DE4006806A1 - Brenner mit abgasrueckfuehrung, insbesondere geblaesebrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere Gebläse­ brenner, für Heizkessel, Verbrennungsanlagen od. dgl., mit einer Luftzuführungseinrichtung, einer flüssigen oder gas­ förmigen Brennstoff einleitenden Brennstoffzuführungsein­ richtung, einer in einen Brennraum eintauchenden, die Brenner­ flamme bildenden Flammvorrichtung und einem einen Teil der bei der Verbrennung gebildeten Abgase zur Luftzuführungs­ einrichtung rückführenden Abgasrückführungskanal.

Zur Reduzierung von Schadstoffen im Abgas, also zur Verbesse­ rung der Abgasqualität, ist es nicht nur bei Brennkraft­ maschinen für Kraftfahrzeuge, sondern auch bei derartigen Brennern bekannt, einen Teil der Abgase wieder in den Ver­ brennungsprozeß rückzuführen, um eine Nachverbrennung von schädlichen Abgasbestandteilen zu erzielen. Hierzu werden Abgase aus dem Brennraum oder dem nachfolgenden Abgasführungs­ system abgesaugt und wieder der Lufzuführungseinrichtung des Brenners zugeführt.

Die rückgeführten Abgase weisen üblicherweise einen Tau­ punkt von 50-60°C auf. Wenn diese Abgase daher in den bezüglich dieser Temperaturen kälteren Brenner gelangen, in dem Temperaturen von ca. 30-40°C herrschen, so konden­ siert Wasser aus. Infolge dieses auskondensierten Wassers tritt Korrosion im Brenner auf, wodurch nicht nur Stahl­ teile rosten, sondern auch elektrische Kontakte korrodieren, was zu Funktionsstörungen des Brenners führen kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf einfache Weise zu verhindern, daß infolge der rück­ geführten Abgase Wasser im Brenner auskondensieren kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein im Betrieb des Brenners eine Temperatur oberhalb des Taupunkts der Abgase aufweisender Bereich des Abgasrück­ führungskanals mit wenigstens einer Zuführöffnung für Außen­ luft versehen ist.

Durch die Zufuhr von trockener Außenluft, die durch die Zuführöffnung automatisch angesaugt wird, wird der Taupunkt auf einen Wert herabgesetzt, der unterhalb der im Abgas­ rückführungssystem vorliegenden Temperaturwerten liegt.

Dadurch wird zwar nach wie vor Wasserdampf mit den Abgasen über den Abgasrückführungskanal dem Brenner zugeführt, dort kann jedoch keine Kondensation stattfinden, so daß der Wasserdampf wieder dem Verbrennungsprozeß zugeführt und in den Brennraum rückgeführt wird. Eine Korrosion infolge von Wasser kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brenners möglich.

Durch eine einstellbar ausgebildete Zuführöffnung kann das Mengenverhältnis zwischen dem rückgeführten Abgasstrom und dem angesaugten Außenluftstrom eingestellt werden, so daß infolgedessen auch der Taupunkt exakt eingestellt werden kann, und zwar auf einen Wert, der geringfügig unter den im Abgasrückführungssystem auftretenden Temperaturen liegt. Hierdurch kann die Menge der zugeführten Außenluft minimiert werden.

Zur Abgasrückführung kann der Abgasrückführungskanal einer­ seits zweckmäßigerweise am Brennraum oder am nachgeschalteten Abgaskanalsystem angeschlossen werden, und er kann am anderen Ende entweder in der Luftzuführungseinrichtung des Brenners saugseitig oder druckseitig nach Art eines Injektors münden.

Die Zuführöffnung im Abgasrückführungskanal ist zweckmäßiger­ weise mit Strömungsleitelementen versehen, um eine optimale Zuströmung der Außenluft sicherzustellen. Sind diese Strömungs­ leitelemente verstellbar, insbesondere schwenkbar ausge­ bildet, so können sie gleichzeitig zur Einstellung der Zuführöffnung bzw. der Zuführöffnungen dienen.

