DE4332359A1 - Einströmverfahren und Einströmvorrichtung eines Abgases in eine Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einströmverfahren für ein Abgas eines Kraftwerks in eine Brennkammer eines Brenners, dessen Brenngas über eine Brennkammeröffnung in die Brennkammer eingeleitet wird. Bei der Erfindung ist vor allein an Kraft­ werke, insbesondere an kleine Kraftwerke gedacht, die mit Verbrennungsmotoren oder mit Verbrennungsturbinen angetrie­ ben werden.

Ein derartiges Verfahren ist durch die DE 51 11 298 A1 be­ kanntgeworden.

Bei dem bekannten Verfahren wird das in einem Brenner er­ zeugte Brenngas in eine Brennkammer geleitet und dort ver­ brannt. An die Brennkammer schließt sich eine weitere Kammer an, in die Abgase eines Kraftwerks eingeleitet werden. Diese Abgaskammer und die Brennkammer sind in einem Wärmetauscher integriert, in dem die fühlbare und latente Wärme des ver­ brannten Brenngases und des Kraftwerks-Abgases auf ein Heiz­ medium übertragen werden.

Bei dem aus der DE 41 11 298 A1 bekannten Verfahren kann entweder die Wärme des in der Brennkammer verbrannten Brenn­ abgases oder die Wärme des Kraftwerks-Abgases oder aber zu­ gleich die Wärme des Brennabgases und des Kraftwerkes-Abga­ ses auf das Heizmedium übertragen werden. Das Einströmen des Kraftwerks-Abgases in die mit der Brennkammer verbundene Ab­ gaskammer beeinflußt dabei die Verbrennung des Brenngases, da die Brennflamme, die bei der Verbrennung des Brenngases in der Brennkammer erzeugt wird, durch die Strömung des Kraftwerks-Abgases beeinträchtigt wird. Dies macht es not­ wendig, das Einströmen des Kraftwerks-Abgases entweder in derselben Kammer an einem von der Brennerflamme so weit wie möglich entfernten Ort auszuführen oder aber die Brenn- und Abgaskammer räumlich so voneinander zu trennen, daß die Brennerflamme durch das Einströmen des Kraftwerks-Abgases nicht mehr beeinträchtigt wird. Die erste Möglichkeit führt zu größeren Abmessungen der gemeinsamen Brenn- und Abgaskam­ mer, während im zweiten Fall komplizierte Ausgestaltungen der beiden mit einander verbundenen Kammern mit halboffenen Trennwänden erforderlich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei dem Verfahren der eingangs genannten Art die Kraftwerks- Abgase so in die Brennkammer eines Brenners einzuleiten, daß die Brennerflamme und somit die Qualität der Verbrennung möglichst nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Brenngas über ein durch die Brennkammeröffnung in die Brenn­ kammer führendes Brennerrohr in die Brennkammer eingeleitet wird und daß das Kraftwerks-Abgas über mindestens eine um das Brennerrohr herum angeordnete Einlaßöffnung in die Brennkammer einströmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit den wesentlichen Vorteil, daß durch die eine oder die mehreren Einlaß­ öffnungen das Kraftwerks-Abgas so eingeleitet werden kann, daß sich einige der bezüglich des Brennerrohres radialen Strömungskomponenten des Kraftwerks-Abgases in der Brennkam­ mer aufheben. Dadurch wird die Brennerflamme, die mit im we­ sentlichen zum Brennerrohr parallelen Strömungskomponenten in die Brennkammer hineinströmt, durch die Strömung des Kraftwerks-Abgases weniger beeinträchtigt, als wenn das Kraftwerks-Abgas an irgendeiner anderen Stelle in die Brenn­ kammer eintreten würde.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht darin, daß dem Brenngas an den Randzonen der Brenner­ flamme Kraftwerks-Abgas beigemischt wird. Eine derartige Ab­ gasbeimischung führt zu einer erheblichen Verringerung der Stickoxidemissionen. Zwar steigt dabei die Emission von Par­ tikeln an, jedoch können diese durch eine meist ohnehin er­ forderliche, nachgeschaltete Vorrichtung, wie eine Rußwäsche oder Rußfilterung, leicht wieder entfernt werden. Bekannte Abgasbeimischungen verursachen jedoch gewöhnlich erhebliche Konstruktionskosten, während es das erfindungsgemäße Verfah­ ren erlaubt, die Abgasbeimischung kostenfrei zu verwirk­ lichen.

