EP0906545A1 - Verfahren und konstruktion eines brenners zur oberflächenverbrennung für flüssige brennstoffe - Google Patents

Verfahren und konstruktion eines brenners zur oberflächenverbrennung für flüssige brennstoffe

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EP0906545A1
EP0906545A1 EP97929279A EP97929279A EP0906545A1 EP 0906545 A1 EP0906545 A1 EP 0906545A1 EP 97929279 A EP97929279 A EP 97929279A EP 97929279 A EP97929279 A EP 97929279A EP 0906545 A1 EP0906545 A1 EP 0906545A1
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EP
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burner
fuel
mixture
air
combustion
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EP0906545B1 (de
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Heinrich Köhne
Heinz-Peter Gitzinger
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Individual
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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
    • F23D11/40—Mixing tubes; Burner heads
    • 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
    • F23D11/42—Starting devices
    • 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
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/99006—Arrangements for starting combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2207/00—Ignition devices associated with burner

Definitions

  • the basis of the patent is a burner for liquid fuels (hereinafter referred to as oil for example), with which the combustion with oxygen (or an oxygen-containing gas, hereinafter referred to as air) is stabilized on a porous surface, the necessary concept for Mixture preparation and the mode of operation of the burner.
  • oil liquid fuels
  • air oxygen-containing gas
  • the technology of surface combustion is known from the combustion of gases and is already used there for radiant burners, for example for heating industrial halls and for heating buildings (gas wall heaters).
  • the advantages of surface combustion are based on the stabilization of the flame in the immediate vicinity of the surface or in the material of the surface structure used.
  • the structure of the porous surface offers the possibility of bringing catalytically active substances into contact with combustion gases and thus having a direct influence on the reduction of pollutants in the reaction zone.
  • the problem of homogeneous mixture formation in liquid fuels is the heating phase, which is necessary for the evaporation or evaporation of the fuel.
  • heating oil concepts for the evaporation or evaporation of liquid films that either run down hot surfaces or are sucked in by capillary forces usually lead to the problem of deposits forming on the surfaces of the evaporator.
  • the deposits are reaction products from cracking reactions in the fuel heating oil EL, which occur at temperatures above 400 ° C. Such high temperatures up to the boiling point of the heating oil (380 to 400 ° C) are necessary for a sufficient heat transfer from the evaporator wall to the liquid medium.
  • the deposits lead to a deterioration in the heat transfer and thus to the susceptibility of the system to failure.
  • the task of mixture preparation is achieved according to the invention by the concept of atomization and evaporation of the fuel in an air stream.
  • the task of the required starting ability of the system (when the burner is cold started, the thermal energy necessary for mixture formation (evaporation) is not yet available) is achieved according to the invention by the concept of combining a starting burner (swirl-assisted flame tube stabilization) with a surface burner, and the possibility that To use aggregates of the start burner for the preparation of a fuel-air mixture for the surface burner.
  • the required heat input takes place via various mechanisms, which together ensure complete evaporation and prevent the fuel mixture from overheating. This avoids the risk of self-ignition of the mixture in the mixture formation zone.
  • the ignition temperature for example of the fuel Heating oil EL (220 ° C) does not ignite the fuel-air mixture under the conditions in this burner concept until the temperatures are much higher (> 500 ° C). This is the only way to achieve homogeneous mixture formation (complete evaporation and over-stoichiometric mixing with atmospheric oxygen).
  • the subject of the patent is a burner for liquid fuels, with a central fuel lance, an air supply which can be provided with a swirl device, with an ignition device, with an optional flame tube, with an optional heat exchanger for air preheating and with a porous body for stabilizing a large area or large volume flame.
  • the burner works in two operating states. State I, the start mode, is used to preheat the burner to a minimum operating temperature. Preheating can be done by an electric heater. However, with the objective of minimizing the electrical energy consumption - for example in the case of clocked small combustion systems - the construction and mode of operation according to the invention also permit heating by a start-up burner operation.
