EP2401551A2 - Brenner für eine thermische nachverbrennungsvorrichtung - Google Patents

Brenner für eine thermische nachverbrennungsvorrichtung

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EP2401551A2
EP2401551A2 EP10708909A EP10708909A EP2401551A2 EP 2401551 A2 EP2401551 A2 EP 2401551A2 EP 10708909 A EP10708909 A EP 10708909A EP 10708909 A EP10708909 A EP 10708909A EP 2401551 A2 EP2401551 A2 EP 2401551A2
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EP
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burner
inner tube
fuel gas
flame
outer tube
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Eisenmann SE
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Publication date
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14481—Burner nozzles incorporating flow adjusting means

Definitions

  • the invention relates to a burner for a thermal post-combustion device with
  • a combustion nozzle arranged in the housing and having a pipe through which fuel gas can pass, which has at least one outlet opening for the fuel gas;
  • Thermal afterburning devices should burn as completely as possible with the best possible efficiency, that is to say with the lowest possible burner output, which should as far as possible incinerate the impurities entrained in the waste air to be disposed of. From the point of view of complete combustion, a comparatively high temperature of the flame produced by the burner would be favorable; however, with increasing temperature, the formation of undesirable nitrogen oxides increases.
  • a burner of the aforementioned type is described in DE 102 37 604 B4.
  • the combustion nozzle used there has a plurality of main outlet openings, via which the fuel gas flows in the radial direction with a certain pressure.
  • the radial distance, in which the main outlet - tion of the axis of the fuel nozzle are arranged, as well as, the cross section of the main outlet openings is achieved that form at the main outlet openings individual flames that do not läppen each other substantially.
  • the obvious idea is to dissolve the compact flame ball, found in even older burners of the prior art, into a plurality of individual flames, each of which burns at a lower temperature than the flame ball. This concept has proven itself well; however, there is a continuing need to further improve the properties of burners.
  • Object of the present invention is to provide a burner of the type mentioned in such a way that with a simple structure particularly good combustion values, especially in view of the formation of CO and NO can be achieved.
  • the combustion nozzle comprises an outer tube and an inner tube which form an annular outlet gap with their end regions;
  • the flow path for the fuel gas in the vicinity of the outlet gap has a bottleneck. Due to the inventive design of the fuel nozzle with outer and inner tube and in particular the bottleneck in the end of the flow path, a particularly compact flame is achieved in cooperation with the exhaust air stream, whose outer shape can be roughly referred to as "bell-shaped". It has a comparatively small surface area for a given volume and is therefore, according to popular opinion, not actually suitable for achieving good combustion values. It has previously been assumed that in such compact flames, the combustion temperature is too high and therefore too high levels of NO X are unavoidable.
  • Verwirbelungsein- direction ensures despite a compact flame for complete combustion of the entrained impurities in the exhaust gas and the fuel gas by flow vortex generated between exhaust air stream and gas ring. These initially pull the outer areas of the flame partially backwards, but are finally entrained by the exhaust air, so that at low temperature of the combustion chamber, a complete oxidation of the combustible components is achieved.
  • the constriction in the flow path of the fuel gas is achieved in that the outer tube in its end gap bounding the outlet gap a in the flow direction of the fuel gas has conically tapered section. Through this section, the fuel gas is directed in the vicinity of the exit slit on the inner tube, which promotes the formation of the desired flame shape.
  • the inner tube has on its outer circumferential surface in its end gap delimiting the outlet gap, in particular a V-shaped cross-section groove. If this groove with the tapered
  • outer tube and inner tube are adjustable in the axial direction to each other. In this way it is possible to change the effective area of the exit gap, for example to adapt the burner to different capacities.
  • FIG. 1 shows an axial section through the region of a burner located inside the housing of a thermal afterburning apparatus
  • FIG. 2 shows, on an enlarged scale, an axial section through the end region of the combustion nozzle of the burner. ners of Figure 1 in a first relative position of two inner components;
  • FIG 3 shows a section, similar to Figure 2, in which the inner components of the fuel nozzle are in a second relative position.
  • FIG. 10 there is that portion of a generally designated by the reference numeral 10 burner is shown, which is disposed within the insulated outer casing of a thermal post-combustion device. Because of the "environment" in which this burner 10 is used, reference is made to the above-mentioned DE 102 37 604 B4. Unless otherwise stated below, the statements there regarding the connection, the design and the mode of operation of the burner 10 apply here in the same way. In particular, the present case also applies that the burner 10 as a whole has its free end region in an opening 15 of a combustion chamber wall
  • the burner 10 has a cylindrical burner housing 12, which carries a swirling device 13 at its end facing the combustion chamber 16.
