DE4133176A1

DE4133176A1 - Brenner fuer fluessige und/oder gasfoermige brennstoffe

Info

Publication number: DE4133176A1
Application number: DE19914133176
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Dr Graf; Frank Dipl Ing Carstens
Original assignee: WULFF MASCHF APPBAU GmbH
Current assignee: WULFF MASCHF APPBAU GmbH
Priority date: 1991-10-07
Filing date: 1991-10-07
Publication date: 1993-04-08
Also published as: EP0536556A2; EP0536556A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssige und/ oder gasförmige Brennstoffe, welcher in einem Brenner gehäuse ein Primärluftrohr mit einer einen Brennstoff austrittskopf aufweisenden Brennstoffzuführung und ko axial zu dem Primärluftrohr ein Sekundärluftrohr mit ei nem Sekundärluftauslaß an seinem freien Ende hat.

Brenner ähnlich der vorstehenden Art werden derzeit ge baut und sind allgemein bekannt. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Stufenverbrennung. Hierzu weist zur Verminde rung der NO_x-Emission der Brenner koaxial zueinander ein Primärluftrohr, ein Sekundärluftrohr und meist zusätzlich auch ein Tertiärluftrohr auf. Aus diesen Rohren strömt die Verbrennungsluft axial zur Brennerachse aus. Die Luftmenge im Primärluftrohr ist so gering, daß in der Kernzone der Flamme eine unvollständige Verbrennung er folgt.

Es hat sich gezeigt, daß auch durch die Stufenverbrennung mit bekannten Brennern sich angesichts der gestiegenen Anforderungen an die Schadstoff-Emission noch keine aus reichend weite Senkung der NO_x-Emissionen bei gleichzei tig hinreichender Flammenstabilität über den gesamten Be triebsbereich erreichen läßt. Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln bei einem Brenner der eingangs genannten Art eine weitere Senkung der No_x-Emission bei optimaler Verbrennung zu er reichen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Sekundärluftrohr den Sekundärluftauslaß durch einen zur Brennerachse hin sich im Durchmesser verjüngenden Se kundärluftkanal-Reduzierring begrenzt.

Durch einen solchen Sekundärluftkanal-Reduzierring wird die Sekundärluftströmung schräg zur Brennerachse hin gerichtet, so daß die Sekundärluft unter einem bestimmten Winkel zur Brennerachse hinter der Primärflamme mit hoher gesteuerter Turbulenz eingemischt wird. Dadurch ergibt sich eine bessere Verbrennung als bei einer axialen Se kundärluftströmung. Durch den erfindungsgemäßen Sekundär luftkanal-Reduzierring ist der Sekundärluftauslaß als Ringdüse ausgebildet.

Zur Flammenstabilisierung trägt es bei, wenn das Sekun därluftrohr in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Se kundärluftkanal-Reduzierring einen Diffusorring aufweist. Der erfindungsgemäße Brenner braucht deshalb zur Stabili sierung der Flamme keinen im Kessel angeordneten Diffusor aus Stein zu haben, um die Flammenausbildung thermisch zu stabilisieren. Ein Diffusor aus Stein erhöht aufgrund seiner Eigenart, sich aufzuheizen, erheblich die NO_x- Emission, ohne dagegen die Flammenstabilität nennenswert zu verbessern.

Die Verhältnisse, welche zur NO_x-Bildung führen, sind bei verschiedenen Kesseln oft sehr unterschiedlich und theo retisch schwer und meist unzureichend zu erfassen. Des halb läßt sich eine optimale Bemessung des Querschnittes des Sekundärluftaustritts nicht sicher vorherbestimmen. Der freie Querschnitt des Sekundärluftaustritts läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach dem beim Betreiben des Brenners zu beobachtenden Flammenbild optimal einstellen, wenn der axiale Abstand zwischen dem Diffusorring und dem luftauslaßseitigen Ende des Primärluftrohres durch eine Sekundärluft-Verstellein richtung veränderbar ausgebildet ist. Eine solche Sekun därluft-Verstelleinrichtung ermöglicht es, die Austritts geschwindigkeit der Sekundärluft und damit auch den Im puls bei konstantem Luftmassenstrom zu verändern. Die Mengenaufteilung der Luftmassenströme der einzelnen Stu fen, also der Primär-, Sekundär- und Tertiärluft, kann dank der Erfindung trotz der Veränderung der Impulsge schwindigkeit konstant gehalten werden. Auch hierdurch lassen sich der NO_x-Gehalt des Abgases vermindern und die weiteren Verbrennungswerte optimal abstimmen.