Vorteilhafterweise heben sich die bezüglich des Brenner­ rohres radialen Strömungskomponenten des Abgases in der Brennkammer auf. Dies führt zu einer zeitlich besonders sta­ bilen Brennerflamme und zu einer guten Qualität der Ver­ brennung.

Ein besonders bevorzugtes Einströmverfahren kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß das Abgas über eine um das Brennerrohr konzentrisch angeordnete im wesentlichen ring­ förmige Einlaßöffnung in die Brennkammer einströmt. Das Kraftwerks-Abgas wird dann konzentrisch zum Brennerabgas in die Brennkammer in der Weise eingeleitet, daß das Brennabgas den Kern des Abgasstromes bildet, während das Kraftwerks-Ab­ gas einen ringförmigen Mantel um das Brennerabgas bildet. Dadurch wird die Brennerflamme durch die Strömung des Kraft­ werks-Abgases nicht mehr beeinträchtigt. Die Stickoxid­ bildung an den Randzonen der Brennerflamme wird auf einen minimalen Wert reduziert, da die Beimischung des Kraftwerks- Abgases auf der gesamten Außenfläche der Brennerflamme er­ folgt.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung wird als Einlaßöffnung für das Abgas die Brennkam­ meröffnung verwendet. Dies hat den Vorteil geringerer kon­ struktiver Maßnahmen und erlaubt es, das erfindungsgemäße Verfahren auch bei bekannten Brennern anzuwenden.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens strömt das Abgas durch mehrere Einlaßöffnungen gleichzeitig in die Brennkammer ein. Auch hierbei können sich die radialen Strömungskomponenten des Kraftwerks-Abga­ ses aufheben.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einströmvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich dadurch kennzeichnet, daß der Brenner ein Brennerrohr auf­ weist, das sich durch eine Brennkammeröffnung bis in die Brennkammer erstreckt und daß die Brennkammer mindestens ei­ ne um das Brennerrohr herum angeordnete Einlaßöffnung auf­ weist, durch die das Abgas des Kraftwerks in die Brennkammer einströmt. Die oben genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich ohne weiteres auch auf die erfindungs­ gemäße Vorrichtung übertragen.

In einer anderen Ausführungsform sind mehrere Brennkammer­ öffnungen für das Kraftwerks-Abgas in gleichen Winkelabstän­ den konzentrisch um die Brennkammeröffnung herum angeordnet. Zweckmäßigerweise sind die mehreren Brennkammeröffnungen rotationssymmetrisch um das Brennerrohr herum angeordnet. Dabei werden mehrere Brennkammeröffnungen mit gleichen Öffnungsquerschnitten so um die Brennkammeröffnung angeord­ net, daß der geometrische Schwerpunkt der mehreren Öffnungen in der Mitte der Brennkammeröffnung liegt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die min­ destens eine Einlaßöffnung als im wesentlichen ringförmige, zum Brennerrohr konzentrische Einlaßöffnung ausgebildet. Da­ bei kann die mindestens eine Einlaßöffnung als umlaufende Ringöffnung ausgebildet sein, oder durch radiale Stege in einzelnen, vorzugsweise in gleiche Ringsegmente unterteilt sein. Eine ringförmige, um das Brennerrohr konzentrische Einlaßöffnung weist im Vergleich zu anderen Öffnungsquer­ schnitten die maximale Öffnungsfläche auf.

