EP0391858A1 - Vorrichtung zur Rauchgasrückführung bei Oel- und Gasbrennern - Google Patents

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EP0391858A1
EP0391858A1 EP90810274A EP90810274A EP0391858A1 EP 0391858 A1 EP0391858 A1 EP 0391858A1 EP 90810274 A EP90810274 A EP 90810274A EP 90810274 A EP90810274 A EP 90810274A EP 0391858 A1 EP0391858 A1 EP 0391858A1
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    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/08—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a related device.
  • nitrogen oxides NO x contribute to the formation of acid rain and ozone.
  • nitrogen monoxide NO is primarily responsible for the formation of ozone.
  • the emission of nitrogen oxides correlates directly with the level of the flame temperature.
  • the air components nitrogen and oxygen combine according to the so-called Zeldovich mechanism at temperatures above 1200 ° C to NO x .
  • exhaust gas recirculation is used to reduce pollutants.
  • the fuel is injected into the flame space through a central opening of a disk-shaped stabilizer which also acts as a baffle plate and is also referred to as a baffle plate.
  • Combustion air is supplied through a combustion air pipe around the fuel supply in front of the stabilizer. This passes into a flame tube in the area of the stabilizer.
  • the flue gas is added from the fuel supply behind the stabilizer with an adapter that encloses the combustion air supply in the form of a sleeve.
  • the flame space is often divided into complicated chambered combustion zones provided with microprocessor-controlled flap mechanisms.
  • the existing burners must be installed when installing exhaust gas recirculation be replaced by complicated, more expensive burners. In this way, not only retrofitting, but also maintenance is complicated and costly.
  • the slidable adapter tube in connection with the inlet openings in the flame tube enables the flue gas flows in and around the flame tube to be changed in the simplest way.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a burner for solid, liquid and gaseous fuels with an exhaust gas recirculation system according to the invention.
  • Fuel is passed through a fuel pipe 1 via a fuel nozzle 1a injected into the flame space 6 and thus generates a flame F.
  • a mostly circular disk is arranged on the fuel nozzle 1 a by means of flanges 4 a, which acts as a stabilizer for the flame and is referred to below as stabilizer 4.
  • the combustion air tube 2 merges into the flame tube 3, which has a conically shaped shoulder 3a in front of the stabilizer 4.
  • the exhaust gases are discharged through an exhaust pipe 7 into a chimney, not shown in the figure.
  • An exhaust gas recirculation duct 8 leads from the exhaust pipe 7 into an adapter housing 10.
  • An exhaust gas blower 9 is provided in the exhaust gas recirculation duct 8 for better recirculation of the exhaust gas. Furthermore, the exhaust gas flow can be regulated with a valve 16. From the adapter housing 10 leads an adapter tube part 12a which surrounds the combustion air tube 2 and which, via a conically increasing adapter tube shoulder 11, transfers into an adapter tube part 12b which is provided with a larger diameter and surrounds the flame tube 3.
  • the adapter tube 12a, 12b is mounted so as to be longitudinally displaceable in the adapter housing 10 and at the entry point into the flame space 6.
  • the shoulder 3a of the flame tube 3 is provided with openings 3b arranged in a ring, the function of which is explained below.
  • the openings could also optionally be provided in the combustion air tube 2 in the area of the adapter housing 10 or adapter tube part 12a.
  • the shoulders can also be arranged in the adapter tube 12a, 12b and in the flame tube (3,3a) or in the combustion air tube 2 in front of the stabilizer or, if no stabilizer is used, in front of the mouth of the fuel nozzle 1a.
  • the fuel is injected into the flame chamber 6 through the fuel pipe 1.
  • combustion air can flow into the flame chamber 6 through the combustion air pipe 2, which surrounds the fuel pipe.
  • the exhaust gases resulting from the combustion process are discharged into the chimney via the exhaust pipe 7.
  • a part of the exhaust gases - usually about 20% at full load - are conducted into the adapter housing 10 via the exhaust gas recirculation channel 8.
  • the return of the exhaust gases is supported by the exhaust fan 9.
  • Part of the exhaust gases 15 flows through the annular space formed between the flame tube 3 and adapter tube 12a, 12b and the other part passes through the openings 3b of the shoulder 3a of the flame tube 3.
  • the openings are in arranged in such a way that the exhaust gas component flowing in here passes around the stabilizer 4 into the flame chamber 6.
