EP3940293A1 - Method for staged combustion of a fuel and combustion head - Google Patents

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EP3940293A1
EP3940293A1 EP21182423.0A EP21182423A EP3940293A1 EP 3940293 A1 EP3940293 A1 EP 3940293A1 EP 21182423 A EP21182423 A EP 21182423A EP 3940293 A1 EP3940293 A1 EP 3940293A1
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EP
European Patent Office
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fuel
combustion
nozzles
primary
burner tube
Prior art date
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Pending
Application number
EP21182423.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Schmidt
Kathleen Hanka
Ronny Kretzschmar
Stephan H. Tobias
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elco Burners GmbH
Original Assignee
Elco Burners GmbH
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Filing date
Publication date
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    • F23D2203/007Mixing tubes, air supply regulation

Definitions

  • the present invention relates to a method for the staged combustion of a fuel and a combustion head for the staged combustion of a fuel.
  • nitrogen oxides e.g. NO, NO2
  • NO nitrogen oxides
  • the thermal NO is dependent on the so-called Zeldovich mechanism on the one hand on the residence time of the reactants in the combustion zone and on the other hand to a large extent on the combustion temperature itself.
  • the combustion temperature is linked to the fuel/air ratio ⁇ .
  • a fuel/air ratio of ⁇ ⁇ 1 is referred to as a rich mixture; there is too much fuel.
  • a fuel/air ratio ⁇ > 1 is referred to as a lean mixture, there is excess air. In both cases, the combustion temperature drops again and consequently less thermal NO is formed.
  • the formation of prompt NOx also plays a not insignificant role.
  • the prompt NO arises from hydrocarbon radicals CH formed as intermediates in flames, which are present as intermediate products during the combustion of carbonaceous fossil fuels.
  • the CH radicals react with atmospheric nitrogen to form hydrocyanic acid (HCN), which is further converted to NO in very rapid formation reactions.
  • HCN hydrocyanic acid
  • a proven method to suppress the formation of free CH radicals and thus the formation of prompt NO is lean combustion or lean combustion.
  • Lean combustion refers to combustion with excess air, i.e. with ⁇ > 1.
  • the prompt NO is formed in small amounts compared to the thermal NO, but is also crucial for the reduction of the NO formation, especially in ultra-low NO applications.
  • EP 1 754 937 B1 and EP 2 037 173 B1 show burner heads with which NO reduction is achieved. These are primarily single-stage combustion processes that only allow further NO optimization and flame stabilization to a limited extent.
  • DE 195 09 219 A1 shows a combustor for two-stage combustion with a hyper-stoichiometric air-gas mixture in the first stage and a sub-stoichiometric air-gas mixture in the second stage.
  • a mixing zone Different fluids that are not (yet) burned are mixed in a mixing zone.
  • the conditions that must be present for combustion are usually not met. This can be the case, for example, when the flow rate of the ignitable mixture is significantly higher than the flame speed.
  • a combustion zone is an area where the conditions required for combustion exist.
  • a combustion zone exists when an ignitable mixture (eg, fuel-combustion air mixture, fuel-combustion air-exhaust mixture, fuel-oxidant mixture, fuel-oxidant-exhaust mixture) is present, the flow rate of the ignitable mixture, and the flame velocity are essentially the same and have a temperature that is equal to or greater than the ignition temperature of the ignitable mixture.
  • oxidizing agent includes the term combustion air, but also includes, for example, ambient air enriched with additional oxygen. Ignition or combustion cannot take place in areas where these conditions are not met. Mixed zones often merge into combustion zones without any clear spatial separation.
  • Multi-stage combustion processes have been known in practice for a long time. At present, however, the approaches known to date are not sufficient to be able to continue to meet the steadily increasing NO requirements for the operation of combustion plants in the long term. A more intensive NO reduction is possible through a staged combustion according to the disclosure. With appropriate controllability, the NO reduction can also be guaranteed over a wide load range and/or for different fuels and/or for different combustion chambers.
