EP0690263A2 - Verfahren zum Betrieb einer Feuerungsanlage - Google Patents

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EP0690263A2
EP0690263A2 EP95810376A EP95810376A EP0690263A2 EP 0690263 A2 EP0690263 A2 EP 0690263A2 EP 95810376 A EP95810376 A EP 95810376A EP 95810376 A EP95810376 A EP 95810376A EP 0690263 A2 EP0690263 A2 EP 0690263A2
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EP
European Patent Office
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combustion
combustion stage
stage
fuel
burner
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EP95810376A
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English (en)
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EP0690263B1 (de
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Peter Dr. Jansohn
Tino-Martin Marling
Thomas Dr. Sattelmayer
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General Electric Switzerland GmbH
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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    • F23C2900/09002—Specific devices inducing or forcing flue gas recirculation

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1. It also relates to a furnace for carrying out the method.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention is based on the object of minimizing the pollutant emissions, in particular as far as the NOx emissions are concerned, in a method and a furnace of the type mentioned both when using a liquid fuel, a gaseous fuel, and in a mixed operation with the fuels mentioned.
  • the underlying idea of the invention differs from the classic principles in that the grading is carried out exclusively in the excess air area by double addition of fuel and with recirculated flue gas.
  • the combustion air is fed to an aerodynamically stabilized premix burner via a heat exchanger.
  • the combustion air can be preheated to approx. 400 ° C, which leads to very good pre-evaporation when burning oil.
  • the combustion air ratio in this so-called lean stage is approx. 2.1, corresponding to approx. 11% residual oxygen, which means that at flame temperatures of approx. 1300 ° C the NOx emissions, in the atmospheric case, are below 1 vppm.
  • a further fuel / flue gas mixture is preferably injected axially offset there via an annular chamber until a residual oxygen content of approximately 3% is reached in the exhaust gas.
  • the injected mixture is ignited by the hot flue gases from the first stage.
  • the complete burnout then takes place in the combustion chamber at a temperature of approx. 1400 ° C.
  • the main advantage of the invention can be seen in the fact that the arrangement of the injection openings of the fuel / flue gas mixture control a time offset of the ignition in the combustion chamber and thus influence the oxygen content during the burnout, in such a way that, with optimal trimming of the system, the expected NOx -Emissions, when burned out completely, are between 5-8 vppm. According to current knowledge, this value marks the theoretical one lower limit for the near-stoichiometric combustion of fossil fuels.
  • combustion air of the first stage can be supplied with calorically conditioned flue gas, on the one hand to influence the preheating temperature and on the other hand to be able to further reduce the residual oxygen content after the second stage if necessary.
  • Fig. 1 shows a boiler system, which is divided into a lean stage 1 and a near-stoichiometric stage 2.
  • the lean stage 1 essentially consists of a premix burner 100 with a downstream combustion chamber 122, in which a flame temperature of approximately 1300 ° C. prevails.
  • the premix burner 100 is operated with a liquid 112 and / or gaseous fuel 113.
  • the combustion air 115 for the premix burner 100 is a mixture 6 which is composed of fresh air 3 and of recirculated, calorically conditioned flue gas 4.
  • the degree of mixing is maintained on the air side by a controllable throttle valve 7, this air 3 being unconditioned, that is to say at ambient temperature.
  • the flue gas 4 comes from a flue gas distributor 8, which comes from the flue gases 9 from the near-stoichiometric stage 2. These flue gases 9 occur at a temperature of approximately 300 ° C. and are cooled to approximately 260 ° C. in the flue gas distributor 8 mentioned by a heat exchange system 10. These cooled flue gases 4 and the fresh air 3 are mixed upstream of the premix burner 100 and compressed in a compressor 11 acting there, the temperature of this compressed air / flue gas mixture being approximately 260 ° C.
  • This mixture 6 is then further calorically processed by a further heat exchange induced by the wall of the combustion chamber 122, which is symbolized by the arrow 16, in such a way that the combustion air 115 for the premix burner 100 flows in there at approximately 400 ° C.
  • the slightly cooled hot gases from the lean stage 1, which is operated with combustion air 115 at approx. 11% O2 flow into this annular chamber 12, so that at a flame temperature of approx. 1300 ° C. the NOx emissions in the atmospheric case are below 1 vppm.
  • This annular chamber 12 Furthermore is perforated this annular chamber 12 with a number of injection holes 13 through which a fuel / flue gas mixture 14 flows.