  • the ratio of the exhaust gas component 14 flowing into the flame tube 3 to the exhaust gas component 15 flowing around the flame tube 3 must be varied in order to achieve an optimal result.
  • movable or rotatable (e.g. ring-shaped) regulating diaphragms can also be provided, if necessary as additional regulating devices, with which the opening 3b of the flame tube shoulder 3a can be changed.
  • an activator In such an activator, a small part of the combustion air is passed through an aqueous electrolyte solution in the form of an aerosol to the combustion air and / or exhaust gases with a metering pump.
  • the electrolyte solution contains alkali and / or alkaline earth metal salts and optionally 2 to 12%, preferably about 5%, methyl alcohol.
  • the air or exhaust gas activated in this way is mixed with aerosol particles which evaporate in the flame space and dissociate into ions.
  • the ions are involved in the oxidation process, accelerate the ignition and significantly reduce the formation of soot, CO and other pollutants. At this point it should be pointed out that such an activator contains no heavy metals.
  • a recirculation ring 13 can be attached to the stabilizer 4 in front of the fuel nozzle 1a, as shown in FIG. This can be fastened to the stabilizer 4 by means of a holder 13a and has a diameter which is smaller than half the diameter of the stabilizer 4.

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Abstract

Die Erfindung dient der Reduktion der Bildung von Stickoxiden beim Betrieb von Brennern für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe mit Hilfe einer Rauchgasrückführung. Hierbei werden die Rauchgase durch im Bereiche eines Stabilisators (4) vorgesehene Oeffnungen (3b) über ein Flammrohr und wahlweise auch um das Flammrohr (3) herum in einen Verbrennungsraum (6) eingelassen. Vorzugsweise werden sowohl die Verbrennungsluft als auch die Abgase mit einem Aktivatoraerosol aktiviert. Die Rückführung der Abgase erfolgt über ein längsverschiebliches Adapterrohr (12a, 12b) und Adapterrohrschulter (11), welches das Flammrohr (3) zumindest teilweise umschliesst. Die Regulierung der Abgasströme (14, 15) erfolgt durch eine Verschiebung des Adapterrohres (12a, 12b) und der Adapterrohrschulter (11).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Pa­tentanspruches 1 sowie eine diesbezügliche Vorrichtung.
  • Ein steigendes Umweltbewusstsein führt zu einer ständigen Verschärfung der Vorschriften hinsichtlich Schadstoffausstoss bei Oel- und Gasbrennern. Ein besonderes Augenmerk richtet sich auf die Abgabe von Stickoxiden NOx. Diese tragen u.a. zur Bildung von saurem Regen und Ozon bei. Für die Entstehung von Ozon ist beispielsweise in erster Linie Stickstoffmonoxid NO verantwortlich. Der Ausstoss an Stickoxiden korreliert direkt mit der Höhe der Flammtempe­ratur. Die Luftkomponenten Stickstoff und Sauerstoff verbinden sich nach dem sog. Zeldovich-Mechanismus bei Temperaturen oberhalb von 1200°C zu NOx.
  • Aufgrund dieser Erkenntnis werden zur Schadstoffreduktion Abgasrückführun­gen eingesetzt. Hierdurch wird einerseits eine Flammkühlung bewirkt und an­dererseits durch Beimischung von inertem Abgas der Sauerstoffpartialdruck minimiert, welcher für die Bildung von NOx Voraussetzung ist.
  • Bei den handelsüblichen Brennern wird der Brennstoff durch eine zentrale Oeffnung eines als Stauelement wirkenden auch als Stauscheibe bezeichneten, scheibenförmigen Stabilisators in den Flammraum injiziert. Um die Brennstoff­zufuhr herum wird noch vor dem Stabilisator durch ein Verbrennungsluftrohr Verbrennungsluft zugeführt. Dieses geht im Bereiche des Stabilisators in ein Flammrohr über. Die Beimengung von Rauchgas erfolgt von der Brennstoffzu­fuhr aus gesehen hinter dem Stabilisator mit einem die Verbrennungsluftzufuhr manschettenförmig umschliessenden Adapter. Zur Verbesserung der Wirkung wird der Flammraum vielfach in komplizierte, mit mikroprozessorgesteuerten Klappenmechanismen versehene abgekammerte Brennzonen aufgeteilt. Infolge­dessen müssen beim Einbau von Abgasrückführungen die vorhandenen Brenner durch komplizierte, teurere Brenner ersetzt werden. Auf diese Weise wird nicht nur die Umrüstung, sondern auch deren Wartung kompliziert und kost­spielig.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren sowie eine diesbezügliche Vor­richtung zu beschreiben, mit welchen der Stickoxidausstoss bei den meisten bekannten Gas- und Oelbrennern mit einfachen Mitteln wirksam reduziert wer­den kann.
  • Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil der Patent­ansprüche 1 und 4.
  • Das verschiebbare Adapterrohr in Verbindung mit den Einlassöffnungen im Flammrohr ermöglicht die Aenderung der Rauchgasströme im und um das Flamm­rohr herum in einfachster Weise.
  • Die Ergänzung mit einem Aktivator, der keinerlei Schwermetalle enthält, erlaubt eine weitere Senkung auch der übrigen Schadstoffe.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brenners mit einem erfindungsgemässen Abgasrückführsystem;
    • Fig. 2 eine Detaildarstellung des Adapterrohres in einer extremen Position;
    • Fig. 3 einen Stabilisator mit Rezirkulationsring.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einem erfindungsgemässen Abgasrückführungs­system. Durch ein Brennstoffrohr 1 wird Brennstoff über eine Brennstoffdüse 1a in den Flammraum 6 injiziert und so eine Flamme F erzeugt. An der Brenn­stoffdüse 1a ist mittels Flanschen 4a eine zumeist kreisförmige Scheibe an­geordnet, welche als Stabilisator für die Flamme wirkt und nachstehend als Stabilisator 4 bezeichnet wird. Das Verbrennungsluftrohr 2 geht in das Flammrohr 3 über, welches vor dem Stabilisator 4 eine konisch geformte Schulter 3a aufweist. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 7 in einen in der Figur nicht dargestellten Kamin entlassen. Vom Abgasrohr 7 führt ein Abgas­rückführkanal 8 in ein Adaptergehäuse 10. Im Abgasrückführkanal 8 ist zur besseren Rückförderung des Abgases ein Abgasgebläse 9 vorgesehen. Ferner kann der Abgasstrom mit einem Ventil 16 geregelt werden. Aus dem Adapterge­häuse 10 führt ein das Verbrennungsluftrohr 2 umschliessendes Adapterrohrteil 12a, das über eine konisch ansteigende Adapterrohrschulter 11 in einen mit einem grösseren Durchmesser versehenen, das Flammrohr 3 umschliessenden Adapterrohrteil 12b überführt. Das Adapterrohr 12a,12b ist im Adaptergehäuse 10 und an der Eintrittsstelle in den Flammraum 6 längsverschieblich gelagert. Die Schulter 3a des Flammrohres 3 ist mit ringförmig angeordneten Oeffnungen 3b versehen, deren Funktion nachstehend erläutert wird. Die Oeffnungen könnten auch gegebenenfalls zusätzlich im Verbrennungsluftrohr 2 im Bereiche des Adaptergehäuses 10 oder Adapterrohrteils 12a vorgesehen sein. Auch kön­nen die Schultern im Adapterrohr 12a, 12b und im Flammrohr (3,3a) bzw. im Verbrennungsluftrohr 2 vor dem Stabilisator oder falls kein Stabilisator verwendet wird, vor der Mündung der Brennstoffdüse 1a angeordnet sein.
  • Durch das Brennstoffrohr 1 wird der Brennstoff in den Flammraum 6 injiziert. Zugleich lässt man durch das Verbrennungsluftrohr 2, welches das Brennstoff­rohr umschliesst, Verbrennungsluft in den Flammraum 6 einströmen. Die durch den Verbrennungsvorgang entstehenden Abgase werden über das Abgasrohr 7 in den Kamin abgeführt. Ein Teil der Abgase - bei Vollast in der Regel un­gefähr 20% - werden über den Abgasrückführkanal 8 in das Adaptergehäuse 10 geleitet. Die Rückförderung der Abgase wird durch das Abgasgebläse 9 unter­stützt. Ein Teil der Abgase 15 strömt durch den zwischen Flammrohr 3 und Adapterrohr 12a, 12b gebildeten Ringraum und der andere Teil gelangt durch die Oeffnungen 3b der Schulter 3a des Flammrohres 3. Die Oeffnungen sind in der Weise angeordnet, dass der hier einströmende Abgasanteil um den Stabi­lisator 4 herum in den Flammraum 6 gelangt.