  • This swirling device 13 can also have the design described in DE 102 37 604 B4. It lies with its outer circumference more or less close to the opening 15 of the combustion chamber wall 14.
  • the actual combustion nozzle 1 is positioned, which in turn an outer tube 2 and, coaxially within this, an inner tube 3 comprises.
  • the outer tube 2 has at its free, lying within the combustion chamber 16 end portion a conically on the end to be converged portion 2a.
  • the inner tube 3, however, has in its lying within the combustion chamber 16 end portion has a conically tapered to the end portion 3a and, further to the free end, a re flared section 3b. In this way, in the outer circumferential surface of the inner tube 1, a kind of V-shaped groove 3c. Between the free edge of the
  • Section 2a of the outer tube 2 and the groove 3c is an annular nozzle-outlet slit 4th
  • the annular space between the burner housing 12 and the outer tube 2 of the combustion nozzle 1 is located in the field of view of a UV diode, which serves to monitor the burning process in a known manner.
  • the annular space between the outer tube 2 and the inner tube 3 of the fuel nozzle 1 is connected in a manner not shown in the drawing with a fuel gas source.
  • Interspace between inner tube 3 and ignition electrode 5 can be charged with a starting gas.
  • the burner 10 described above operates as follows:
  • the fuel gas is the space between the outer tube
  • the exhaust air to be cleaned flows through the swirling device 3 into the flame 17 thus formed, which is strongly swirled around the flame 17.
  • the contaminants contained in the exhaust air are now burned, effectively suppressing both the formation of NO and the formation of CO.
  • the effective cross-section of the outlet gap 4 can be changed in order to obtain an optimum flame shape for the given application and the lowest possible formation of NO and CO.

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Abstract

Es wird ein Brenner (10) für eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung beschrieben, der in bekannter Weise eine in einem Gehäuse (12) angeordnete Brenndüse (1) aufweist. Auf dem Endbereich des Gehäuses (12) ist eine Verwirbelungseinrichtung (13) angeordnet, die von dem zu reinigenden Abgas durchströmbar ist. Die Brenndüse (1) umfasst ein Außenrohr (2) und ein Innenrohr (3), wobei der Zwischenraum zwischen diesen beiden Rohren (2, 3) bis zu einem ringförmigen Austrittsspalt (4) in deren Endbereich von Brenngas durchströmbar ist. Der Strömungsweg für das Brenngas weist in der Nähe des Austrittsspalts (4) eine Engstelle auf. Auf diese Weise lässt sich eine kompakte Flamme erzielen, deren Form als "glockenförmig" bezeichnet werden kann und die bei einem gegebenen Volumen eine verhältnismäßig kleine Oberfläche aufweist. Obwohl eine derartige Flamme nach herkömmlicher Ansicht schlechte CO-Werte besitzt, sorgt die Verwirbelungseinrichtung (13) dazu, dass das Abgas in der Flamme mit sehr niedrigen NOX- und CO-Werten ver- brennt.

Description

Brenner für eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft einen Brenner für eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung mit
a) einem Gehäuse;
b) einer in dem Gehäuse angeordneten Brenndüse, die ein von Brenngas durchströmbares Rohr aufweist, das mindestens eine Austrittsöffnung für das Brenngas besitzt;
c) ' einer auf einem Endbereich des Gehäuses angebrachten Verwirbelungseinrichtung, die von dem zu reinigenden Abgas durchstrδmbar ist.
Thermische Nachverbrennungsvorrichtungen sollen mit einem möglichst guten Wirkungsgrad, also mit einer möglichst geringen Brennerleistung, die in der zu entsorgenden Abluft mitgeführten Verunreinigungen möglichst vollständig verbrennen. Unter dem Gesichtspunkt der voll- ständigen Verbrennung wäre eine verhältnismäßig hohe Temperatur der von dem Brenner erzeugten Flamme günstig; allerdings wächst mit zunehmender Temperatur die Bildung von unerwünschten Stickstoff -Oxiden.
