EP0857915B1 - Verfahren und Brennkopf zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen - Google Patents

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EP0857915B1
EP0857915B1 EP97122516A EP97122516A EP0857915B1 EP 0857915 B1 EP0857915 B1 EP 0857915B1 EP 97122516 A EP97122516 A EP 97122516A EP 97122516 A EP97122516 A EP 97122516A EP 0857915 B1 EP0857915 B1 EP 0857915B1
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EP
European Patent Office
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flame tube
burner head
burner
flame
combustion
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EP0857915A2 (de
EP0857915A3 (de
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Ekkehart Freund
Thomas Schmidt
Jürgen Stittrich
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Elco Kloeckner Heiztechnik GmbH
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Elco Kloeckner Heiztechnik GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/006—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • 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 
    • F23C2202/00—Fluegas recirculation
    • F23C2202/30—Premixing fluegas with combustion air

Definitions

  • the invention relates to a burner head on burners for gas and / or Oil firing systems can be used as well as a process for Combustion of liquid or gaseous fuels in the above Investments.
  • the document EP 0 491 079 A1 has a burner head of a combustion system and describes a method for burning liquid fuels, the burner head having two separate air channels, furthermore providing an orifice on the atomizing nozzle and a premixing tube and a burnout tube.
  • the publication teaches that the flame front only comes to ignition at the end of the premixing tube and thus within the burner head.
  • the burnout tube has an extension compared to the premixing tube, at the transition of which an annular vortex, which is spatially limited, forms, which supports the flame stabilization.
  • the mixture is also ignited directly behind the transition from the premixing tube to the burnout tube within the ring vortex and thus within the burner head.
  • the object of the invention is to provide a method and a burner head which considerably reduces the formation of NO x during combustion and which enables the fuel to be burned at the lowest possible flame temperature and with low energy consumption.
  • the process of burning gaseous and liquid fuels in combustion plants with one protruding into the combustion chamber of a boiler Burning head of a burner is characterized in that an air flow for the combustion is carried out by a swirl body, and that on one downstream section of the flame tube by means of guide devices and Breakthroughs on the flame tube create a negative pressure, and that the Exhaust gas from combustion is sucked in through the openings and with the combustion air is mixed, and that in the combustion chamber Exhaust gas with the one not yet ignited injected into the combustion chamber Fuel is mixed, and that a flame front at a distance in front the burning head is generated.
  • Swirl body and at least one Atomizer nozzles for the supply of fuel are in a flame tube arranged, which as part of a burner head of a burner in the Combustion chamber of a boiler protrudes.
  • an inner swirl flow is generated which, together with the swirl braids generated by the openings or guide devices and the axial air flow, leads to a return of exhaust gases from the combustion chamber of the boiler with low oxygen proportions and to an intensive mixing of not yet ignited fuel, exhaust gas and air.
  • the formation of a flame front is not generated directly on or in the burner head, as is customary in conventional burners, but at a certain distance in front of the burner head, with the result that an intensive mixing of exhaust gas from the combustion chamber of the boiler with the one that has not yet ignited into the combustion chamber air-gas-fuel mixture entering the boiler is possible.
  • This method advantageously brings about a reduction in the flame temperature and thus greatly reduces the NO x formation.
  • the burner head consists of a flame tube, at least one Atomizer nozzle (1) and / or at least one gas nozzle (2), the Flame tube consists of an approximately cylindrical section (3), which then merges into a tapered section (8), at which downstream one another approximately cylindrical section is arranged, in which downstream section in the flame tube openings (5) and inwardly projecting guide devices (4) are arranged, and in that Flame tube at least one swirl body (6) is arranged.
  • this burner head it is possible to generate a swirl flow in the burner head and to return exhaust gas to the burner head, so that better mixing of air, fuel and exhaust gas is possible. Furthermore, it becomes possible to create a stable flame front in front of the burning head.
  • the distance between the flame front and the burner is characterized by a mixing zone consisting of exhaust gases, combustion air and fuels, which has significantly lower temperatures than the burning flame.
  • the swirl body is axially displaceable. This optimizes the swirl flow.
  • a preferred embodiment is also the arrangement of passages in the swirl body through which the air can be supplied axially, the Distance of the flame front from the burner head is positively influenced.