  • Diese Art der Aufteilung hat verschiedene Vorteile gegenüber den herkömm­lichen Abgasrückführsystemen. Auf der einen Seite kann mit einfachen Mitteln auch im Nachhinein eine Stickoxid reduzierende Abgasrückführung eingebaut werden. Dank der Verschiebbarkeit des Adapterrohres 12a, 12b und Adapter­rohrschulter 11 können die unterschiedlichsten Brennertypen beispielsweise mit Flammenumkehr- oder Dreizugkessel mit demselben einfachen Adaptersystem nachgerüstet werden. In den meisten Fällen kann, sofern - wie im Ausfüh­rungsbeispiel geschildert - ein Brenner verwendet wird, dessen Flammrohr eine konische Schulter aufweist - als Adapterrohr 12a, 12b und Adapterrohrschulter 11 ein herkömmliches Flammrohr grösseren Kalibers verwendet werden. Dieses wird über Verbrennungsluftrohr 2 und das Flammrohr 3 gestülpt und mit einem Adaptergehäuse 10 versehen, das am Abgasrückführkanal 8 angeschlossen ist, und ermöglicht auf diese Weise eine besonders kostengünstige Nachrüstung.
  • Je nach Brenner muss das Verhältnis des in das Flammrohr 3 einströmenden Abgasanteils 14 zum um das Flammrohr 3 strömenden Abgasanteil 15 variiert werden, um ein optimales Resultat zu erzielen. Infolgedessen ist es vorteilhaft, das Adapterrohr längsverschieblich zu lagern, so dass der Spalt zwischen den Schultern 3a und 11 variiert werden kann. Falls dieser, wie in der Figur 2 veranschaulicht, ganz geschlossen ist, gelangt kein Rauchgas mehr in den ringförmigen Raum zwischen Flammrohr 3 und Adapterrohr 12a, 12b, sondern ausschliesslich um den Stabilisator 4.
  • In einer Ausführungsvariante können auch - gegebenenfalls als zusätzliche Regeleinrichtungen - verschiebbare oder drehbare (z.B. ringförmige) Regel­blenden vorgesehen werden, mit denen die Llchtung der Oeffnungen 3b der Flammrohrschulter 3a verändert werden kann.
  • Da mit dem geschilderten Abgasrückführsystem die Verbrennung verzögert und die Flammtemperatur gesenkt wird, hat dies einen erhöhten Ausstoss an Russ und Kohenmonoxid zur Folge. Deshalb empfiehlt es sich in den meisten Fällen zusätzlich einen Aktivator vorzusehen. Bei einem solchen Aktivator wird mit einer Dosierpumpe ein geringer Teil der Verbrennungsluft durch eine wässrige Elektrolytlösung geführt in Form eines Aerosols der Verbrennungsluft und/oder Abgase zugeleitet. Die Elektrolytlösung enthält Alkali und/oder Erdalkalisalze und gegebenenfalls 2 bis 12%, vorzugsweise etwa 5%, Methylalkohol. Die auf diese Weise aktivierte Luft bzw. das aktivierte Abgas ist mit Aerosolpartikeln versetzt, die im Flammraum verdampfen und zu Ionen dissoziieren. Die Ionen sind am Oxidationsvorgang beteiligt, beschleunigen die Zündung und mindern deutlich die Bildung von Russ, CO und anderen Schadstoffen. An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dass ein solcher Aktivator keine Schwermetalle enthält.
  • Es hat sich als ausserordentlich vorteilhaft erwiesen, auch das rückgeführte Abgas in der genannten Weise zu aktivieren. Aus diesem Grunde ist es wich­tig, dass ein möglichst homogenes Gemisch von Verbrennungsluft, Abgas und Aktivatorpartikeln erzielt wird. Um die Homogenisierung des Gemisches noch zu fördern, kann gemäss Figur 3 vor der Brennstoffdüse 1a am Stabilisator 4 ein Rezirkulationsring 13 befestigt werden. Dieser kann mittels Halterung 13a am Stabilisator 4 befestigt werden und weist einen Durchmesser auf, der kleiner als der halbe Durchmesser des Stabilisators 4 ist.
  • Bei der Kombination mit dem Aktivator ist es im Gegensatz zu den herkömm­lichen Verfahren möglich, auch Grossanlagen bei Vollast laufen zu lassen, und dadurch den Schadstoffausstoss in vertretbaren Grenzen zu halten.

