DE4343090A1

DE4343090A1 - Verfahren zur gestuften Verbrennung eines Brennstoff-Verbrennungsluftgemisches und Gebläsebrenner zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4343090A1
Application number: DE4343090A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Daniel; Walter Lehr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1995-06-22
Also published as: ITMI942504A0; NL194208C; GB2284886A; IT1271258B; ITMI942504A1; NL194208B; GB9424110D0; NL9401792A; GB2284886B

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gestuften Verbrennung eines Brennstoff-Verbrennungsluftgemisches in einem Gebläsebrenner und einen Gebläsebrenner zur Durchführung des Verfahrens. Die Stufung der Verbrennung hat den Zweck, den NO_x-Gehalt der Verbrennungsgase möglichst gering zu halten. Das wird durch das mangelnde Sauerstoff angebot in der ersten Ausbrandstrecke und durch die vergleichsweise geringe Verbrennungstemperatur bei der nachfolgenden Reaktion mit dem in einer zweiten Ausbrandstrecke zusätzlich zugeführten Sauer stoffs erreicht. Bei bekannten Verfahren der gattungsmäßigen Art ist eine einzige Brennkammer vorgesehen, in der eine unterstöchiome trische, fette Verbrennung des gesamten Brennstoff-Verbrennungs luftgemisches erfolgt. Anschließend wird dem Verbrennungsgas aus dieser Brennkammer sekundäre Verbrennungsluft zugeführt. Bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch eine gute Durchmischung des Ver brennungsgases mit der sekundären Verbrennungsluft problematisch, die für eine Verringerung des zu hohen CO-Gehaltes im Verbrennungs gas auf einen zulässigen Wert unerläßlich ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Mischung von Brenn stoff- und Verbrennungsluft unproblematisch wie bei konventionellen Brennern vor der Verbrennungszone erfolgen kann. In der Reaktions kammer reagiert das CO aus dem Verbrennungsgas der fetten Ver brennung mit dem O₂ - aus der mageren Verbrennung zu CO₂, wobei das Brennstoff-Verbrennungsluftgemisch so auf die beiden Brenn kammern aufgeteilt werden kann, daß das Abgas nur einen geringen CO-Anteil enthält.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbrennungsgase aus den beiden Teilbrennern über Wärmetauscher in die Reaktionskammer ge leitet werden und die dort entstehende Reaktionswärme auf einen dritten Wärmetauscher übertragen wird. In diesem Fall tritt in der Reaktionskammer wegen der dann beispielsweise auf 1100° bis 1200°C heruntergekühlten Verbrennungsgase keine nennenswerte zusätzliche Bildung von NO_x auf, so daß dessen Gehalt im Abgas den niederen Werten bei der fetten und der mageren Verbrennung in den beiden Teilbrennern entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einem Gebläse brenner nach Anspruch 3 durchgeführt werden. Bei einem Gebläse brenner mit diesen kennzeichnenden Merkmalen ergibt sich eine in weiten Grenzen regel- beziehungsweise steuerbare Anordnung, wenn beiden Teilbrennern ein eigenes Verbrennungsluftgebläse zugeordnet ist. In diesem Fall können auch beide Teilbrenner gleich aufgebaut sein.

Bei einer einfacheren Ausführung kann beiden Teilbrennern ein ge meinsames Verbrennungsluftgebläse zugeordnet sein.

Eine kompakte Ausführung ergibt sich, wenn die beiden Wärmetauscher am Ausgang der Brennkammer und der Wärmetauscher am Ausgang der Reaktionskammer gemeinsam von einem wärmeübertragenen Medium durch strömt sind.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gasge bläsebrenners sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das erste und Fig. 2 das zweite Ausführungsbeispiel. Das Schaubild nach Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des NO_x-Gehalts im Abgas von der Luftzahl des Gas-Verbrennungsluftgemisches.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Gasgebläsebrenner nach Fig. 1 besteht aus zwei Teilbrennern 10 und 12, von denen jeder ein eigenes Verbrennungsluftgebläse 14 be ziehungsweise 16, eine Vormischkammer 18 beziehungsweise 20, eine Brennerplatte 22 beziehungsweise 24 und eine Brennkammer 26 be ziehungsweise 28 hat. Die Gaszufuhr erfolgt über einen Verteiler 30, von welchem Zweigleitungen 32, 34 zu den Vormischkammern 18, 20 führen. Die nicht dargestellte Regel- beziehungsweise Steuerein richtung des Gebläsebrenners teilt das Gas und die Verbrennungsluft den beiden Vormischkammern 18, 20 so zu, daß sich in der Vormisch kammer 18 ein fettes Gas-Verbrennungsluftgemisch (λ < 1) und in der Vormischkammer 20 ein mageres Gas-Verbrennungsluftgemisch (λ < 1) ergibt.