  • This mixture 14 is composed of a portion of flue gas 4 from the flue gas distributor 8 and a further portion of fuel 15, which is preferably a gaseous fuel.
  • fuel 15 which is preferably a gaseous fuel.
  • heat is extracted from the hot gases provided in the lean stage 1 by the already mentioned heat exchange 16, so that a temperature of approximately 1000 ° C. still prevails when entering the annular chamber 12.
  • the fuel / flue gas mixture 14 injected into the annular chamber 12 by axial displacement reduces the residual oxygen content of the conditioned hot gases from the lean stage 1 to approximately 3%.
  • the mixture 14 injected into the annular chamber 12 experiences self-ignition due to the hot gases of approximately 1000 ° C., the complete burnout then taking place in the boiler furnace 17 at a temperature of approximately 1400 ° C.
  • the flue gases 9 still have a temperature of approximately 300 ° C., a part of which, as already explained above, is introduced into the flue gas distributor 8.
  • the non-branched flue gases 18 are blown into the open at a low temperature via a chimney 19.
  • the expected NOx emissions are between 5-8 vppm, which, according to current knowledge, represents a lower limit for the near-stoichiometric combustion of fossil fuels.
  • FIG. 2 In the description of FIG. 2, reference is made below to the remaining FIGS. 3-5 as required.
  • the premix burner 100 consists of two hollow, conical partial bodies 101, 102 which are nested in one another in a staggered manner.
  • the offset of the respective central axis or longitudinal axis of symmetry 201b, 202b of the conical partial bodies 101, 102 to one another creates a tangential air inlet slot 119, 120 on both sides, in a mirror-image arrangement (FIGS. 3-5), through which the combustion air 115 enters the interior of the Premix burner 100, ie flows into the cone cavity 114.
  • the conical shape of the partial bodies 101, 102 shown in the flow direction has a specific fixed angle.
  • the partial bodies 101, 102 can have an increasing or decreasing cone inclination in the direction of flow, similar to a trumpet or. Tulip.
  • the last two forms are not included in the drawing, since they can be easily understood by a person skilled in the art.
  • the two tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical starting part 101a, 102a, which, similarly to the tapered partial bodies 101, 102, also run offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 are present over the entire length of the premix burner 100.
  • a nozzle 103 is accommodated, the injection 104 of which coincides approximately with the narrowest cross section of the conical cavity 114 formed by the conical partial bodies 101, 102.
  • the injection capacity and the type of this nozzle 103 depend on the specified parameters of the respective premix burner 100.
  • the premix burner can be of a purely conical design, that is to say without cylindrical starting parts 101a, 102a.
  • the tapered partial bodies 101, 102 further each have a fuel line 108, 109, which are arranged along the tangential inlet slots 119, 120 and are provided with injection openings 117, through which preferably a gaseous fuel 113 is injected into the combustion air 115 flowing through there, as is shown by the arrows 116.
  • These fuel lines 108, 109 are preferably placed at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 114, in order to obtain an optimal air / fuel mixture.
  • the outlet opening of the premix burner 100 merges into a front wall 110, in which a number of bores 110a are provided.
  • the latter come into operation when necessary and ensure that dilution air or cooling air 110b is supplied to the front part of the combustion chamber 122.
  • this air supply ensures flame stabilization at the outlet of the premix burner 100. This flame stabilization becomes important when it comes to supporting the compactness of the flame due to a radial flattening.
  • the fuel brought in through the nozzle 103 is a liquid fuel 112, which can be enriched with a recirculated exhaust gas at most. This fuel 112 is injected into the cone cavity 114 at an acute angle.
  • a conical fuel profile 105 is thus formed from the nozzle 103 and is enclosed by the rotating combustion air 115 flowing in tangentially.
  • the concentration of the fuel 112 is continuously reduced to an optimal mixing by the incoming combustion air 115.
  • the premix burner 100 is operated with a gaseous fuel 113, this is preferably done via opening nozzles 117, the formation of this fuel / air mixture taking place directly at the end of the air inlet slots 119, 120.
  • the optimal, homogeneous fuel concentration over the cross section is achieved in the region of the vortex run, that is to say in the region of the backflow zone 106 at the end of the premix burner 100.
  • the ignition takes place at the tip of the backflow zone 106. Only at this point can a stable flame front 107 arise.
  • the combustion air 115 is additionally preheated or enriched with a recirculated exhaust gas, this supports the evaporation of the liquid fuel 112 before the combustion zone is reached.
