EP0690263B1 - Verfahren zum Betrieb einer Feuerungsanlage - Google Patents

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EP0690263B1
EP0690263B1 EP95810376A EP95810376A EP0690263B1 EP 0690263 B1 EP0690263 B1 EP 0690263B1 EP 95810376 A EP95810376 A EP 95810376A EP 95810376 A EP95810376 A EP 95810376A EP 0690263 B1 EP0690263 B1 EP 0690263B1
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EP
European Patent Office
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combustion
combustion stage
stage
fuel
air
Prior art date
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EP95810376A
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English (en)
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EP0690263A3 (de
EP0690263A2 (de
Inventor
Peter Dr. Jansohn
Tino-Martin Marling
Thomas Dr. Sattelmayer
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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Publication of EP0690263A3 publication Critical patent/EP0690263A3/de
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Publication of EP0690263B1 publication Critical patent/EP0690263B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
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    • F23C2201/10—Furnace staging
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • 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 concerns a furnace to carry out the procedure.
  • the fuel is used in conventional combustion plants injected into a combustion chamber via a nozzle and under there Supply of combustion air burned. Basically is the operation of such combustion plants with a gaseous one and / or liquid fuel possible.
  • UHC unsaturated coal-water substances
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention how it is characterized in the claims, the task lies on the basis of a process and a firing system of type mentioned the pollutant emissions, in particular to minimize this as far as NOx emissions are concerned both when using a liquid fuel, a gaseous Fuel, as well as with a mixed operation named fuels.
  • the underlying idea of the invention differs from the classic principles in that the grading is exclusive in the excess air area by adding twice the fuel and is carried out with recirculated flue gas.
  • the first stage is the combustion air via a heat exchanger an aerodynamically stabilized premix burner fed.
  • the combustion air can be preheated to approx. 400 ° C, which at the combustion of oil to a very good pre-evaporation leads.
  • the combustion air ratio in this so-called Lean level is about 2.1, corresponding to about 11% residual oxygen, whereby at flame temperatures of approx. 1300 ° C the NOx emissions, in the atmospheric case, are below 1 vppm.
  • the main advantage of the invention is that that the arrangement of the injection openings of the fuel / flue gas mixture a timing offset of the ignition control in the combustion chamber and thus the oxygen content influence during the burnout, in such a way that with optimal Trim the system the expected NOx emissions, with complete burnout, lie between 5-8 vppm. To Today's knowledge marks this value theoretically lower limit for near stoichiometric combustion fossil fuels.
  • Another advantage of the invention is that the combustion air of the first stage calorically conditioned Flue gas can be supplied to the preheating temperature to influence and on the other hand the residual oxygen content If necessary, continue to lower after the second stage to be able to.
  • Fig. 1 shows a boiler system, which in a lean stage 1 and a near-stoichiometric level 2 is divided.
  • the lean stage 1 essentially consists of a premix burner 100 with a downstream combustion chamber 122, in which one Flame temperature of approx. 1300 ° C prevails.
  • the premix burner 100 comes with a liquid 112 and / or gaseous Fuel 113 operated.
  • the combustion air 115 for the Premix burner 100 is a mixture 6 that consists of Fresh air 3 and from recirculated, calorically conditioned Flue gas 4 is composed.
  • the degree of mixing is on the air side maintained by a controllable throttle valve 7, this air 3 unconditioned, that is at ambient temperature arises.
  • the flue gas 4 comes from a flue gas distributor 8, of the flue gases 9 from the near stoichiometric Level 2 comes. These smoke gases 9 fall with one Temperature of about 300 ° C and they are mentioned in the Flue gas distributor 8 through a heat exchange system 10 to approx. Cooled down to 260 ° C. This cooled smoke 4 and the Fresh air 3 is mixed upstream of the premix burner 100 and compressed in a compressor 11 acting there, the temperature of this compressed air / flue gas mixture is approx. 260 ° C. This mixture is then 6 by another induced by the wall of the combustion chamber 122 Heat exchange symbolized by arrow 16 is further processed, calorically, in such a way that the combustion air 115 for the premix burner 100 at approx.
  • annular chamber 12 Located on the outflow side of the combustion chamber 122 there is an annular chamber 12, which is already close to stoichiometric Level 2 is heard. In this annular chamber 12 flow slightly cooled hot gases from lean stage 1, which with Combustion air 115 is operated at approximately 11% 02, whereby NOx emissions at a flame temperature of approx. 1300 ° C in the atmospheric case are below 1 vppm. Furthermore is this annular chamber 12 with a number of injection holes 13 perforated through which a fuel / flue gas mixture 14 flows in. This mixture 14 consists of a portion Flue gas 4 from the flue gas distributor 8 and from another Share of fuel 15, which is preferably a gaseous fuel is.
  • the flue gases 9 After leaving of the boiler furnace 17, the flue gases 9 still have one Temperature of about 300 ° C, part of which, as already explained above, introduced into the flue gas distributor 8 become.
  • the non-branched flue gases 18 are via a Blow off chimney 19 at the lowest temperature.
  • the expected NOx emissions are between 5-8 vppm, which according to the current state of knowledge is a lower one Limit for near-stoichiometric combustion of fossil fuels Represents fuels.
  • FIG. 2 The following is the description of FIG. 2 as needed referred to the remaining figures 3-5.
  • the premix burner 100 consists of two hollow ones conical partial bodies 101, 102 which are offset from one another are nested.
  • the transfer of the respective Center axis or longitudinal axis of symmetry 201b, 202b of the conical Partial body 101, 102 creates each other on both sides, in mirror image arrangement, each with a tangential air inlet slot 119, 120 free (Fig. 3-5), through which the Combustion air 115 in the interior of the premix burner 100, i.e. flows into the cone cavity 114.
