DE69809502T2

DE69809502T2 - Brenner für flüssigen und gasförmigen Brennstoff mit niedriger Stickoxidemission

Info

Publication number: DE69809502T2
Application number: DE1998609502
Authority: DE
Inventors: Frederic Bury; Jean Claude Gauthier; Jean Claude Pillard
Original assignee: Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA
Current assignee: Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2018-07-11
Also published as: FR2766557A1; DE69809502D1; EP0893651B1; EP0893651A1; FR2766557B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brenner für flüssigen und gasförmigen Brennstoff mit geringer Stickstoffoxid-Emission.
Die Hauptanwendung der Erfindung liegt in ihrer Verwendung für einen Brenner für sowohl flüssigen als auch gasförmigen Brennstoff, wobei die Bildung von Stickstoffoxiden für beide Brennstoffe verringert wird, der dazu bestimmt ist, in der Wand eines Raums montiert zu sein, zum Beispiel der Brennkammer oder Feuerung eines Ofens oder Heizkessels.
Verschiedene Arten von Brennern sind bekannt, bei denen die Anordnung der verschiedenen Zuleitungs- und Einspritzkreisläufe so konzipiert sind, dass die Bildung der Stickstoffoxide NO, NO&sub2; so weit wie möglich verringert wird, die jedoch in der Regel so konzipiert sind, dass im Wesentlichen nur ein einziger Grundbrennstoff verbrannt werden kann, entweder ein flüssiger oder ein gasförmiger Brennstoff.
Hierfür können beispielsweise die Patentanmeldungen des Anmelders angeführt werden, zum Beispiel für einen Brenner für gasförmigen Brennstoff die Patentanmeldung FR 2718222, veröffentlicht am 6. Oktober 1995 unter dem Titel "Weiterbildungen von Brennern für gasförmigen Brennstoff mit sehr geringer Stickstoffoxid-Emission". In der Einleitung zu dieser Patentanmeldung wird wie bei der vorliegenden Erfindung darauf hingewiesen, dass Stickstoffoxide aus zwei verschiedenen Gründen entstehen, zum einen aufgrund der Oxidation des Stickstoffs der Verbrennungsluft selbst - bezeichnet als thermisches Stickstoffoxid -, das im Wesentlichen mit gasförmigen Brennstoffen entsteht, und zum anderen durch die Oxidation der im Brennstoff während der Pyrolyse in der Flamme vorhandenen Stickstoffverbindungen - bezeichnet auch als Brennstoff-Stickstoffoxid -, das im Wesentlichen flüssige Brennstoffe betrifft. Bei der vorstehend genannten Patentanmeldung, die auf gasförmige Brennstoffe Anwendung findet, wurde hauptsächlich versucht, die Bildung des thermischen Stickstoffoxids zu verringern, einerseits durch Reduzierung der Flammentemperatur durch Stufenverbrennung mit Hilfe von getrennter Brennstoffzuführung und andererseits durch Reduzierung des Sauerstoffgehalts der Flamme, indem die erzeugten Rauchgase durch eine spezielle Anordnung der Einspritzöffnungen in der Feuerung mit der Verbrennungsluft rekombiniert und rezirkuliert werden.
In dem Dokument EP-A-229 231 ist ein Brenner für flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff beschrieben, der eine zentrale Luftzuleitung aufweist, die die Heizöl- und Gas-Lanze umgibt, ein bewegliches Flügelrad auf der Heizöl-Lanze, mehrere Leitungen für Sekundärluft, die außerhalb der zentralen Luftzuleitung angeordnet sind, sowie ein Rohr zur Rezirkulation der außerhalb der Sekundärluftzuleitungen angesaugten Rauchgase.