  • liquid fuels are supplied via the lines 108, 109.
  • the backflow zone 106 shifts the backflow zone 106 further upstream, which, however, then causes the mixture to ignite earlier. At least it must be determined that the backflow zone 106, once fixed, is positionally stable, because the swirl number increases in the direction of flow in the region of the cone shape of the premix burner 100.
  • the axial speed within the premix burner 100 can be changed by a corresponding supply, not shown, of an axial combustion air flow.
  • the design of the premix burner 100 is furthermore excellently suitable for changing the size of the tangential air inlet slots 119, 120, with which a relatively large operating range can be recorded without changing the overall length of the premix burner 100.
  • the guide plates 121a, 121b have a flow introduction function, which, depending on their length, extend the respective end of the tapered partial bodies 101, 102 in the direction of flow relative to the combustion air 115.
  • the Channeling the combustion air 115 into the cone cavity 114 can be optimized by opening or closing the guide plates 121a, 121b about a pivot point 123 located in the region of the entry of this channel into the cone cavity 114, in particular this is necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 119 , 120 is changed.
  • these dynamic arrangements can also be provided statically, in that guide baffles as required form a fixed component with the tapered partial bodies 101, 102.
  • the premix burner 100 can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.

Abstract

Bei einer Feuerungsanlage, welche dazu ausgelegt ist, die Schadstoff-Emissionen sowohl beim Einsatz eines flüssigen als auch gasförmigen Brennstoffes zu minimieren, wird stromab einer ersten Verbrennungsstufe (1) kopfseitig einer zweiten nachgeschalteten Verbrennungsstufe (2) eine Ringkammer (12) angeordnet. Die erste Verbrennungsstufe (1) wird als Magerstufe mit einem Brenner (100) betrieben, während die zweite Verbrennungsstufe (2) als nahstöchiometrische Stufe betrieben wird. Die Wand der Ringkammer (12) weist eine Anzahl Oeffnungen (13) für die Einströmung eines Gemisches (14) aus rückgeführtem Rauchgas (4) und Brennstoff (15) auf. Die Verbrennungsluft (115) für den Brenner (100) ist ebenfalls ein Gemisch (6) aus Luft (3) und rückgeführtem Rauchgas (4). Die Heissgase aus dieser ersten Verbrennungsstufe (1) werden vor Eintritt in die zweite Verbrennungsstufe (2) moderiert, wobei in dieser zweiten Verbrennungsstufe (2) ab Ringkammer (12) eine selbstzündene Verbrennung stattfindet. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens.
    • Stand der Technik
  • Bei Feuerungsanlagen in üblicher Bauweise wird der Brennstoff über eine Düse in einen Brennraum eingedüst und dort unter Zuführung einer Verbrennungsluft verbrannt. Grundsätzlich ist der Betrieb solcher Feuerungsanlagen mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff möglich. Beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffes liegt die Schwachstelle hinsichtlich einer sauberen Verbrennung betreffend die NOx-, CO-, UHC-Emissionen (UHC = ungesättigte Kohlen-Wasser-Stoffe) vordergründig darin, dass die Zerstäubung des Brennstoffes einen hohen Vermischungsgrad (Vergasung) mit der Verbrennungsluft erreichen muss. Beim Einsatz eines gasförmigen Brennstoffes läuft deshalb die Verbrennung mit einer wesentlichen Verminderung der Schadstoff-Emissionen ab. Indessen, bei Feuerungsanlagen für Heizkessel haben sich aber gasbetriebene Brenner, trotz der vielen Vorteile, nicht so recht durchsetzen können. Der Grund hierfür mag darin liegen, dass die Logistik für gasförmige Brennstoffe eine an sich aufwendige Infrastruktur nötig macht. Wird deshalb der Betrieb von Feuerungsanlagen mit flüssigem Brennstoff erstellt, so ist die Qualität der Verbrennung bezüglich tiefer Schadstoff-Emissionen gewichtig davon abhängig, ob es gelingt, einen optimalen Vermischungsgrad zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft zu erzielen, d.h., ob eine vollständige Vergasung des flüssigen Brennstoffes gewährleistet ist. Der Weg über eine Vormischstrecke, welche stromauf des eigentlichen Brennerkopfes wirkt, hat nicht zum Ziel geführt, denn bei einer solchen Konfiguration muss stets befürchtet werden, dass eine Rückzündung der Flamme ins Innere der Vormischzone stattfinden kann. Zwar ist es richtig, dass Vormischbrenner bekanntgeworden sind, welche mit 100% Luftüberschuss arbeiten, so dass die Flamme kurz vor dem Punkt des Löschens betrieben werden kann. Hier gilt aber zu bedenken, dass bei Feuerungsanlagen, wegen des Kesselwirkungsgrades, höchstens eine Ueberschussluft von 15% erlaubt ist, weshalb der Einsatz solcher Brenner in atmosphärischen Feuerungsanlagen keinen optimalen Betrieb gewährleisten. Des weitern, selbst wenn der notwendige Vergasungsgrad des flüssigen Brennstoffes annähernd erreicht werden könnte, so wäre auf die hohen Flammentemperaturen, welche bekanntlich für die Bildung der NOx-Emissionen verantwortlich sind, noch nicht eingewirkt worden. Die angestrebte Verbrennung bei niedrigen Flammentemperaturen sowie mit einem homogenen Brennstoff/Luft-Gemisch lässt sich mit dem aus dem Stand der Technik bekanntgewordenen Möglichkeiten nicht erzielen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Feuerungsanlage der eingangs genannten Art die Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, zu minimieren, dies sowohl beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffes, eines gasförmigen Brennstoffes, als auch bei einem Mischbetrieb mit genannten Brennstoffen.
