EP0834040B1 - Feuerraum mit einer Brennereinrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Feuerraums - Google Patents

Feuerraum mit einer Brennereinrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Feuerraums Download PDF

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EP0834040B1
EP0834040B1 EP97924865A EP97924865A EP0834040B1 EP 0834040 B1 EP0834040 B1 EP 0834040B1 EP 97924865 A EP97924865 A EP 97924865A EP 97924865 A EP97924865 A EP 97924865A EP 0834040 B1 EP0834040 B1 EP 0834040B1
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EP
European Patent Office
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combustion
combustion air
fuel
combustion chamber
distributor
Prior art date
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EP97924865A
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EP0834040A1 (de
Inventor
Ahmad Al-Halbouni
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WALTER BRINKMANN GMBH
Original Assignee
AL HALBOUNI AHMAD
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • 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 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • 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 
    • F23C2201/00—Staged combustion
    • F23C2201/20—Burner staging
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2205/00—Assemblies of two or more burners, irrespective of fuel type

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber with a burner device and a corresponding method for an NO x - and CO-lean combustion in accordance with the preamble of claim 1 and 13 respectively.
  • the combustion air is usually either in a so-called mixing tube gradually added to the fuel (see GB 1444 673 A) or it is added to the Mostly outside of the fuel jet and outside the flame area supplied annular distributor. (see DE-OS 4 419 345 and DE-OS 4 231 788).
  • Other Constructions have multiple slots or openings on the combustion chamber wall and / or Fuel rating within the combustion chamber (see US Pat. No. 5,461,865 A and US Pat. No. 4 931 012). Because of the considerable spatial distance of the combustion air distribution devices from the flame area, is in practical operation with such Burners uniform mixing of fuel and combustion air or a staged mix based on given proportions not achieved.
  • the gas burner according to JP 57-058010 A Combustion air to a larger area of the combustion zone by means of an internal one double-walled distribution body and the lower part of the combustion zone enclosing, drilled wall distributed.
  • This type of air grading grants a better one Mastery of the mixing ratios, but in addition to its complexity, it is also ineffective in terms of heat transfer because the outer combustion wall absorbs the heat shields from the actual combustion chamber wall.
  • the invention is therefore based on the object to provide a combustion chamber with a burner device and a method of operating this burner means through which an NO x - and CO-lean combustion and an intensification is the heat release reached at the wall, simple in design and for a Compact design suitable with predominantly separate supply of fuel and combustion air to the combustion chamber, in which the combustion air is fed in as many stages as possible into larger flame areas.
  • this object is achieved by a combustion chamber with a burner device and a method the characterizing features of claim 1 and 13 solved.
  • the basic concept of the invention which also the claimed method for Operating the burner device involves the following: Approx. 70 to 100 vol.% Of total amount of combustion air supplied is determined by means of one or more Combustion air distribution body in a predominantly radial direction in the direction of the flame filled space between the outer wall of the firebox and the contour of the Combustion air distributors along all or a large part of the flame length fed. This results in a large-scale distribution of the combustion air to the entire flame area or on large parts of the flame area.
  • the fuel is fed into the combustion zone exclusively in the area of the flame base located at the foot part of the combustion air distribution body by means of one or more rows of nozzles arranged around the combustion air distribution body.
  • the remaining part of the combustion air required for the combustion ie 0 to approx. 30% by volume, is mixed into the fuel before entering the combustion zone.
  • the admixture of this part of the combustion air increases the momentum of the fuel, improves the mixing of fuel and combustion air and leads to the ignition limit being reached more quickly.
  • the NO x values drop drastically.
  • the advantages of this concept are that the combustion is initially sub-stoichiometric and, with a gradually increasing air supply, only shortly before the tip of the flame changes into stoichiometry or over-stoichiometry, where complete burnout is achieved. In this way, temperature peaks in the entire flame area are suppressed and the formation of pollutants (NO x and CO) is drastically reduced.
  • This type of feeding of the combustion air also has the advantageous effect that the flame is blown away from the combustion air distribution body, so that no direct combustion takes place on the surface of these combustion air distribution bodies. This lowers the thermal load on the combustion air distribution bodies, especially since they are additionally cooled by the combustion air flowing through them.
  • a further advantageous effect of the combustion air supply according to the invention is that they also cool the flame, thereby reducing the formation of NO x .
  • the geometry of the combustion zone is largely determined by the geometry of these combustion air distributors.
  • An essential function of the combustion air distribution body is therefore seen in the fact that the size of the combustion chamber is decisively influenced by the choice of its dimensions.
  • the contour of the combustion air distribution bodies there is a large variety of variants for designing the contour of the combustion air distribution bodies.
  • the choice of a suitable shape for the combustion air distribution body can optimize the NO x and CO emissions and heat transfer.
  • the outer wall 3 consists of a cylindrical jacket wall 3a, a cover wall 3b and one Bottom wall 3c.
  • Firebox details are not shown in the schematic drawing like viewing openings for visual observation of the flame development in the combustion chamber, Openings for the ignition of the gas-air mixture and for temperature measurement in the lower one Part of the firebox.
  • a UV probe for monitoring the Flame and a suction probe for exhaust gas extraction to carry out the concentration analysis of the exhaust gas emerging at the exhaust outlet 6.
  • the exhaust outlet 6 is in the Cover wall 3b of the furnace arranged.
  • the fire or combustion chamber 2 can also polygon shaped as a prism, but always has a horizontal or vertical arranged longitudinal central axis 34.
  • the heat is removed from the outer wall 3 via cooling water, the either in coils 16 and / or in water chambers 17 flows around the outer wall 3.
  • the combustion air distribution body 7 consists of simple sheet steel with a large number of openings 11 for the exit of the combustion air into the combustion zone. While the almost horizontal head part 9 of the combustion air distribution body is closed, the foot part 8 remains open and is screwed into the air supply pipe 18.
  • the total combustion air or most of it (> 70 vol.% of the total for the Combustion air flow rate of 100% required) is via the inner tube 18th of a coaxial tube, the combustion air supply 5 into the interior of the combustion air distribution body 7 by means of a fan 19 provided with a motor 20.
  • the lower end of the inner tube 18 of the coaxial tube opens into the combustion air supply 5.
  • the cylinder ring 21 is directly on the foot part of the combustion air distribution body 7 with a Provide row of nozzles 12.
  • This row of nozzles 12 has a variety of around Combustion air distribution body 7 arranged around fuel nozzles 13 for distribution of the fuel into the combustion zone in two perpendicular to each other Beam directions 14 crossing planes crossing the longitudinal center axis 34 are used (see Figures 3a-3d).
  • the burner output was determined for relatively small combustion air distributors (length 25-30 cm, width at the foot part 2-3 cm and at the head part 0-10 cm, with a length of the fire or Combustion chamber of 80 cm) to values between 10 and 22 kW and the air ratio varies between 1.1 and 1.5.