  • a method for the staged combustion of a fuel while supplying combustion air into a burner tube according to claim 1 is provided.
  • the fuel can be a gas or a liquid fuel.
  • a first quantity of fuel is introduced to form a primary flame within the burner tube.
  • a second amount of fuel may be added downstream to form a main flamefront.
  • the main flame stabilizes downstream of the burner tube and spaced from the burner tube.
  • the fuel feeds are designed in such a way that the primary flame burns with a stoichiometry greater than 1.5, in particular greater than 2.0. This allows a very low flame temperature to be achieved. It forms practically none prompt NO.
  • the main flame is slightly lean of stoichiometry.
  • the stoichiometry can be between 1.03 ... 1.18.
  • the temperature of the main flame can be significantly reduced by flue gases recirculated inside the combustion chamber.
  • the first amount of fuel may be regulated independently of the second amount of fuel.
  • a hyper-stoichiometric primary flame can thus be guaranteed over a wide load range.
  • the first amount of fuel supplied can be significantly less than the second amount of fuel supplied.
  • the first amount of fuel can be between 3% and 15% of the total amount of fuel, i.e. the sum of the first amount of fuel and the second amount of fuel.
  • the first amount of fuel is preferably between 5% and 10% of the sum of the first amount of fuel and the second amount of fuel.
  • part of the combustion air is twisted. This creates turbulent combustion air. A first partial quantity of the first quantity of fuel is released into the area of the air turbulence. This creates a turbulent lean air/fuel mixture. Very thorough mixing can be achieved. In this range, the flow velocity is high and the mixture is lean, so that there are no ignition conditions. The flow rate of the swirled lean air/fuel mixture is reduced in the next step. A second portion of the first amount of fuel is introduced into the decelerated swirled lean air/fuel mixture.
  • a combustor for staged combustion of a fuel according to claim 7.
  • the burner head provided enables the procedure to be carried out.
  • the combustor is configured to combust a first supplied amount of fuel in a lean-of-stoichiometric primary flame.
  • a second quantity of fuel supplied is combusted in a slightly over-stoichiometric main flame.
  • a supply of the first quantity of fuel and a supply of the second quantity of fuel can preferably be regulated independently of one another and thus ensure combustion with a very low level of nitrogen oxides over a wide load range.
  • the burner head 10 comprises a burner tube 12, a swirl device 14, first fuel nozzles 16a, 16b, second fuel nozzles 18, a first fuel feed 20 and a second fuel feed 22. Arrows symbolize the inflowing fuel.
  • a lean primary flame 24 forms within the swirler 14 and a main flame or main flame front 26 spaced from the combustor 10, both of which are defined by a flame in the 1 are represented symbolically.
  • Combustion head 10 thus serves to burn fuel in stages.
  • the fuel can be gaseous.
  • the fuel can be natural gas.
  • the fuel may include hydrogen.
  • a dual-fuel burner is also possible, in which liquid fuel can also be burned in addition to gaseous fuel.
  • a liquid fuel only burner is also possible.
  • the further description generally relates to an embodiment as a gas burner in a non-limiting manner.
  • the burner tube 12 is shown in the illustration 1 Combustion air 28 supplied from the right.
  • the end of the burner tube 12 on the right in the illustration is therefore the upstream end.
  • the combustor tube 12 may be substantially cylindrical.
  • the combustion air 28 flows through the burner tube 12 and leaves it at the open end of the burner tube 12 on the left in the illustration, the downstream end.
  • the main flame front 26 is formed downstream of the combustion head 10.
  • the combustion chamber or furnace not shown.
  • the amount of fuel from the first fuel nozzles 16a, 16b may be small in relation to the amount of fuel exiting the second fuel nozzles 18. If only a small amount of fuel is burned well lean of stoichiometry in the primary flame 24, a second lean of stoichiometry combustion stage is not necessary. Therefore, the spaced main flame 26 can also be overall lean of stoichiometry.