Besonders vorteilhaft ist die mindestens eine Einlaßöffnung durch die Brennkammeröffnung selbst gebildet, deren Innen­ durchmesser größer als der Außendurchmesser des Brenner­ rohres ist. Dies hat den großen Vorteil, daß auch bei be­ kannten serienmäßigen Heizkesseln, die mit einem Brenner ausgestattet sind, das erfindungsgemäße Einströmverfahren angewandt werden kann. Dazu müssen an den Heizkesseln bzw. an den Brennern keine Veränderungen vorgenommen werden. Der Brenner und der Kessel können von Anfang an mit solch unterschiedlichen Durchmessern ausgewählt werden, beispiels­ weise durch Verwendung verschiedener Fabrikate, daß sich der Spalt zwischen Brennkammeröffnung und Brennerrohr ergibt. Zur nachträglichen Ausbildung eines ringförmigen Spaltes kann möglicherweise auch der Außendurchmesser des Brenner­ rohres verkleinert werden. Dies ist bei solchen Kesseln zu bevorzugen, wo die Wärmetauscher, die in dem Kesselgehäuse verlaufen, keine nachträgliche Vergrößerung der Brennkammer­ öffnung erlauben. Wo dies technisch möglich ist, genügt es, den Innendurchmesser der bereits vorhandenen Brennkammeröff­ nung gegebenenfalls zu vergrößern, so daß das Kraftwerks-Ab­ gas durch den ringförmigen Spalt zwischen der vergrößerten Brennkammeröffnung und dem Brennerrohr in die Brennkammer eingeleitet werden kann. Damit wird es möglich, gewöhnliche Heizungsanlagen in Heizkraftwerke zu verwandeln und dadurch die wertvollen Brennstoffe zunächst zur Krafterzeugung zu nutzen und den Heizungs-Energiebedarf durch Abwärme aus der Stromerzeugung bereitzustellen. Somit ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Fernwärmeleitungen einzusparen und die Kraft-Wärme-Kopplung insbesondere in kleinen Anwendungen rentabel zu machen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erleichtert es beispielsweise auch, Heizkessel und Kraftwerk vertikal anzuordnen, so daß für das Kraftwerk kein zusätzlicher Raumbedarf erforderlich ist. Das Kraft­ werks-Abgas kann so auf kürzestem Wege in den Wärmetauscher geleitet werden.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Anschlußstück zum Einbau in eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgeschlagen, das eine Zuführungsleitung und zwei konzentrisch gegenüber­ liegende Anschlußflansche aufweist, die das Anschlußstück in seinem zwischen Brenner und Brennkammer eingebauten Zustand jeweils an der dem Brenner der Brennkammer zugewandten Seite abdichten, wobei die Innendurchmesser der Flanschöffnungen größer oder gleich dem Außendurchmesser des Brennerrohres sind.

Wenn die im eingebauten Zustand dem Brenner zugewandte Flanschöffnung einen im wesentlichen dem Außendurchmesser des Brennrohres entsprechenden Innendurchmesser aufweist, so läßt sich eine nachträgliche Verbindung eines bekannten Brenners mit dem Anschlußstück leicht realisieren.

Vorteilhafterweise ist die durch die beiden Flansche de­ finierte Breite des Anschlußstückes kleiner oder gleich 10 cm. Die Breite des Anschlußstückes hängt dabei von der Größe (Leistung) des Brenners bzw. der Anlage ab. Bei einem 1000-kW-Brenner ist eine entsprechend große Breite zu wählen, beispielsweise 10 cm, während bei einem 25-kW-Brenner eine Breite von vorzugsweise 2 cm ausreicht. Diese geringfügige Abweichung von der Normallage des Brenners bzw. der Brenner­ flamme in der Brennkammer, macht es möglich, das Anschluß stück bei einem bekannten Brenner mit einem Brennerrohr zwi­ schen Brenner und Brennkammer einzufügen, ohne daß sich der Wirkungsgrad der Verbrennung verschlechtert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die oben genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß je­ weils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination mit­ einander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son­ dern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an­ hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzi­ ge Fig. 1 zeigt eine Einströmvorrichtung für ein Abgas ei­ nes Kraftwerks in eine Brennkammer eines Brenners über ein erfindungsgemäßen Anschlußstück.