Der bauliche Aufwand für die Verstellung des Auslaßquer schnitts des Primärluftrohres ist besonders gering, wenn der Sekundärluftkanal-Reduzierring axial verschieblich in dem Sekundärluftrohr angeordnet ist und die Sekundärluft- Verstelleinrichtung eine aus dem Brennergehäuse heraus führende, mit dem Sekundärluft-Reduzierring verbundene Stellstange hat.

Alternativ hierzu kann man mit etwa gleich geringem Auf wand vorsehen, daß auf dem Primärluftrohr luftauslaßsei tig ein teleskopartiges, mittels der Sekundärluft-Ver stelleinrichtung verschiebbares Außenrohr angeordnet ist.

Bei einem Brenner, bei dem koaxial zu dem Sekundärluft rohr ein zu einem Tertiärluftaustritt führendes Tertiär luftrohr angeordnet ist, kann man die NO_x-Emission da durch weiter senken, daß das Tertiärluftrohr den Tertiär luftaustritt durch einen sich in Strömungsrichtung im Durchmesser zur Brennerachse hin verjüngenden Tertiär luftkanal-Reduzierring begrenzt. Ein solcher Tertiärluft strom ermöglicht einen besonders vollständigen Ausbrand am Flammenrand. Die Tertiärluft tritt mit hoher Impulsge schwindigkeit aus dem als Ringdüse ausgebildeten Tertiär luftauslaß und umgibt die Flammenfront mit einem Luft schleier. Dieser Luftschleier reduziert das Eindringen von Rauchgasen aus der äußeren Rückstromzone in die Flam menfront, indem er diese Rauchgase mitreißt, wodurch die Tertiärluft stark inertisiert wird und sich eine Einmi schung längs des Flammenweges ergibt. Dieser Ablauf der Luftschleierbildung erfolgt deshalb, weil der Sekundär luftkanal-Reduzierring die Sekundärluft umlenkt und an schließend der Diffusorring ein Unterdruckgebiet ausbil det, welches eine Trennschicht zwischen dem Sekundärluft strom und dem Tertiärluftstrom darstellt.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ter tiärluftaustritt zwischen dem Tertiärluftkanal-Reduzier ring des Tertiärluftrohres und dem Diffusorring des Se kundärluftrohres vorgesehen ist.

Zur Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten ist es auch beim Tertiärluftstrom vorteilhaft, wenn der Tertiär luftkanal-Reduzierring des Tertiärluftrohres in oder auf dem Tertiärluftrohr verschieblich und mittels einer Ter tiärluft-Verstelleinrichtung axial verschieblich ange ordnet ist.

Die Gesamtfunktion des Brenners und sein Schadstoffaus stoß werden günstig beeinflußt, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung im Luftauslaß des Primärluft rohres eine Stauscheibe und innerhalb des Primärluft kanals bei der Stauscheibe ein Mischkörper angeordnet ist. Eine solche Stauscheibe erzeugt einen für die Flam menausbildung vorteilhaftes Unterdruckgebiet mit einer Rückströmzone. In Verbindung mit dem Sekundärluftkanal- Reduzierring ermöglicht der Stauscheibe einen äußerst unterstöchiometrischen Betrieb der Primärflamme mit hoher Zündstabilität und großem Regelbereich.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß auch der Abstand zwischen der Stauscheibe und dem Mischkörper ver änderbar ausgebildet ist und der Mischkörper und die Stauscheibe mit einer Verstelleinrichtung nachrüstbar sind.

Zur weiteren Verbesserung der Funktion des Brenners trägt es bei, wenn im Sekundärluftrohr in Strömungsrichtung ge sehen vor dem Sekundärluftkanal-Reduzierring ein von der Sekundärluft durchströmter Drallkörper vorgesehen ist.

Zur Förderung einer optimalen Flammausbildung trägt es weiterhin bei, wenn der Sekundärluftauslaß in Strömungs richtung gesehen hinter der Stauscheibe und der Tertiär luftauslaß in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Sekun därluftauslaß vorgesehen sind.

Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Brenners hat sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn der Tertiärluft kanal-Reduzierring mit einem Winkel von 30° zur Strö mungsrichtung und der Sekundärluftkanal-Reduzierring mit einem Winkel von 20° zur Strömungsrichtung verlaufen und wenn der Diffusorring sich mit einem Winkel von 25° zur Strömungsrichtung erweitert.

Standardmäßig wird die Brennereinstellung derart vorge nommen, daß die Verstelleinrichtungen nach Einstellung optimaler Verbrennungswerte mechanisch fixiert werden. Über eine Prozeßsteuerung ist es jedoch möglich, jeden Brenner-Betriebspunkt individuell und automatisch einzu stellen, dann werden die Verstelleinrichtungen elektro motorisch angetrieben und über eine frei programmierbare Elektronik als Funktion von Leitgrößen (Leistung, Sauer stoffgehalt, Stickoxidgehalt, Flammenstabilität usw.) an gesteuert. Damit kann die Prozeßelektronik so ausgeführt werden, daß sich der Brenner unter Berücksichtigung des einwandfreien Ausbrands und der geforderten Leistung au tomatisch auf niedrigste NO_x-Werte einstellt.

Aufgrund der brennerkennzeichnenden Eigenart der Mengen aufteilung der Luftmassenströme in den einzelnen Stufen mit der Möglichkeit der Optimierung der Impulsgeschwin digkeiten eignet sich der Brenner besonders zur Verbren nung von sauerstoffreduziertem Abgas (Turbinenabgase) und von brennbaren Schadgasen. Weiterhin ist der Brenner so konzipiert, daß mehrere Brenngase/Schadgase unabhängig voneinander oder simultan miteinander verbrannt werden können. Dazu wird der Brenner entsprechend mit Gaskammern ausgerüstet, die die Gase in Lanzen verteilen, in denen diese zum Brenneraustritt geführt werden. Somit können besonders niederkalorische Gase, die ein Stützfeuer benö tigen und Schadgase, die auf ein bestimmtes Temperatur niveau gebracht werden müssen, verbrannt werden. Ebenso können flüssige Abfallbrennstoffe verfeuert werden.

Aus diesen Eigenschaften ergibt sich zwangsläufig, daß der Brenner ebenso mit Rauchgasrückführung zur Verminde rung von Stickoxiden problemlos unter Erzielung eines weiten Regelbereiches mit absolut stabiler Flamme betrie ben werden kann.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zu ihrer weiteren Verdeutlichung sind zwei davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsge mäßen Brenner,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen vorderen Bereich einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners.

Der in Fig. 1 im Längsschnitt gezeigte Brenner hat in einem Brennergehäuse 1 ein Primärluftrohr 2, in dem ko axial eine als Öllanze ausgebildete, in einem Halterohr 3a angeordnete Brennstoffzuführung 3 verläuft, welche an ihrem freien Ende einen Brennstoffaustrittskopf 4 auf weist, bei dem es sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine Einspritzdüse handelt.

In dem Primärluftrohr 2 können weitere Zuführrohre 5 an geordnet sein, über die Brenngas zugeführt und/oder zur weiteren NO_x-Minderung beispielsweise Rauchgas zurückge führt wird. Die Brennstoffzuführung 3 kann statt für Öl auch für die Zuführung von Brenngas ausgebildet sein.

In Strömungsrichtung gesehen vor dem Brennstoffaustritts kopf 4 ist auf dem Halterohr 3a der Brennstoffzuführung 3 ein Mischkörper 6 angeordnet, welcher auswechselbar und in Längsrichtung des Brenners verstellbar auf dem Halte rohr 3a der Brennstoffzuführung 3 gehalten ist. Bei die sem Ausführungsbeispiel ist er mit einer Hülse 7 von vorn her auf das Halterohr 3a der Brennstoffzuführung 3 aufge schoben und in der gewünschten Stellung durch eine Klemm schraube 8 fixiert. In Strömungsrichtung gesehen hinter dem Mischkörper 6 befindet sich eine Stauscheibe 9, wel che nach Art einer Blende den freien Austrittsquerschnitt des Primärluftrohres 2 verringert.

