EP0906545B1 - Brenner zur oberflächenverbrennung für flüssige brennstoffe und verfahren zum verbrennen - Google Patents

Brenner zur oberflächenverbrennung für flüssige brennstoffe und verfahren zum verbrennen Download PDF

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EP0906545B1
EP0906545B1 EP97929279A EP97929279A EP0906545B1 EP 0906545 B1 EP0906545 B1 EP 0906545B1 EP 97929279 A EP97929279 A EP 97929279A EP 97929279 A EP97929279 A EP 97929279A EP 0906545 B1 EP0906545 B1 EP 0906545B1
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EP
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fuel
air
burner
porous body
flame
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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 (in the following example and called oil for short), with which the combustion with air stabilized on a porous surface the required concept for mixture preparation and the mode of operation of the Burner.
  • the advantages of surface burning are based on the stabilization of the flame in close proximity to the surface or in the material used Surface structure.
  • the structure of the porous surface offers the possibility of being catalytic bring effective substances into contact with combustion gases and thus direct influence to take on the reduction of pollutants in the reaction zone.
  • the mixture In order to burn the surface, the mixture must form before the surface largely completed. While the mixture formation in gases is relatively easy is to be implemented, the premixing of liquid fuels requires a higher technical Expenditure. Aspects of segregation through condensation and agglomeration must be taken into account. The risk of self-ignition of the mixture below the Surface must be excluded.
  • Heating phase which is necessary for the evaporation or evaporation of the fuel.
  • Heating oil carry concepts for the evaporation or evaporation of liquid films, dic either run down hot surfaces or be sucked in by capillary forces, mostly on the problem of the formation of deposits on the surfaces of the evaporator.
  • the deposits are reaction products from cracking reactions in the fuel oil occur at temperatures above 400 ° C.
  • Such high temperatures up to above the Boiling end of the heating oil (380 to, 400 ° C) are for a sufficient heat transfer required from the evaporator wall to the liquid medium.
  • the deposits lead to a deterioration in the heat transfer and thus the susceptibility to failure of the system.
  • a burner for liquid fuels in which in the starting phase the fuel supplied is evaporated in an evaporation tube. This is done by an electric heater. The vaporized fuel is injected through injected into a mixing chamber. Pre-heated air is also introduced into this. The mixture from preheated fuel and preheated air burns during the start phase at the Surface of the porous body. After the start phase has ended, the power supply to the electric heater ended. The fuel is now evaporated by the heat of the combustion taking place on the porous body.
  • a water heater is known from JP 56012908.
  • the combustion takes place with this burner of liquid fuel by injecting the fuel directly into the air.
  • the mixture is heated in an evaporation zone and then on the surface of a porous body burned.
  • the application of the Evaporation energy in the evaporation zone through a spark plug a starting flame generated.
  • the starting flame is extinguished after a minimum operating temperature has been reached. This is followed by the evaporation of the fuel on the surface of the porous body.
  • the object of the invention is to improve such burners.
  • the object is achieved by a method for combustion liquid fuels according to claim 1 or by a burner for liquid fuels according to claim 6.
  • the mixture is prepared using the concept of Atomization and evaporation of the fuel in an air stream.
  • the required system start-up capability (when the burner is cold started, it is available Mixture formation (evaporation) necessary thermal energy not yet available) is solved by the concept of combining a start burner (swirl-assisted flame tube stabilization) with a surface burner, and the Possibility of using the start burner units to process a fuel-air mixture to use for the surface burner.
  • the required heat input takes place via various mechanisms, which in their Total ensure complete evaporation and overheating of the Avoid fuel mixture. This eliminates the risk of self-ignition of the mixture in the mixture formation zone avoided.
  • the ignition temperature of the fuel for example Heating oil EL (220 ° C) occurs a spontaneous combustion of the fuel-air mixture under the Conditions in this burner concept only at much higher temperatures (> 500 ° C) on. Only then can the homogeneous mixture formation (complete evaporation and over-stoichiometric mixture with atmospheric oxygen) can be achieved.
  • the contact of the liquid fuel be avoided with hot walls. This applies both to the mixture formation process as well as for the transport of the mixture to the surface of the burner.
