DE4113412C2 - Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff für eine Feuerungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff für eine Feuer­ ungsanlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Feuerungsanlagen mit Einrichtungen zum Rückführen von Ver­ brennungsprodukten dienen dem Zweck, eine möglichst voll­ ständige Verbrennung zu erzielen. Ein weiteres Ziel ist es, den NO_X-Ausstoß zu reduzieren, indem die Temperatur der Flamme herabgesetzt wird. NO_X entsteht entweder aus ge­ bundenem Stickstoff, aus z. B. schwerem Heizöl, oder aus dem freien Stickstoff der zur Verbrennung benutzten Umgebungsluft, in der er zu etwa 78% enthalten ist. Bei der Verbrennung wird Stickstoff zu NO_X oxidiert, wenn man ihn Temperaturen über ca. 1400°C aussetzt. Derartige Temperaturen entstehen in Gas- und Ölbrennerflammen üblicherweise, wenn man keine Maßnahmen zur Temperaturreduzierung trifft. Außerdem können Flammen ungleichmäßig heiß sein, also Bereiche größerer Temperatur (Temperaturspitzen) in "normalen" Bereichen der Flamme eingebettet sein. Je länger der Stickstoff in solchen Temperaturspitzen verbleibt, um so mehr wird selbstverständlich in NO_X umgewandelt. Die thermische NO_X- Bildung aus dem Luftstickstoff kann man durch Abgasrückführung mit entsprechender Temperaturabsenkung vermindern. Bei einer solchen Rezirkulation wirken die Verbrennungsgase als Inertgase, die dadurch, daß in ihnen kein Sauerstoff vorhanden ist, allein schon eine Verminderung der Temperatur mit sich bringen. Wenn diese Gase zusätzlich noch eine verminderte Temperatur haben, ist dies ein erwünschter Nebeneffekt. Die entsprechenden Zusammenhänge sind bereits seit längerer Zeit bekannt.

In der EP 0 386 732 A2 wird bereits eine Verbrennungsein­ richtung für einen Zweistoffbrenner mit einer internen Re­ zirkulation beschrieben. Die dortige Einrichtung hat jedoch eine Düsenplatte, auf der eine Vielzahl von Düsen angeordnet ist, durch die an einem Rohr unterschiedliche Teilluftströme erzeugt werden, bevor sie in einem Flammrohr vermischt werden. Diese Einrichtung weist eine sehr komplizierte Konstruktion auf, die anscheinend nötig ist, um in der Konstruktion mit zwei Rohren eine genügend stabile Rezirkulation zu erreichen. Nachteilig bei dieser Einrichtung ist jedenfalls, daß bei der Vielzahl von Düsen die Wartung sehr kompliziert und teuer ist, und auch schon geringe Störungen große Nachteile im Betrieb mit sich bringen können.

Aus der DE-OS 21 65 172 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung in Ausbildung als Rekuperator-Brenner für ein Stahlheizrohr bekannt. Bei dieser Vorrichtung mit integrierter Vermischung unverdrallter Verbrennungsluft mit Brenngas werden abgekühlte Abgase in ein Brennrohr durch kleine Ausgangsöffnungen gesaugt. Diese Abgase legen sich ringförmig zwischen Brennrohr und Brennerflamme, wodurch Temperaturspitzen im Material des Brennrohres vermieden werden sollen, um auf diese Weise das Material zu schonen und dadurch eine Erhöhung der Lebensdauer des Materials und der Betriebssicherheit zu erreichen. Mit dem bekannten Strahlheizrohr wird nicht angestrebt, daß die Verbrennung weitgehend vollständig unter Bildung von möglichst wenig NO_X durchführbar ist. Es hat sich gezeigt, daß die in diesem Stand der Technik beschriebene Ansaugung eines Teils der über den Abgas-Rückführungskanal zurückströmenden Abgase keinen wesentlichen Einfluß auf die NO_X-Bildung im Brennrohr hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, in der die Verbrennung des Brennstoffes weitgehend vollständig unter Bildung von möglichst wenig NO_X mit möglichst einfachen konstruktiven Mitteln durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die im Kennzeichen von Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es ermöglicht, die Verbrennungsprodukte, insbesondere in Form von Abgasen mit einem geringen Sauerstoffgehalt in das zu verbrennende Medium, z. B. den Ölnebel, der bereits in der Ver­ brennungsluft verteilt ist, einzumischen. Da dabei sehr hohe Viskositätsunterschiede zwischen den heißen und den kalten Gasen bestehen, stößt diese Vermischung auf große Schwierigkeiten. Die sehr starke Verdrallung der Ver­ brennungsluft führt hier dazu, daß die seitlich über einen großen Umfang zugeführten Verbrennungsgase sehr gut einge­ mischt werden. Dies geschieht vor der Flamme, die innerhalb des Einsatzes brennt. Durch die sehr kurzen Wege in Verbindung mit der guten Durchmischung, die Temperaturspitzen nicht entstehen läßt, wird ermöglicht, daß man die Temperatur der eingemischten Verbrennungs­ produkte nicht erniedrigen muß. Damit kann alle Wärme an einem Punkt entnommen werden, und es müssen keine Einrichtungen zur Kühlung der Rauchgase vorgesehen werden.