  • the guide devices on the flame tube are preferably triangular in shape trained and in the direction of the mixing zone located in front of the combustion chamber aligned. This form of guidance system leads to an effective one and effective training of vertebrae, which the mixing of the Promote exhaust gases, combustion air and fuel. As special effective angle between the guide devices and the flame tube there is an angle between 30 and 40 degrees.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a burning head
  • Figure 2 the schematic formation of a flame by the invention Burning head caused.
  • FIG 1 is a burning head for the combustion of gaseous and liquid Shown fuels.
  • the burner head is on the burner different designs can be used. Such a burner can for example part of firing systems for hot water boilers, Steam generators, thermal oil heaters, hot gas generators or others Be a heat generator.
  • the burner protruding into the combustion chamber 17 consists of a flame tube consisting of two cylindrical sections 3 and a tapered section 8. Just before or in section 8 is a slidable swirl body 6 in the axial direction arranged.
  • the cylindrical one closest to the combustion chamber 17 Section of the flame tube 3 is in the interior of the flame tube 3 protruding - bodies or guide devices 4, which preferably as triangular wings are formed, as well as recesses or Openings 5 provided.
  • the fuel is supplied by the line 13 and the atomizing nozzle 1 in liquid or through the Feed 12 and the gas nozzles 2 for gaseous fuels.
  • An internal swirl flow is generated with the swirl body 6.
  • the swirl body can have an optimized ratio of Axial air pulse to swirl pulse are generated.
  • a negative pressure is generated which Intake of exhaust gases from the combustion chamber or combustion chamber 17 through the Openings 5 leads.
  • the wings 4 in the air flow or air gas flow act as Vortex generators. This creates two downstream of each wing opposite pegs.
  • the swirl body (s) 6 are displaceable on one or more Brackets 10 attached.
  • FIG 2 the formation of the mixing zone 16 or the flame 18 is shown schematically.
  • the burner head is guided through the wall of the combustion chamber by means of a burner muffle 9.
  • the exhaust gas recirculation is brought about by the inflow of gas through the openings 5 on the one hand and by the suction of exhaust gas (represented by the arrows 14) into the non-burning evaporation or mixing zone 16.
  • the formation of a flame front 15 takes place only at a certain distance from the Burning head in the combustion chamber 17.
  • the hot flame 18 only forms from this flame front 15 and burns the exhaust gas, combustion air and fuel mixture. This is achieved through the combined effect of internal swirl impulse flow, axial air flow and the intense turbulence of the vortex braids.
  • Local stabilization can be supported by a pilot burner or auxiliary burner 7 (not shown in FIG. 2).

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Description

Die Erfindung betrifft einen Brennkopf, der an Brennern für Gas- und/oder Ölfeuerungsanlagen verwendet werden kann sowie ein Verfahren zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in den genannten Anlagen.
Die Immission von Verbrennungsgasen aus Gas- und Ölfeuerungsanlagen verursacht erhebliche Umweltbelastungen durch bei der Verbrennung entstehende Schadstoffe. Die Bildung einiger Schadstoffe kann durch Primärmaßnahmen an der Feuerführung bzw. am Brenner beeinflußt und wirksam reduziert werden. Bei der Reduzierung der Umweltbelastungen kommt der Zuführung der Verbrennungsluft, der des Einsatzes des Brennstoffes sowie der Mischung mit rückgeführten Abgasen große Bedeutung zu.