  • the glowing Surface for flame stabilization is not a critical zone, as this is due to its high temperature is not wetted. Deposits that may have formed at the start can be are even burned off here without residue.
  • the invention further relates to a burner for liquid fuels, with a central one 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 to stabilize one large or large-volume flame.
  • the burner works in two operating states. State I, the start mode, serves that Preheat the burner to a minimum operating temperature. With the aim of minimizing the electrical Energy consumption - for example in the case of clocking small combustion systems - allows Construction and mode of operation according to the invention, however, also the heating by a Start 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 used with little effort (Minimization of the necessary burner units and the electrical energy for Supply to the units).
  • the smoke from the start burner in operating state I can pass directly through the porous one Body. This improves the heat transfer of the gases to the body to be heated, so that in comparison to a gas flow past Shortening the start phase can be achieved. A mechanical blockage of a the second routing of the flue gases from the start mode is also eliminated.
  • the surface of the mixture can then be ignited conventionally by ignition electrodes become.
  • the developed concept also allows for the outside Ignore ignition device and self-ignition of the mixture on the surface to effect. This works if the temperature of the surface is at least one point is high enough.
  • the start burner allows the area around the end of the flame tube heated up sufficiently and made to glow easily. Through the relative large ignition area on the (partially or completely glowing) porous body the starting emissions of operating mode II of the combustion on the porous body in comparison for selective ignition sources (e.g. ignition electrodes) are kept low.
  • the flue gases can be fed through openings in the area of the mixture formation.
  • the dosage of the flue gases can be changed by changing the area of the opening Example by a slide or a plate also during operation.
  • a Temperature control of the change in area can be done efficiently by temperature sensors or Bimetallic or fluidic.
  • Flue gases can be drawn in through the impulse of the air in the start burner (short: primary air) become.
  • the primary air can also be passed through heat exchangers (8) before entering the combustion chamber be preheated.
  • a partial chemical conversion of the oil can be done through the choice of process parameters (Temperature, air volume, flue gas volume) can be reached.
  • the space in the flame tube of the Startbrennner then acts as a pre-mixing and pre-reaction room.
  • the Secondary air can also be preheated by heat exchangers (8) before mixing become.
  • the impulse of the secondary air can overcome the pressure loss of the matrix of the surface burner can be used.
  • the surface burner consists of a porous body (e.g. stainless steel, ceramic). This can be at the flue gas outlet behind the start burner or around it be attached around.
  • a porous body e.g. stainless steel, ceramic
  • the Surface burners can be cooled by the secondary air itself. Preheating the Secondary air then takes place partially or entirely in the surface burner.
  • the surface burner can be used to influence the chemical conversion of the oil surface-enlarging substances and / or coated with catalytically active substances.
  • the supply of the fuel to evaporate and heat the combustion air necessary energy can be done in different ways. One can be efficient Combination of the ways described.
  • the air By heating the air to a temperature corresponding to the boiling point of the used fuel (with heating oil approx. 400 ° C) the back condensation of evaporated fuel avoided. If the air is heated further, the Energy requirements for the evaporation of the fuel from the air flow are met. The The fuel vapor is then expediently generated by direct injection of fuel in the hot air.
  • the combustion air can be mixed with the Fuel mist can be heated.
  • the heat exchanger can be in the form of tubes made by the air flows through, be arranged outside or inside the burner. By the arrangement within the burner can overheat the area of the fuel-air mixture can be avoided by heat dissipation.
  • the heat exchanger is arranged outside the burner, it can also be used Low temperature heat (through flue gas cooling) in high temperature processes (chemistry, Stirling, u. a.) are coupled.
  • flue gases are removed from the combustion at a high temperature level, it works above it the supply of part or all of the heat, which evaporates the fuel is required.
  • the flue gases also cause an inertization of the Mixture formation zone and additional cooling of the flame zone.
  • the heat is emitted by radiation through the very hot porous one in operating state II Body takes place both outside (to the medium to be heated, e.g. boiler water) as well also inside. This effect can be used to heat the premix zone if this lies within an area enclosed by the porous body.