In anderen Patentanmeldungen, wie dem Dokument EP 774620 mit dem Titel "Brenner für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff mit sehr geringer Stickstoffoxid-Emission", beruht die Hauptaufgabe auf der Reduzierung des Brennstoff-Stickstoffoxids, insbesondere bei einer Verwendung mit flüssigem Brennstoff, wobei einerseits Vorrichtungen verwendet werden, um die Luft stufenweise zuzuführen, und andererseits das Einspritzen des Brennstoffs in mehrere unabhängige, divergierende Flammen aufgeteilt wird, damit diese nach einer ersten Brennphase einen zusätzlichen Luftstrom durch die stufenweise angeordnete Luftzuführung erhalten. Bei dieser Patentanmeldung ist zwar erwähnt, dass auch Leitungen für gasförmigen Brennstoff hinzugefügt werden können, der Brenner weist jedoch keine spezielle Vorrichtung zur Reduzierung des thermischen Stickstoffoxids auf, wodurch eine derartige Vorrichtung bei gemischter Nutzung weniger wirksam wird.
Das hierbei auftretende Problem beruht nämlich darauf, einen Brenner herzustellen, der tatsächlich gemischt genutzt werden kann, d. h. sowohl mit flüssigem als auch mit gasförmigem Brennstoff, der getrennt oder gleichzeitig verwendet werden kann, und bei dem die Bildung sowohl des thermischen Stickstoffoxids bei gasförmigem Brennstoff als auch des Brennstoff-Stickoxids bei flüssigem Brennstoff äußerst gering ist und der Leistungen erbringt, die bis heute mit keiner bekannten Vorrichtung erzielt werden.
Das Problem wird durch einen Brenner für flüssigen und gasförmigen Brennstoff gelöst, mit einer Leitung und mittige Öffnung zur Zufuhr von Primärluft, Mitteln zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in eine Feuerung, die innerhalb der mittigen Öffnung in deren Achse angeordnet sind, einem Flammenstabilisator, der innerhalb der mittigen Öffnung koaxial angeordnet ist, wenigstens einer Öffnung zur Zufuhr von Sekundärluft, die außerhalb der Mittel zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff und der mittigen Primärluftöffnung angeordnet ist, und Mitteln zum Einspritzen von gasförmigem Brennstoff, die zwischen den Mitteln zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff und der mindestens einen Öffnung zur Zufuhr von Sekundärluft ringförmig angeordnet sind; erfindungsgemäß umfasst der Brenner ein System zur Rezirkulation der Rauchgase der Feuerung durch Ansaugen der Rauchgase außerhalb der mindestens einen Öffnung zur Zufuhr von Sekundärluft und zur Rückführung der Rauchgase in die Feuerung in Höhe der Mittel zum Einspritzen des gasförmigen Brennstoffs.
Es ist festzustellen, dass eine derartige Lösung einen Teil der in der Patentanmeldung EP 774620 beschriebenen und daraus bekannten Elemente aufgreift, welche als Stand der Technik angesehen werden kann, und in der ein im Übrigen bereits aus der Patentanmeldung FR 2718222 bekannter Kreislauf zur Rezirkulation der Rauchgase der Feuerung jedoch in einer speziellen Anordnung kombiniert ist, die es erlaubt, einen wirklich gemischt nutzbaren Brenner zu erhalten, wogegen die bisherigen, die Rauchgasrezirkulation verwendenden Vorrichtungen nur für Brenner für gasförmigen Brennstoff vorgesehen waren. Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ist insbesondere festzustellen, dass das Ansaugen der Rauchgase außerhalb sämtlicher Leitungen zur Brennstoffeinspritzung und zur Luftzuführung erfolgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart umfasst der Kreislauf zur Rezirkulation der Rauchgase der Feuerung entsprechend der vorliegenden Erfindung zudem wenigstens eine gemeinsame Wand zum Wärmeaustausch mit dem Kreislauf zur Zuführung und Verteilung von Sekundärluft, was das Abkühlen derartiger Rauchgase vor ihrer Rückführung in die Feuerung erlaubt und folglich die Leistungen des Brenners verbessert.