Die Druckschrift EP 0 491 079 A1 weist einen Brennkopf einer Feuerungsanlage auf und beschreibt ein Verfahren zum Verbrennen von flüssigen Brennstoffen, wobei der Brennkopf zwei voneinander getrennte Luftkanäle aufweist, des Weiteren eine Blende an der Zerstäubungsdüse sowie ein Vormischrohr und ein Ausbrandrohr vorsieht. Die Druckschrift lehrt, dass die Flammenfront erst am Ende des Vormischrohres zur Zündung gelangt und somit innerhalb des Brennkopfes. Das Ausbrandrohr weist gegenüber dem Vormischrohr eine Erweiterung auf, an dessen Übergang sich ein Ringwirbel, der räumlich begrenzt ist, bildet, der die Flammenstabilisierung unterstützt. Auch die Zündung des Gemisches erfolgt direkt hinter dem Übergang vom Vormischrohr in das Ausbrandrohr innerhalb der Ringwirbel und damit innerhalb des Brennkopfes. Die Erweiterung beim Übergang zwischen Vormischrohr und Ausbrandrohr ist ganz wesentlich für die gewünschte Reduzierung der NOx-Emission, da die Druckschrift als Alternative zur Erweiterung des Ausbrandrohres und der Verdrallung der Flamme zwecks Stabilisierung der Flamme im Brennkopf vorschlägt, einen Störkörper am Ende des Vormischrohres anzuordnen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Nachteil der Lehre der EP 0 491 079 A1 ist jedoch, dass aufwändige Einbauten notwendig sind beziehungsweise komplizierte, im Inneren des Brennkopfes aufzubauende Ringwirbel erforderlich werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens sowie eines Brennkopfes, welches die NOx-Bildung bei der Verbrennung erheblich verringert sowie eine Verbrennung des Brennstoffes bei möglichst niedriger Flammentemperatur sowie geringem Energieeinsatz möglich macht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 und 2 gelöst. Die Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Das Verfahren zur Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in Feuerungsanlagen mit einem in den Brennraum eines Kessels ragenden Brennkopf eines Brenners ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftstrom für die Verbrennung durch einen Drallkörper geführt wird, und daß an einem stromabgelegenen Abschnitt des Flammrohres mittels Leiteinrichtungen und Durchbrechungen am Flammrohr ein Unterdruck erzeugt wird, und daß das Abgas aus der Verbrennung durch die Durchbrechungen angesaugt und mit der Verbrennungsluft vermischt wird, und daß das im Brennraum befindliche Abgas mit dem in den Brennraum eingedüsten noch nicht entzündeten Brennstoff vermischt wird, und daß eine Flammenfront in einem Abstand vor dem Brennkopf erzeugt wird. Drallkörper und wenigstens eine Zerstäuberdüse für die Zufuhr von Brennstoff sind in einem Flammrohr angeordnet, welches als Teil eines Brennkopfes eines Brenners in den Brennraum eines Kessels ragt.
Mit der Führung des Luftstromes durch den Drallkörper wird eine innere Drallströmung erzeugt, die zusammen mit der durch die Öffnungen bzw. Leiteinrichtungen erzeugten Wirbelzöpfe sowie dem Axialluftstrom zu einer Rückführung von Abgasen aus dem Brennraum des Kessels mit geringen Sauerstoffanteilen sowie zu einer intensiven Durchmischung von noch nicht entzündetem Brennstoff, Abgas und Luft führt. Darüber hinaus wird die Ausbildung einer Flammenfront nicht unmittelbar am oder im Brennkopf, wie bei konventionellen Brennern üblich, sondern in einem gewissen Abstand vor dem Brennkopf erzeugt, womit eine intensive Vermischung von Abgas aus dem Brennraum des Kessels mit dem noch nicht entzündeten, in den Brennraum des Kessels eintretenden Luft-Gas- Brennstoffgemisch möglich wird. Durch dieses Verfahren wird vorteilhaft eine Herabsetzung der Flammentemperatur bewirkt und somit die NOx-Bildung stark vermindert. Insbesondere beim Verbrennen von flüssigen Brennstoffen kommt es zu einer vergrößerten Einmischfläche von Abgasen in den Ölnebel sowie zu einer verstärkten Vorverdampfung des Ölnebels.
Der Brennkopf besteht aus einem Flammrohr, mindestens einer Zerstäuberdüse (1) und/oder mindestens einer Gasdüse (2), wobei das Flammrohr aus einem in etwa zylindrischen Abschnitt (3) besteht, der dann in einen sich verjüngenden Abschnitt (8) übergeht, an welchem stromab ein weiterer in etwa zylindrischer Abschnitt angeordnet ist, wobei in dem stromabgelegenen Abschnitt in dem Flammrohr Durchbrechungen (5) und nach innen ragende Leiteinrichtungen (4) angeordnet sind, und daß in dem Flammrohr mindestens ein Drallkörper (6) angeordnet ist.