  • the Evaporation of the fuel then takes place not only through convective heat transfer hot air to the oil droplets, but also by the direct radiation on the individual Drops. Limiting the temperature in the premix zone can protect against Auto-ignition of the mixture through a layered construction of the porous body respectively.
  • the outer layer of the surface is in support of the Combustion optimized (material, materials, structure).
  • the inner layer is related to the exact coupling of the necessary heat optimized (heat conduction and Radiative properties).

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Description

Grundlage des Patents ist ein Brenner für flüssige Brennstoffe (im folgenden beispielhaft und kurz Öl genannt), mit dem die Verbrennung mit Luft 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 Flammenkühlung 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.
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 führen Konzepte zur Verdampfung oder Verdunstung von Flüssigkeitsfilmen, dic 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 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 führen zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs und damit zur Störanfälligkeit des Systems.
Aus JP 57041508 ist ein Brenner für flüssige Brennstoffe bekannt, bei dem in der Startphase der zugeführte Brennstoff in einem Verdampfungsrohr verdampft wird. Dies erfolgt durch eine elektrische Heizvorrichtung. Der verdampfte Brennstoff wird durch Injektionsdüsen in eine Mischkammer injiziert. In diese wird ferner vorgeheizte Luft eingeführt. Das Gemisch aus vorgeheiztem Brennstoff und vorgeheizter Luft verbrennt während der Startphase an der Oberfläche des porösen Körpers. Nach Beendigen der Startphase wird die Stomzufuhr der elektrischen Heizvorrichtung beendet. Die Verdampfung des Brennstoffs erfolgt nunmehr durch die Wärme der an dem porösen Körper erfolgenden Verbrennung.
Aus JP 56012908 ist ein Wassererhitzer bekannt. Bei diesem Brenner erfolgt die Verbrennung von flüssigem Brennstoff durch direktes Eindüsen des Brennstoffs in die Luft. Das Gemisch wird in einer Verdampfungszone aufgeheizt und anschließend an der Oberfläche eines porösen Körpers verbrannt. In einer Startphase wird zum Aufbringen der Verdampfungsenergie in der Verdampfungszone durch eine Zündkerze eine Startflamme erzeugt. Die Startflamme wird nach Erreichen einer Mindestbetriebs-Temperatur gelöscht. Hierauf folgt das Verdampfen des Brennstoffs an der Oberfläche des porösen Körpers.
Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Brenner zu verbessern.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Verbrennung flüssiger Brennstoffe gemäß Anspruch 1 bzw. durch einen Brenner für flüssige Brennstoffe gemäß Anspruch 6.
Die Gemischaufbereitung erfolgt durch das Konzept der Zerstäubung und Verdunstung des Brennstoffs in einen Luftstrom. Die erforderliche Startfähigkeit des Systems (beim Kaltstart des Brenners steht die zur Gemischbildung (Verdunstung) notwendige thermische Energie noch nicht zur Verfügung) wird 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 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 der Erfindung ist ferner 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. großvolumigen Flamme.
Der Brenner arbeitet in zwei Betriebszuständen. Der Zustand I, der Startmodus, dient dem Vorheizen des Brenners auf eine Mindestbetriebstemperatur. 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 Brennstoffnebel-Luftgemischs kurzfristig zu unterbrechen. Dies geschieht zweckmäßig durch eine sehr kurze Unterbrechung der Ölzufuhr. Nach dem Verlöschen der Flamme kann sich bei erneuter Ölzufuhr 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 zündfähigen Öldampf-Luft-Gemisches innerhalb des Brenners vermieden werden. Bei Einsatz des Brenners in Prozessen, die eine hohe Luftvorwärmung 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 Körper (z. B. Edelstahl, Keramik). Dieser kann an der Rauchgasaustrittsöffnung 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.
Der Oberflächenbrenner kann zur Beeinflussung der chemischen Umsetzung des Öls mit oberflächenvergrößemden 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 in die heiße Luft.