  • combustion air distributors length 25-30 cm, width at the foot part 2-3 cm and at the head part 0-10 cm, with a length of the fire or Combustion chamber of 80 cm
  • the distribution body shown in FIG. 1a, to which the measured values in FIGS. 4 and 5 relate was at a total length of approx. 30 cm at the foot part approx. 2.5 cm wide.
  • the contour of the combustion air distribution body did not glow and remained relatively cold (below 300 ° C.) in all designs according to FIG. 2a.
  • the exhaust gas analysis showed, as the measurement data in FIGS. 4 a, 4 b, 5 a and 5 b show, particularly with an increased fuel nozzle pulse, extremely low NO x and CO emission values, which are far below the legal limit values for industrial burners.
  • a major advantage of the invention is therefore the possibility of a energy-saving and environmentally friendly incinerator with compact burner and Build combustion chamber shape that is used for heat generation at smaller outputs up to 100 kW (such as in household appliances, wall-mounted heaters and boilers), with medium outputs, > 100 kW to 1 MW (e.g. in heating centers, thermal power stations and biomass combustion) and also for larger capacities> 1 MW (e.g. in power plant furnaces and rotary kilns) is suitable.
  • FIG. 1b schematically shows an arrangement of a plurality of combustion air distribution bodies 7 in a combustion chamber for industrial purposes in power plant technology.
  • the firebox 2 has a square cross section; the combustion air distribution body shown have the same features as in Fig. 1 a and are on the lower wall 3c, as above explained, installed.
  • the heat is dissipated via the built in the outer wall Water pipes 23 and the evaporator and superheater heating surfaces 24 and 25.
  • a further heat extraction is via an air preheater, which the combustion air of the Brenner preheated, reached in the exhaust duct, which is not shown in the schematic drawing is shown.
  • FIG. 2 a shows a schematic representation of different geometric variants of the Combustion air distribution body.
  • These can be square, cylindrical, conical, have polygon prism or pyramidal shape or their contour can be ellipsoidal or be hyperbolic. Other geometric designs are possible.
  • all combustion air distribution bodies have an internal cavity for the supply of Combustion air, a thin surrounding the cavity with a variety of Porous wall with openings, a closed head part and an open one Foot part on.
  • the dimensions of the combustion air distribution body and the number and Geometry of the openings on their circumference should be chosen so that they are one Controlled combustion process to ensure the combustion air distribution body.
  • the length (A) of the combustion air distribution body 7 is ⁇ 40-85% of the combustion chamber length (B), the diameter (C) of the combustion air distribution body 7 at the base part 8 is ⁇ 10% of the combustion chamber diameter (D), and the porosity of the combustion air distribution body is ⁇ 20%.
  • FIG. 3 a shows a schematic illustration of variants of the jet directions of the fuel nozzles 13, which are positioned in a row of nozzles 12 or more rows of nozzles at the foot part of the combustion air distribution body 7 and arranged around the latter.
  • a row of nozzles 12 contains a plurality of nozzles, the jet direction 14 of which can be changed both in the longitudinal central axis and at an angle to it.
  • this allows the fuel to be distributed over different contour areas of the combustion air distribution body, which contributes to the targeted control of the mixing ratios and promotes ignition.
  • fuel swirl can be generated, which leads to more intensive mixing of fuel and combustion air and to the longer residence time of the fuel particles in the flame area.
  • Both fuel nozzle settings (axial and tangential tilt) ensuring together in conjunction with the continuously flowing air from the openings of the combustion air distributor is a NO x - and CO combustion.
  • the tests carried out have shown that the optimum range of the axial and tangential inclination angles of the fuel nozzles is from approximately -45 ° to + 45 ° in relation to the longitudinal direction of the combustion zone.
  • the angle setting depends on the shape of the combustion air distribution body and has a great influence on the quality of the combustion.
  • the admixture of small amounts of air ( ⁇ 30 ° of the combustion air volume flow) with the fuel leads to improved mixing of the fuel and combustion air and to faster reaching the ignition limit due to the increased impulse.
  • the NO x values drop drastically.
  • the rows of nozzles are to be manufactured for different load ranges and should be exchangeable his; that can e.g. B. happen as follows, as Fig 3 b shows: The coaxial ring 21 closed and immediately before the fuel enters the combustion chamber Providing connecting channels 32 for the fuel supply into the combustion chamber, the channels 32 have internal threads 33 and the fuel nozzles 13 have external threads 28. The Fuel nozzles 13 are screwed into the connecting channels 32.
  • oblique bores 29 or an annular gap 30 can be used with an inner swirl generator 31, as shown in FIG. 3 c and 3 d illustrate.
  • the graphs in FIGS. 4 a and 5 a show the NO x and CO emission values measured in the exhaust gas as a function of the burner output at different air ratios for the variant shown in FIG. 1 a with the conical combustion air distribution body.
  • Natural gas H was fed as fuel by means of a single row of nozzles, the nozzles being adjusted such that every second nozzle was provided with a weak swirl. While the burner output for the relatively small pilot plant was varied between 10 and 22 kW, air figures for the usual and interesting range of 1.2 to 1.5 have been set for combustion plants.
  • the NO x and CO emission values shown have been converted to 3 vol.% O 2 in the exhaust gas so that a comparison with the limit values of the TA-Luft is possible.
  • FIG. 4 b shows an admixture of approx. 20% combustion air to the fuel and otherwise the same settings as in FIG. 4 a, extremely low NO x emission values for all air ratios and for all examined load ranges.
  • the axial and tangential setting of the fuel nozzles has a particular influence on the NO x and CO formation, but depending on the combustion air distribution body used there are different optimal angular positions.
  • the NO x and CO emission values of the new burner device are significantly below the limit values of TA-Luft (NO: 114 ppm, CO: 93 ppm) and the new BImSchV (NO: 45 ppm, CO: 55 ppm ) and that even the production of CO-free exhaust gas from combustion processes is possible.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Feuerraum mit einer Brennereinrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren für eine NOx- und CO-arme Verbrennung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 13.
Im Brennerbau besteht allgemein die Tendenz zum Einsatz einer mehrstufigen Zuführung der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum, um die stöchiometrischen Verhältnisse bei der Verbrennung besser beeinflussen zu können und den hohen Anforderungen nach ökonomischer und ökologischer Verbrennung gerecht zu werden.