Mit diesem Brennkopf wird es möglich, in dem Brennkopf eine Drallströmung zu erzeugen sowie in den Brennkopf Abgas zurückzuführen, so daß eine bessere Vermischung von Luft, Brennstoff und Abgas möglich wird. Des weiteren wird es möglich, eine stabile Flammenfront vor dem Brennkopf zu erzeugen. Der Abstand zwischen Flammenfront und Brenner ist gekennzeichnet durch eine Mischzone aus Abgasen, Verbrennungsluft und Brennstoffen, die wesentlich geringere Temperaturen aufweist als die brennende Flamme. Mittels dieses Brennkopfes kann der NOx-Gehalt der Abgase aus mit diesem Brennkopf ausgerüsteten Gas-, Heizöl- oder Mehrstoffeuerungen, und somit die Umweltbelastung, gesenkt werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Drallkörper axial verschiebbar. Damit wird eine Optimierung der Drallströmung erreicht.
Eine bevorzugte Ausführung ist auch die Anordnung von Durchlässen in dem Drallkörper, durch die die Luft axial zugeführt werden kann, die den Abstand der Flammenfront vom Brennkopf positiv beeinflußt.
An dem Flammrohr sind bevorzugt die Leiteinrichtungen in dreieckiger Form ausgebildet und in Richtung der vor dem Brennraum befindlichen Mischzone ausgerichtet. Diese Form von Leiteinrichtungen führt zu einer wirkungsvollen und effektiven Ausbildung von Wirbelzöpfen, die die Durchmischung der Abgase, Verbrennungsluft und des Brennstoffes fördern. Als besonders effektiver Winkel zwischen den Leiteinrichtungen und dem Flammrohr hat sich ein Winkel zwischen 30 und 40 Grad ergeben.
Bei der Verwendung von Gasdüsen, welche im Flammrohr angeordnet sind, hat es sich als für die Vermischung ebenfalls positiv herausgestellt, daß die Gasdüsenöffnungen zur Wandung des Flammrohrs ausgerichtet sind.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der beiden Zeichnungen erläutert. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Brennkopf, Figur 2 die schematische Ausbildung einer Flamme durch den erfindungsgemäßen Brennkopf hervorgerufen.
In Figur 1 ist ein Brennkopf zur Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen dargestellt. Der Brennkopf ist an Brennern der unterschiedlichsten Bauart einsetzbar. Ein derartiger Brenner kann beispielsweise Bestandteil von Feuerungsanlagen für Warmwasserkessel, Dampferzeuger, Thermalölerhitzer, Heissgaserzeuger oder andere Wärmeerzeuger sein. Der in den Brennraum 17 hereinragende Brennkopf besteht aus einem Flammrohr, das sich aus zwei zylindrischen Abschnitten 3 sowie einem sich verjüngenden Abschnitt 8 zusammensetzt. Kurz vor oder in dem Abschnitt 8 ist in axialer Richtung ein verschiebbarer Drallkörper 6 angeordnet. Der dem Brennraum 17 am nächsten gelegene zylindrische Abschnitt des Flammrohres 3 ist mit in das Innere des Flammrohres 3 hineinragenden - Körpern oder Leiteinrichtungen 4, die vorzugsweise als dreieckige Flügel ausgebildet sind, sowie Aussparungen oder Durchbrechungen 5 versehen. Die Zuführung der Brennstoffe erfolgt durch die Leitung 13 sowie die Zerstäubungsdüse 1 bei flüssigen bzw. durch die Zuführung 12 sowie die Gasdüsen 2 bei gasförmigen Brennstoffen.
Mit dem Drallkörper 6 wird eine innere Drallströmung erzeugt. Durch die axiale Einstellung des Drallkörpers kann ein optimiertes Verhältnis von Axialluft-Impuls zu Drall-Impuls erzeugt werden. Bei der Anströmung der Flügel 4 durch die Verbrennungsluft 11 wird ein Unterdruck erzeugt, der zur Ansaugung von Abgasen aus dem Feuerraum bzw. Brennraum 17 durch die Öffnungen 5 führt. Die Flügel 4 im Luftstrom bzw. Luftgasstrom wirken als Wirbelgeneratoren. Dadurch bilden sich stromab hinter jedem Flügel zwei gegenläufige Wirbelzöpfe aus.
