EP2401551B1 - Brenner für eine thermische nachverbrennungsvorrichtung - Google Patents

Brenner für eine thermische nachverbrennungsvorrichtung Download PDF

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EP2401551B1
EP2401551B1 EP10708909.6A EP10708909A EP2401551B1 EP 2401551 B1 EP2401551 B1 EP 2401551B1 EP 10708909 A EP10708909 A EP 10708909A EP 2401551 B1 EP2401551 B1 EP 2401551B1
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Apostolos Katefidis
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Eisenmann SE
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    • F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
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    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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 afterburning apparatus according to the preamble of claim 1.
  • 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 relatively high temperature of the flame produced by the burner would be favorable; however, the formation of unwanted nitrogen oxides increases with increasing temperature.
  • a burner of the type mentioned is from the WO 01/42711 A1 known. Similar burners are in the US 3,984,196 A and the FR 2 366 517 A described.
  • 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, in particular in view of the formation of CO and NO X can be achieved.
  • 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.
  • 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.
  • V-shaped groove of the inner tube cooperates with the tapered end portion of the outer tube, there is a flow of the fuel gas, in which the resulting flame has a particular degree of the desired properties.
  • outer tube and inner tube are adjustable in the axial direction to each other, it is possible to change the effective area of the exit slit, for example, to adapt the burner to different capacities.
  • an ignition electrode is accommodated in the interior of the inner tube.
  • FIG. 1 Referenced 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, the already mentioned above DE 102 37 604 B4 Referenced. Unless otherwise stated below, the statements there for the connection, the design and the type of operation of the burner 10 apply here in the same way. In particular, in the present case as well, the burner 10 as a whole is introduced with its free end region into an opening 15 in a combustion chamber wall 14 of the thermal afterburning apparatus.
  • 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 may also have the construction that in the DE 102 37 604 B4 is described. 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.
  • a kind of V-shaped groove 3c is provided between the free edge of the portion 2a of the outer tube 2 and the groove 3c, there is an annular nozzle discharge gap 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.
  • a firing electrode 5 is inserted in the interior of the inner tube 3.
  • the annular space 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 supplied to the space between the outer tube 2 and the inner tube 3 of the fuel nozzle 1 at a certain pressure. Its flow rate can be increased in the supply line through a Venturi nozzle, as is known. The fuel gas then exits through the outlet gap 4. In order to ignite the burner 10, ignition gas is introduced into the intermediate space between the inner tube 3 and the ignition electrode 5 and ignited with the aid of the ignition electrode 5. This in turn leads to the ignition of the fuel gas. In the flow direction behind the outlet gap 4 now forms a flame 17 whose outer contour is similar to a bell.
  • 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 x and CO.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • 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 vollständigen 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 aus der WO 01/42711 A1 bekannt. Ähnliche Brenner sind in der US 3 984 196 A und der FR 2 366 517 A beschrieben.
  • In der DE 102 37 604 B4 ist eine Brenndüse offenbart, die eine Mehrzahl von Hauptaustrittsöffnungen besitzt, über welche das Brenngas in radialer Richtung mit einem bestimmten Druck ausströmt. Durch geeignete Wahl des radialen Abstandes, in dem die Hauptaustrittsöffnung von der Achse der Brenndüse angeordnet sind, sowie des Querschnittes der Hauptaustrittsöffnungen wird erreicht, dass sich an den Hauptaustrittsöffnungen Einzelflammen bilden, die sich gegenseitig im Wesentlichen nicht überlappen. 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 Verbrennungswerte, insbesondere im Blick auf die Bildung von CO und NOX erzielt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
  • 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 NOX unvermeidbar sind.
  • Erfindungsgemäß wurde jedoch erkannt, dass eine derartige 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 Verwirbelungseinrichtung, 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.
  • Durch den sich verjüngenden Abschnitt des Außenrohrs Abschnitt wird das Brenngas in der Nähe des Austrittsspaltes auf das Innenrohr zugelenkt, was die Ausbildung der gewünschten Flammenform fördert.
  • Dadurch, dass die V-förmige Nut des Innenrohres 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.
  • Dadurch, dass Außenrohr und Innenrohr in axialer Richtung zueinander verstellbar sind, ist es möglich, die effektive Fläche des Austrittsspaltes zu verändern, beispielsweise, um den Brenner an unterschiedliche Kapazitäten anzupassen.
  • Aus Raumgründen ist es zweckmäßig, wenn im Inneren des Innenrohrs eine Zündelektrode untergebracht 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 Nachverbrennungsvorrichtung liegenden Bereich eines Brenners;
    Figur 2
    in vergrößertem Maßstab einen Axialschnitt durch den Endbereich der Brenndüse des Brenners 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 Anschluss, 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 seinem 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 größtmöglicher 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 Brennergehäuse 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 verhältnismäßig geringe Oberfläche aufweist.
  • In die so gebildete Flamme 17 fließt über die Verwirbelungseinrichtung 3 die zu reinigende Abluft, die dabei um die Flamme 17 herum stark verwirbelt wird. Die in der Abluft enthaltenen Verunreinigungen werden nunmehr verbrannt, wobei sowohl die Bildung von NOX 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 NOX und CO zu erhalten.

Claims (2)

  1. Brenner für eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung mit
    a) einem Gehäuse (12);
    b) einer in dem Gehäuse (12) angeordneten Brenndüse (1), die ein von Brenngas durchströmbares Rohr (2) aufweist, das mindestens eine Austrittsöffnung (4) für das Brenngas besitzt;
    c) einer auf einem Endbereich des Gehäuses (12) angebrachten Verwirbelungseinrichtung (13), die von dem zu reinigenden Abgas durchströmbar ist;
    wobei
    d) die Brenndüse (1) ein Außenrohr (2) und ein Innenrohr (3) umfasst, die mit ihren Endbereichen einen ringförmigen Austrittsspalt (4) begrenzen;
    e) der Innenraum zwischen Außenrohr (2) und Innenrohr (3) bis zum Austrittsspalt (4) von Brenngas durchströmbar ist;
    f) der Strömungsweg für das Brenngas in der Nähe des Austrittsspalts (4) eine Engstelle aufweist;
    g) das Außenrohr (2) in seinem den Austrittsspalt (4) begrenzenden Endbereich einen in Strömungsrichtung des Brenngases sich konisch verjüngenden Abschnitt (2a) aufweist;
    h) das Innenrohr (3) an seiner Außenmantelfläche in seinem den Austrittsspalt (4) begrenzenden Endbereich eine insbesondere im Querschnitt V-förmige Nut (2c) aufweist;
    i) das Außenrohr (2) und das Innenrohr (3) in axialer Richtung relativ zueinander verstellbar sind.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    im Inneren des Innenrohrs (3) eine Zündelektrode (5) untergebracht ist.
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