Die Verbrennungsluft wird dabei meistens entweder in einem sogenannten Mischungsrohr dem Brennstoff schrittweise zugemischt (siehe GB 1444 673 A) oder sie wird auf der Außenseite des Brennstoffstrahles und außerhalb des Flammenbereiches über einen zumeist ringförmigen Verteiler zugeführt. (siehe DE-OS 4 419 345 und DE-OS 4 231 788). Andere Konstruktionen weisen mehrere Schlitze oder Öffnungen an der Brennraumwand und/oder Brennstoffstufung innerhalb des Brennraumes auf (siehe US-PS 5 461 865 A und US-PS 4 931 012). Wegen der beträchtlichen räumlichen Entfernung der Verbrennungsluft-Verteilereinrichtungen vom Flammenbereich, wird im praktischen Betrieb bei derartigen Brennern egleichmäßige Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft bzw. eine nach vorgegebenen Anteilen erfolgende gestufte Mischung nicht erreicht.
Um diesen Nachteil zu beheben, wird bei dem Gasbrenner nach der JP 57-058010 A die Verbrennungsluft auf einen größeren Bereich der Verbrennungszone mittels eines inneren doppelwandigen Verteilkörpers und einer dem unteren Bereich der Verbrennungszone umschließenden, gebohrten Wand verteilt. Diese Art Luftstufung gewährt zwar eine bessere Beherrschung der Mischungsverhältnisse, sie ist aber neben ihrer Kompliziertheit auch uneffektiv hinsichtlich der Wärmeübertragung, da die äußere Verbrennungswand die Wärme von der tatsächlichen Brennraumwand abschirmt.
Die konsequente Fortführung derartiger Lösungsansätze würde jedoch zu relativ komplizierten Brennerkonstruktionen mit einer Vielzahl von in der Verbrennungszone geführten oder Ofen- bzw.- Kesselwandungen durchdringenden Verbrennungsluft-Verteilungsleitungen (siehe DE-OS 41 42 401 und DE-OS 39 15 704) oder zusätzlichen aus teueren hitzebeständigen Materialien angefertigten Strahlungsstäben für die Flammenkühlung (siehe DE-OS 40 41 360 ) führen. Außerdem ist eine hinsichtlich der Schadstoffemission optimale Regelung des Brenners bei unterschiedlichen Laststufen wesentlich erschwert, weil das Verhältnis von Primär- und Sekundärluftmengen nur in engen Grenzen änderbar ist.
Eine andere Entwicklungstendenz nutzt das Prinzip der Oberflächenverbrennung. Bei diesem Prinzip wird die Verbrennungsluft entweder vor dem Eintritt in den Brennerkörper mit dem Brennstoff vollständig vermischt (siehe EP 0631091 A), oder sie wird mittels einer Vielzahl von Öffnungen auf der Innenwand einer doppelwandigen zylinderförmigen Brennerstruktur in den zwischen der Innen- und Außenwand eingeschlossenen zylinderringförmigen Raum geführt und dort mit dem Brennstoff vermischt (siehe US-PS 1 247 740). Anschließend wird das Gemisch an der Oberfläche der äußeren Brennerwand entzündet. Alle nach diesem Prinzip arbeitenden Oberflächenbrenner verlangen den Einsatz von teuren Materialien und weisen besondere Schwierigkeiten bei der Aufstellung des Brenners im Ofenraum auf.
Eine weitere Entwicklungslinie im Brennerbau nutzt den durch die Strömungsgeschwindigkeit der Flammengase erzeugten Unterdruck, um sekundäre, tertiäre usw. Verbrennungsluft anzusaugen. Dieses Prinzip bedingt jedoch, daß die Flammengase mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit an einer mit Ansaugöffnungen für die Verbrennungsluft versehenen Diffusor-Wandung vorbeiströmen (s. DE-OS 36 00 784). So weist diese Bauart den wesentlichen Nachteil auf, daß die Ansaugöffnungen für die Verbrennungsluft in einer Zone mit sehr hoher Flammentemperatur liegen, was zur verstärkten Bildung der umweltbelastenden Stickoxide führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Feuerraum mit einer Brennereinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennereinrichtung anzugeben, durch die eine NOx- und CO-arme Verbrennung sowie eine Intensivierung der Wärmeabgabe an die Wandung erreicht wird, bei konstruktiv einfacher und für einen Kompaktbau geeigneten Bauweise mit vorwiegend separater Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zum Verbrennungsraum , bei der die Einspeisung der Verbrennungsluft möglichst vielstufig in größere Flammenbereiche erfolgt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Feuerraum mit einer Brennereinrichtung und ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 13 gelöst.
Hierdurch werden folgende Vorteile erreicht:
  • Dosierung der je Zeiteinheit zugeführten Verbrennungsluftmenge in der Weise, daß im Verbrennungsraum vorgebbare λ-Zahl-Bereiche des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches annähernd realisiert werden,
  • Verringerung der thermischen Belastung der Baugruppen zur Verbrennungsluftzuführung und Flammenkühlung sowie Gewährleistung des Einsatzes preiswerter Werkstoffe für diese Baugruppen,
  • Wegfall von Beeinträchtigungen des Wärmeüberganges zwischen Flamme und Wandung infolge von Diffusoren oder anderen Mitteln
  • Gestaltung der Verbrennungs- und Abgaszone mit einer den Wandungen der Wärmesenke angepaßten Geometrie.
Die grundsätzliche Konzeption der Erfindung, die auch das beanspruchte Verfahren zum Betreiben der Brennereinrichtung betrifft, besteht in folgendem: Ca. 70 bis 100 Vol.% der insgesamt zugeführten Verbrennungsluftmenge wird mittels eines oder mehrerer Verbrennungsluft-Verteilkörper in vorwiegend radialer Richtung in den von der Flamme ausgefüllten Raum zwischen der Außenwand des Feuerraumes und der Kontur der Verbrennungsluft-Verteilkörper entlang der gesamten oder großer Teile der Flammenlänge eingespeist. Damit erfolgt eine großflächige Verteilung der Verbrennungsluft auf den gesamten Flammenbereich oder auf große Teile des Flammenbereiches.
Für diesen Zweck sind auf der Kontur der Verbrennungsluft-Verteilkörper eine Vielzahl von Öffnungen für den Verbrennungsluft-Austritt verteilt. Die Anzahl je Flächeneinheit und der Querschnitt dieser auf der Kontur der Verbrennungsluft-Verteilkörper verteilten Öffnungen sind so gewählt, daß in die Verbrennungszone ein vorbestimmter Volumenstrom von Verbrennungsluft eintritt. Dadurch lassen sich die stöchiometrischen Verhältnisse im Brennstoff-Verbrennungsluftgemisch besser steuern. Weiterhin läßt sich auf diese Weise am Dosierort ein vorbestimmter Verlauf des λ-Zahl-Bereiches zwischen Flammenbasis und Flammenspitze realisieren.