Ein Brenner der eingangs genannten Art ist in der DE 102 37 604 B4 beschrieben. Die dort eingesetzte Brenndüse besitzt eine Mehrzahl von Hauptaustrittsöffnungen, über welche das Brenngas in radialer Richtung mit einem bestimmten Druck ausströmt. Durch geeignete Wahl des radialen Abstandes, in dem die Hauptaustrittsöff - nung von der Achse der Brenndüse angeordnet sind, sowie, des Querschnittes der Hauptaustrittsöffnungen wird erreicht, dass sich an den Hauptaustrittsöffnungen Einzel flammen bilden, die sich gegenseitig im Wesentlichen nicht über- läppen. Dabei wird der einleuchtende Gedanke verfolgt, den kompakten Flammenball, der sich bei noch älteren Brennern nach dem Stande der Technik findet, in eine Vielzahl von Einzelflammen aufzulösen, von denen jede mit einer niedrigeren Temperatur brennt als der Flammenball . Dieses Konzept hat sich durchaus bewährt; es besteht jedoch der ständige Bedarf, die Eigenschaften von Brennern weiter zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brenner der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass bei einfachem Aufbau besonders gute Verbrennungs- werte, insbesondere im Blick auf die Bildung von CO und NO erzielt werden können. x
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
d) die Brenndüse ein Außenrohr und ein Innenrohr um- fasst, die mit ihren Endbereichen einen ringför- migen Austrittsspalt bilden;
wobei
e) der Innenraum zwischen dem Außenrohr und dem Innen- röhr bis zum Austrittsspalt von Brenngas durchströmbar ist;
f) der Strömungsweg für das Brenngas in der Nähe des Austrittsspalts eine Engstelle aufweist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brenndüse mit Außen- und Innenrohr und insbesondere der Engstelle im Endbereich des Strömungsweges wird im Zusammenwirken mit dem Abluftstrom eine besonders kompakte Flamme erzielt, deren äußere Gestalt grob als "glockenförmig" bezeichnet werden kann. Sie weist für ein gegebenes Volumen eine vergleichsweise kleine Oberfläche auf und ist daher nach landläufiger Meinung eigentlich nicht geeignet, gute Verbrennungswerte zu erzielen. Man ging bisher davon aus, dass in derartigen kompakten Flammen die Verbrennungstemperatur zu hoch ist und daher zu hohe Werte an NO X unvermeidbar sind.
Erfindungsgemäß wurde jedoch erkannt, dass eine der- artige Flammenform durchaus einen positiven Effekt hat, da dem Sauerstoff der Zugang zu den inneren Bereichen der Flamme erschwert ist, was dort die Flammentemperatur senkt und dort zu einer reduzierend brennenden Flamme führt. Die von der Fachwelt befürchtete negative Folge einer unvollständigen Verbrennung mit hohen CO-
Werten vermeidet die Erfindung durch die Verwirbelungsein- richtung, welche trotz kompakter Flamme für eine vollständige Verbrennung der im Abgas mitgeführten Verunreinigungen und des Brenngases sorgt, indem zwischen Abluftstrom und Gasring Strömungswirbel erzeugt werden. Diese ziehen die äußeren Bereiche der Flamme zunächst teilweise nach hinten, die jedoch schließlich von der Abluft mitgerissen werden, sodass bei niedriger Temperatur der Brennkammer eine vollständige Oxidation der brennbaren Bestandteile erzielt wird.
Zweckmäßigerweise wird die Engstelle im Strömungs- weg des Brenngases dadurch erzielt, dass das Außenrohr in seinem den Austrittsspalt begrenzenden End- bereich einen in Strömungsrichtung des Brenngases sich konisch verjüngenden Abschnitt aufweist. Durch diesen Abschnitt wird das Brenngas in der Nähe des Austrittsspaltes auf das Innenrohr zugelenkt, was die Ausbildung der gewünschten Flammenform fördert .
Besonders vorteilhaft ist diejenige Ausführungform der Erfindung, bei welcher das Innenrohr an seiner Außenmantelfläche in seinem den Austrittsspalt begrenzenden Endbereich eine insbesondere im Querschnitt V-förmige Nut aufweist. Wenn diese Nut mit dem konisch zulaufenden
Endbereich des Außenrohres zusammenwirkt, entsteht eine Strömung des Brenngases, bei welcher die sich ergebende Flamme in besonderem Maße die gewünschten Eigenschaften besitzt .