Das Ergebnis ist ein neuer für flüssigen und gasförmigen Brennstoff, und nicht nur für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff gemischt nutzbarer Brenner, der Merkmale hinsichtlich der Reduzierung sowohl des thermischen Stickstoffoxids als auch des Brennstoff- Stickstoffoxids aufweist, wobei auf diese Weise die Wirkungen sämtlicher vorstehend genannter Patentanmeldungen kombiniert werden und darüber hinaus eine zusätzliche Wirkung geboten wird, da ein derartiger Brenner nicht nur mit einem der gasförmigen oder flüssigen Brennstoffe betrieben werden kann, sondern gleichzeitig mit beiden, und hierbei auch noch die Bildung von Stickstoffen durch beide Brennstoffquellen verringert wird. Derartige Brenner sind auch nur mit einer der beiden Brennstoffquellen zu betreiben, wobei diesem die Anordnungen der Zuleitungen zugute kommen, die ursprünglich für die andere Brennstoffquelle vorgesehen sind, die sich jedoch auch für die andere nur günstig auswirken können. Wird der Brenner nur mit gasförmigem Brennstoff genutzt, wird die Leistung insbesondere dadurch verbessert, dass die Luftzuleitung zusätzlich zur Gaszuleitung stufenweise erfolgt ist. Neben der Bildung des thermischen Stickstoffoxids wird nämlich auch die Bildung des Brennstoff-Stickstoffoxids reduziert, dessen Bildung im Übrigen durch die Rezirkulation der Rauchgase und das stufenweise angeordnete Einspritzen des Brennstoffs selbst verringert wird.
Es könnten noch weitere Vorzüge der vorliegenden Erfindung angeführt werden, die vorstehend genannten belegen jedoch bereits in ausreichender Weise die Neuheit und das Interesse, das dieser Erfindung zuteil wird.
Die nachfolgende Beschreibung und die Figuren stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, haben jedoch keinerlei einschränkenden Charakter. Weitere Ausführungen sind im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich, insbesondere bei Verwendung von unterschiedlichen Anlagen zur Zuführung von Primärluft sowie gasförmigem Brennstoff usw.
Fig. 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht entlang der Linie II' aus Fig. 2 durch die Längsachse XX' des erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht des Brenners aus Fig. 1 von der Innenseite der Feuerung aus betrachtet.
Ein derartiger Brenner umfasst in bekannter Weise, wie in der Patentanmeldung EP 774620 beschrieben, eine Leitung mit mittiger Öffnung zur Zuführung 4 von Primärluft, Mittel zum Einspritzen 8 von flüssigem Brennstoff in die Feuerung 2, die innerhalb der mittigen Öffnung 4 in deren Achse angeordnet sind, einen in der mittigen Öffnung 4 koaxial angeordneten Flammenstabilisator 5 und wenigstens eine Öffnung 13 zur Zuführung von Sekundärluft, die außerhalb der Mittel zum Einspritzen 8 von flüssigem Brennstoff und der mittigen Primärluftöffnung 4 angeordnet ist. Ferner sind zwischen den Mitteln zum Einspritzen 8 von flüssigem Brennstoff und der mindestens einen Öffnung 13 zur Zuführung von Sekundärluft Mittel zum Einspritzen 7 von gasförmigem Brennstoff ringförmig angeordnet, die in diesem Fall jedoch nicht optional sondern erforderlich sind.
Die Öffnung 13 zur Zuführung von Sekundärluft kann von einem einzigen ringförmigen Durchlass oder mehreren Zuleitungen gebildet sein, die außerhalb der Mittei zum Einspritzen 7, 8 von gasförmigem bzw. flüssigem Brennstoff ebenfalls mit gleichem Durchmesser ringförmig angeordnet sind.
Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, weist der erfindungsgemäße Brenner für flüssigen und gasförmigen Brennstoff einen Ring 31 aus feuerfestem Material auf, der sämtliche Öffnungen zur Luftzuführung, zur Brennstoffeinspritzung und zur Rauchgas-Rezirkulation umfasst; dieser Ring ist in einer feuerfesten Wand 1 der Feuerung 2 in der Weise montiert, dass seine Vorderseite, in der die Öffnungen münden, bezüglich dieser Wand übersteht.