  • Die dabei zugrundeliegende Erfindungsidee unterscheidet sich von den klassischen Prinzipien dadurch, dass die Stufung ausschliesslich im Luftüberschussgebiet durch 2fache Brennstoffzugabe und mit rezirkuliertem Rauchgas durchgeführt wird. In der ersten Stufe wird die Verbrennungsluft über einen Wärmetauscher einem aerodynamisch stabilisierten Vormischbrenner zugeführt. Je nach Auslegung des Wärmetauschers kann die Verbrennungsluft bis auf ca. 400°C vorgeheizt werden, was bei der Verbrennung von Oel zu einer sehr guten Vorverdampfung führt. Das Verbrennungsluft-Verhältnis in dieser sogenannten Magerstufe liegt bei ca. 2,1, entsprechend ca. 11% Restsauerstoff, wodurch bei Flammentemperaturen von ca. 1300°C die NOx-Emissionen, im atmosphärischen Fall, unter 1 vppm liegen. Auf dem Weg zur zweiten Stufe wird dem Medium Wärme entzogen, so dass bei Eintritt in die zweite Stufe die Temperatur noch ca. 1000°C beträgt. Dort wird vorzugsweise über eine Ringkammer weiteres Brennstoff/Rauchgas-Gemisch axial versetzt eingedüst, bis ein Restsauerstoffgehalt von ca. 3% im Abgas erreicht ist. Das eingedüste Gemisch wird dabei durch die heissen Rauchgase aus der ersten Stufe gezündet. Der vollständige Ausbrand erfolgt anschliessend im Brennraum bei einer Temperatur von ca. 1400°C.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Anordnung der Eindüsungsöffnungen des Brennstoff/Rauchgas-Gemisches einen zeitlichen Versatz der Zündung in der Brennkammer steuern und somit den Sauerstoffgehalt während des Ausbrandes beeinflussen, dergestalt, dass bei optimaler Trimmung des Systems die erwarteten NOx-Emissionen, bei vollständigem Ausbrand, zwischen 5-8 vppm liegen. Nach heutigem Kenntnisstand markiert dieser Wert den theoretisch unteren Grenzwert bei der nahstöchiometrischen Verbrennung fossiler Brennstoffe.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Verbrennungsluft der ersten Stufe kalorisch konditioniertes Rauchgas zugeführt werden kann, um einerseits die Vorheiztemperatur zu beeinflussen und andererseits den Restsauerstoff-Gehalt nach der zweiten Stufe bei Bedarf weiter herabsetzen zu können.
  • Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
  • Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine Kesselanlage für eine gestufte Verbrennung,
    Fig. 2
    einen Vormischbrenner in der Ausführung als "Doppelkegelbrenner" in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten und
    Fig. 3-5
    entsprechende Schnitte durch verschiedene Ebenen des Vormischbrenners gemäss Fig. 2.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit
  • Fig. 1 zeigt eine Kesselanlage, welche in eine Magerstufe 1 und eine nahstöchiometrische Stufe 2 unterteilt ist. Die Magerstufe 1 besteht im wesentlichen aus einem Vormischbrenner 100 mit einem nachgeschalteten Brennraum 122, in welchem eine Flammentemperatur von ca. 1300°C vorherrscht. Der Vormischbrenner 100 wird mit einem flüssigen 112 und/oder gasförmigen Brennstoff 113 betrieben. Die Verbrennungsluft 115 für den Vormischbrenner 100 ist ein Gemisch 6, das sich aus Frischluft 3 und aus rückgeführtem, kalorisch konditioniertem Rauchgas 4 zusammensetzt. Der Grad der Vermischung wird luftseitig durch eine steuerbare Drosselklappe 7 aufrechterhalten, wobei diese Luft 3 unkonditioniert, also bei Umgebungstemperatur anfällt. Das Rauchgas 4 stammt aus einem Rauchgasverteiler 8, der von den Rauchgasen 9 aus der nahstöchiometrischen Stufe 2 stammt. Diese Rauchgase 9 fallen mit einer Temperatur von ca. 300°C an, und sie werden im genannten Rauchgasverteiler 8 durch ein Wärmetauschsystem 10 auf ca. 260°C abgekühlt. Diese abgekühlten Rauchgase 4 und die Frischluft 3 werden stromauf des Vormischbrenners 100 vermischt und in einem dort wirkenden Verdichter 11 komprimiert, wobei die Temperatur dieses verdichteten Luft/Rauchgas-Gemisches ca. 260°C beträgt. Anschliessend wird dieses Gemisch 6 durch eine weitere von der Wand des Brennraumes 122 induzierte Wärmetauschung, die durch den Pfeil 16 versinnbildlich wird, kalorisch weiter aufbereitet, dergestalt, dass die Verbrennungsluft 115 für den Vormischbrenner 100 mit ca. 400°C dort einströmt. Abströmungsseitig des Brennraumes 122 befindet sich eine Ringkammer 12, welche bereits zur nahstöchiometrischen Stufe 2 gehört. In diese Ringkammer 12 strömen die leicht abgekühlten Heissgase aus der Magerstufe 1, welche mit Verbrennungsluft 115 bei ca. 11% O2 betrieben wird, wodurch bei einer Flammentemperatur von ca. 1300°C die NOx-Emissionen im atmosphärischen Fall unter 1 vppm liegen. Des weiteren ist diese Ringkammer 12 mit einer Anzahl von Eindüsungslöchern 13 perforiert, durch welche ein Brennstoff/Rauchgas-Gemisch 14 einströmt. Dieses Gemisch 14 setzt sich aus einem Anteil Rauchgas 4 aus dem Rauchgasverteiler 8 und aus einem weiteren Anteil Brenstoff 15, der vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff ist. Auf dem Weg zur nahstöchiometrischen Stufe 2 wird den in der Magerstufe 1 bereitgestellten Heissgasen durch die bereits genannte Wärmetauschung 16 Wärme entzogen, so dass beim Eintritt in die Ringkammer 12 noch eine Temperatur von ca. 1000°C vorherrscht. Das durch axiale Versetzung in die Ringkammer 12 eingedüste Brennstoff/Rauchgas-Gemisch 14 vermindert den Restsauerstoffgehalt der konditionierten Heissgase aus der Magerstufe 1 bis auf ca 3%. Des weiteren, das in die Ringkammer 12 eingedüste Gemisch 14 erfährt durch die Heissgase von ca. 1000°C eine Selbstzündung, wobei der vollständige Ausbrand anschliessend im Kesselfeuerraum 17 bei einer Temperatur von ca. 1400°C stattfindet. Nach Verlassen des Kesselfeuerraumes 17 weisen die Rauchgase 9 noch eine Temperatur von ca. 300°C auf, wobei ein Teil davon, wie bereits oben erläutert, in den Rauchgasverteiler 8 eingeleitet werden. Die nicht abgezweigten Rauchgase 18 werden über einen Kamin 19 bei tiefster Temperatur ins Freie abgeblasen. Bei optimaler Regelung der verschiedenen Medien, welche einen vollständigen Ausbrand innerhalb der nahstöchiometrischen Stufe 2 induzieren, liegen die erwarteten NOx-Emissionen zwischen 5-8 vppm, was nach heutigem Kenntnisstand eine untere Grenze bei der nahstöchiometrischen Verbrennung fossiler Brennstoffe darstellt.
  • Um den Aufbau des Vormischbrenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen Schnitte nach den Figuren 3-5 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figuren 3-5 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden.
  • Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die restlichen Figuren 3-5 hingewiesen.