In der Figur ist mit 1 ein Brenner bezeichnet, in dem ein Brenngas 2 erzeugt wird. Das Brenngas 2 wird über ein Brenn­ errohr 3 in eine Brennkammer 4 eingeleitet, die in einem Kesselgehäuse 5 angeordnet ist und in der die Verbrennung des Brenngases über eine Brennerflamme 2a stattfindet. Das Brennerrohr 3 erstreckt sich durch eine Öffnung im Kesselge­ häuse 5, die sogenannte Brennkammeröffnung 6, in die Brenn­ kammer 4 hinein. Als Kessel kann beispielsweise ein soge­ nannter Veritherm-Kessel (Hersteller: Veritherm Heizungs­ technik GmbH, Peine) verwendet werden, während bewährte Industriemotoren mit beliebig vielen Zylindern als Kraft­ werksantrieb verwendet werden können (z. B. Zylindermotoren von M.A.N., Augsburg). Die Motoren können mit leichtem Heiz­ öl (also Dieselöl), Pflanzenöl, Flüssiggas, Erdgas, Klärgas oder Biogas betrieben werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Brennkammeröffnungen, wo der Innendurchmesser der Brennkam­ meröffnung 6 deutlich größer als der Außendurchmesser des Brennerrohres 3 ist und das mit dem Brenner 1 verbundene Brennerrohr 3 durch die Brennkammeröffnung 6 soweit hin­ durchgeführt wird, bis ein mit dem Brenner 1 verbundener Brennerflansch 7 dichtend am Kesselgehäuse 5 anliegt, wird erfindungsgemäß zwischen den Brennerflansch 7 und das Kes­ selgehäuse 5 ein Anschlußstück 8 eingefügt. Das Anschluß­ stück weist zwei Anschlußflansche 9a, 9b für eine dichtende Befestigung mit dem Brennerflansch 7 und dem Kesselgehäuse 5 auf, wobei die Anschlußstücke 9a, 9b auf bekannte Weise mit dem Brennerflansch 7 und dem Kesselgehäuse 5 verschraubt werden. Der dem Brennerflansch 7 zugewandte Anschlußflansch 9b weist eine Öffnung mit einem dem Außendurchmesser des Brennerrohres 3 entsprechenden Innendurchmesser auf, während die Öffnung des anderen Anschlußflansches 9a konzentrisch zur Öffnung des Anschlußflansches 9a und größer als der Auß­ endurchmesser des Brennerrohres 3 ist. Der Raum 10 zwischen den beiden Anschlußflanschen 9a, 9b des Anschlußstückes 8 weist eine Zuführungsöffnung 11 auf. Die Brennkammeröffnung 6, durch die sich das Brennerrohr 3 in die Brennkammer 4 er­ streckt, weist einen größeren Innendurchmesser auf als der Außendurchmesser des Brennerrohres 3. Im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 1 ist der Durchmesser der Brennkam­ meröffnung 6 etwas kleiner als der Innendurchmesser des der Brennkammer 4 zugewandten Anschlußflansches 9a.

Wird über die Zuführungsleitung 11 das Abgas 12 eines Kraftwerks eingeleitet, so strömt das Abgas 12 in den Raum 10 zwischen den beiden Anschlußflanschen 9a, 9b und weiter über den ringförmigen Spalt in der Brennkammeröffnung 6, der zwischen der Brennkammeröffnung 6 und dem Brennerrohr 3 ge­ bildet ist, in die Brennkammer 4 ein. Das Abgas 12 strömt also konzentrisch zu dem Brenngas 2 in die Brennkammer 4 ein, wobei die Brennflamme 2a den Kern der in die Brennkam­ mer 4 einströmenden Gase bildet, während das Kraftwerks-Ab­ gas 12 einen ringförmigen Mantel um die Brennerflamme 2a bildet. Da sich auf diese Weise die bezüglich des Brenngases 2 radialen Strömungskomponenten des Kraftwerks-Abgases in der Brennkammer 4 vollständig aufheben, wird die Brennflamme 2a durch das einströmende Kraftwerks-Abgas 12 nicht beein­ trächtigt. Die Stickoxidbildung an den Randzonen der Brenn­ flamme 2a wird auf einen minimalen Wert reduziert, da eine Beimischung des Kraftwerks-Abgases 12 zum Brenngas 2 die Stickoxidbildung verringert und auf der gesamten Außenfläche der Brennerflamme 2a erfolgt.

Die Abgasströme des Kraftwerks und des Brenners 1 wer­ den in der Brennkammer 4 vereint und einer gemeinsamen Be­ handlung zugeführt. Dazu ist nur ein Wärmetauschsystem er­ forderlich, dessen ein Heizmedium führende Wärmetauscherroh­ re in dem Gehäuse der Brennkammer 4 ausgebildet sein können. Die beiden Abgasströme können aber auch, wie in der Figur gezeigt ist, durch eine Austrittsöffnung 13 aus der Brenn­ kammer 4 austreten und einer nichtgezeigten Wärmetauscher­ kammer zugeführt werden.

