der Verbrennungszone werden noch heiße Abgase an den Wänden der Verbrennungskammer entlang bis an an Brennerkopf 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 kommen, außer mit den Wänden der Verbrennungskammer, nur mit dem Brennerkopf in Berührung. Da zusätzliche Aggregate, wie z. B. Rückführleitungen und Abgaspumpen nicht vorhanden sind, ist ein Verrußen bzw. eine Korrosion derartiger Einrichtungen von vornherein ausgeschlossen.

Trotz der einfachen Bauweise sind die Parameter der Verbrennung reproduzierbar und zuverlässig durch Verschieben der Stauscheibe einstellbar.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brennerkopf,

Fig. 2 den Ausschnitt 2 aus Fig. 1 im Maßstab 2 : 1 vergrößert,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Brennerkopf im Bereich der Abgasinjektionsöffnungen,

Fig. 4 den Schnitt 4-4 aus Fig. 1 mit vier Mischkanälen und

Fig. 5, 6 verschiedene Beispiele eines Kreisringstücks der Ansicht 5 aus Fig. 1, im Maßstab 2 : 1 vergrößert.

Die Fig. 1 zeigt einen Brennerkopf 10 mit einem Brennerrohr 12 und vier koaxial darin befindlichen Mischkanalringstücken (Mischkanälen) 14, die beide mittels ringförmigen Platten 16 miteinander verbunden sind. Das Brennerrohr 12 weist zwei konische Verengungen 12a und 12b auf. Für die Zerstäubung des Brennstoffs befindet sich mittig innerhalb der Mischkanäle 14 die Brennerdüse 18.

Am vorderen Ende der Mischkanäle 14 ist vor der Brennerdüse 18 eine axial verschiebbare Stauscheibe 20 angebracht. Die Stauscheibe 20 hat einen zylindrischen Rand 20a als Sitz zur Verstellung der Stauscheibe 20 innerhalb der Mündung der Mischkanäle 14. Der axiale Stellweg 22 der Stauscheibe 20 ist in Fig. 1 angegeben. In der Mitte weist die Stauscheibe 20 eine sternförmige Öffnung auf, durch die der aus der Brennerdüse 18 austretende Brennstoff 19 in die Verbrennungskammer 44 gelangt. Die Stauscheibe 20 bildet eine Einheit mit einem Zündelektrodenpaar und ist auf dem axial verstellbaren Düsenstock mit der als Druckzerstäubungsdüse oder Gasdosierdüse ausgebildeten Brennerdüse 18 fest verschraubt.

Zwischen der sternförmigen Öffnung und dem Rand 20a der Stauscheibe 20 sind Schlitze angeordnet, deren Ränder über einen Anstellwinkel verfügen. Wird nun Verbrennungsluft in Richtung auf die Verbrennungskammer 44 getrieben, so strömt diese als Primärluft 32 durch die Schlitze der Stauscheibe 20 hindurch. Dabei ergibt sich durch die angestellten Kanten der Schlitze eine starke Verwirbelung der hindurchtretenden Verbrennungsluft 32, wodurch eine kräftige Durchmischung mit den eingespritzten Brennstoffpartikeln 19 erfolgt. Hier, in der Durchmischungszone Öl/Luft 40, beginnt auch die Verbrennungszone. Eine unterstöchiometrische Dosierung der zugeführten Verbrennungsluft 32 bewirkt, daß der Luftsauerstoff so knapp bemessen ist, daß eine Verbrennung der Stickstoffmoleküle der Luft zu Stickoxiden nahezu vermieden wird.