Gemäß der beigefügten Figuren erfolgt die Zuführung von Sekundärluft durch Mehrfachöffnungen 13, die zwischen den Öffnungen 14 zur Ansaugung der Rauchgase in der Feuerung 2 peripher versetzt angeordnet sind; diese Ansaugöffnungen 14 können ebenfalls durch einen einzigen ringförmigen peripheren Durchlass ersetzt werden, durch die Anordnung von versetzt angeordneten Mehrfachöffnungen wird jedoch vermieden, dass in den Öffnungen zum Ansaugen der Rauchgase erneut Sekundärluft angesaugt wird und umgekehrt, dass durch die Sekundärluftzuführung das Ansaugen der Rauchgase verhindert wird, damit diese in den Brennerkopf rezirkulieren können.
Erfindungsgemäß erfolgt jedoch im Inneren des Brenners zwischen den beiden Fluiden ein Wärmeaustausch insbesondere durch wenigstens eine gemeinsame Wand 10&sub1;; diese trennt
- einerseits eine Kammer 10 zur Verteilung der rezirkulierten Rauchgase, deren Zuführung auf einer Seite durch die Öffnungen zum Ansaugen 11 der Rauchgase in der Feuerung 2 erfolgt und die diese nach Abkühlung wieder in die Leitungen 9 zur Rauchgasrückführung in die Feuerung zurückführt, in die auch die Mittel zum Einspritzen 7 von gasförmigem Brennstoff münden,
- andererseits eine Kammer zur Verteilung 14 der Sekundärluft, deren Zuführung auf der einen Seite durch eine Zuleitung 12 erfolgt und die auf der anderen Seite nach Erwärmen der Sekundärluft durch die vorstehend beschriebenen Öffnungen 13 der Feuerung zugeführt werden.
Die Mittel zum Einspritzen 7 von gasförmigem Brennstoff und die Mittel zur Rückführung der Rauchgase, die vorzugsweise koaxial ausgerichtet sind und eine gemeinsame Öffnung 9 haben, sind in einem Ring peripher um den Flammenstabilisator 5 des flüssigen Brennstoffs angeordnet.
Um beim Lufteintritt bezüglich der Flamme des flüssigen Brennstoffs eine Abstufung zu erzeugen, münden sämtliche Öffnungen zum Einspritzen des flüssigen sowie des gasförmigen Brennstoffs und zur Zuführung von Primärluft in den Boden einer Wanne 6; diese ist bezüglich der feuerfesten Wand 3 vertieft angeordnet, von der diese umgegeben ist und in die die Öffnungen 13 zur Zuführung von Sekundärluft münden und durch die auch die Rauchgase der Feuerung 2 angesaugt werden. Die Wanne kann unterschiedliche Formen aufweisen, sie kann beispielsweise kegelstumpfförmig sein, wie in Fig. 1 im Schnitt dargestellt, oder auch eine Form, wie in der Patentanmeldung EP 774620 beschrieben, haben.
Die Mittel zum Einspritzen 7 des gasförmigen Brennstoffs können einerseits separate Zuführungsleitungen sein, die, wie in Fig. 1 dargestellt, ringförmig um die Mittel zum Einspritzen 8 des flüssigen Brennstoffs angeordnet sind. Die Einspritzleitungen 7 können in der Leitung 4 zur Primärluftzuführung angeordnet oder durch Düsen ersetzt sein, die auf einem einzigen Ring montiert sind, der ebenfalls ringförmig peripher um die Mittei zum Einspritzen 8 des flüssigen Brennstoffs angeordnet ist, und durch eine einzige Zuführungsleitung 7 gespeist werden.
Die Mittel zum Einspritzen 8 des flüssigen Brennstoffs können Mehrfachöffnungen aufweisen, die auf diese Weise mehrere unabhängige Flammen in der Feuerung 2 erzeugen, die entweder parallel zur Achse XX' des Brenners ausgerichtet sein können oder divergieren und in Richtung der Öffnungen 13 zur Sekundärluftzuführung ausgerichtet sein können, um das Verbrennen des flüssigen Brennstoffs nach einer ersten Brennphase mit der Primärluft zu verbessern. Eine derartige Flammendivergenz ist für den gasförmigen Brennstoff nicht so sehr erforderlich.