  • the burner works as a flame tube-stabilized burner inside the surrounding surface. This operating state only serves to heat the system to the minimum operating temperature of state II and is designed to be short in time.
  • the construction according to the invention allows this burner to be operated with little effort (minimization of the necessary burner units and the electrical energy for supplying the units).
  • the flue gases of the start burner in operating state I can be passed directly through the porous body. This improves the heat transfer of the gases to the body to be heated, so that a shortening of the starting phase can be achieved compared to a flow of gases. A mechanical blockage of a second routing of the flue gases of the starting operation is also eliminated.
  • the mixture can then be ignited conventionally by ignition electrodes.
  • the concept developed also makes it possible to dispense with the external ignition device and to cause the mixture to self-ignite on the surface. This works if the temperature of the surface is sufficiently high in at least one place.
  • the area around the end of the flame tube can be heated up sufficiently by the start burner and can easily be made to glow. Due to the relatively large-area ignition area on the (partially or completely glowing) porous body, the start emissions of operating mode II of the combustion on the porous body can be kept low in comparison to punctual ignition sources (e.g. ignition electrodes).
  • Appropriate flow control (aim of rapid homogenization of the mixture) and limitation of the temperature (in particular the heat radiation from the glowing surface) can prevent the ignitable oil vapor-air mixture within the burner from igniting.
  • auto-ignition can also be achieved by coupling flue gases into the mixture formation zone and / or by dividing the air flow be avoided in a primary and a secondary air flow. Both methods cause the mixture to become inert (reduction of the oxygen partial pressure) and thus an increased ignition delay.
  • the flue gases can be fed through openings in the area of the mixture formation.
  • the flue gases can be metered by changing the area of the opening, for example using a slide or a plate, even during operation. Temperature control of the change in the area can be carried out efficiently by means of temperature sensors or bimetals, or else in terms of flow technology.
  • Flue gases can be drawn in through the impulse of the air in the start burner (short: primary air).
  • the primary air can also be preheated by heat exchangers (8) before entering the combustion chamber.
  • the oil By introducing the oil into the hot flue gas / primary air mixture, the oil evaporates quickly and mixes homogeneously.
  • a partial chemical conversion of the oil can be achieved through the selection of the process parameters (temperature, air volume, flue gas volume).
  • the space in the flame tube of the starting burner then acts as a pre-mixing and pre-reaction space.
  • additional air in short: secondary air
  • the secondary air can also be preheated by heat exchangers (8) before the admixture.
  • the pulse of the secondary air can be used to overcome the pressure drop in the matrix of the surface burner.
  • the surface burner consists of a porous body (e.g. stainless steel, ceramic). This can be attached to the flue gas outlet opening behind the start burner or cylindrical around it.
  • a porous body e.g. stainless steel, ceramic
  • the surface burner can be cooled by the secondary air itself.
  • the preheating of the secondary air then takes place partially or entirely in the surface burner.
  • the surface burner can be coated with surface-enlarging substances and / or with catalytically active substances to influence the chemical conversion of the oil
  • the energy required for the evaporation of the fuel and for heating the combustion air can be supplied in various ways. A combination of the ways described can be efficient.
  • the combustion air can be heated by a heat exchanger before mixing with the fuel lever.
  • the heat exchanger can be arranged in the form of pipes through which the air flows, outside or inside the burner. The arrangement inside the burner prevents the region of the fuel-air mixture from overheating due to heat dissipation
  • the heat exchanger is arranged outside the burner, it can also be used to couple low-temperature heat (through flue gas cooling) in high-temperature process processes (chemistry, Stirhng, etc.).
  • flue gases are removed from the combustion at a high temperature level, some or all of the heat required to evaporate the fuel can be supplied.
  • the flue gases also render the mixture formation zone inert and additionally cool the flame zone.
  • the heat is emitted by radiation through the porous body, which is very hot in operating state II, both to the outside (to the medium to be heated, e.g. boiler water) and to the inside.
  • This effect can be used to heat the premixing zone if it lies within an area enclosed by the porous body.