Eine besonders kompakte und montagefreundliche Anordnung wird dadurch erreicht, daß die Flammvorrichtung ein wenigstens außerhalb des Brennraums doppelwandig ausgebildetes Flammrohr aufweist, wobei der Bereich zwischen den doppelten Wandungen den Abgasrückführungskanal bildet, und wobei die Außen­ wandung mit der wenigstens einen Zuführöffnung versehen ist, die sich zweckmäßigerweise ringartig um die Außenwandung erstrecken kann. Beim Anbringen des Brenners an den Heiz­ kessel oder an eine andere Verbrennungsanlage wird dann gleichzeitig der Abgasrückführungskanal mit Zuführöffnung automatisch mitangeschlossen.

Eine optimale Minimierung der Zufuhr von Außenluft kann durch eine Regelvorrichtung erreicht werden, die den Strö­ mungsquerschnitt der Zuführöffnung in Abhängigkeit der Minimaltemperatur im Abgasrückführungskanal einstellt. Hierdurch wird der Taupunkt auch bei wechselnden Temperatu­ ren im Brenner immer auf einem Wert gehalten, der gering­ fügig über der jeweils vorliegenden Minimaltemperatur liegt.

Da die Funktion des Brenners außer durch Feuchtigkeit auch durch Ruß- und Staubpartikel beeinträchtigt werden kann, die zusammen mit den rückgeführten Abgasen zum Brenner gelangen können, ist in vorteilhafter Weise im Abgasrück­ führungskanal ein Festpartikel in gasförmige Bestandteile umwandelndes Konverterelement vorgesehen. Dieses im wesent­ lichen den gesamten Querschnitt des Abgasrückführungskanals überdeckende Konverterelement ist filterartig durchlässig und wenigstens bis zu einer Temperatur von 800°C hitze­ beständig ausgebildet. Als besonders günstiges Material für das Konverterelement hat sich ein Keramikmaterial, insbesondere Aluminiumoxid, erwiesen. Da die Festpartikel im Konverterelement nicht festgehalten, sondern infolge der hohen Temperatur in gasförmige Bestandteile umgewandelt werden, kann sich das Konverterelement nicht zusetzen und bedarf daher keiner Wartung.

Da die Festpartikel nicht ausgefiltert werden müssen, kann das Konverterelement eine einen geringen Strömungswiderstand erzeugende, den mittleren Durchmesser von Staub- und Ruß­ teilchen übersteigende Porengröße aufweisen. Hierdurch wird der Strömungswiderstand verkleinert.

Um das Konverterelement auf seine Arbeitstemperatur von 400-600°C zu bringen, braucht es lediglich an einer im Betrieb des Brenners eine derartige Temperatur aufweisen­ den Stelle des Abgasrückführungskanals angeordnet werden.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen an einem Heizkessel angeschlossenen Gebläse­ brenner mit einem am Abgaskanalsystem des Heiz­ kessels angeschlossenen Abgasrückführungskanal als zum Teil im Schnitt dargestelltes erstes Aus­ führungsbeispiel,

Fig. 2 eine entsprechende Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem am Brennraum des Heizkessels angeschlossenen Abgasrückführungskanal und

Fig. 3 einen als Ringkanal am doppelwandigen Flammrohr des Brenners ausgebildeten Abgasrückführungskanal als drittes Ausführungsbeispiel.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel enthält ein schematisch dargestellter Heizkessel 10 einen Brennraum 11, aus dem die im Betrieb erzeugten Abgase über ein Abgaskanalsystem 12 einem nicht dargestellten Schornstein zugeführt werden können. Sowohl im Brennraum 11 als auch im Abgaskanalsystem 12 erhitzen sich im Betrieb die Wandungen, wodurch in nicht dargestellter Weise z. B. das Wasser einer Heizungsanlage erhitzt wird. Anstelle eines Heizkessels kann es sich hier auch um eine Verbrennungsanlage für Müll od. dgl. handeln.

Ein wiederum nur schematisch dargestellter Gebläsebrenner 13 weist ausgangsseitig ein Flammrohr 14 auf, das in den Brennraum 11 durch eine entsprechende Öffnung hindurch hinein­ ragt. Die Durchführung des Flammrohrs 14 ist gewöhnlich als Haltevorrichtung für den Gebläsebrenner 13 ausgebildet. Dies wurde zur Vereinfachung von Fig. 1 nicht dargestellt.