Im Gegensatz zur Verbrennungsluftzuführung erfolgt die Zuführung des Brennstoffs in die Verbrennungszone ausschließlich im Bereich der am Fußteil der Verbrennungsluft-Verteilkörper gelegenen Flammenbasis mittels einer oder mehrerer um die Verbrennungsluft-Verteilkörper herum angeordneter Düsenreihen. Dabei wird bei einem Luftdurchsatz von kleiner als 100% dem Brennstoff vor dem Eintritt in die Verbrennungszone der restliche Teil der für die Verbrennung benötigten Verbrennungsluft, d. h. 0 bis ca. 30 Vol.%, zugemischt. Die Beimischung dieses Teils der Verbrennungsluft erhöht den Impuls des Brennstoffs, verbessert die Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft und führt zum schnelleren Erreichen der Zündgrenze. Die NOx-Werte sinken dabei drastisch.
Die Vorteile dieses Konzeptes bestehen darin, daß die Verbrennung zuerst unterstöchiometrisch verläuft und mit allmählich steigender Luftzufuhr erst kurz vor der Flammenspitze in die Stöchiometrie bzw. in die Überstöchiometrie übergeht, wo der vollkommene Ausbrand erreicht wird. Somit werden Temperaturspitzen im gesamten Flammenbereich unterdrückt und die Schadstoffbildung (NOx und CO) drastisch vermindert. Diese Art der Einspeisung der Verbrennungsluft hat auch die vorteilhafte Auswirkung, daß die Flamme vom Verbrennungsluft-Verteilkörper weggeblasen wird, so daß keine direkte Verbrennung an der Oberfläche dieser Verbrennungsluft-Verteilkörper stattfindet. Dies senkt die thermische Belastung der Verbrennungsluft-Verteilkörper, zumal sie zusätzlich durch die hindurchströmende Verbrennungsluft gekühlt werden.
Eine weitere vorteilhafte Auswirkung der erfindungsgemäßen Verbrennungsluft-Zuführung besteht insbesondere bei großflächigen Verbrennungsluft-Verteilkörpern darin, daß diese zugleich zur Kühlung der Flamme führen, wodurch die NOx-Bildung reduziert wird. Zudem kann bei Verwendung großflächiger Verbrennungsluft-Verteilkörper mit geeigneter Formgebung erreicht werden, daß die Geometrie der Verbrennungszone maßgeblich durch die Geometrie dieser Verbrennungsluft-Verteilkörper bestimmt wird. Eine erfindungs-wesentliche Funktion der Verbrennungsluft-Verteilkörper wird daher darin gesehen, daß durch Wahl ihrer Abmaße die Größe des Feuerraumes entscheidend beeinflußt wird.
Insgesamt ergibt sich auch bei unterschiedlichen Brennerleistungen eine geringe thermische Belastung der Verbrennungsluft-Verteilkörper, da die Kühlwirkung bei steigender Brennerleistung wegen des dann steigenden Verbrennungsluft-Durchsatzes steigt.
Für die Gestaltung der Kontur der Verbrennungsluft-Verteilkörper besteht erfindungsgemäß eine große Variantenvielfalt. Je nach Ofen- bzw. Kesselraumgeometrie kann durch Wahl einer geeigneten Form der Verbrennungsluft-Verteilkörper eine Optimierung hinsichtlich der NOx- und CO-Emissionen und der Wärmeübertragung erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Ausgestaltung der Düsenreihen für die Brennstoffzuführung. Als besonders effektiv für eine optimale Einhaltung vorgegebener Wertebereiche der Luflzahl λ hat es sich erwiesen, wenn die Strahlrichtung der Brennstoffdüsen innerhalb derselben Düsenreihe und/oder die Strahlrichtung der Brennstoffdüsen benachbarter Düsenreihen auf unterschiedliche Längenbereiche der Verbrennungsluft-Verteilkörper zielen. Um der Brennstoff-Strömung zusätzlich noch einen Drall zu verleihen, werden die genannten Strahlrichtungen mindestens teilweise windschief eingestellt. Weiterhin können die Verbrennungsluft-Verteilkörper und/oder die Brennstoffdüsen auswechselbar ausgebildet sein, um deren Parameter optimal an eine vorgegebene Brennerleistung anzupassen.
Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1a
eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer CO- und NOx-armen Brennereinrichtung mit kegelförmigem Verbrennungsluft-Verteilkörper für Heizungszwecke,
Fig. 1b
eine schematische Darstellung einer zweiten Variante einer CO- und NOx-armen Brennereinrichtung mit mehreren kegelförmigen Verbrennungsluft-Verteilkörpern für industrielle Zwecke,
Fig. 2 a
eine schematische Darstellung einer Auswahl verschiedener geometrischer Varianten der Verbrennungsluft-Verteilkörper in Seitenansicht und Draufsicht,
Fig. 2 b
eine schematische Darstellung der Auswechselbarkeit der Verbrennungsluft-Verteilkörper,
Fig. 3 a
eine schematische Darstellung von Varianten der Strahlrichtungen der Brennstoff-Düsen,
Fig. 3 b
eine schematische Darstellung der Auswechselbarkeit der Brennstoffdüsen,
Fig. 3 c
eine schematische Darstellung der schrägen Brennstoff-Bohrungen,
Fig. 3 d
eine schematische Darstellung des Brennstoff-Ringspaltes mit einem inneren Drallerzeuger,
Fig. 4 a
eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der NOx-Emissionswerte im Abgas von der Brennerleistung für eine ausgewählte Variante eines Verbrennungsluft-Verteilkörpers, wobei ohne Vormischung von Verbrennungsluft zum Brennstoff gearbeitet wurde,
Fig. 4 b
eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der NOx-Emissionswerte im Abgas von der Brennerleistung für eine ausgewählte Variante eines Verbrennungsluft-Verteilkörpers, wobei mit Vormischung von Verbrennungsluft zum Brennstoff gearbeitet wurde (erhöhter Brennstoff-Düsenimpuls),
Fig. 5 a
eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der CO-Emissionswerte im Abgas von der Brennerleistung für eine ausgewählte Variante eines Verbrennungsluft-Verteilkörpers, wobei ohne Vormischung von Verbrennungsluft zum Brennstoff gearbeitet wurde, und
Fig. 5 b
eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der CO-Emissionswerte im Abgas von der Brennerleistung für eine ausgewählte Variante eines Verbrennungsluft-Verteilkörpers, wobei mit Vormischung von Verbrennungsluft zum Brennstoff gearbeitet wurde (erhöhter Brennstoff-Düsenimpuls).