  • Der Vormischbrenner 100 nach Fig. 2 besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 119, 120 frei (Fig. 3-5), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Vormischbrenners 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Vormischbrenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraum 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Vormischbrenners 100. Selbstverständlich kann der Vormischbrenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Vormischbrenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, dass Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Vormischbrenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Vormischbrenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Oeffnungsdüsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zustande kommt. Bei der Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 106 am Ende des Vormischbrenners 100, die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Vormischbrenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkel und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Strömungszone 106 am Ausgang des Vormischbrenners 100 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung des Querschnittes der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, dass die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Vormischbrenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Vormischbrenners 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Vormischbrenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann.
  • Aus Fig. 3-5 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verändert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Vormischbrenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Erste Verbrennungsstufe, Magerstufe
    2
    Zweite Verbrennnungsstufe, nahstöchiometrische Stufe
    3
    Luft
    4
    Rauchgas konditioniert
    6
    Luft/Rauchgas-Gemisch
    7
    Drosselklappe
    8
    Rauchgasverteiler
    9
    Rauchgase aus Stufe 2
    10
    Wärmetauscher
    11
    Verdichter
    12
    Ringkammer
    13
    Eindüsungslöcher
    14
    Brennstoff/Rauchgas-Gemisch
    15
    Brennstoff
    16
    Wärmetauscher
    17
    Kesselfeuerraum
    18
    Rauchgase Kamin
    19
    Kamin
    100
    Brenner
    101, 102
    Teilkörper
    101a, 102a
    Zylindrische Angangsteile
    101b, 102b
    Längssymmetrieachsen
    103
    Brennstoffdüse
    104
    Brennstoffeindüsung
    105
    Brennstoffeindüsungsprofil
    106
    Rückströmzone (Vortex Breakdown)
    107
    Flammenfront
    108, 109
    Brennstoffleitungen
    110
    Frontwand
    110a
    Luftbohrungen
    110b
    Kühlluft
    112
    Flüssiger Brennstoff
    113
    Gasförmiger Brennstoff
    114
    Kegelhohlraum
    115
    Verbrennungsluft
    116
    Brennstoff-Eindüsung
    117
    Brennstoffdüsen
    119, 120
    Tangentiale Lufteintrittsschlitze
    121a, 121b
    Leitbleche
    122
    Brennraum
    123
    Drehpunkt der Leitbleche

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Feuerungsanlage, welche im wesentlichen aus einer ersten mit einem Brenner betreibbaren Verbrennungsstufe und einer dieser nachgeschalteten zweiten Verbrennungsstufe besteht, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsluft (115) für die erste Verbrennungsstufe (1) ein Gemisch (6) aus Luft (3) und rückgeführtem Rauchgas (4) in den Brenner (100) einströmt, dass die Heissgase aus dieser ersten Verbrennungsstufe (1) vor Eintritt in die zweite Verbrennungsstufe (2) kalorisch moderiert werden, dass kopfseitig der zweiten Verbrennungsstufe (2) in die Heissgase ein Gemisch (14) aus Brennstoff (15) und rückgeführtem Rauchgas (4) eingegeben wird, und dass die Verbrennung in dieser zweiten Verbrennungsstufe (2) durch Selbstzündung ausgelöst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rückgeführten Rauchgase (4) für die erste und zweite Verbrennungsstufe (1, 2) vor deren Zumischung mit einem anderen Medium (3, 15) kalorisch moderiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbrennungsstufe (1) als Magerstufe mit einem Sauerstoffgehalt von 9-13% betrieben wird, und dass die zweite Verbrennungsstufe (2) als nahstöchiometrische Stufe mit einem Sauerstoffgehalt von 2-4% betrieben wird.
  4. Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Feuerungsanlage im wesentlichen aus einer ersten mit einem Brenner betreibbaren Verbrennungsstufe und einer nachgeschalteten zweiten Verbrennnungsstufe besteht, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der ersten Verbrennungsstufe (1) kopfseitig der zweiten Verbrennungsstufe (2) eine Ringkammer (12) angeordnet ist, dass die Wand der Ringkammer (12) Oeffnungen (13) für die Eindüsung eines Gemisches (14) aus rückgeführtem Rauchgas (4) und Brennstoff (15) aufweist, und dass der Brenner (100) mit einer verdichteten Verbrennungsluft (115) betreibbar ist.
  5. Feuerungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) gegeneinander versetzt verlaufen, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115) bilden, dass im von den Teilkörpern (101, 102) gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung unter einem festen Winkel kegelig erweitern.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.
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