  • the fuel then evaporates not only through convective heat transfer of the hot air to the oil droplets, but also through direct radiation onto the individual drops.
  • the temperature in the premixing zone can be limited by a layered construction of the porous body to protect against self-ignition of the mixture.
  • the outer layer of the surface is optimized with regard to the support of the combustion (material, materials, structure).
  • the inner layer is optimized with regard to the exact coupling of the necessary heat (heat conduction and radiation properties).

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Description

Patentanmeldung
Verfahren und Konstruktion eines Brenners zur Oberflächenverbrennung für flüssige Brennstoffe
Beschreibung:
Grundlage des Patents ist ein Brenner für flüssige Brennstoffe (im folgenden beispielhaft und kurz Öl genannt), mit dem die Verbrennung mit Sauerstoff (oder einem sauerstoffhaltigen Gas, im folgenden beispielhaft und kurz Luft genannt) an einer porösen Oberfläche stabilisiert wird, das erforderliche Konzept zur Gemischaufbereitung sowie die Betriebsweise des Brenners.
Die Technik der Oberflächenverbrennung ist aus der Verbrennung von Gasen bekannt und wird dort bereits für Strahlungsbrenner zum Beispiel zur Beheizung von Industriehallen und zur Gebäudebeheizung (Gas-Wandthermen) eingesetzt.
Die Vorteile der Oberflächenverbrennung basieren auf der Stabilisierung der Flamme in direkter Nähe der Oberfläche beziehungsweise im Material der verwendeten Oberflächenstruktur. Der Festkörper heizt sich durch die Nähe der Flamme stark auf und kann einen großen Teil der Reaktionswärme durch Wärmestrahlung an die Umgebung abgeben. Damit wird eine effektive Art der Flarrurienkühlung und dadurch eine Absenkung der thermischen Stickoxidbildung erreicht. Da die Wärmeübertragung zu einem großen Teil durch Wärmestrahlung erfolgt, kann der Wärmetauscher sehr kompakt ausgeführt werden. Aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit der Gase an der Oberfläche und der damit verbundenen geringen Turbulenzen werden Flammengeräusche weitgehend vermieden.
Darüber hinaus bietet die Struktur der porösen Oberfläche die Möglichkeit, katalytisch wirksame Stoffe in den Kontakt mit Verbrennungsgasen zu bringen und so direkten Einfluß auf die Reduzierung von Schadstoffen in der Reaktionszone zu nehmen.
ERSATZBLÄΓΓ {REGEL 26) Für die Oberflächenverbrennung muß die Gemischbildung bereits vor der Oberfläche weitgehend abgeschlossen sein. Während die Gemischbildung bei Gasen relativ einfach umzusetzen ist, erfordert die Vormischung flüssiger Brennstoffe einen höheren technischen Aufwand. Aspekte der Entmischung durch Kondensation und Agglomeration müssen berücksichtigt werden. Die Gefahr einer Selbstzündung des Gemisches unterhalb der Oberfläche muß ausgeschlossen werden.
Das Problem der homogenen Gemischbildung bei flüssigen Brennstoffen besteht in der Aufheizphase, die zur Verdunstung oder Verdampfung des Brennstoffs notwendig ist. Bei Heizöl fuhren Konzepte zur Verdampfung oder Verdunstung von Flüssigkeitsfilmen, die entweder an heißen Oberflächen herablaufen oder durch kapillare Kräfte angesaugt werden, meist zu dem Problem der Bildung von Ablagerungen an den Oberflächen des Verdampfers. Die Ablagerungen sind Reaktionsprodukte aus Crackreaktionen im Brennstoff Heizöl EL, die bei Temperaturen oberhalb von 400 °C auftreten. Solch hohe Temperaturen bis oberhalb des Siedeendes des Heizöls (380 bis 400 °C) sind aber für einen ausreichenden Wärmeübergang von der Verdampferwand an das flüssige Medium erforderlich. Die Ablagerungen fuhren zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs und damit zur Störanfälligkeit des Systems.