  • the cone shape of the one shown Partial body 101, 102 has a flow direction certain fixed angle.
  • the partial body 101, 102 in the direction of flow have an increasing or decreasing taper similar to a trumpet or Tulip.
  • the latter two Shapes are not included in the drawing as they are for the expert can be easily understood.
  • the two tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical Initial part 101a, 102a, which also, analogous to the tapered Partial bodies 101, 102, offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 via the entire length of the premix burner 100 are present.
  • a nozzle 103 is accommodated in the cylindrical starting part, the injection 104 of approximately the narrowest cross section that formed by the tapered body 101, 102 Cone cavity 114 coincides.
  • this nozzle 103 depends on the given Parameters of the respective premix burner 100.
  • the premix burner can be purely conical, i.e. without cylindrical starting parts 101a, 102a.
  • the conical partial bodies 101, 102 each have one Fuel line 108, 109 on which along the tangential Entry slots 119, 120 arranged and with injection openings 117 are provided, by which preferably a gaseous fuel 113 into the one flowing through there Combustion air 115 is injected, as shown by arrows 116 want to symbolize.
  • These fuel lines 108, 109 are preferably at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 114, placed, this to get an optimal air / fuel mixture.
  • the outlet opening of the premix burner is on the combustion chamber side 122 100 into a front wall 110, in which a number Bores 110a are present.
  • the latter occur in function when needed, and ensure that dilution air or cooling air 110b the front part of the combustion chamber 122 is fed.
  • this air supply ensures flame stabilization at the outlet of the premix burner 100. This flame stabilization becomes important when it is is about the compactness of the flame due to a radial To support flattening.
  • Fuel is a liquid fuel 112, which is enriched at most with a recirculated exhaust gas can be. This fuel 112 is under one acute angle injected into the cone cavity 114.
  • the Nozzle 103 From the Nozzle 103 thus forms a conical fuel profile 105, the rotating combustion air flowing in tangentially 115 is enclosed. In the axial direction the concentration of fuel 112 continuously through the incoming combustion air 115 for optimal mixing reduced. If the premix burner 100 has a gaseous one Operated fuel 113, this is preferably done via opening nozzles 117, the formation of this Fuel / air mixture directly at the end of the air inlet slots 119, 120 comes about. When injecting the Fuel 112 through the nozzle 103 is in the area of the vortex burst, thus in the area of the backflow zone 106 at the end of the premix burner 100, the optimal, homogeneous fuel concentration reached across the cross section. The ignition takes place at the top of the backflow zone 106.
  • the tapered Partial body 101, 102 with respect to the cone angle and width of the Tangential air inlet slots 119, 120 are narrow limits to adhere to the desired flow field of the combustion air 115 with the flow zone 106 at the exit of the Premix burner 100 can adjust.
  • a reduction in the cross-section of the tangential Air inlet slots 119, 120 continue the backflow zone 106 upstream, which then causes the mixture comes to ignition earlier.
  • the backflow zone 106 once fixed is positionally stable is because the swirl number increases in the direction of flow in the area the conical shape of the premix burner 100.
  • the axial speed can pass through within the premix burner 100 a corresponding supply, not shown, of an axial Change the combustion air flow.
  • the construction of the premix burner 100 is also an excellent choice Size of the tangential air inlet slots 119, 120 to change, without changing the length of the premix burner 100 recorded a relatively large operational range can be.
  • the Baffles 121a, 121b have a flow initiation function these, according to their length, the respective End of the tapered partial body 101, 102 in the direction of flow extend towards the combustion air 115.
  • the Channeling the combustion air 115 into the cone cavity 114 can by opening or closing the guide plates 121a, 121b by one in the area of the entry of this channel into the Cone cavity 114 placed pivot point 123 can be optimized, this is particularly necessary if the original gap size the tangential air inlet slots 119, 120 changed becomes.
  • these can be dynamic arrangements can also be provided statically, as required Baffles are an integral part with the tapered partial bodies 101, 102 form.
  • the premix burner can also be used 100 can also be operated without baffles, or others can Aids for this are provided.

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.
Es ist hierzu beispielsweise aus US 5,201,650 bekannt, Rauchgas zu rezirkulieren und mit der Verbrennungsluft zu vermischen. Die rezirkulierten Rauchgase dienen einerseits zur Vorwärmung der Verbrennungsluft, andererseits auch als inerte Komponente im Verbrennungsgas, um Temperaturspitzen zu senken. Andererseits zeigt auch dieses Dokument keine Möglichkeit, ein vollkommen homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch bei durchwegs niedrigen Flammentemperaturen und somit geringen Stickoxidemissionen zu verbrennen.
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% 02 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, wobei als Verbrennungsluft (115) für die erste Verbrennungsstufe (1) ein Gemisch (6) aus Luft (3) und rückgeführtem Rauchgas (4) in den Brenner (100) einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Heissgase dieser ersten Verbrennungsstufe (1) vor Eintritt in die zweite Verbrennungsstufe (2) durch Wärmeaustausch abgekühlt 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 und welche Feuerungsanlage mit Mitteln zur Rückführung einer Menge Rauchgas (9) aus der zweiten Verbrennungsstufe (2) in eine Verbrennungsluft (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand der ersten Verbrennungstufe als Wärmetauscher zwischen dem Heissgas der ersten Verbrennungsstufe und der Verbrennungsluft (6) ausgebildet ist, 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) betrieben wird.
  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 (lOlb, 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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