  • a general under-stoichiometric combustion zone as in the case of staged combustion with under-stoichiometric and over-stoichiometric combustion zones and the residence time of the gases in these zones necessary for NO reduction, is not produced with the combustion head 10 according to the invention.
  • the inventive method provides a heavily over-stoichiometric primary flame and a slightly over-stoichiometric main flame.
  • the swirl device 14 is arranged within the burner tube 12 .
  • the twister 14 can be open at both ends.
  • a longitudinal axis of the burner tube 12 and a longitudinal axis of the swirl device 14 can be parallel to one another or lie on top of one another, so that the swirl device 14 is located centrally in the burner tube 12 and is radially evenly spaced from the inner wall of the burner tube.
  • Part of the combustion air 28 flows outside the swirl device 14 through the burner tube 12, another part of the combustion air 28 flows through the swirl device 14.
  • the swirl device 14 comprises a swirl body 30, swirl vanes 32 and a perforated partition 34.
  • the swirl body 30 can be essentially cylindrical.
  • the perforated dividing wall 34 can run essentially perpendicularly to the longitudinal axis of the swirl body 30 and divide an interior space of the swirl body 30 into a first area 36 and a second area 38 .
  • the first region 36 may be upstream of the second region 38 .
  • the broken partition wall 34 can cause a pressure loss. It can thus locally reduce the flow speed downstream of the partition wall 34 that has been perforated.
  • the swirl vanes 32 can only be arranged in the first region 36 .
  • the second area downstream of the partition wall 34 can be free of swirl vanes 32 .
  • a plurality of swirl vanes 32 can be provided.
  • the swirl body 30 can have a larger diameter in the first area 36 than in the second area 38. In the transition between the first area 36 and the second area 38, a conical section can be provided.
  • the first fuel nozzles 16a, 16b are arranged inside the swirl body 30. You are connected to the first fuel feed 20 .
  • the first fuel supply 20 permits regulation of the amount of fuel/combustion gas flowing to the first fuel nozzles 16a, 16b, as indicated by a symbol 40 in 1 shown. This control is separate and independent of a control 42 in the second fuel feed 22.
  • the first fuel nozzles 16a, 16b can include primary fuel nozzles, also referred to below as primary gas nozzles, 16a, which are located in the second, downstream region 38 of the swirl device 14.
  • the first fuel nozzles 16a, 16b can include further fuel nozzles--hereinafter referred to as auxiliary fuel nozzles or auxiliary gas nozzles 16b--which are located in the first, upstream region 36 of the swirl device 14.
  • the support fuel nozzles 16b can be distributed evenly between the swirl vanes 32 .
  • the auxiliary fuel nozzles 16b can be arranged essentially parallel to a longitudinal axis of the burner tube 12 .
  • the swirl vanes 32 cause a strong turbulence of the combustion air 28.
  • the fuel flowing out of the support fuel nozzles 16b which is also referred to as support gas, is thus highly efficiently premixed with part of the combustion air 28 for the primary flame 24.
  • a twisted fuel/combustion air mixture is created.
  • the fuel supply through the auxiliary fuel nozzles 16b can be designed in such a way that a turbulent lean air/fuel mixture is formed.
  • the auxiliary fuel nozzles 16b can deliver a first subset of the first quantity of fuel.
  • the auxiliary fuel nozzles 16b can have bores for dispensing the fuel.
  • the bores can be arranged in such a way that the fuel is discharged at least partially inwards in a substantially radial direction, i.e. in a direction substantially perpendicular to the wall of the swirler 30. Due to the high flow velocities of the swirled combustion air and due to the high proportion of air in the ratio The ignition conditions of the swirled fuel/combustion air mixture in the region of the swirl vanes 32, ie in the upstream region 36, are not yet given in relation to the fuel or gas quantity.