Die Aufgabe der Gemischaufbereitung wird erfindungsgemäß gelöst durch das Konzept der Zerstäubung und Verdunstung des Brennstoffs in einen Luftstrom. Die Aufgabe der erforderlichen Startfähigkeit des Systems (beim Kaltstart des Brenners steht die zur Gemischbildung (Verdunstung) notwendige thermische Energie noch nicht zur Verfügung) wird erfindungsgemäß gelöst durch das Konzept der Kombination eines Startbrenners (drallunterstützte Flammenrohrstabilisierung) mit einem Oberflächenbrenner, und der Möglichkeit, die Aggregate des Startbrenners zur Aufbereitung eines Brennstoff- Luftgemischs für den Oberflächenbrenner zu nutzen.
Die erforderliche Wärmeeinkopplung erfolgt über verschiedene Mechanismen, die in ihrer Summe die vollständige Verdunstung gewährleisten und eine Überhitzung des Brennstoffgemischs vermeiden. Dadurch wird die Gefahr der Selbstzündung des Gemischs in der Gemischbildungszone vermieden. Im Gegensatz zum bisherigen Stand des Wissens (Literatur, Angabe der Mineralölindustrie) der Zündtemperatur zum Beispiel des Brennstoffs Heizöl EL (220 °C) tritt eine Selbstentzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches unter den Bedingungen in diesem Brennerkonzept erst bei sehr viel höheren Temperaturen (>500 °C) auf. Erst dadurch kann die homogene Gemischbildung (vollständige Verdampfung und überstöchiometrische Mischung mit Luftsauerstoff) erreicht werden.
Zur Vermeidung der Bildung von Ablagerungen muß der Kontakt des flüssigen Brennstoffs mit heißen Wänden vermieden werden. Dies gilt sowohl für den Prozeß der Gemischbildung als auch für den Transport des Gemisches zur Oberfläche des Brenners. Die glühende Oberfläche zur Flammenstabilisierung stellt keine kritische Zone dar, da diese aufgrund ihrer hohen Temperatur nicht benetzt wird. Eventuell beim Start gebildete Ablagerungen können hier sogar rückstandsfrei abgebrannt werden.
Gegenstand des Patents ist ein Brenner für flüssige Brennstoffe, mit einer zentralen Brennstofflanze, einer Luftzuführung, die mit einer Dralleinrichtung versehen sein kann, mit einer Zündvorrichtung, mit einem optionalen Flammenrohr, mit einem optionalen Wärmetauscher zur Luftvorwärmung und mit einem porösen Körper zur Stabilisierung einer großflächigen bzw. groß volumigen Flamme.
Der Brenner arbeitet in zwei Betriebszuständen. Der Zustand I, der Startmodus, dient dem Vorheizen des Brenners auf eine Mindestbetriebstemperatur. Das Vorheizen kann durch eine elektrische Heizung erfolgen. Mit der Zielsetzung einer möglichst geringen elektrischen Energieaufnahme - zum Beispiel bei taktenden Kleinfeuerungsanlagen - gestattet die erfindungsgemäße Konstruktion und Betriebsweise jedoch auch die Aufheizung durch einen Start-Brennerbetrieb. Der Brenner arbeitet als Flammenrohr-stabilisierter Brenner im Inneren der umschließenden Oberfläche. Dieser Betriebszustand dient nur zur Aufheizung des Systems auf die Mindest-Betriebstemperatur des Zustands II und ist zeitlich kurz ausgelegt. Die erfindungsgemäße Konstruktion gestattet es, diesen Brenner mit geringem Aufwand (Minimierung der notwendigen Brenneraggregate sowie der elektrischen Energie zur Versorgung der Aggregate) zu betreiben.
Die Rauchgase des Startbrenners im Betriebszustand I können direkt durch den porösen Körper geleitet werden. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang der Gase an den aufzuheizenden Körper, so daß im Vergleich zu einer Vorbeiströmung der Gase eine Verkürzung der Startphase erreicht werden kann. Eine mechanische Versperrung einer zweiten Wegführung der Rauchgase des Startbetriebes entfällt damit ebenfalls.