Gemäß Fig. 1 a wird ein zylinderförmiger Feuer- bzw. Brennraum 2 mit einer Längsmittelachse 34 einer Brennereinrichtung von einem kegelförmigen Verbrennungsluft-Verteilkörper 7 und einer umschließenden Außenwand 3 aus Stahl begrenzt. Die Außenwand 3 besteht aus einer zylindrischen Mantelwandung 3a, einer Deckelwandung 3b und einer Bodenwandung 3c. In der schematischen Zeichnung nicht dargestellt sind Feuerraum-Details wie Schauöffnungen zur visuellen Beobachtung der Flammenentwicklung im Feuerraum, Öffnungen für die Zündung des Gas-Luft-Gemisches und zur Temperaturmessung im unteren Teil des Feuerraumes. Nicht dargestellt sind auch eine UV-Sonde zur Überwachung der Flamme und eine Absaugsonde für die Abgasentnahme zur Durchführung der Konzentrationsanalyse des am Abgasaustritt 6 austretenden Abgases. Der Abgasaustritt 6 ist in der Deckelwandung 3b des Feuerraumes angeordnet. Der Feuer- oder Brennraum 2 kann auch polygon als Prisma geformt sein, besitzt aber immer eine waagerecht oder senkrecht angeordnete Längsmittelachse 34.
Für die Flammenausbildung steht im wesentlichen ein Leerraum 1 zwischen der Außenwand 3 und einem Verbrennungsluft-Verteilkörper 7 zur Verfügung. Dieser Leerraum 1 ist derjenige Teil des Feuerraumes 2, der unterhalb einer gedachten Ebene 10 liegt, die auf dem Ende des Kopfteils 9 des kegelstumpfförmigen Verbrennungsluft-Verteilkörpers 7 aufsitzt, dessen Basis 15 an der unteren Bodenwandung 3c des Feuerraumes 2 liegt.
Für Heizungszwecke wird die Wärme von der Außenwand 3 über Kühlwasser abgeführt, das entweder in Rohrschlangen 16 und/ oder in Wasserkammern 17 um die Außenwand 3 strömt.
Der Verbrennungsluft-Verteilkörper 7 besteht aus einfachem Stahlblech mit einer Vielzahl von Öffnungen 11 für den Austritt der Verbrennungsluft in die Verbrennungszone. Während das nahezu waagerechte Kopfteil 9 des Verbrennungsluft-Verteilkörpers geschlossen ist, bleibt dessen Fußteil 8 offen und wird in das Luftzuführungsrohr 18 eingeschraubt. Die gesamte Verbrennungsluft bzw. der größte Teil von ihr (> 70 Vol.% des insgesamt für die Verbrennung benötigten Verbrennungsluftdurchsatzes von 100%) wird über das Innenrohr 18 eines Koaxialrohrs die Verbrennungsluft-Zufuhr 5 in das Innere des Verbrennungsluft-Verteilkörpers 7 mittels eines mit einem Motor 20 versehenen Gebläses 19 eingespeist. Das untere Ende des Innenrohres 18 des Koaxialrohres mündet in die Verbrennungsluftzufuhr 5.
Der gesamte Brennstoff wird separat bzw. mit dem Restteil der Verbrennungsluft vermischt über einen senkrecht zur Längsmittelachse 34 angeordneten Zylinderring 21 zwischen dem Innenrohr 18 und Außenrohr 22 des Koaxialrohres der Verbrennungszone über die Brennstoff-Zufuhr 4 zugeführt. Das untere Ende des Außenrohres 22 des Koaxialrohres mündet in die Brennstoffzufuhr 4.
Der Zylinderring 21 ist direkt am Fußteil des Verbrennungsluft-Verteilkörpers 7 mit einer Düsenreihe 12 versehen. Diese Düsenreihe 12 besitzt eine Vielzahl von um den Verbrennungsluft-Verteilkörper 7 herum angeordneten Brennstoffdüsen 13, die zur Verteilung des Brennstoffs in die Verbrennungszone in zwei zueinander senkrechten, die Längsmittelachse 34 kreuzenden Ebenen beliebig einstellbaren Strahlrichtungen 14 dienen (siehe Fig. 3a-3d).
Untersuchungen wurden mit Erdgas H als Brennstoff durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Formen der Verbrennungsluft-Verteilkörper (siehe Fig. 2a) eingesetzt, wobei die Anzahl der Öffnungen 11 für den Verbrennungsluftaustritt in die Verbrennungszone bzw. deren Größe entlang der Kontur der Verbrennungsluft-Verteilkörper variiert wurden, so daß die Mischverhältnisse verändert werden können, um den Verbrennungsablauf zu steuern.
Die Brennerleistung wurde bei relativ kleinen Verbrennungsluft-Verteilkörpern (Länge 25-30 cm, Breite am Fußteil 2-3 cm und am Kopfteil 0-10 cm, bei einer Länge des Feuer- oder Brennraumes von 80 cm) auf Werte zwischen 10 und 22 kW eingestellt und die Luftzahl zwischen 1,1 und 1,5 variiert. Dies stellt jedoch keine prinzipielle Begrenzung dar. Der in Fig. 1a dargestellte Verteilkörper, auf den sich die Meßwerte in Fig.4 und 5 beziehen, war bei einer Gesamtlänge von ca. 30 cm am Fußteil ca. 2,5 cm breit.
Bei allen Versuchsreihen stellte sich eine dünne, schwachleuchtende (je nach Betriebsvariante auch kaum bzw. nicht sichtbare) stabile turbulente Flamme um den Verbrennungsluft-Verteilkörper 7 herum ein, und ein kompletter Ausbrand war kurz über der Kopfteilebene 10 des Verbrennungsluft-Verteilkörpers 7 zu verzeichnen. Die Flamme berührte die Oberfläche des Verbrennungsluft-Verteilkörpers nicht, sie füllte großflächig den Leerraum 1 aus. Eine intensive Wärmeabgabe an die Außenwand 3 des Feuerraumes war die Folge. Dies führt zwangsläufig zu einem verbesserten und intensiveren Wärmeaustausch mit dem in den bzw. um die Feuerraumwandungen 3a, 3b, 3c angeordneten Wärmeübertragungsmedium in den Rohrschlangen 16 bzw. in den Wasserkammern 17.
Die Kontur des Verbrennungsluft-Verteilkörpers glühte nicht und blieb bei allen Bauformen nach Fig. 2 a relativ kalt (unter 300°C). Die Abgasanalyse ergab, wie die Meßdaten in den Figuren 4 a, 4 b, 5 a und 5 b zeigen, insbesondere bei erhöhtem Brennstoff-Düsenimpuls extrem niedrige NOx- und CO-Emissionswerte, die weit unter den gesetzlichen Grenzwerten für Industriebrenner liegen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht demnach in der Möglichkeit, eine energiesparende und umweltfreundliche Verbrennungsanlage mit kompakter Brenner- und Brennkammer-Form zu bauen, die für die Wärmeerzeugung bei kleineren Leistungen bis 100 kW (wie z.B in Haushaltsgeräten, Wandthermen und Heizkesseln), bei mittleren Leistungen, > 100 kW bis 1 MW (wie z.B. in Heizzentralen, Heizkraftwerken und Biomassenverbrennung) und auch bei größeren Leistungen > 1 MW (wie z.B. in Kraftwerksfeuerungen und Drehrohröfen) geeignet ist.