  • the partition wall 34 can be designed to decelerate the swirled fuel/combustion air mixture.
  • the partition wall 34 can have openings for this purpose.
  • the dividing wall can be configured essentially in the manner of a lattice.
  • a geometry of the dividing wall 34 can be designed to reduce the flow velocity of the swirled fuel/combustion air mixture while leaving the turbulence largely undisturbed.
  • the partition 34 reduces the absolute flow rate of the swirled and premixed primary air and thus ensures the ignition of the primary flame 24, which is additionally enriched in this area with a second portion of the first amount of fuel.
  • the primary fuel nozzles 16a may be evenly distributed in the downstream area 38 .
  • the primary fuel nozzles 16a are thus located downstream of the partition wall 34 in an area with a lower flow velocity.
  • the primary fuel nozzles 16a may be arranged substantially perpendicular to a longitudinal axis of the combustor tube 12 .
  • the primary fuel nozzles 16a can be evenly distributed in a corona.
  • a plurality of primary fuel nozzles 16a may be provided.
  • the primary fuel nozzles 16a deliver the second part of the first quantity of fuel, which is referred to as the primary gas, to the fuel-air mixture formed in the bladed part of the swirl body 30 or, in other words, in the first region 36, and thus produce the ignitable mixture for the formation of the primary flame 24.
  • the primary fuel nozzles 16a can have bores for dispensing the fuel.
  • the bores can be arranged laterally on the primary fuel nozzles 16a.
  • the lateral bores can be arranged in such a way that the fuel is discharged essentially in a tangential direction.
  • the ratio of the opening area of the entirety of the bores in the primary fuel nozzles 16a to the opening area of the entirety of the bores in the support fuel nozzles 16b can determine a ratio of primary gas to support gas, taking into account the supply lines to the primary fuel nozzles 16a and the support fuel nozzles 16b.
  • the ratio can be chosen depending on the overall geometry and the fuel quality or the fuel composition.
  • the ratio can be around 1:1.
  • About half of the fuel flowing through first fuel guide 20 may be delivered via primary fuel nozzles 16a in region 38, and about half of the fuel flowing through first fuel guide 20 may be delivered via support fuel nozzles 16b in region 36.
  • the separate controllability of the primary and support gas by the control device 40 in relation to the controllability of the second and main fuel quantity flowing through the second fuel supply 22 and the design of the swirler 30, primary and support fuel nozzles 16a, 16b and partition 34 can provide a primary flame 24 with a Generate stoichiometry ⁇ >>1 over a wide load range.
  • the stoichiometry of the primary flame 24 is ⁇ >1.5.
  • the stoichiometry of the primary flame 24 is ⁇ >2.
  • a stable primary flame 24 For a stable primary flame 24, the previous supply of the support gas via the support fuel nozzles 16b into the swirled combustion air and thus the enrichment and premixing of the primary air with fuel, the type and position of the introduction of the primary gas, the ratio of support and primary gas and the geometry and Position of the partition wall 34 in the bladeless part 38 of the swirler 30 in the illustrated embodiment of importance.
  • Other means can be provided in order to achieve a stable primary flame with a stoichiometry greater than 1, in particular greater than 1.5 or even greater than 2.
  • the cylindrical, bladeless part of the swirl body 30, the area 38 in 1 Designed so that the primary flame 24 forms in a defined area that is protected from the remaining combustion air 28 that flows through the burner tube 12 outside of the swirl body 30 .
  • the second fuel nozzles 18, also referred to as main gas nozzles, are located outside and downstream of the swirl device 14.
  • the second fuel nozzles 18 are connected to the second fuel feed 22.
  • the second fuel feed 22 allows the amount of fuel/combustion gas flowing to the second fuel nozzles 18 to be regulated.
  • the second amount of fuel comprises the majority of the total amount of fuel and is therefore also referred to as the main amount of fuel or main gas.