Wie hierin verwendet, ist unter "überkritischer" Drallströmung zu verstehen, daß die Luft in eine so starke Rotationsbewegung versetzt worden ist, daß sich eine zentrale Rückströmung ausbildet. Trifft eine derart in Rotation versetzte Luftströmung auf eine Erweiterung des sie führenden Raumes, finden starke Verwirbelungen statt. Diese Verwirbelungen werden in der vorliegenden Erfindung dazu genutzt, eine besonders gute Vermischung der kalten Frischluft mit dem zugeführten Brennstoff und den rück­ geführten Verbrennungsprodukten zu bewirken.

Dabei ist natürlich eine möglichst heiße Rückführung der Verbrennungsprodukte erwünscht, da dann eine optimale Verbrennung stattfindet, und die gesamte mit der Flamme erzeugte Wärme in einem möglichst kleinen Bereich freige­ setzt wird.

Zur Verringerung der NO_X-Bildung ist es günstig, wenn die Temperatur der Flamme auf eine Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur zur NO_X-Bildung abgesenkt wird. Eine derartige Absenkung ist bei Schweröl- sowie bei Gasflammen möglich, wenn eine stabile Flamme mit einer genügenden Zufuhr von Inertgasen mit verringerter Sauerstoffzufuhr unterhalten wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind zusätzliche Luftdüsen für einen Teil der Verbrennungsluft vorgesehen, die um die Brennerdüse herum angeordnet sind. Derartige zusätzliche Luftdüsen, die wiederum in einer bevorzugten Ausführung zur Achse des Brennerrohres hin verschwenkbar ausgebildet sind, haben den Vorteil, daß man eine Optimierung der Lufteinleitverhältnisse an die in dem jeweiligen individuellen Verbrennungsraum vorhandenen Ver­ hältnisse vornehmen kann. Insbesondere wird man dabei das Verhältnis der eingebrachten Luft in die tangentiale Luftzuführung und andererseits in die zusätzlichen Luftdüsen verändern und kann dann außerdem noch die zusätzlichen Luftdüsen in ihrer Neigung verstellen.

Weiter wird vorgeschlagen, ungefähr ein Drittel der gesamten zur Verbrennung zugeführten Luftmenge durch die zusätzlichen Luftdüsen einzublasen. Dadurch, daß ein derartig beträchtlicher Teil der Luft durch die zusätzlichen Luftdüsen eingeblasen wird, beeinflussen diese das Strömungsverhalten am Beginn des Einsatzes wesentlich. Sie führen die verwirbelte und gemischte Luft aus dem Verwirbelungs- bzw. Mischbereich heraus, indem sie hinter sich einen Unterdruck erzeugen. Dieser Unterdruck führt zu einer vermehrten Zufuhr von rückgeführten Verbrennungsprodukten durch den zwischen dem Einsatz und dem Brennerrohr verbleibenden Zwischenraum.

Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, daß die Luftdüsen in einem Winkel von etwa 30° nach innen zur Achse des Brennerrohres anstellbar sind. Eine derartige Anstellung bewirkt ein besonders günstiges Strömungsverhalten für eine stabile Flamme mit einer großen Rückführmenge von Verbrennungsprodukten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Verbrennung nach der Erfindung in Längsschnittdarstellung;

Fig. 2 die Luftzuführung in Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-B in Fig. 1; und

Fig. 3 die Strömungsverhältnisse im Brennerrohr mit Verdrallung der Verbrennungsluft.