Weitere Verbesserungen und zusätzliche Vorrichtungen könnten bei einem derartigen erfindungsgemäßen Brenner hinzugefügt werden, indem Merkmale verwendet werden, die bereits in den vorstehend genannten Patentanmeldungen des Anmelders beschrieben sind, wie zum Beispiel in der eingangs zitierten Anmeldung. Da derartige zusätzliche Merkmale bereits in diesen Patentanmeldungen beschrieben sind, ist es nicht erforderlich, diese in der vorliegenden Beschreibung erneut aufzugreifen; sie sind jedoch in keinem Fall als patentierbare Weiterbildungen anzusehen, da derartige Verbesserungen von jedem Fachmann, dem der gesamte Stand der Technik bekannt ist, vorgenommen werden könnten, ohne hierbei den Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung zu verlassen und ohne einen Nachweis für eine erfinderische Leistung zu erbringen.

Claims

1. Brenner für flüssigen und gasförmigen Brennstoff mit einer Leitung und zentraler Öffnung (4) zur Zufuhr von Primärluft, Mitteln zum Einspritzen (8) von flüssigem Brennstoff in eine Feuerung (2), die innerhalb der zentralen Öffnung (4) in deren Achse angeordnet sind, einem Flammenstabilisator (5), der innerhalb der zentralen Öffnung (4) koaxial angeordnet ist, wenigstens einer Öffnung (13) zur Zufuhr von Sekundärluft, die außerhalb der Mittel zum Einspritzen (8) von flüssigem Brennstoff und der zentralen Primärluftöffnung (4) angeordnet ist, und Mitteln zum Einspritzen (7) von gasförmigem Brennstoff, die zwischen den Mitteln zum Einspritzen (8) von flüssigem Brennstoff und der mindestens einen Öffnung (13) zur Zufuhr von Sekundärluft ringförmig angeordnet sind, wobei der Brenner ein System zur Rezirkulation (9, 10, 11) der Rauchgase der Feuerung (2) durch Ansaugen der Rauchgase außerhalb der mindestens einen Öffnung zur Zufuhr von Sekundärluft (13) umfasst, gekennzeichnet durch die Rückführung der Rauchgase in die Feuerung über Öffnungen (9) des Rezirkulationssystems, in die die Mittel zum Einspritzen (7) des gasförmigen Brennstoffs münden.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (9) zur Rauchgas-Rezirkulation in einem peripheren Ring um den Flammenstabilisator (5) angeordnet sind.

3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Öffnungen zum Einspritzen der flüssigen und gasförmigen Brennstoffe und zur Zufuhr von Primärluft in den Boden eines in Bezug auf die feuerfeste Wand (3) vertieft angeordneten Hohlraums münden, von der dieser umgeben ist und in die die Öffnungen (13) zur Zufuhr von Sekundärluft münden, über die die Rauchgase der Feuerung (2) angesaugt werden.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einspritzen (8) von flüssigem Brennstoff zahlreiche Öffnungen aufweisen, die in der Feuerung (2) mehrere voneinander unabhängige Flammen erzeugen.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander unabhängigen Flammen divergent und in Richtung auf die Öffnungen zur Zufuhr (13) von Sekundärluft ausgerichtet sind.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einspritzen (7) des gasförmigen Brennstoffs separate Zufuhrleitungen aufweisen, die ringförmig um die Mittel zum Einspritzen (8) des flüssigen Brennstoffs angeordnet sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgas-Rezirkulationskreis der Feuerung (2) wenigstens eine gemeinsame Wand (10&sub1;) zum Wärmeaustausch mit dem Kreis zur Zufuhr und Verteilung (4) von Sekundärluft aufweist.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (13) zur Zufuhr von Sekundärluft zwischen den Öffnungen (14) zur Ansaugung der Rauchgase in der Feuerung (2) peripher versetzt angeordnet sind.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Ring (3&sub1;) aus feuerfestem Material umfasst, der sämtliche Öffnungen zur Luftzufuhr, zur Brennstoffeinspritzung und zur Rauchgas- Rezirkulation aufweist, wobei der Ring (3&sub1;) in der feuerfesten Wand der Feuerung (2) in der Weise montiert ist, dass seine Vorderseite in Bezug auf diese Wand übersteht.