Fig. 1b zeigt schematisch eine Anordnung von mehreren Verbrennungsluft-Verteilkörpern 7 in einem Brennraum für industrielle Zwecke in der Kraftwerkstechnik. Der Feuerraum 2 hat einen quadratischen Querschnitt; die dargestellten Verbrennungsluft-Verteilkörper haben die gleichen Merkmale wie in Fig. 1 a und werden an der unteren Wandung 3c, wie oben erläutert, installiert. Die Wärmeabfuhr erfolgt über die in der Außenwand eingebauten Wasserrohre 23 sowie über die Verdampfer- und Überhitzerheizflächen 24 und 25. Eine weitere Wärmeauskopplung wird über einen Luftvorwärmer, der die Verbrennungsluft des Brenners vorwärmt, im Abgaskanal erreicht, der in der schematischen Zeichnung nicht dargestellt ist.
Fig. 2 a zeigt schematisch eine Darstellung verschiedener geometrischer Varianten der Verbrennungsluft-Verteilkörper. Diese können eine vierkantquader-, zylinder-, kegel-, polygonprismen- oder pyramidenförmige Gestalt haben oder ihre Kontur kann ellipsoidal oder hyperbolisch ausgebildet sein. Weitere geometrische Bauformen sind möglich. Prinzipiell weisen alle Verbrennungsluft-Verteilkörper einen inneren Hohlraum für die Zuführung der Verbrennungsluft, eine den Hohlraum umschließende dünne mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene bzw. poröse Wand, einen geschlossenen Kopfteil und einen offenen Fußteil auf. Die Abmessungen der Verbrennungsluft-Verteilkörper und die Anzahl und Geometrie der Öffnungen auf deren Umfang sollen so gewählt werden, daß sie einen gesteuerten Verbrennungsablauf um den Verbrennungsluft-Verteilkörper gewährleisten. Das heißt, daß mit der Wahl dieser Parameter die Luftabgabe an den Verbrennungsbereich in Abhängigkeit von der Brennerleistung gemäß den spezifischen Anforderungen eines Feuerungsprozesses so gesteuert werden soll, daß auf größerem Verbrennungsbereich eine unterstöchiometrische Verbrennung stattfindet und der völlige Ausbrand erst nahe dem Kopfteil des Verbrennungsluft-Verteilkörpers abgeschlossen wird. Messungen zeigten, daß für unterschiedliche Brennerleistungen verschiedene Abmessungen der Verbrennungsluft-Verteilkörper erforderlich sind. Deshalb sind die Verbrennungsluft-Verteilkörper für bestimmte Lastbereiche gesondert anzufertigen und auswechselbar zu gestalten; dies kann, wie dies Fig. 2 b schematisch verdeutlicht, folgendermaßen geschehen: Der Fußteil 8 des Verbrennungsluft-Verteilkörpers 7 wird mit einer Außengewinde 26 und das Luftzuführungsrohr 18 am Rohraustritt mit einem Innengewinde 27 versehen. Der Verbrennungsluft-Verteilkörper 7 wird in das Luftzuführungsrohr 18 eingeschraubt.
Prinzipiell haben die Messungen bestätigt, daß, um eine stabile schadstoffarme und vollkommene Verbrennung zu erreichen, folgende Daten am Verbrennungsluft-Verteilkörper eingestellt werden sollen (siehe Fig. 1 a):
Die Länge (A) der Verbrennungsluft-Verteilkörper 7 beträgt ≥ 40 - 85 % der Feuerraum-Länge (B), der Durchmesser (C) des Verbrennungsluft-Verteilkörpers 7 am Fußteil 8 beträgt ≥ 10% des Feuerraum-Durchmessers (D), und die Porösität des Verbrennungsluft-Verteilkörpers beträgt < 20%.
Fig. 3 a zeigt eine schematische Darstellung von Varianten der Strahlrichtungen der Brennstoffdüsen 13, die in einer Düsenreihe 12 oder mehreren Düsenreihen am Fußteil des Verbrennungsluft-Verteilkörpers 7 positioniert und um diesen angeordnet sind. Eine Düsenreihe 12 enthält eine Vielzahl von Düsen, deren Strahlrichtung 14 sowohl in Längsmittelachse wie auch schräg zu ihr veränderbar ist. Dies erlaubt einerseits die Verteilung des Brennstoffes auf unterschiedliche Konturbereiche des Verbrennungsluft-Verteilkörpers, was zur gezielten Kontrolle der Mischverhältnisse beiträgt und die Zündung begünstigt. Andererseits kann mittels einer geeigneten Neigung der Strahlrichtung eine Brennstoffverdrallung erzeugt werden, die zur intensiveren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft und zur längeren Aufenthaltszeit der Brennstoffteilchen im Flammenbereich führt. Beide Brennstoff-Düseneinstellungen (axiale und tangentiale Neigung) gewährleisten gemeinsam in Verbindung mit der stufenlos fließenden Luft aus den Öffnungen der Verbrennungsluft-Verteilkörper eine NOx- und CO-arme Verbrennung. Bei den durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß der optimale Bereich der axialen und tangentialen Neigungswinkel der Brennstoffdüsen von ca. -45° bis +45° bezogen auf die Längsrichtung der Verbrennungszone beträgt. Die Winkeleinstellung hängt von der Form des Verbrennungsluft-Verteilkörpers ab und hat einen großen Einfluß auf die Qualität der Verbrennung. Die Beimischung geringer Luftmengen (< 30° des VerbrennungsluftVolumenstroms) mit dem Brennstoff führt infolge des erhöhten Impulses zu verbesserter Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft und zum schnelleren Erreichen der Zündgrenze. Die NOx -Werte sinken dabei drastisch.
Die Düsenreihen sind für verschiedene Lastbereiche zu fertigen und sollen auswechselbar sein; das kann z. B. folgendermaßen geschehen, wie Fig 3 b zeigt: Der Koaxialring 21 wird direkt vor dem Eintitt des Brennstoffes in den Feuerraum geschlossen und mit Verbindungskanälen 32 für die Brennstoffzufuhr in den Feuerraum versehen, die Kanäle 32 weisen Innengewinde 33 und die Brennstoffdüsen 13 Außengewinde 28 auf. Die Brennstoffdüsen 13 werden in die Verbindungskanäle 32 eingeschraubt.
Anstelle der Brennstoffdüsen 13 innerhalb einer Düsenreihe 12 können schräge Bohrungen 29 bzw. ein Ringspalt 30 mit einem inneren Drallerzeuger 31 verwendet werden, wie dies Fig. 3 c und 3 d verdeutlichen.