Zum Abbruch des Betriebszustands I (Startbetrieb) genügt es, die stabile Verbrennung des Brennstoffhebel-Luftgernischs kurzfristig zu unterbrechen. Dies geschieht zweckmäßig durch eine sehr kurze Unterbrechung der Olzufuhr. Nach dem Verlöschen der Flamme kann sich bei erneuter Olzufuhr keine neue Flammenzone ausbilden, wenn die Zündvorrichtung im Inneren des Brenners nicht aktiviert wird. Im Bereich des Flammenrohres wird dann ein Öldampf- Luftgemisch erzeugt, das dem Bereich des porösen Körpers zugeführt werden kann.
Das Gemisch kann an der Oberfläche dann konventionell durch Zündelektroden entzündet werden. Das entwickelte Konzept gestattet es jedoch auch, auf die außen liegende Zündeinrichtung zu verzichten und eine Selbst-Entzündung des Gemisches an der Oberfläche zu bewirken. Dies gelingt, wenn die Temperatur der Oberfläche an mindestens einer Stelle genügend hoch liegt. Durch den Startbrenner kann der Bereich um das Flammenrohrende genügend stark aufgeheizt und leicht zum Glühen gebracht werden. Durch den relativ großflächigen Zündbereich an dem (teilweise oder ganz glühenden) porösen Körper können die Startemissionen des Betriebsmodus II der Verbrennung am porösen Körper im Vergleich zu punktuellen Zündquellen (z. B. Zündelektroden) niedrig gehalten werden.
Durch eine geeignete Strömungsführung (Ziel einer schnellen Homogenisierung des Gemisches) und Begrenzung der Temperatur (insbesondere der Wärmeeinstrahlung durch die glühende Oberfläche) kann die Selbstentzündung des zündfahigen Öldampf-Luft-Gemisches innerhalb des Brenners vermieden werden. Bei Einsatz des Brenners in Prozessen, die eine hohe Luftvorwärrnung durch eine notwendige Abgaskühlung beinhalten (chemische Hochtemperaturprozesse, Stirlingmotor, u. a.), oder bei anderen erforderlichen Randbedingungen kann die Selbstzündung auch durch die Einkopplung von Rauchgasen in die Gemischbildungszone und / oder durch die Teilung des Luftstroms in einen Primär- und einen Sekundärluftstrom vermieden werden. Beide Methoden bewirken eine Inertisierung des Gemisches (Reduzierung des Sauerstoffpartialdrucks) und damit eine erhöhte Zündverzögerung. Die Rauchgase können über Öffnungen im Bereich der Gemischbildung zugeführt werden. Die Dosierung der Rauchgase kann über die Veränderung der Fläche der Öffnung zum Beispiel durch einen Schieber oder eine Platte auch während des Betriebs erfolgen. Eine Temperatursteuerung der Veränderung der Fläche kann effizient durch Temperaturfühler oder Bimetalle oder auch strömungstechnisch erfolgen.
Rauchgase können durch den Impuls der Luft im Startbrenner (kurz: Primärluft) angesaugt werden. Die Primärluft kann auch durch Wärmetauscher (8) vor Eintritt in die Brennkammer vorgeheizt werden. Durch das Einbringen des Öls in das heiße Rauchgas-Primärluft-Gemisch erfolgt eine schnelle Verdunstung des Öls sowie eine homogene Vermischung.
Eine partielle chemische Umsetzung des Öls kann durch die Wahl der Prozeßparameter (Temperatur, Luftmenge, Rauchgasmenge) erreicht werden. Der Raum im Flammenrohr des Startbrennners fungiert dann als Vormisch- sowie Vorreaktionsraum.