Bei der letztgenannten Ausführungsform ist es zusätzlich möglich, dass Außenrohr und Innenrohr in axialer Richtung zueinander verstellbar sind. Auf diese Weise ist es möglich, die effektive Fläche des Austritts- Spaltes zu verändern, beispielsweise, um den Brenner an unterschiedliche Kapazitäten anzupassen.
Aus Raumgründen schließlich ist es zweckmäßig, wenn im Inneren des Innenrohrs eine Zündelektrode unter- gebracht ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen
Figur 1 einen Axialschnitt durch den im Inneren des Gehäuses einer thermischen Nachverbrennungs- Vorrichtung liegenden Bereich eines Brenners;
Figur 2 in vergrößertem Maßstab einen Axialschnitt durch den Endbereich der Brenndüse des Bren- ners von Figur 1 in einer ersten Relativposition zweier innerer Komponenten;
Figur 3 einen Schnitt, ähnlich der Figur 2, in welcher sich die inneren Komponenten der Brenndüse in einer zweiten Relativposition befinden.
Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen. Dort ist derjenige Bereich eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Brenners dargestellt, der innerhalb des isolierten Außengehäuses einer thermischen Nachverbrennungsvorrichtung angeordnet wird. Wegen der "Umgebung", in welcher dieser Brenner 10 eingesetzt wird, wird auf die oben bereits erwähnte DE 102 37 604 B4 Bezug genommen. Soweit nachfolgend nichts anderes gesagt ist, gelten die dortigen Ausführungen für den An- schluss, die Ausgestaltung und die Art der Betriebsweise des Brenners 10 hier in gleicher Weise. Insbesondere gilt auch vorliegend, dass der Brenner 10 insgesamt mit seinem freien Endbereich in eine Öffnung 15 einer Brennkammerwand
14 der thermischen Nachverbrennungsvorrichtung eingeführt ist.
Der Brenner 10 weist ein zylindrisches Brennergehäuse 12 auf, welches an seinem der Brennkammer 16 zugewandten Ende eine Verwirbelungseinrichtung 13 trägt . Diese Verwirbelungseinrichtung 13 kann ebenfalls diejenige Bauweise besitzen, die in der DE 102 37 604 B4 beschrieben ist. Sie liegt mit ihrem Außenumfang mehr oder weniger dicht an der Öffnung 15 der Brennkammerwand 14 an.
Koaxial innerhalb des Brennergehäuses 12 ist die eigentliche Brenndüse 1 positioniert, die ihrerseits ein Außenrohr 2 und, koaxial innerhalb von diesem, ein Innenrohr 3 umfasst . Das Außenrohr 2 besitzt an seinem freien, innerhalb der Brennkammer 16 liegenden Endbereich einen konisch auf das Ende zu konvergierenden Abschnitt 2a. Das Innenrohr 3 dagegen weist in seinem innerhalb der Brennkammer 16 liegenden Endbereich einen sich konisch auf das Ende verjüngenden Abschnitt 3a und, weiter auf das freie Ende zu, einen sich wieder konisch erweiternden Abschnitt 3b auf. Auf diese Weise entsteht in der Außenmantelfläche des Innenrohres 1 eine Art V-förmiger Nut 3c. Zwischen dem freien Rand des
Abschnitts 2a des Außenrohres 2 und der Nut 3c befindet sich ein ringförmiger Düsen-Austrittsspalt 4.
Zwischen dem Außenrohr 2 und dem Innenrohr 3 der Brenndüse 1 ist eine axiale Relativbewegung möglich. Dies kann entweder durch eine axiale Verschiebung des Außenrohres 2 oder eine axiale Verschiebung des Innenrohres 3 geschehen. Die Folge ist, dass der effektive Austrittsspalt 4 der Brenndüse 1 in sei- nem Querschnitt verändert werden kann. Dies wird aus den Figuren 2 und 3 deutlich. Während in Figur
2 der freie Rand des Abschnittes 2a des Außenrohres 2 etwa der tiefsten Stelle der Nut 3c des Innenrohres
3 gegenüberliegt und auf diese Weise ein größtmög- licher Düsenspalt 4 entsteht, liegt in der Relativposition der Figur 3 der freie Rand des Abschnittes 2a des Außenrohres 2 verhältnismäßig nahe an dem sich konisch zum Ende des Innenrohres 3 hin verjüngenden Abschnitt 3a des Innenrohres 3. Ersichtlich ist in dieser Relativposition von Außenrohr 2 und Innenrohr
3 der Querschnitt des ringförmigen Austrittsspaltes 4 vergleichsweise gering.