Die Brennkammeröffnung wird erforderlichenfalls vergrößert und das Anschlußstück in den Zwischenraum zwischen Brenner und Kessel eingefügt. Bei bekannten Brennern ist die Länge des Brennerrohres dadurch bestimmt, daß die Wärmeableitung der durch die Brennerflamme an der Brennerrohrspitze auf­ tretenden Wärme das mit dem Brennerrohr verbundene Kesselge­ häuse nicht zu sehr erwärmt. Da durch die erfindungsgemäße Vergrößerung der Brennkammeröffnung kein thermischer Kontakt mehr zwischen Brennerrohr 3 und Kesselgehäuse 6 vorhanden ist, ergeben sich durch das Abrücken, insbesondere um nur 2 cm, keine Nachteile, zumal auch die Brennerflamme 2a dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Die Erfindung betrifft ein Einströmverfahren für ein Abgas 12 eines Kraftwerks in eine Brennkammer 4 eines Brenners 1, dessen Brenngas 2 über eine Brennkammeröffnung 6 in die Brennkammer 4 eingeleitet wird, wobei das Brenngas 2 über ein durch die Brennkammeröffnung 6 in die Brennkammer 4 führendes Brennerrohr 3 in die Brennkammer 4 eingeleitet wird und daß das Kraftwerks-Abgas 12 über mindestens eine um das Brennerrohr 3 herum angeordnete Einlaßöffnung in die Brennkammer 4 einströmt. Mit diesem Verfahren können die Kraftwerksabgase so in die Brennkammer 4 des Brenners 1 ein­ geleitet werden, daß die Brennflamme 2a und somit die Quali­ tät der Verbrennung möglichst nicht beeinträchtigt wird.

Claims (13)

1. Einströmverfahren für ein Abgas (12) eines Kraft­ werks in eine Brennkammer (4) eines Brenners (1), dessen Brenngas (2) über eine Brennkammeröffnung (6) in die Brennkammer (4) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas (2) über ein durch die Brennkammeröff­ nung (6) in die Brennkammer (4) führendes Brennerrohr (3) in die Brennkammer (4) eingeleitet wird und daß das Kraftwerks-Abgas (12) über mindestens eine um das Brenn­ errohr (3) herum angeordnete Einlaßöffnung in die Brenn­ kammer (4) einströmt.

2. Einströmverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die bezüglich des Brennerrohres (3) radia­ len Strömungskomponenten des Abgases (12) in der Brenn­ kammer (4) aufheben.

3. Einströmverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abgas (12) über eine um das Brenn­ errohr (3) konzentrisch angeordnete ringförmige Einlaß­ öffnung in die Brennkammer (4) einströmt.

4. Einströmverfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß als Einlaßöffnung für das Abgas (12) die Brennkammeröffnung (6) verwendet wird.

5. Einströmverfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas (12) durch mehrere Einlaßöffnungen gleichzeitig in die Brennkammer (4) einströmt.

6. Einströmvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Kraft­ werk, einem Brenner (1) und einer Brennkammer (4), da­ durch gekennzeichnet, daß der Brenner (1) ein Brenner­ rohr (3) aufweist, das sich durch eine Brennkammeröff­ nung (6) bis in die Brennkammer (4) erstreckt und daß die Brennkammer (4) mindestens eine um das Brennerrohr (3) herum angeordnete Einlaßöffnung aufweist, durch die das Abgas (12) des Kraftwerks in die Brennkammer (4) einströmbar ist.

7. Einströmvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Brennkammeröffnungen für das Abgas (12) des Kraftwerks in gleichen Winkelabständen konzentrisch um die Brennkammeröffnung (6) herum ange­ ordnet sind.

8. Einströmvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens eine Einlaßöffnung als im wesentlich ringförmige, zum Brennerrohr (3) konzentrische Einlaßöffnung ausgebildet ist.

9. Einströmvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens eine Einlaßöffnung durch die Brennkammeröffnung (6) gebildet ist, deren Innen­ durchmesser größer als der Außendurchmesser des Brenn­ rohres (3) ist.

10. Anschlußstück (8) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und zum Einbau in eine Vor­ richtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Anschlußstück (8) eine Zuführung­ söffnung (11) und zwei konzentrisch gegenüberliegende Anschlußflansche (9a, 9b) aufweist, die das Anschluß­ stück (8) in seinem zwischen Brenner (1) und Brennkammer (4) eingebauten Zustand jeweils an der dem Brenner (1) und der Brennkammer (4) zugewandten Seite abdichten, wo­ bei die Innendurchmesser der Öffnungen der Flansche (9a, 9b) größer oder gleich dem Außendurchmesser des Brenner­ rohres (3) sind.

11. Anschlußstück nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die im eingebauten Zustand dem Brenner (1) zugewand­ te Öffnung des Flansches (9b) einen im wesentlichen dem Außendurchmesser des Brennrohres (3) entsprechenden In­ nendurchmesser aufweist.

12. Anschlußstück nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durch die beiden Flansche (9a, 9b) de­ finierte Breite des Anschlußstückes (8) kleiner oder gleich 20 cm, vorzugsweise etwa 2 cm ist.

13. Einströmvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Brenner (1) und der Brennkammer (4) ein Anschlußstück (8) gemäß der An­ sprüche 10 bis 12 angeordnet ist.