Koaxial zum Primärluftrohr 2 ist ein Sekundärluftrohr 10 und hierzu wiederum koaxial ein Tertiärluftrohr 11 ange ordnet. Die Verbrennungsluft strömt über einen Lufteinlaß 12 in das Primärluftrohr 2, einen Lufteinlaß 13 in das Sekundärluftrohr 10 und einen weiteren Lufteinlaß 14 in das Tertiärluftrohr 11. In den Lufteinlässen 12, 13, 14 sind Drosselklappen 15 zur Einstellung der Verbrennungs luftmenge angeordnet.

Wichtig für die Erfindung ist, daß das Sekundärluftrohr 10 einen Sekundärluftauslaß 16 hat, welcher nicht koaxial zur Brennerachse, sondern schräg zu ihr hin ausgerichtet ist. Hierzu ist am vorderen Ende des Sekundärluftrohres 10 ein sich in Strömungsrichtung im Durchmesser verjün gender und deshalb konischer Sekundärluftkanal-Reduzier ring 17 angeordnet, dem sich in Strömungsrichtung ein Diffusorring 18 anschießt.

Ebenfalls wichtig für die Erfindung ist, daß der axiale Abstand des Sekundärluft-Reduzierringes 17 von der Vor derkante des Primärluftrohres 2 mittels einer Sekundär luft-Verstelleinrichtung 19 veränderbar ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Primärluftrohr 2 und dem Sekundärluftrohr 10 axial mittels einer Stellstange 20 verschieblich ein Drallkörper 21 angeordnet, an dem der Sekundärluftkanal-Reduzierring 17 befestigt ist. Wie die Fig. 1 zeigt, ragt die Sekundärluft-Verstelleinrich tung 19 an der Rückseite des Brennergehäuses 1 aus diesem heraus, so daß man während des Betriebs des Brenners den Drallkörper 21 und damit auch den Sekundärluftkanal-Redu zierring 17 und den Diffusorring 18 axial verschieben kann.

Das Tertiärluftrohr 11 bildet einen Tertiärluftauslaß 22, der genau wie der Sekundärluftauslaß 16 einen schräg zur Brennerachse hin gerichteten Luftstrom erzeugt. Hierzu ist ein Tertiärluft-Reduzierring 23 vorgesehen, der mit einem zylindrischen Rohrstück 24 axial verschieblich im Tertiärluftrohr 11 gehalten ist. An diesem Rohrstück 24 ist eine Stellstange 25 einer Tertiärluft-Verstellein richtung 26 befestigt, mit der während des Betriebs des Brenners der Tertiärluft-Reduzierring 23 axial verschoben werden kann. Der Tertiärluftauslaß 22 ist durch einen Spalt gebildet, welcher zwischen dem vordersten Ende des Diffusorringes 18 und dem vordersten Ende des Tertiär luftkanal-Reduzierringes 23 gebildet ist.

Wie die Fig. 1 erkennen läßt, befindet sich der Sekun därluftauslaß 16 in Strömungsrichtung gesehen hinter dem durch die Stauscheibe 9 gebildeten Primärluftauslaß und der Tertiärluftauslaß 22 wiederum in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Sekundärluftauslaß 16.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen durch eine anders gestaltete Ver stellung des Sekundärluftauslasses 16. Der Sekundärluft kanal-Reduzierring 17 ist bei dieser Ausführungsform fest mit dem Sekundärluftrohr 10 verbunden. Auf dem Primär luftrohr 2 ist teleskopartig verschiebbar ein Außenrohr 27 angeordnet, zu dem die Stellstange 20 der Sekundär luft-Verstelleinrichtung 19 führt. Wie die Fig. 1 erken nen läßt, ragt das Außenrohr 27 über die vorderste Kante des Primärluftrohres 2 hinweg. Schiebt man das Außenrohr 27 mittels der Sekundärluft-Verstelleinrichtung 19 weiter nach vorn, dann wird der freie Querschnitt des Sekundär luftauslasses 16 verringert.