Innerhalb des Flammrohrs 14 verläuft vom Gebläsebrenner 13 aus eine Brennstoffzuführungsleitung 15 bis in den brenn­ raumseitigen Endbereich des Flammrohrs 14. Am Ende der Brenn­ stoffzuführungsleitung 15 ist eine Verteilerdüse 16 angeord­ net. Ein im Innern des Gebläsebrenners 13 angeordnetes Gebläse 17 saugt Außenluft an und bläst sie durch das Flammrohr 14 in den Brennraum 11.

Gasförmiger oder flüssiger Brennstoff, z. B. Erdgas oder Heizöl, wird üblicherweise über eine nicht dargestellte Pumpe durch die Brennstoffzuführungsleitung 15 zur Verteiler­ düse 16 gepumpt, die einen kegeligen Brennstoffstrahl in den Brennraum 11 hinein erzeugt. Dieser vermischt sich mit der durch das Flammrohr 14 zugeführten Außenluft und erzeugt ein brennfähiges Gemisch, das über eine bekannte, nicht dargestellte Zündeinrichtung elektrisch gezündet wird, wodurch sich eine Flamme 18 ausbildet. Ein Leitblech 19 im brennraum­ seitigen Endbereich des Flammrohrs 14 unterstützt die ge­ wünschte Ausbildung der Flamme 18. Da derartige Heizkessel und Gebläsebrenner in vielfältiger Weise bekannt sind, kann auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet werden.

Vom Abgaskanalsystem 12 aus verläuft ein rohrförmig ausge­ bildeter Abgasrückführungskanal 20 zur Saugseite des Gebläses 17. Hierdurch wird ein Teil der erzeugten Abgase wieder in den Gebläsebrenner 13 rückgeführt und damit erneut dem Verbrennungsprozeß unterzogen, um die Abgasqualität zu ver­ bessern.

Im abgaskanalseitigen Einlaßbereich des Abgasrückführungs­ kanals 20 ist ein Konverterelement 21 zur Umwandlung von angesaugten Festpartikeln, wie Ruß oder Staub, in gasförmige Bestandteile angeordnet. Dieses Konverterelement besteht aus einem porösen Keramikmaterial, z. B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Durch das Konverterelement 21 können die Abgase mit geringem Strömungswiderstand hindurchgelangen, da die Porengröße den mittleren Durchmesser von Staub- und Ruß­ teilchen übersteigt. Da dieses Konverterelement 21 direkt am Abgaskanalsystem, also am Heizkessel, angeordnet ist, wird es durch die Abgase auf 400-600°C aufgeheizt. Die im Abgasstrom enthaltenen Festpartikel werden durch das Kanalsystem des porösen Keramikmaterials hindurchgeführt und gelangen in vielfachen Kontakt mit der heißen Wandung, so daß sie in gasförmige Bestandteile verbrannt werden. Sie können somit einerseits nicht mehr zum Gebläsebrenner 13 gelangen und diesen verunreinigen, bleiben jedoch auch nicht im Konverterelement 21 zurück, so daß dieses wartungs­ frei sauber bleibt.

Wesentlich am Konverterelement 21 ist die hohe Betriebs­ temperatur von 400-600°C, so daß das Konverterelement 21 wenigstens bis zu einer Temperatur von ca. 800°C hitze­ beständig ausgebildet sein sollte. Weiterhin wesentlich ist die poröse bzw. filterartig durchlässige Struktur. Hierzu kann das Konverterelement 21 auch aus einem porösen, metalli­ schen Preß- oder Sinterkörper bestehen oder aber aus einem verdichteten, z. B. gepreßten Metallgeflecht.

Weiterhin weist der Abgasrückführungskanal 20 eine mit der Umgebung verbundene Öffnung 22 auf, durch die Außenluft in den Abgasrückführungskanal 20 hineinströmen kann bzw. hineingesaugt wird. Zur strömungsgünstigen Einführung der Außenluft ist die Öffnung 22 mit einem Strömungsleitelement 23 versehen.