Die beiden Brennkammern 26, 28 münden in eine Reaktionskammer 36 ein, wobei an jeder Einmündung ein Wärmetauscher 38 beziehungsweise 40 vorgesehen ist. Diese sind von einer Leitung 42 durchsetzt, die ein wärmeübertragendes Medium, vorzugsweise Heizungswasser, führt. Am Ausgang der Reaktionskammer 36 ist ein dritter Wärme tauscher 44 vorgesehen, der ebenfalls in die Leitung 42 einge schaltet ist.

Im Betrieb des Gasgebläsebrenners gelangt aus der Brennkammer 26 ein fettes Verbrennungsgas in die Reaktionskammer 36, das einen relativ hohen CO-Gehalt hat. Aus dem Schaubild nach Fig. 3 ist jedoch er sichtlich, daß bei einer Verbrennung unter Luftmangel die NO_x-Bildung stark vermindert ist. Wenn die Verbrennung in der Brennkammer 26 beispielsweise gemäß Punkt A des Schaubilds mit einer Luftzahl von λ = 0,8 erfolgt, ergibt sich - bei Vorliegen weiterer, dem Schaubild zugrundegelegter Parameter - im Verbrennungsgas dieser ersten Ausbrandstrecke ein NO_x-Gehalt von ca. 10 ppm. Dieser Wert entspricht etwa einem Zehntel des bei nahstöchiometrischer Ver brennung sich beispielsweise ergebenden NO_x-Maximalwertes von 100 ppm.

Aus der Brennkammer 28 des gleichzeitig arbeitenden Teilbrenners 12 gelangt ein mageres Verbrennungsgas in die Reaktionskammer 36, das einen relativ hohen O₂-Gehalt hat. Aus dem Schaubild ist jedoch ersichtlich, daß auch bei einer Verbrennung mit höherem Luftüber schuß die NO_x-Bildung stark vermindert ist. Wenn die Verbrennung in der Brennkammer 26 beispielsweise gemäß Punkt B des Schaubilds mit einer Luftzahl von λ = 1,5 erfolgt, ergibt sich in diesem Ver brennungsgas der gleiche geringe NO_x-Gehalt von ca. 10 ppm, wie in dem fetten Verbrennungsgas aus der Brennkammer 26.

Die beiden Wärmetauscher 38, 40 sind vorteilhaft so ausgelegt, daß die aus den Brennkammern 26, 28 austretenden Verbrennungsgase auf eine Temperatur von ca. 1100° bis 1200°C abgekühlt werden. In der Reaktionskammer 36 reagiert das CO aus dem einen Verbrennungsgas mit dem O₂ aus dem anderen Verbrennungsgas zu CO₂. Bei dieser Reaktion kann wegen der Abkühlung der Verbrennungsgase in den Wärme tauschern 38, 40 eine weitere Bildung von NO_x nicht stattfinden, so daß das die Reaktionskammer 36 durch den dritten Wärmetauscher 44 verlassende Abgas tatsächlich nur einen NO_x-Gehalt von ca. 10 ppm hat. Beim zugrundegelegten Ausführungsbeispiel ergibt sich im Abgas eine Luftzahl von λ = 1,04, bei welcher sich bei einstufiger Ver brennung gemäß Punkt C des Schaubilds ein NO_x-Gehalt von 90 ppm ergeben würde. Die Strecke D im Schaubild stellt daher die durch die Erfindungsmaßnahme erzielte Verminderung der NO_x-Emission dar.

Der Gasgebläsebrenner nach Fig. 2 hat zwei Teilbrenner 50, 52, denen ein gemeinsames Verbrennungsluftgebläse 54 zugeordnet ist. Jeder Teilbrenner 50, 52 hat eine Vormischkammer 56 beziehungsweise 58, eine Brennerplatte 60 beziehungsweise 62 und eine Brennkammer 64 beziehungsweise 66, die je durch eine gemeinsame Zwischenwand 68 voneinander getrennt in einem gemeinsamen Gehäuse 70 nebeneinander liegend angeordnet sind. Die beiden Brennkammern 64, 66 münden über je einem Wärmetauscher 72 beziehungsweise 74 in eine Reaktionskammer 76 ein, aus der die Verbrennungsgase über einen dritten Wärme tauscher 78 austreten. Die drei Wärmetauscher 72, 74, 78 liegen hintereinander und sind von einer ein Wärmeübertragungsmedium führenden Leitung 80 durchsetzt.