Der für eine vollständige Verbrennung erforderliche Luftsauerstoff wird über ringförmig angeordnete Sekundärluftbeschleunigungs- Düsen 30, die in der ringförmigen Platte 16 zwischen Brennerrohr 12 und innerer Begrenzung der Mischkanäle 14 eingelassen sind, am peripheren Rand in die Verbrennungszone befördert. Diese Düsen 30 sind in vier Ringstücken zu jeweils fünf Düsen zusammengefaßt. Korrespondierend zu den Düsen 30 befinden sich im sich verjüngenden Teil 12a des Brennerrohres 12 ringförmig angeordnet mehrere Abgasinjektionsöffnungen 26, die ebenfalls zu vier Ringstücken mit jeweils vier Öffnungen zusammengefaßt sind. Diese Öffnungen 26 befinden sich jeweils zwischen zwei Düsen 30 als Bohrungen in der Verengung 12a des Brennerrohres 12. Mittels der durch die Düsen 30 eingeführten sekundären Verbrennungsluft entsteht hinter den Düsen 30 ein Niederdruckbereich 36, der bewirkt, daß Abgas aus der Verbrennungszone innerhalb der Verbrennungskammer 44 außen am Brennerrohr 12 entlang zurückgeführt wird und sich mit der sekundär zugeführten Verbrennungsluft vermischt, d. h. eine abgasangereicherte Sekundärluft 38 ergibt, die durch die Mischkanäle 14 nach vorne und weiter durch den ringförmigen Spalt 24 zwischen dem Brennerrohr 12 und zylindrischem Rand 20a der Stauscheibe 20 in die Verbrennungszone gelangt, wo nunmehr eine nahezu vollständige Verbrennung der restlichen unverbrannten Kohlenstoffpartikel und Kohlenmonoxidbestandteile zu Kohlendioxid erfolgt. Wegen der Verdünnung der Verbrennungsgase durch einen Abgasanteil wird eine Überhitzung der Flamme vermieden und die Entstehung von nennenswerten Mengen an Stickoxiden unterdrückt. Zur Minimierung der Schadstoffemission kann die Beimengung der mit Abgas angereicherten Sekundärluft mittels des verschiebbaren Randes 20a der Stauscheibe 20 eingestellt werden, denn die axial verschiebbare Stauscheibe 20 reguliert den freien Querschnitt des Ringspalts 24 zwischen Brennerrohr 12 und Mischkanälen 14. Gleichzeitig begrenzt die Stauscheibe 20 den Querschnitt der unverdünnten Primärluftströmung im Bereich der mischkanalfreien Ringspaltzone 34, der über den gesamten Leistungsbereich des Ölbrenners konstant bleibt.

In Fig. 4 sind vier Mischkanäle 14 zu sehen, die jeweils mit fünf Düsen 30 (Fig. 5) bestückt sind. Die vier Mischkanäle 14 dienen gleichzeitig zur zentrischen Halterung der Stauscheibe 20.

Jeweils auf Lücke zwischen den Beschleunigungsdüsen 30 befinden sich die Abgasinjektionsöffnungen 26 (Fig. 5). Eine andere Ausführungsform der Beschleunigungsdüsen 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 verringern würde und somit ein Ausgleich nur durch erhöhten Luftstaudruck möglich wäre, was zu einer Überdimensionierung des Luftventilators führen müßte.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten an einem Brennerkopf für Feuerungsanlagen zur Verbrennung von fließfähigem Brennstoff, mit einer in einem Brennerrohr (12) angeordneten Brennerdüse (18) für die Zufuhr von Brennstoff, mit einer Einrichtung für die Zufuhr von Verbrennungsluft als Primär- und Sekundärluft in eine Verbrennungskammer (44), mit Auslässen an der Innenseite des Brennerrohres (12) für Sekundärluft, die in einen Ringraum münden, der an der Innenseite eines vorderen Abschnitts des Brennerrohres (12) außerhalb einer Stauscheibe (20) angeordnet und zur Verbrennungskammer (44) hin geöffnet ist, und mit Öffnungen (26) in der Wandung des vorderen Abschnitts des Brennerrohres (12) zum Ringraum hin im Bereich der Auslässe zur Rückführung von Verbrennungsprodukten unter Vermischung mit der Sekundärluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe an der Innenseite des Brennerrohrs (12) Düsen (30) zur Beschleunigung der Sekundärluft sind und daß der Ringraum in einen Ringspalt (24) zwischen der konisch ausgebildeten Mündung des vorderen Abschnitts des Brennerrohrs (12) und einem äußeren Rand (20a) der Stauscheibe (20) mündet und der Querschnitt des Ringspalts (24) durch axiales Verschieben (22) der Stauscheibe (20) veränderbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum vier koaxiale Mischkanalringstücke (14) umfaßt, welche gleichzeitig die zentrische Führung der Stauscheibe (20) bewirken und mittels ringförmiger Platten (16) befestigt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Düsen (30) je Mischkanalringstück (14) 2 bis 5 beträgt und die Düsen (30) in einem Winkelsegment von maximal 65° untergebracht sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnungen (26) jeweils zwischen zwei Düsen (30) befinden, insbesondere in einem Verengungsbereich (12a) des Brennerrohrs (12).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsen (30) zu einer Breitbanddüse zusammengefaßt sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Beimischungsgrad der Verbrennungsprodukte 10 bis 30 Vol.-% beträgt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (12), die Wandung der Mischkanalringstücke (14) und die Stauscheibe (20) aus Chrom/Nickelstahl bestehen.