  • the adjustability of the main gas is marked with the symbol 42 in 1 shown.
  • the second fuel nozzles 18 are located within the combustor tube 12.
  • the second fuel nozzles 18 may be located at the downstream end of the combustor tube 12 and terminated therewith.
  • the second fuel nozzles 18 can evenly over the Inner circumference of the burner tube 12 are distributed.
  • an annular delta disk that can fill a gap between burner tube 12 and second fuel nozzles 18 at the downstream end of the burner tube.
  • the delta disc is with reference to Figures 4-6 explained in more detail.
  • the second fuel nozzles 18 can be designed to ensure a high fuel exit velocity.
  • the resulting impulse transports the fuel as far as possible into the combustion chamber and forms a combustion zone spaced apart from the combustion head 10 .
  • the main gas can be discharged essentially in the direction of flow, ie parallel to the longitudinal axis of the burner tube 12 .
  • the second fuel nozzles 18 can have an opening on one end face. A panel can determine the opening at the front.
  • the configuration of the second fuel nozzles 18 results in the formation of the main flame or main flame front 26 which is spaced from the downstream end of the combustion head 10 and is stably formed in the combustion chamber, not shown in detail.
  • the main flame 26 can have a slim and elongated flame shape.
  • An internal exhaust gas recirculation which is explained in more detail below, can inject exhaust gases into the hot zones of the main flame 26 and thus into the areas of greatest NO production. This reduces NO production in the main flame.
  • the fuel feeds can be designed and arranged in such a way that ignition energy for the spaced-apart main flame 26 from the primary flame and recirculated exhaust gases is made available in order to ignite the mixture of main fuel, combustion air or generally oxidant and recirculated exhaust gas and ensure a continuous, stable progression of the ensure oxidation reactions.
  • Both gas connections, ie fuel supply 20 for the primary and supporting gas for the primary flame 24 and fuel supply 22 for the main gas for the main flame 26 are regulated separately by gas control devices 40 and 42 in the embodiment shown.
  • the quantity of gas in the primary flame 24 and in the main flame 26 can be set separately from one another and the stoichiometry in the respective combustion zone can thus be regulated individually. This allows the setting of a stable and over-stoichiometric primary combustion zone and thus the formation of an almost NO-free primary flame 24 over a wide load range and adaptation to different combustion chambers.
  • Combustion head 10a can have the same features as for the in 1 illustrated combustion head 10 described.
  • Combustion head 10a may represent an implementation of combustion head 10 .
  • the same reference numbers are therefore used as in 1 used.
  • the description of 2 is essentially limited to details arising from the presentation of the 1 not emerge. In the 2 the burner tube 12 is not shown.
  • the second fuel feed 22 of the combustion head 10a is designed as a tube which has a connection flange 44 for connection to a fuel supply. Smaller pipes 46 or main gas lances 46 lead from the second fuel feed 22 . The main gas lances 46 direct the fuel from the second fuel feed 22 to the second fuel nozzles 18 and close with them. In the illustrated embodiment, the combustion head 10a has six second fuel nozzles 18 . The main gas lances 46 run outside the swirl body 30.
  • the second fuel feed 22 transitions into a fuel pipe 48 which can run through the swirl body 30 in the middle parallel to the longitudinal axis of the swirl body 30 .
  • the fuel pipe 48 is preferably designed as a central fuel pipe.
  • the fuel tube 48 carries the main gas in the first upstream region. Downstream of where the main gas lances 46 branch off, a gas separating plate 50 seals off the second fuel feed 22 from the subsequent fuel pipe 48 .
  • the gas separating plate 50 is arranged in the second fuel feed 22/the fuel pipe 48 and is essentially perpendicular to a longitudinal axis of the second fuel feed 22/the fuel pipe 48.