Der ringförmige Zwischenraum zwischen dem Brennerge- häuse 12 und dem Außenrohr 2 der Brenndüse 1 liegt im Sichtfeld einer UV-Diode, die in bekannter Weise der Überwachung des Brennvorganges dient .
Der ringförmige Zwischenraum zwischen dem Außenrohr 2 und dem Innenrohr 3 der Brenndüse 1 ist in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Weise mit einer Brenngasquelle verbunden.
In den Innenraum des Innenrohres 3 schließlich ist eine Zündelektrode 5 eingeschoben. Der ringförmige
Zwischenraum zwischen Innenrohr 3 und Zündelektrode 5 kann mit einem Zündgas beschickt werden.
Der oben beschriebene Brenner 10 arbeitet wie folgt:
Das Brenngas wird dem Zwischenraum zwischen dem Außenrohr
2 und dem Innenrohr 3 der Brenndüse 1 mit einem bestimmten Druck zugeführt. Seine Strömungsgeschwindigkeit kann in der Zuführleitung dabei durch eine Venturi-Düse erhöht werden, wie dies bekannt ist. Das Brenngas tritt dann durch den Austrittsspalt 4 aus. Um den Brenner 10 zu entzünden, wird in den Zwischenraum zwischen Innenrohr
3 und Zündelektrode 5 Zündgas eingeführt und mit Hilfe der Zündelektrode 5 entzündet. Dies führt dann wiederum zum Entzünden des Brenngases. In Strömungsrichtung hinter dem Austrittsspalt 4 bildet sich nun eine Flamme 17, deren äußere Kontur einer Glocke ähnelt. Dies will sagen, dass sich die Flamme 17 zunächst, von dem Radius des freien Randes des Außenrohres 2 ausgehend, in Strömungsrichtung verhältnismäßig rasch erweitert, dann jedoch weiter in
Richtung auf das Innere der Brennkammer 16 zu ihren Radius nur noch wenig vergrößert und schließlich auch wieder verhältnismäßig rasch verkleinert. Dies ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Auf diese Weise entsteht eine Flamme 17, die bei vorgegebenem Volumen eine Verhältnis- mäßig geringe Oberfläche aufweist.
In die so gebildete Flamme 17 fließt über die Verwirbe- lungseinrichtung 3 die zu reinigende Abluft, die da- bei um die Flamme 17 herum stark verwirbelt wird. Die in der Abluft enthaltenen Verunreinigungen werden nunmehr verbrannt, wobei sowohl die Bildung von NO als auch die Bildung von CO wirkungsvoll unterdrückt werden.
Wie bereits oben erwähnt, kann je nach der Menge des anfallenden Abgases der effektive Querschnitt des Austrittsspalt 4 verändert werden, um auf diese Weise eine für den gegebenen Anwendungsfall optimale Flammenform und geringstmögliche Bildung von NO und CO zu erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner für eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung mit
a) einem Gehäuse;
b) einer in dem Gehäuse angeordneten Brenndüse, die ein ein von Brenngas durchströmbares Rohr aufweist, das mindestens eine Austrittsöffnung für das Brenngas besitzt;
c) einer auf einem Endbereich des Gehäuses angebrachten Verwirbelungseinrichtung, die von dem zu reinigenden Abgas durchströmbar ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
d) die Brenndüse (1) ein Außenrohr (2) und ein Innenrohr (3) umfasst, die mit ihren Endbereichen einen ringförmigen Austrittsspalt (4) begrenzen;
wobei
e) der Innenraum zwischen Außenrohr (2) und Innenrohr
(3) bis zum Austrittsspalt (4) von Brenngas durch- strömbar ist;
f) der Strömungsweg für das Brenngas in der Nähe des Austrittsspalts (4) eine Engstelle aufweist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (2) in seinem den Austritts - spalt (4) begrenzenden Endbereich einen in Strömungs- richtung des Brenngases sich konisch verjüngenden Abschnitt (2a) aufweist.
3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (3) an seiner Außenmantelfläche in seinem den Austrittsspalt (4) begrenzenden Endbereich eine insbesondere im Querschnitt V-förmige Nut (2c) aufweist.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (2) und das Innenrohr (3) in axialer Richtung relativ zueinander verstellbar sind.
5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Innenrohrs (3) eine Zündelektrode (5) untergebracht ist.
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