Der oder die Drallkörper 6 sind an einer oder mehreren verschiebbaren Halterungen 10 befestigt.
In Figur 2 ist schematisch die Ausbildung der Mischzone 16 bzw. der Flamme 18 dargestellt. Der Brennkopf wird durch die Wand des Feuerraumes mittels einer Brennermuffel 9 geführt. Die Abgasrezirkulation wird bewirkt durch das Einströmen von Gas durch die Öffnungen 5 einerseits wie auch durch das Einsaugen von Abgas (durch die Pfeile 14 dargestellt) in die nicht brennende Verdampfungs- bzw. Vermischungszone 16. Die Herausbildung einer Flammenfront 15 erfolgt erst in gewissem Abstand vom Brennkopf im Brennraum 17. Die heiße Flamme 18 bildet sich erst ab dieser Flammenfront 15 aus und verbrennt das Abgas-, Verbrennungsluft- und Brennstoffgemisch. Erreicht wird dies durch die kombinierte Wirkung von innerem Drallimpulsstrom, Axialluftstrom und der intensiven Turbulenz der Wirbelzöpfe. Eine örtliche Stabilisierung kann unterstützt werden durch einen Pilotbrenner oder Stützbrenner 7 (in Figur 2 nicht dargestellt). Die Ausbildung der Flammenfront 15 vor dem Brennkopf führt in Verbindung mit der Abgaseinsaugung durch die Öffnungen 5 im Flammrohr und der Erhöhung der Mischintensität durch die Wirbelgeneratoren zur Herabsetzung der Flammentemperatur und damit zu stark verminderter NOx-Bildung.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Verbrennen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen mit einem in den Brennraum eines Kessels ragenden Brennkopf eines Brenners, dessen Flammrohr wenigstens eine darin angeordnete Düse für die Zufuhr von Brennstoff sowie mindestens einen Drallkörper aufweist, wobei ein Teil des Luftstromes für die Verbrennung durch den Drallkörper geführt wird, und wobei an dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Flammrohres durch Leiteinrichtungen und Durchbrechungen des Flammrohres ein Unterdruck erzeugt wird, wobei das Abgas aus der Verbrennung mit der Verbrennungsluft gemischt wird, und wobei das im Brennraum des Kessels befindliche Abgas mit dem in den Brennraum des Kessels eintretenden noch nicht entzündeten Brennstoff vermischt wird, und wobei eine Flammenfront in einem Abstand stromab vor dem Brennkopf erzeugt wird.
  2. Brennkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Flammrohr, mindestens einer Zerstäuberdüse (1) und/oder mindestens einer Gasdüse (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr aus einem in etwa zylindrischen Abschnitt (3) besteht, der dann in einen sich verjüngenden Abschnitt (8) übergeht, in welchem stromab ein weiterer in etwa zylindrischer Abschnitt (3) angeordnet ist, wobei in dem stromab gelegenen Abschnitt des Flammrohres Durchbrechungen (5) und nach innen ragende Leiteinrichtungen (4) angeordnet sind, und daß in dem Flammrohr mindestens ein Drallkörper (6) angeordnet ist.
  3. Brennkopf nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkörper axial verschiebbar ist.
  4. Brennkopf nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß an dem Drallkörper Durchlässe angeordnet sind.
  5. Brennkopf nach Anspruch 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtungen (4) dreieckig ausgebildet sind und zum Feuerraum ausgerichtet sind.
  6. Brennkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Leiteinrichtung (4) und Flammrohr 30 bis 40 Grad beträgt.
  7. Brennkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Gasdüse (2) zu der Wandung des Flammrohres ausgerichtet ist.
  8. Brennkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß an dem Flammenrohr ein Zündbrenner angeordnet ist.
  9. Brennkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß zwecks örtlicher Stabilisierung der Flamme im Bereich des Flammrohres ein Pilot- oder Stützbrenner angeordnet ist.
EP97122516A 1997-02-07 1997-12-19 Verfahren und Brennkopf zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen Expired - Lifetime EP0857915B1 (de)

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