Claims (10)

  1. 01. Verfahren zur Reduktion der Bildung von Stickoxiden beim Betrieb von Bren­nern für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe, bei welchen Brennern der Brennstoff durch ein Brennstoffrohr in einen Flammraum eingestrahlt wird, wobei die Verbrennungsluft um das Brennstoffrohr und um eine an dessen En­de vorgesehene Brennstoffdüse über ein Verbrennungsluftrohr, welches im Be­reiche der Brennstoffdüse in ein Flammrohr übergeht, in den Flammraum ge­langt, und bei welchem Verfahren die Abgase durch ein Abgasrohr in den Ka­min geleitet werden, wobei ein Teil der Abgase in einen Adapter und von die­sem in den Flammraum geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase zumindest teilweise durch im Verbrennungsluftrohr (2) und/oder im Flammrohr (3,3a) vorgesehene Oeffnungen (3b) in den Flammraum (6) geleitet werden.
  2. 02. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil der Abgase um das Flammrohr (3) herum in den Flammraum (6) geleitet wird.
  3. 03. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft und/oder die rückgeführten Abgase mit einem wässrigen Aerosol, welches Alkali und/oder Erdalkalisalze und gegebenenfalls 2 bis 12%, vorzugsweise etwa 5%, Methylalkohol enthält, aktiviert werden.
  4. 04. Vorrichtung zur Rückführung von Rauchgasen bei Brennern für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einem Brenner, der eine mit einer Brennstoff­düse versehene Brennstoffzufuhr, ein Verbrennungsluftrohr und ein Flammrohr aufweist, mit einem Flammraum, an den ein Abgasrohr angeschlossen ist, und mit einem mit dem Abgasrohr verbundenen und in einen Adapter mündenden Rauchgasrückführkanal, dadurch gekennzeichnet, dass Adaptergehäuse (10), Adapterrohr (12a, 12b) und Adapterrohrschulter (11) das Flammrohr (3) we­nigstens teilweise umschliessen, und dass das Verbrennungsluftrohr (2) und/­oder das Flammrohr (3) mit Oeffnungen (3b) versehen ist, durch welche die Abgase in das Flammrohr (3) einlassbar sind.
  5. 05. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter ein das Flammrohr (3) umschliessendes und in den Flammraum (6) führendes Adap­terrohr (12a, 12b) aufweist, so dass ein in den Flammraum (6) überführender Ringraum gebildet wird, durch den ein Teil der rückgeführten Abgase in den Flammraum (6) einspeisbar ist.
  6. 06. Vorrichtung nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterrohr (12a, 12b) ein Flammrohr mit weiterer Llchtung als das Flammrohr (3) des Brenners ist.
  7. 07. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsluftrohr (2) und /oder das Flammrohr (3) und das Adapterrohr (12a, 12b) und Adapterrohrschulter (11) hinter dem und/oder im Bereiche der Oeffnungen je mit einer Schulter (3a bzw. 11) versehen sind, derart dass zwischen den beiden Schultern (3a bzw. 11) ein Spalt gebildet werden kann, und dass das Adapterrohr (12a, 12b) längsverschieblich gelagert ist, so dass die Spaltbreite und somit das Verhältnis der Anteile der Abgase, die in den zwischen Flammrohr (3) und Adapterrohr (12a, 12b) gebildeten Rlngraum und der Anteile der Abgase, die in die Oeffnungen (3b) des Flammrohres (3) einlassbar sind, durch Verschieben des Adapterrohres (12a,12b) in Längsrich­tung veränderbar ist.
  8. 08. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn­zeichnet, dass im Bereiche der Brennstoffdüse (1a) ein Stabilisator (4) und hinter diesem ein Rezirkulationsring (13) vorgesehen ist.
  9. 09. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Durchmesser des Rezirkulationsringes (3) kleiner als die Hälfte des Durchmessers des Stabilisators (4) ist.
  10. 10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Brenner zwecks Aktivierung der Verbrennungsluft und / oder rückgeführten Abgase mit einer Vorrichtung verbunden ist, die ein wässriges Aerosol erzeugt, welches Alkali und /oder Erdalkalisalze und ge­gebenenfalls 2 bis 12%, vorzugsweise etwa 5%, Methylalkohol enthält.
EP90810274A 1989-04-07 1990-04-05 Vorrichtung zur Rauchgasrückführung bei Oel- und Gasbrennern Expired - Lifetime EP0391858B1 (de)

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