Der Gasgebläsebrenner nach Fig. 2 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel im wesentlichen nur durch einen anderen kon struktiven Aufbau. Das Verbrennungsverfahren dagegen erfolgt eben falls erfindungsgemäß gestuft. Durch entsprechende Anordnung der Zwischenwand 68 kann auch das Größenverhältnis der Teilbrenner 50, 52 festgelegt werden, so daß zusammen mit einer entsprechenden Auf teilung des Gas-Verbrennungsluftgemisches auch eine Minimierung des CO-Gehaltes im Abgas möglich ist.

Es ist möglich, als Brennstoff auch Öl statt, wie beschrieben, Gas einzusetzen.

Claims

1. Verfahren zur gestuften Verbrennung eines Brennstoff-Ver brennungsluftgemisches in einem Gebläsebrenner, bei welchen in einer ersten Ausbrandstrecke eine unterstöchiometrische Verbrennung er folgt und in einer zweiten Ausbrandstrecke der CO-Gehalt im Ver brennungsgas der ersten Ausbrandstrecke durch Zuführen von Sauer stoff auf einen zulässigen Wert herabgesetzt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensmerkmale:

a) Das Brennstoff-Verbrennungsluftgemisch wird in zwei Teilmengen aufgeteilt, den Vormischkammern (18, 20 bzw. 56, 58) von zwei Teil brennern (10, 12 bzw. 50, 52) zugeführt,
b) die Mischungsverhältnisse in den beiden zugeführten Teilmengen des Brennstoff-Verbrennungsluftgemisches sind so gewählt, daß in dem einen Teilbrenner (10 bzw. 50) eine unterstöchiometrische Ver brennung und im anderen Teilbrenner (12 bzw. 52) eine überstöchio metrische Verbrennung erfolgt,
c) die Verbrennungsgase aus den beiden Teilbrennern (10, 12 bzw. 50, 52) werden in eine Reaktionskammer (36 bzw. 76) geleitet, in welcher CO aus dem einen Verbrennungsgas mit O₂ aus dem anderen Ver brennungsgas reagiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver brennungsgase aus den Teilbrennern (10, 12 bzw. 50, 52) über Wärme tauscher (38, 40 bzw. 72, 74) in die Reaktionskammer (36 bzw. 76) geleitet werden und die dort entstehende Reaktionswärme auf einen dritten Wärmetauscher (44 bzw. 78) übertragen wird.

3. Nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 arbeitender Gebläsebrenner, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Gebläsebrenner besteht aus zwei Teilbrennern (10, 12 bzw. 50, 52), die je eine eigene Vormischkammer (18, 20 bzw. 56, 58) und eine eigene Brennkammer (26, 28 bzw. 64, 66) haben,
b) die Steuerung der Brennstoff- und Verbrennungsluftzufuhr zu den beiden Vormischkammern (18, 20 bzw. 56, 58) ist so ausgelegt, daß sich in der einen Vormischkammer (18 bzw. 56) ein unterstöchiome trisches und in der anderen Vormischkammer (20 bzw. 58) ein über stöchiometrisches Brennstoff-Verbrennungsluftgemisch ergibt,
c) die beiden Brennkammern (26, 28 bzw. 64, 66) münden in eine gemeinsame Reaktionskammer (36 bzw. 76) ein und an jeder Einmündung ist ein Wärmetauscher (38, 40 bzw. 72, 74) zur Teilkühlung der Verbrennungsgase vorgesehen,
d) am Ausgang der Reaktionskammer (36 bzw. 76) ist ein weiterer Wärmetauscher (44 bzw. 78) zur Gesamtnutzung der Verbrennungswärme vorgesehen.

4. Gebläsebrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Teilbrennern (10, 12) ein eigenes Verbrennungsluftgebläse (14, 16) zugeordnet ist.

5. Gebläsebrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Teilbrennern (50, 52) ein gemeinsames Verbrennungsluftgebläse (54) zugeordnet ist.

6. Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die drei Wärmetauscher (38, 40, 44 bzw. 72, 74, 78) gemeinsam von einem wärmeübertragenden Medium durchströmt sind.