Auflistung der verwendeten Bezugszeichen

1 Brennergehäuse
2 Primärluftrohr
3 Brennstoffzuführung
3a Halterohr
4 Brennstoffaustrittskopf
5 Zuführrohre
6 Mischkörper
7 Hülse
8 Klemmschraube
9 Stauscheibe
10 Sekundärluftrohr
11 Tertiärluftrohr
12 Lufteinlaß
13 Lufteinlaß
14 Lufteinlaß
15 Drosselklappe
16 Sekundärluftauslaß
17 Sekundärluftkanal-Reduzierring
18 Diffusorring
19 Sekundärluft-Verstelleinrichtung
20 Stellstange
21 Drallkörper
22 Tertiärluftauslaß
23 Tertiärluftkanal-Reduzierring
24 Rohrstück
25 Stellstange
26 Tertiärluft-Verstelleinrichtung
27 Außenrohr

Claims

1. Brenner für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe, welcher in einem Brennergehäuse ein Primärluftrohr mit einer einen Brennstoffaustrittskopf aufweisenden Brenn stoffzuführung und koaxial zu dem Primärluftrohr ein Se kundärluftrohr mit einem Sekundärluftauslaß an seinem freien Ende hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekun därluftrohr (10) den Sekundärluftauslaß (16) durch einen zur Brennerachse hin sich im Durchmesser verjüngenden Se kundärluftkanal-Reduzierring (17) begrenzt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärluftrohr (10) in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Sekundärluftkanal-Reduzierring (17) einen Diffusorring (18) aufweist.

3. Brenner nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der axiale Abstand zwischen dem Sekundär luft-Reduzierring (17) und dem luftauslaßseitigen Ende des Primärluftrohres (2) durch eine Sekundärluft-Ver stelleinrichtung (19) veränderbar ausgebildet ist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftkanal-Reduzierring (17) axial verschieb lich in dem Sekundärluftrohr (10) angeordnet ist und die Sekundärluft-Verstelleinrichtung (19) eine aus dem Brennergehäuse (1) heraus führende, mit dem Sekundärluft- Reduzierring (17) verbundene Stellstange (20) hat.

5. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Primärluftrohr (2) luftauslaßseitig ein teleskop artig mittels der Sekundärluft-Verstelleinrichtung (19) verschiebbares Außenrohr (27) angeordnet ist.

6. Brenner nach zumindest einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem koaxial zu dem Sekundärluftrohr ein zu einem Tertiärluftaustritt führendes Tertiärluftrohr angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Tertiärluftrohr (11) den Tertiärluftaustritt (22) durch einen sich in Strö mungsrichtung im Durchmesser zur Brennerachse hin verjün genden Tertiärluftkanal-Reduzierring (23) begrenzt.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tertiärluftaustritt (22) zwischen dem Tertiärluftka nal-Reduzierring (23) des Tertiärluftrohres (11) und dem Diffusorring (18) des Sekundärluftrohres (10) vorgesehen ist.

8. Brenner nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Tertiärluftkanal-Reduzierring (23) des Tertiärluftrohres (11) in oder auf dem Tertiärluftrohr (11) verschieblich und mittels einer Tertiärluft-Ver stelleinrichtung (26) axial verschieblich angeordnet ist.

9. Brenner nach zumindest einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftauslaß des Pri märluftrohres (2) eine Stauscheibe (9) und innerhalb des Primärluftrohres (2) bei der Stauscheibe (9) ein Misch körper (6) angeordnet ist.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Stauscheibe (9) und dem Misch körper (6) veränderbar ausgebildet ist und der Mischkör per (6) und die Stauscheibe (9) mit einer Verstellein richtung nachrüstbar sind.

11. Brenner nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärluftrohr (10) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sekundärluft kanal-Reduzierring (17) ein von der Sekundärluft durch strömter Drallkörper (21) vorgesehen ist.

12. Brenner nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftaus laß (16) in Strömungsrichtung gesehen hinter der Stau scheibe (9) und der Tertiärluftauslaß (22) in Strömungs richtung gesehen hinter dem Sekundärluftauslaß (16) vor gesehen sind.

13. Brenner nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tertiärluftka nal-Reduzierring (23) mit einem Winkel von 30° zur Strö mungsrichtung verläuft.

14. Brenner nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftka nal-Reduzierring mit einem Winkel von 20° zur Strömungs richtung verläuft.

15. Brenner nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusorring (18) sich mit einem Winkel von 25° zur Strömungsrichtung erweitert.