  • the first fuel feed 20 opens into the fuel pipe 48. Downstream of the gas separating plate 50, the fuel pipe 48 is therefore used to guide the first quantity of fuel. Smaller tubes 52, the so-called support gas lances, branch off downstream of the gas separating plate 50. The supporting gas lances 52 conduct the fuel from the first fuel feed 20 to the supporting gas nozzles 16b.
  • the combustion head 10a has three supporting gas nozzles 16b. The support gas nozzles 16b are inside the swirl body 30. The swirl vanes 32 can be seen next to the supporting gas nozzle 16b.
  • FIG. 2 An exemplary shape of the swirl body 30 can also be found in FIG.
  • the swirl body 30 In the first area 38 with the swirl vanes 32 and the support gas nozzles 16b, the swirl body 30 is configured cylindrically with a first diameter.
  • the swirl body 30 In the second region 38 without swirl vanes, the swirl body 30 is cylindrical with a second diameter. In one embodiment, the first diameter is larger than the second diameter. Both areas 36, 38 can then be connected to one another by a conical area.
  • Swirl body 30 is displaceably mounted on fuel pipe 48 via a swirl body inner tube 54, which allows, for example, an adjustment to different combustion chamber geometries and process parameters.
  • a swirl body inner tube 54 By axially shifting the Swirl body 30 on the fuel pipe 48, the ratio of the amounts of air which flows through the swirl body 30 and which exits from the gap formed by the outer diameter of the swirler in area 38 and the inner diameter of the delta disc 66 can be influenced within limits.
  • FIG. 3 shows schematically in a perspective view the combustion head 10a from a flame side.
  • FIG. 3 shows schematically in a perspective view the combustion head 10a from a flame side.
  • FIG. 3 shows schematically in a perspective view the combustion head 10a from a flame side.
  • FIG. 3 shows schematically in a perspective view the combustion head 10a from a flame side.
  • FIG. 3 shows schematically in a perspective view the combustion head 10a from a flame side.
  • a direct, electrical ignition 56 can be provided, which is only used initially for (eg for the first time) ignition. Once a flame has formed and stabilized, the fuel-air mixture continues to ignite by reaction from the flame.
  • the ignition device 56 is attached to one of the support gas nozzles 16b.
  • the fuel pipe 48 ends downstream in a cylindrical fuel distributor 58.
  • the fuel distributor 58 can also be referred to as the primary gas distributor 58 since at this point the fuel pipe 48 only carries the primary gas.
  • four primary gas nozzles 16a are arranged radially on a lateral surface of the primary gas distributor 58 on the primary gas distributor 58 .
  • the primary gas nozzles 16a are arranged at equal intervals and point away from the fuel pipe 48 or from the primary gas distributor 58 towards the burner pipe 12 (not shown).
  • the primary gas nozzles 16a can have bores 60 .
  • Each primary gas nozzle 16a can have a plurality of bores 60 . Two bores 60 are shown. However, there can also be more or fewer bores.
  • the bores 60 are arranged on the primary gas nozzles 16a in such a way that the primary gas essentially flows out in a tangential direction.
  • the orientation of the bores 60 can be matched to the arrangement and configuration of the swirl vanes 32 in such a way that the primary gas is discharged with the flow of the fuel/combustion air mixture swirled in the first region 36 .
  • the primary gas flows out of the lateral bores in a tangential direction that is determined by the direction of the swirl.
  • the primary gas nozzles 16a can have an axial bore, from which the primary gas also flows.
  • the second fuel nozzles 18 or main gas nozzles are arranged in a circle around the downstream end of the swirl body 30 . They have holes 62 on their end faces.
  • the bores 62 are designed to ensure a high fuel exit velocity of the main gas, so that the main flame front 26 forms at a distance from the combustion head.
  • Combustion head 10b may correspond to combustion head 10 and/or combustion head 10a.
  • Combustion head 10b may correspond to combustion head 10 and/or combustion head 10a.
  • Figures 1 to 3 illustrated parts will not be described again in detail.