Die heißen Abgase weisen üblicherweise einen Taupunkt von 50-60°C auf. Wenn sie den Gebläsebrenner 13 erreichen, werden sie dort so weit abgekühlt, daß ihre Temperatur unter den Taupunkt absinkt, so daß Wasser auskondensiert. Dieses Wasser verursacht in unerwünschter Weise Korrosion im warmen Gebläsebrenner 13. Durch die Öffnung 22 wird eine derartige Kondensation verhindert. Die zuströmende Außenluft mit ge­ ringem Feuchtigkeitsgehalt wird an einer Stelle eingeleitet, an der die Abgase noch eine Temperatur über dem Taupunkt aufweisen, also an einer Stelle, an der noch keine Konden­ sation auftreten kann. Durch das Zumischen von trockener Außenluft wird der Taupunkt auf ca. 30-40°C abgesenkt, wobei die Taupunkteinstellung so vorgenommen wird, daß die Abgase auch im Gebläsebrenner 13 den Taupunkt nicht unter­ schreiten. Diese Gefahr besteht bei einem Taupunkt von 30-40°C nicht.

Zum Einstellen des Taupunkts, also zur Einstellung der Zumisch­ quote, ist die Öffnung 22 einstellbar ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch Schwenken des Strömungsleitelements 23 erfolgen, durch eine Schiebehülse oder ein anderes Ver­ schlußelement. Die Taupunkteinstellung kann dabei vorzugs­ weise auch geregelt erfolgen, das heißt, der Öffnungsquer­ schnitt 22 wird in Abhängigkeit der Abgastemperatur im Ge­ bläsebrenner 13 so eingestellt, daß der Taupunkt gering­ fügig unter der Abgastemperatur im Gebläsebrenner 13 liegt.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ent­ spricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, so daß der Gebläsebrenner 13 und das Flammrohr 14 nochmals verein­ facht dargestellt sind. Ein Abgasrückführungskanal 25 ver­ läuft nunmehr vom Brennraum 11 zum Gebläsebrenner 13. Die Ansaugstelle im Brennraum 11 liegt neben der Durchführungs­ öffnung für das Flammrohr 14, so daß verwirbelte Abgase am Flammenansatz zum Abgasrückführungskanal 25 und damit zum Konverterelement 21 an dessen Ansaugöffnung gelangen können.

Zur Zuführung von Außenluft weist der Abgasrückführungskanal 25 eine unterbrochene Ringöffnung 26 auf, die wiederum mit einem Strömungsleitelement 27 versehen ist. Dieses Strömungs­ leitelement 27 kann in einer einfachen Ausführung auch ent­ fallen. Weiterhin ist es möglich, auch mehrere Öffnungen gestaffelt vorzusehen, die wiederum wahlweise mit Einstell­ möglichkeiten versehen sind, z. B. mit einem Schieberohr, das diese Öffnungen in Abhängigkeit seiner Stellung mehr oder weniger verschließt.

Anstelle der Zuführung der Abgase zur Saugseite des Gebläse­ brenners 13 kann diese Zuführung auch druckseitig erfolgen, z. B. in nicht dargestellter Weise in das Flammrohr 14. Die auslaßseitige Mündung des Abgasrückführungskanals 20 bzw. 23 ist in diesem Falle nach Art eines Injektors ausgebildet, damit die Abgase infolge der Strömung der eingeblasenen Luft mit in den Luftstrom hineingezogen werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Vereinfachung lediglich ein doppelwandig ausgebildetes Flammrohr 30 dargestellt, das in den Brennraum 11 hinein­ ragt. Die übrigen, zum Teil nicht dargestellten Bestand­ teile entsprechen denjenigen der bisherigen Ausführungs­ beispiele und sind nicht nochmals beschrieben.

Das Flammrohr 30 weist eine innere Rohrwandung 31 und eine äußere Rohrwandung 32 auf. Im Inneren der inneren Rohrwandung 31, die das eigentliche Flammrohr darstellt, verläuft die Brennstoffzuführungsleitung 15 mit Verteilerdüse 16 und wird der Luftstrom des Gebläsebrenners 13 geführt. Der Zwi­ schenbereich zwischen der inneren Rohrwandung 31 und der äußeren Rohrwandung 32 ist als Abgasrückführungskanal 33 ausgebildet. Ein ringförmiges Konverterelement 34 befindet sich an der Durchbruchstelle durch die Kesselwandung des Heizkessels 10 zwischen der inneren Rohrwandung 31 und der äußeren Rohrwandung 32, so daß Abgase im ringförmigen Bereich um die innere Rohrwandung 31 in den Abgasrückführungskanal 33 hineingesaugt werden. Die innere Rohrwandung 31 steht dabei in den Brennraum 11 hinein vor.