Durch einen Wärmetauscher kann die Verbrennungsluft vor der Mischung mit dem Brennstoffnebel 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 Niedertemperaturwärme (durch Rauchgaskühlung) in Hochtemperaturprozesse (Chemie, Stirling, u. a.) eingekoppelt werden.
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.
Die Abgabe der Wärme durch Strahlung durch den im Betriebszustand II sehr heißen porösen Körper 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 Körper 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 Körpers 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).
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 Körpers mit dem Öldampf kommt es durch die Strahlung des Körpers 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 Rezirkulationsöffnungen betrieben, so erfolgt die Rücksaugung von überhitztem Öldampf automatisch durch diese Öffnungen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Verbrennung flüssiger Brennstoffe, bei dem Brennstoff und Luft durch direkte Eindüsung des Brennstoffs in die Luft gemischt, in einer Verdampfungszone aufgeheizt und anschließend unter Bildung einer stabilen Flamme an der Oberfläche eines porösen Körpers (7) verbrannt wird, und
    in einer Startphase zum Aufbringen der Verdampfungsenergie in der Verdampfungszone eine Startflamme erzeugt wird, die nach Erreichen einer Mindestbetriebs-Temperatur gelöscht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der zur Verdampfung des Brennstoffs erforderlichen Wärmezufuhr durch Rückführung des Gemischs aus heißer Luft und Brennstoffdampf in die Verdampfungszone erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verdampfung des Brennstoffs erforderliche Wärmezufuhr zusätzlich durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen erfolgt:
    a) Einkopplung der Verbrennungswärme über Wärmetauscher (8),
    b) Einkopplung heißer Rauchgase, und/ oder
    c) Wärmeeinstrahlung von heißen Oberflächen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der Startphase zum Betrieb mit Oberflächenverbrennung bei Erreichen einer Mindestbetriebs-Temperatur durch kurzzeitige Unterbrechung des Brennstoffstromes erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch die Zuführung von Rauchgasen in die Verdampfungszone.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch die Aufteilung eines Luftstromes, in welchem die mit dem Brennstoff zu mischende Luft zugeführt wird, in
    einen Primärluftstrom, der über eine Luftdüse eines Startbrenners zur Erzeugung der Startflamme zugeführt wird, und
    einen Sekundärluftstrom, der nahe dem porösen Körper (7) oder in diesem zugeführt wird.
  6. Brenner für flüssige Brennstoffe, mit
    einer zentralen Brennstofflanze (1),
    einer Luftzuführung (2),
    einer Mischkammer zum Mischen des zugeführten Brennstoffs mit der zugeführten Luft und zum Verdampfen des Brennstoffs, und
    einem eine Verdampfungszone umgebenden porösem Körper (7), der die Mischkammer begrenzt und einen Oberflächenbrenner bildet, wobei in der Mischkammer ein Startbrenner angeordnet ist, der in einer Startphase eine Startflamme erzeugt und anschließend für die Gemischaufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemisches benutzt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass um die Verdampfungszone herum ein Flammenrohr (6) angeordnet ist, welches von dem porösen Körper (7) überragt wird und
    dass eine Rezirkulationsstrecke für das Gemisch aus heißer Luft und Brennstoffdampf von dem porösen Körper (7) und dem Flammrohr (6) zu der Verdampfungszone vorgesehen ist.
  7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsübertragungsstrecke von dem porösen Körper (7) zu der Verdampfungszone vorgesehen ist.
  8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (6) Rezirkulationsöffnungen aufweist.
  9. Brenner nach einem der Ansprüche 6 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung der zur Verdampfung des Brennstoffs erforderlichen Energie zusätzlich ein Wärmetauscher (8) vorgesehen ist, welcher einen Teil der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme mittels aufgeheizter Luft in die Verdampfungszone einbringt.
  10. Brenner nach einem der Ansprüche 6 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (7) als poröser Wabenkörper ausgebildet ist, dessen Waben abwechselnd von Luft und Brennstoffgemisch durchströmt werden.
EP97929279A 1996-06-25 1997-06-24 Brenner zur oberflächenverbrennung für flüssige brennstoffe und verfahren zum verbrennen Expired - Lifetime EP0906545B1 (de)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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