Bei einer Teilung des Luftstroms (zwecks Inertisierung der Gemischbildungszone) erfolgt die Zumischung weiterer Luft (kurz: Sekundärluft) stromabwärts des Flammenrohrs. Die Sekundärluft kann ebenfalls durch Wärmetauscher (8) vor der Zumischung vorgeheizt werden. Der Impuls der Sekundärluft kann zur Überwindung des Druckverlustes der Matrix des Oberflächenbrenners genutzt werden.
Der Oberflächenbrenner besteht aus einem porösen Köφer (z. B. Edelstahl, Keramik). Dieser kann an der Rauchgasaustrittsöffhung hinter dem Startbrenner oder zylindrisch um diesen herum angebracht sein.
Um eine Rückzündung des Brennstoffgemischs in den Bereich der Sekundärluftzumischung (vor den Oberflächenbrenner) durch die heiße Oberfläche zu vermeiden, kann der Oberflächenbrenner durch die Sekundärluft selbst gekühlt werden. Die Vorwärmung der Sekundärluft erfolgt dann teilweise oder ganz im Oberflächenbrenner.
Eine besonders gleichmäßige Zumischung der Sekundärluft ohne Gefahr einer vorzeitigen Zündung des Gemisches ist durch die Mischung in der Oberflächenmatrix selbst möglich. Dies gelingt mit dem Einsatz eines porösen Wabenkörpers, dessen Waben abwechselnd von Luft und Brennstoffgemisch durchströmt werden (Abbildung 3) Die Zuführung der Stoffstrome (Brennstoffgemisch und Sekundärluft) kann im Gleich- oder im Gegenstrom erfolgen. Im Gegenstrom gelingt die Verteilung der Ströme durch das wechselseitige Verschließen der Wabenkanäle besonders einfach Beide Stoffströme treten in Wabenkanäle ein, in denen sich dann das zündfähige Gemisch bildet
Der Oberflächenbrenner kann zur Beeinflussung der chemischen Umsetzung des Ols mit oberflachenvergrößernden Stoffen und/oder mit katalytisch aktiven Stoffen beschichtet sein
Die Zufuhr der zur Verdunstung des Brennstoffs und zur Aufheizung der Verbrennungsluft notwendigen Energie kann auf verschiedenen Wegen erfolgen Effizient kann eine Kombination der beschriebenen Wege sein.
Durch die Aufheizung der Luft auf eine Temperatur entsprechend dem Siedeende des verwendeten Brennstoffs (bei Heizöl ca 400°C) wird die Rückkondensation von verdunstetem Brennstoff vermieden Bei einer weiteren Aufheizung der Luft kann der Energiebedarf zur Verdunstung des Brennstoffs aus dem Luftstrom gedeckt werden Die Erzeugung des Brennstoffdampfes erfolgt dann zweckmäßig durch die direkte Einspritzung des Brennstoffs m die heiße Luft.
-Wärmetauscher.
Durch einen Wärmetauscher kann die Verbrennungsluft vor der Mischung mit dem Brennstoffhebel aufgeheizt werden. Der Wärmetauscher kann in Form von Rohren, die von der Luft durchströmt werden, außerhalb oder innerhalb des Brenners angeordnet sein Durch die Anordnung innerhalb des Brenners kann eine Überhitzung des Bereichs der Brennstoff- Luft-Mischung durch Wärmeabfuhr vermieden werden
Wird der Wärmetauscher außerhalb des Brenners angeordnet, kann damit auch Niedertemperaturwarme (durch Rauchgaskühlung) in HochtemperaUuprozesse (Chemie, Stirhng, u. a ) emgekoppelt werden.
ERSATZBLAΓT (REGEL 26) Einkopplung heißer Rauchgase
Wenn Rauchgase der Verbrennung auf hohem Temperaturniveau entnommen werden, gelingt darüber die Zufuhr eines Teil oder der gesamten Wärme, die zur Verdunstung des Brennstoffs erforderlich ist. Die Rauchgase bewirken darüber hinaus eine Inertisierung der Gemischbildungszone sowie eine zusätzliche Kühlung der Flammenzone.