Eine Ringöffnung 35 in der äußeren Rohrwandung 32 dient zum Ansaugen von Außenluft auf die vorstehend beschriebene Weise und zu vorstehend beschriebenem Zweck. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist wiederum ein ringförmiges Strömungs­ leitelement 36 an der Ringöffnung 35 vorgesehen.

Die rückgeführten Abgase können wie bei den vorherigen Aus­ führungsbeispielen entweder saugseitig oder druckseitig dem Gebläsebrenner 13 zugeführt werden. Ist eine druckseitige Zuführung vorgesehen, so genügen Öffnungen in der inneren Rohrwandung 31 mit injektorartigen, nach innen weisenden Elementen.

Selbstverständlich gelten die Ausführungen zum Konverter­ element 21 des ersten Ausführungsbeispiels sinngemäß auch für die übrigen Ausführungsbeispiele. Dasselbe gilt für die Verstellbarkeit der Öffnungen für die Außenluft und gegebenenfalls für deren Regelbarkeit. Diese Öffnungen bzw. Ringöffnungen können prinzipiell an jeder Stelle des Abgas­ rückführungskanals vorgesehen sein, wesentlich dabei ist lediglich, daß der Taupunkt der Abgase an dieser Stelle noch nicht durch die dort vorliegende Abgastemperatur unter­ schritten wird.

Claims (13)

1. Brenner, insbesondere Gebläsebrenner, für Heizkessel, Ver­ brennungsanlagen od. dgl., mit einer Luftzuführungseinrich­ tung, einer flüssigen oder gasförmigen Brennstoff einleiten­ den Brennstoffzuführungseinrichtung, einer in einen Brennraum eintauchenden, die Brennerflamme bildenden Flammvorrichtung und einem einen Teil der bei der Verbrennung gebildeten Abgase zur Luftzuführungseinrichtung rückführenden Abgasrück­ führungskanal, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Betrieb des Brenners (13) eine Temperatur oberhalb des Taupunkts der Abgase aufweisender Bereich des Abgasrückführungskanals (20; 25; 33) mit wenigstens einer Zuführöffnung (22; 26; 35) für Außenluft versehen ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführungskanal (20; 25; 33) am Brennraum (11) oder am nachgeschalteten Abgaskanalsystem (12) angeschlossen ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführungskanal (20; 25; 33) in der Luftzu­ führungseinrichtung des Brenners (13) saugseitig mündet.

4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführungskanal in der Luftzuführungsein­ richtung des Brenners (13) druckseitig nach Art eines In­ jektors mündet.

5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zuführöffnung (22; 26; 35) mit Strömungsleitelementen (23; 27; 36) versehen ist.

6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammvorrichtung ein wenigstens außerhalb des Brennraums (11) doppelwandig ausgebildetes Flammrohr (30) aufweist, wobei der Bereich zwischen den doppelten Wandungen (31, 32) den Abgasrückführungskanal (33) bildet, und daß die Außenwandung (32) mit der wenig­ stens einen Zuführöffnung (35) versehen ist.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zuführöffnung (35) ringartig um die Außenwandung (32) erstreckt.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnung (22; 26; 35) einstellbar ausgebildet ist.

9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Strömungsquerschnitt der Zuführöffnung (22; 26; 35) in Abhängigkeit der Minimaltemperatur im Abgasrückführungs­ kreis einstellende Regelvorrichtung vorgesehen ist.

10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasrückführungskanal (20; 25; 33) ein Festpartikel in gasförmige Bestandteile umwandelndes Konverterelement (21; 34) vorgesehen ist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen den gesamten Querschnitt des Abgas­ rückführungskanals (20; 25; 33) überdeckende Konverterelement (21; 34) filterartig durchlässig und wenigstens bis zu einer Temperatur von 800°C hitzebeständig ausgebildet ist.

12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Konverterelement (21; 34) an einer im Betrieb des Brenners (13) eine Temperatur von im wesentlichen 400-600°C auf­ weisenden Stelle des Abgasrückführungskanals (20; 25; 33) angeordnet ist.

13. Brenner nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Konverterelement (21; 34) eine einen geringen Strömungs­ widerstand erzeugende, den mittleren Durchmesser von Staub- und Rußteilchen übersteigende Porengröße aufweist.