Durch die Vielfalt der Konstruktionsmöglichkeiten der Brennstoffdüsen ist die Anwendung flüssiger, gas- oder staubförmiger Brennstoffe möglich.
Die graphischen Darstellungen in Fig. 4 a und 5 a zeigen die im Abgas gemessenen NOx- und CO-Emissionswerte in Abhängigkeit von der Brennerleistung bei unterschiedlichen Luftzahlen für die in Fig. 1 a dargestellte Variante mit dem kegelförmigen Verbrennungsluft-Verteilkörper. Als Brennstoff wurde Erdgas H mittels einer einzigen Düsenreihe eingespeist, wobei die Düsen so eingestellt wurden, daß jede zweite Düse mit einem schwachen Drall versehen war. Während die Brennerleistung für die relativ kleine Versuchsanlage zwischen 10 und 22 kW variiert wurde, sind Luftzahlen für den bei Feuerungsanlagen üblichen und interessanten Bereich von 1,2 bis 1,5 eingestellt worden. Die dargestellten NOx- und CO-Emissionswerte sind auf 3 Vol.% O2 im Abgas umgerechnet worden, damit ein Vergleich mit den Grenzwerten der TA-Luft möglich wird.
Aus Fig. 4 a ist deutlich erkennbar, daß die NOx-Emissionswerte bei dieser Variante des Verbrennungsluft-Verteilkörpers geringfügig mit der Brennerlast aufgrund steigender Verbrennungstemperaturen ansteigen. Da die Flammentemperatur jedoch unter 1200 °C bei allen untersuchten Lastbereichen bleibt, tendieren die NOx-Emissionswerte bei höheren Leistungen zu einem konstanten Verlauf. Eine Erhöhung der Luftzahl führt zu einer drastischen Verringerung der NOx-Emissionswerte. So fällt z.B. ihr Maximum bei der Luftzahl 1,2 und der Leistung 22 kW von 31 ppm auf 19,5 ppm bei der Luftzahl 1,5 und derselben Last.
Entscheidend für die weitere Herabsetzung der NOx-Emissionswerte ist der Einfluß der Impulserhöhung durch die Brennstoffdüsen. So führt eine geringfügige Luftzugabe mit dem Brennstoff zu starker Verwirbelung und besserer Mischung zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft. Die Zündgrenze wird eher erreicht. Weiterhin wird die Flamme dünner, großflächiger und brennt im vorliegenden Beispiel bereits bei einer Zumischung von ca. 20 % Verbrennungsluft zum Brennstoff kaum bzw. nicht sichtbar. Fig. 4 b zeigt bei einer Zumischung von ca. 20 % Verbrennungsluft zum Brennstoff und ansonsten gleichen Einstellungen wie in Fig. 4 a extrem niedrige NOx-Emissionswerte für alle Luftzahlen und bei allen untersuchten Lastbereichen.
Betrachtet man die entsprechenden CO-Emissionswerte in Fig. 5 a, so stellt man fest, daß diese allgemein sehr gering sind und zum völligen Verschwinden (Nullwerte) mit steigender Brennerlast und Luftzahl tendieren. Die Impulserhöhung der Brennstoffdüsen durch die Zumischung von ca. 20 % Verbrennungsluft zum Brennstoff führt, wie Fig. 5b zeigt, zu einer vollkommenen Verbrennung. Die Abgase sind bei Luftzahlen größer als 1,05 und bei allen untersuchten Leistungen CO-frei. Dieses Verhalten hinsichtlich der CO-Emission ist auch für alle anderen Formen der Verbrennungsluft-Verteilkörper typisch. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, daß durch geeignete Einstellung der Brennstoffdüsen die Nullwerte der CO-Emission sehr schnell eintreten können.
Einen besonderen Einfluß auf die NOx- und CO-Bildung besitzt die axiale und tangentiale Einstellung der Brennstoffdüsen, wobei sich jedoch je nach dem eingesetzten Verbrennungsluft-Verteilkörper unterschiedliche optimale Winkelpositionen ergeben.
Insgesamt kann festgestellt werden, daß die NOx- und CO-Emissionswerte der neuen Brennereinrichtung wesentlich unter den Grenzwerten der TA-Luft (NO: 114 ppm, CO: 93 ppm) und der neuen BImSchV (NO: 45 ppm, CO: 55 ppm) liegen und daß sogar die Erzeugung von CO-freiem Abgas aus Verbrennungsprozessen möglich ist.

Claims (14)

  1. Feuerraum mit einer Brennereinrichtung für eine NOx- und CO-arme Verbrennung mit vorwiegend separater Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zu dem Feuerraum, wobei die gesamte oder der größte Teil der Verbrennungsluft an mehreren Raumpunkten kontinuierlich gestuft und dem Feuerraum zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    a) ein Koaxialrohr (18, 22) vorgesehen ist, an dessen einen Ende das Innenrohr (18) mit mindestens einer Speiseleitung (5) für die Verbrennungsluftzufuhr und das Außenrohr (22) mit mindestens einer Speiseleitung (4) für die Zufuhr von Brennstoff bzw. Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch verbunden ist und an dessen anderen Ende ein Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) mit dem Innenrohr (18) dicht verbunden ist und mindestens eine mehrere Brennstoffdüsen (13) aufweisende Düsenreihe (12) den Zylinderring (21) zwischen Innen- (18) und Außenrohr (22) dicht verschließt,
    b) der Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) aus einem langgestreckten inneren Hohlraum besteht, der von einer dünnen gelochten bzw. porösen Wand umschlossen wird und einen geschlossenen Kopfteil (9), einen offenen Fußteil (8) und eine Vielzahl von verteilt angeordneten Öffnungen (11) für den Austritt von Verbrennungsluft in die Verbrennungszone aufweist,
    c) der Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) mit seinem offenen Fußteil (8) mit dem Innenrohr (18) des Koaxialrohres dicht verbunden wird,
    d) das Verhältnis (A/B) der Länge (A) des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) zur Länge (B) des Feuerraums (2) und das Verhältnis (C/D) des Außendurchmessers (C) des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) am Fußteil (8) zum Innendurchmesser (D) des Feuerraumes (2) so bemessen sind, daß ein zündfähiges Gemisch entsteht und sich eine stabile Verbrennung einstellt,
    e) die Strahlrichtung (14) der Brennstoffdüsen innerhalb derselben Düsenreihe (12) und/oder die Strahlrichtung (14) der Brennstoffdüsen benachbarter Düsenreihen (12) getrennt einstellbar ist,
    f) die Brennereinrichtung in den Feuerraum (2) so eingebaut ist, daß sie die ihn umschließende Außenwand (3) durchdringt und mit ihr eine dichte Verbindung aufweist und das Ende des Koaxialrohrs (18, 22) mit den Speiseleitungen für Verbrennungsluft - und Brennstoffzufuhr (5 und 4) außerhalb des Feuerraumes (2) bleibt, die gesamte Länge des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) sich im Feuerraum (2) befindet und die Brennstoffdüsen (13) in den Feuerraum (2) hineinragen, jedoch den Abstand vom Fußteil (8) des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) bis zum Beginn der Öffnungen (11) nicht überschreiten,
    g) die Verbrennungszone im Feuerraum (2) zur gleichen Zeit die Zone für die komplette Vermischung der Verbrennungsluft aus den Öffnungen (11) mit dem Brennstoff bzw. Brennstoff-Luft-Gemisch aus den Brennstoffdüsen (13) ist,
    h) das Volumen und die Geometrie der Verbrennungszone im wesentlichen dem Volumen und der Geometrie des Leerraumes (1) entspricht, welcher von der den Feuerraum (2) umschließenden Außenwand (3), der Außenkontur der Verbrennungsluft-Verteilkörper (7), und einer innerhalb des Feuerraums (2) angeordneten und auf dem Ende des Kopfteils (9) des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) aufsitzenden, gedachten Ebene (10) begrenzt ist.