-Wärmestrahlung
Die Abgabe der Wärme durch Strahlung durch den im Betriebszustand II sehr heißen porösen Köφer erfolgt sowohl nach außen (an das zu beheizende Medium, z.B. Kesselwasser) als auch nach innen. Dieser Effekt kann zur Beheizung der Vormischzone genutzt werden, wenn diese innerhalb eines von dem porösen Köφer umschlossenen Bereichs liegt. Die Verdunstung des Brennstoffs erfolgt dann nicht nur durch konvektiven Wärmetransport der heißen Luft an die Öltröpfchen, sondern auch durch die direkte Einstrahlung auf die einzelnen Tropfen. Die Begrenzung der Temperatur in der Vormischzone kann zum Schutz vor Selbstentzündung des Gemisches durch eine geschichtete Bauweise des porösen Köφers erfolgen. Die äußere Schicht der Oberfläche wird in Bezug auf die Unterstützung der Verbrennung optimiert (Material, Werkstoffe, Struktur). Die innere Schicht wird in Bezug auf die genaue Einkopplung der notwendigen Wärme optimiert (Wärmeleitungs- und Strahlungseigenschaften).
-Rückführung von an dem porösen Köφer erhitztem Oldampf:
Durch die Einsaugung von überhitztem Öldampf-Luft-Gemisch in den Bereich der Brennstoff- und Luftzufuhr kann Wärme zur Verdunstung in die Vormischzone eingetragen werden. Bei der Beaufschlagung des porösen Köφers mit dem Öldampf kommt es durch die Strahlung des Köφers nach innen zu einer weiteren Erwärmung des Gemisches. Ein Teil des Gemischstromes kann durch den Unterdruck der Luftzuführung in den Bereich der Vormischkammer zurückgesaugt werden. Dies erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Einsaugung von Rauchgasen zur Flammenkühlung bei herkömmlichen Brennern. Wird das Flammenrohr für den Brenner im Betriebszustand I mit Rezirkulationsöffhungen betrieben, so erfolgt die Rücksaugung von überhitztem Öldampf automatisch durch diese Öffnungen.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Verbrennung flüssiger Brennstoffe, bei dem die Verbrennungszone zum Teil oder ganz an oder in einer porösen Oberfläche stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischbildung von Brennstoff und Sauerstoff (oder Luftsauerstoff, im folgenden kurz: Luft) vor Durchtreten der Oberfläche durch die direkte Eindüsung (Zerstäubung) des Brennstoffs in die Luft erfolgt. Die zur Verdunstung des Brennstoffs notwendige Wärmezufuhr erfolgt durch Einkopplung der Verbrennungswärme über Wärmetauscher, Einkopplung heißer Rauchgase, Wärmeeinstrahlung der heißen Oberfläche und / oder interne Konvektion der Gase. Der Start des Systems (gekennzeichnet durch das Fehlen der erforderlichen Wärme zur Verdunstung) kann ganz oder teilweise durch elektrische Vorwärmung und / oder ganz oder teilweise durch die Zündung des Brennstoff-Luft- Gemisches räumlich vor Durchtreten der Oberfläche erfolgen. Nach Erreichen einer Mindestbetriebstemperatur erfolgt der Übergang zur Oberflächenverbrennung.
2. Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer zentralen Brennstofflanze 1, mit einer Luftzuführung 2, mit einer optionalen Dralleinrichtung 3, mit internen und optionalen externen Zündelektroden 4, mit einer Möglichkeit der Zuführung von Rauchgasen 5, mit einem optionalen Flammenrohr 6 zur Stabilisierung der Flamme ein Brenner zum Start des Systems gebildet wird. Um diesen herum ist ein poröser Köφer 7 als Oberflächenbrenner, ein optionaler Wärmetauscher 8 zur Luftvorwärmung, eine optionale elektrische Heizung 9 angeordnet. Die Aggregate des Startbrenners werden zur Gemischaufbereitung für die Oberflächenverbrennung genutzt. Die Rauchgase des Startbrenners können direkt durch die poröse Oberfläche geleitet werden.
3. Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang vom Startbetrieb zur Oberflächenverbrennung bei Erreichen einer Mindestbetriebs-temperatur vorzugsweise durch die kurzzeitige Unterbrechung des Brennstoffstromes erfolgt. Dadurch erlischt die Flamme des Startbrenners. Der Brenner kühlt jedoch nur wenig aus. Insbesondere bleibt die Temperatur der porösen Oberfläche so hoch, daß bei erneuter Brennstoffzufuhr eine Selbstzündung des Gemisches an dem porösen Köφer erfolgen kann. Eine Zündung des durchaus zündfähigen Gemisches im Bereich des Startbrenners erfolgt aufgrund einer ausreichenden Zündverzögerungszeit (abhängig von Brennstoffverhältnis und Temperatur) nicht.
4. Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zuführung von Rauchgasen in den Bereich der Gemischbildung eine Inertisierung des Gemisches und dadurch eine Verlängerung der Zündverzögerungszeit bewirkt werden kann. Gleichzeitig kann dadurch die Zuführung der zur Verdunstung des Brennstoffs erforderlichen Energie ganz oder teilweise erfolgen.
5. Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Aufteilung des Luftstroms in
■ einen Primärluftstrom, der über die Luftdüse des Startbrenners zugeführt wird und in dem die primäre Gemischbildung erfolgt und
■ einen Sekundärluftstrom der in einem Bereich stromabwärts der Primärluftzuführung nahe der porösen Oberfläche oder in dieser dem primären Gemisch zugemischt wird, eine Inertisierung des Gemisches und dadurch eine Verlängerung der Zündverzögerungszeit bewirkt werden kann. Eine besonders gleichmäßige Zumischung der Sekundärluft ohne Gefahr einer vorzeitigen Zündung vor Eintritt in die poröse Oberfläche kann durch die Mischung in der Oberflächenmatrix selbst ermöglicht werden. Dies gelingt mit dem Einsatz eines porösen Wabenköφers, dessen Waben abwechselnd von Luft und Brennstoffgemisch durchströmt werden (Fig. III).
6. Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der zur Verdunstung des Brennstoffs erforderlichen Energie vorzugsweise ganz oder teilweise durch die mittels Wärmetauscher aufgeheizte Luft erfolgt. Der Wärmetauscher koppelt dabei einen Teil der freigesetzten Wärme der Verbrennung wieder in den Prozeß ein und kann innerhalb oder außerhalb der Oberfläche angebracht sein.
ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26)
7. Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der zur Verdunstung erforderlichen Energie ganz oder teilweise vorzugsweise durch Strahlung des um die Vormischzone angeordneten heißen porösen Köφers eingebracht wird. Die Wärmeeinstrahlung in den Brenner kann durch eine Wärmeschutzschicht begrenzt werden, indem der poröse Köφer als geschichtete Struktur ausgelegt wird. Die Auslegung der inneren Schicht orientiert sich an dem erforderlichen Wärmetransport nach innen. Die Auslegung der äußeren Schicht orientiert sich an den Erfordernissen eines guten und schadstoffarmen Ausbrandes. Dazu kann diese mit oberflächenvergrößernden Stoffen und / oder mit katalytisch aktiven Stoffen beschichtet werden.
8. Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der zur Verdunstung erforderlichen Energie ganz oder teilweise durch eine interne Rezirkulation von (heißen) Gasen, Luft und / oder Brennstoffdampf, die / der an der Innenseite des heißen porösen Köφers vorbei geleitet wurden, erfolgt.
10
ERSATZBLÄTT (REGEL 26)
EP97929279A 1996-06-25 1997-06-24 Brenner zur oberflächenverbrennung für flüssige brennstoffe und verfahren zum verbrennen Expired - Lifetime EP0906545B1 (de)

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DE19625217A DE19625217A1 (de) 1996-06-25 1996-06-25 Schadstoffarmer Oberflächenbrenner für flüssige Brennstoffe
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