Die gesamte Vorrichtung zur Verbrennung mit der Einrichtung zur Rückführung der Verbrennungsprodukte ist in Fig. 1 dargestellt. Das Brennerrohr 10 ist mit dem Abgasauslaß 22 auf der linken Seite und der Brennerdüse 12 auf der rechten Seite dargestellt. In das Brennerrohr 10 ist der Einsatz 14 eingesetzt, wobei zwischen dem Einsatz 14 und dem Brennerrohr 10 ein Zwischenraum 16 zur Rückströmung der Verbrennungsprodukte freigelassen ist. Deutlich ist ein Abstand zwischen dem Einsatz 14 und dem Ende des Brennerrohres 10 zu erkennen. In diesen Raum 24 wird Luft um die Brennerdüse 12 herum eingeführt. Diese Luft wird in die Luftzuführung 15 tangential eingeführt und wird dann durch die konische Verengung 26 des Luftzuführungsraumes um die Einrichtung 13 zur Brennstoffzufuhr herum unter Drall eingebracht. Dieser Drall wird durch die Erweiterung des hier zur Verfügung stehenden Raumes in dem Brennerrohr 10 bzw. in dem Einsatz 14 überkritisch, so daß sich eine zentrale Rückströmung ausbilden kann. Damit diese Rückströmung nicht sich bis in die Luftzuführung 15 erstreckt, ist um die Einrichtung 13 im Bereich der Brennerdüse 12 herum die Außenwand 28 mit konischer Ausbildung mit einer Abschlußfläche 30 versehen, die dazu dient, diese Strömungsverhältnisse zu begrenzen.

Weiter sind zusätzliche Luftdüsen 20 vorgesehen, die sich in den Einsatz 14 erstrecken. Sie können bis zu einem Winkel von ca. 30° nach innen verschwenkt werden und dienen zum einen dazu, die Verwirbelung und Vermischung zu unterstützen, und zum anderen dazu, die abgasrückführende Strömung durch den Unterdruck, den sie hinter sich erzeugen, zu verstärken.

Der Einsatz 14 wird typischerweise einen Durchmesser von ca. 80% des Brennerrohrdurchmessers besitzen. Seine Länge wird typischerweise 20 bis 50% der Brennerrohrlänge besitzen. Die Temperatur der Verbrennung wird mit diesen Rückströmungsmaßnahmen von ca. 1600° auf 1300°C herabgesetzt. Die Verweilzeit im Bereich sehr hoher Temperaturen wird ebenfalls herabgesetzt. Insgesamt kann eine Reduktion um bis zu 50% der NO_X-Konzentration erreicht werden. Im Brennerrohr 10 selbst wird die Geschwindigkeit der Gase klein sein, daher wird der Widerstand nicht unnötig erhöht werden.

In der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung 18 zur Luftzu­ führung ist ein Schieber 32 mit einer runden Abschlußkante 34 dargestellt, der dazu dient, die Luftmenge, die tangential zugeführt wird, zu reduzieren, ohne die Strömungsverhältnisse zu verändern.

In Fig. 3 ist schematisch verdeutlicht, auf welche Weise die Verdrallung der zugeführten Verbrennungsluft zu verbesserter Rückführung von Verbrennungsprodukten und zu besserer Durchmischung führt.

Durch die optimale Durchmischung kann mehr Inertgas zuge­ führt werden und die Verbrennungstemperatur weiter gesenkt werden, ohne daß es zu unvollkommener Verbrennung kommt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff für eine Feuerungsanlage, mit einer in einem Brennerrohr (10) angeordneten Brennerdüse (12), einer Einrichtung (13) zur Zufuhr des Brennstoffes zur Brennerdüse (12), einer Luftzuführung (15) für die Verbrennungsluft, die um die Einrichtung (13) zur Zufuhr des Brennstoffes herum angeordnet ist, einem Einsatz (14), der am brennerdüsenseitigen Ende in das Brennerrohr (10) eingesetzt ist und innerhalb dessen die Verbrennung im wesentlichen stattfindet, und einem Zwischenraum (16) zwischen dem Einsatz (14) und dem Brennerrohr (10) zur Rückführung von Verbrennungsprodukten in die Verbrennungszone, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (18) zur tangentialen Einleitung der Verbrennungsluft in die Luftzuführung (15) vorgesehen ist, um zumindest innerhalb des Einsatzes (14) eine überkritische Drallströmung der Verbrennungsluft zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzliche Luftdüsen (20) für einen Teil der Verbrennungsluft, die um die Brennerdüse (12) herum angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüsen (20) im wesentlichen zur Achse des Brennerrohres (10) hin verschwenkbar ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Verbrennungsluft, der durch die Luftdüsen (20) eingeblasen wird, etwa ein Drittel der gesamten Luftmenge beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüsen (20) in einem Winkel von etwa 30° nach innen zur Achse des Brennerrohres (10) anstellbar sind.