  2. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) die Porösität des Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) so bemessen wird, daß sich in der Verbrennungszone vorgegebene Wertebereiche der Luftzahl λ vom unterstöchiometrischen Bereich in der Umgebung der Fußteile (8) bis zum überstöchiometrischen Bereich in der Umgebung der Kopfteile (9) näherungsweise einstellen,
    b) die Anordnung und die Anzahl der Öffnungen (11) auf der Kontur der Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) so gewählt werden, daß der Impuls der Verbrennungsluftströme aus den Öffnungen (11) die Flamme vom Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) wegbläst, so daß keine Verbrennung an der Wand des Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) stattfindet und diese Wand keine Glühung aufweist,
    c) Mittel zur Zündung des in der Verbrennungszone entstandenen Gemischs in der Nähe der Brennstoffdüsen vorhanden sind.
  3. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der innere Hohlraum des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) von einer einzigen Wand umschlossen wird, die vierkantquader-, zylinder-, kegel-, poligonprismen- oder pyramidenförmige Gestalt aufweist oder ihre Kontur ellipsoidal oder hyperbolisch ausgebildet ist.
  4. Feuerraum Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wand des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) aus porösen keramischen Werkstoffen oder aus metallischen Werkstoffen bestehen, die als Sieb, Lochblech, Drahtgeflecht, Gitter oder Metallgeflecht ausgebildet sind, oder daß der Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) als Drahtpreßkörper oder Sinterkörper ausgebildet ist.
  5. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) Leiteinrichtungen zur Erzeugung einer Drallströmung der Verbrennungsluft aufweisen.
  6. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) und/oder die Düsen (13) bzw. Düsenreihen (12) auswechselbar ausgebildet sind.
  7. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Strahlrichtung (14) der Brennstoffdüsen (13) innerhalb derselben Düsenreihe (12) und/oder benachbarter Düsenreihen (12) auf unterschiedliche Längenbereiche der Verbrennungsluft-Verteilkörper (7) zielt, und/oder die Brennstoffdüsen (13) so geneigt angeordnet sind, daß der Brennstoff-strömung ein Drall verliehen wird.
  8. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennstoffdüsen (13) innerhalb einer Düsenreihe (12) als schräge Bohrungen (29) bzw. als Ringspalt (30) mit einem inneren Drallerzeuger (31) ausführbar sind.
  9. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Brennraum (2) zylinderförmig ausgebildet ist und eine Wandung (3, 16, 17) zur Wärmeabfuhr aufweist.
  10. Feuerraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Länge (A) des Verteilkörpers (7) zwischen 30% und 85% der Länge (B) des Brennraums (2) beträgt, und daß der Durchmesser (C) des Verteilkörpers (7) im Bereich der Brennstoffauslässe zwischen 10% und 60% des Innendurchmessers (D) der Brennraumwandung (3a) beträgt.
  11. Feuerraum nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
    daß im Brennraum (2) stromab des Verteilkörpers (7) ein weiterer Wärmetauscher (24) vorgesehen ist.
  12. Feuerraum nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennstoffdüsen (13) parallel zueinander und zum Zylinderring (21) geneigt angeordnet sind, so daß sich ein Ringdrall ergibt oder divergierend oder konvergierend zum Düsenkreis (35) am Zylinderring (21) geneigt angeordnet sind, so daß sich eine erweiternde oder kontraktierende Strömung ergibt oder in beiden Richtungen geneigt am Zylinderring (21) angeordnet sind
  13. Verfahren zum Betreiben eines Feuerraums nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) ca. 70 bis 100 Vol-% des insgesamt zugeführten Verbrennungsluftdurchsatzes mittels mindestens eines Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) in hauptsächlich radialer Richtung in die von der Flamme ausgefüllte Verbrennungszone entlang der gesamten oder großer Teile der Flammenlänge eingespeist wird, und sich dort mit dem Brennstoff bzw. Brennstoff-Luft-Gemisch aus den Brennstoffdüsen (13) vermischt,
    b) der Brennstoff in die Verbrennungszone mittels der Brennstoffdüsen (13) im Bereich der Flammenbasis am Fußteil des Verbrennungsluft-Verteilkörpers (7) und um diesen herum eingespeist wird,
    c) dem Brennstoff vor dem Eintritt in die Verbrennungszone der restliche Volumenanteil der für die Verbrennung benötigten Verbrennungsluft zugemischt wird,
    d) das in der Verbrennungszone (1) entstandene Gemisch in der Nähe der Brennstoffdüsen (13) entzündet wird und es in derselben Zone ohne weitere Aufteilung ausbrennt,
    e) die Flamme sich im gesamten Raum der Verbrennungszone (1) ausbildet und die Verbrennungsabgase durch die gedachte Ebene (10) hindurch ohne Behinderung ausströmen und den Feuerraum durch die Abgasöffnung (6) verlassen,
    f) je nach Betriebsparameter und Brennstoffart eine bestimmte Winkeleinstellung der Brennstoffdüsen (13), der Bohrungen (29) oder des Drallerzeugers (31) in Kombination mit einem bestimmten Mischungsverhältnis der Verbrennungsluft im Brennstoffstrom vorgenommen wird, zur Erreichung einer sichtbaren oder einer nicht sichtbaren Flamme und / oder eines Minimums der NOx- und CO-Emissionswerte im Abgas.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Brennstoff bzw. das Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Winkelbereich von ca. - 45° bis .+ 45°, bezogen auf die Längsrichtung der Verbrennungszone, eingespeist wird, und
    der Anteil der Verbrennungsluft im eingespeisten Brennstoffstrom in einem Wertebereich von 0 bis ca. 30 Vol.% des insgesamt zugeführten Verbrennungsluftdurchsatzes liegt.
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