  • parts have been cut away to show details better.
  • the part of the swirl body 30 pointing towards the viewer has been cut away so that the internal structure can be seen is.
  • the area where the first fuel feed 20 opens into the fuel pipe 48 has been cut open.
  • the primary gas nozzles 16a In the side view representation of the 4 holes 64 are visible on the primary gas nozzles 16a.
  • the bores 64 are configured to discharge the fuel substantially radially inward.
  • the primary gas nozzles can also have axial bores.
  • the burner tube 12 is also shown.
  • the combustor tube 12 may be terminated at its downstream end by an annular delta disc 66 extending radially inward from the combustor tube 12 .
  • the delta disc 66 has a plurality of guide devices 68 pointing radially inwards.
  • the openings of the second fuel nozzles 18 can end flush with the delta disc 66 .
  • the design of the delta disc 66 with reference to 6 is described in more detail, is used for internal exhaust gas recirculation in the main flame 26. The recirculation can be effected by the portion of the combustion air 28 that flows past the swirl device 14 and hits the ring of the annular delta disk 66 directly.
  • the amount of fuel from the primary gas nozzles 16a and the support gas nozzles 16b is small in relation to the amount of fuel which exits from the second fuel nozzles 18 . It is preferably 3% to 15%, particularly preferably 5% to 10% of the total amount of fuel.
  • the excess air required for the complete combustion of the partial fuel quantities from the primary gas nozzles 16a, the supporting gas nozzles 16b and from the fuel nozzles 18 can be between 1.075 and 1.2 in embodiments.
  • the combustion zones of the primary flame and the spaced main flame are each lean of stoichiometry. Locally, due to the flow of fuel entering the combustion chamber axially, it can from the second Fuel nozzles 18 come to form sub-stoichiometric zones before fuel gas and air and recirculated exhaust gas have been sufficiently mixed.
  • the reduction in the NO values results from the extremely low-NO combustion in the partially premixed, very lean primary flame in combination with the main flame at a distance, which, due to the intensive mixing in of internally recirculated exhaust gases and the lowering of the O2 partial pressure in the mixture, has no effect on the NO Formation can form harmful high temperatures.
  • the formation of a slim but not too long flame is advantageous, which efficiently decouples the heat released during the combustion of the fuel from the conversion of the chemical enthalpy to the cooled surrounding walls of the combustion chamber through radiation and convection.
  • FIG. 12 schematically shows a sectional view of a front portion of the combustion head 10b.
  • the swirl body inner tube 54 which is routed over the fuel tube 48, is visible.
  • the swirl body can thus be displaced longitudinally and can be fixed in its position with a screw 70 .
  • the displaceability allows better adaptation to different combustion chambers in which the main flame front 26 is formed.
  • the perforated partition 34 is arranged in the area 38 .
  • the breached partition 34 is positioned and configured such that the primary flame 24 is securely stabilized or retained within the region 38 of the swirler 30 in the described embodiment.
  • Fig. 12 schematically shows a front view of the combustion head 10b from the flame side, or in other words from the combustion chamber.
  • the fuel distributor 58 from which the primary gas nozzles 16a with their bores 60 extend.
  • the perforated partition wall 34 Behind it is the perforated partition wall 34.
  • the perforations are realized by two concentric rows of holes, the holes being circular. It is to be understood that the openings can also have a different shape. The ratio of the opening areas to the total area can also be different than shown.
  • the perforated partition wall 34 serves to reduce the flow velocity of the swirled air/fuel mixture from the area 36 of the Swirl body 30.
  • the partition 34 is limited by the wall of the swirl body 30.
  • the support gas nozzles 16b located behind them can be seen through the openings.
  • the second fuel nozzles 18 with their bores 62 are arranged at regular intervals on a circle around the central axis of the swirl body 30 .
  • the annular delta disc 66 which closes off the burner tube 12 .
  • the guide devices 68 extend inward in the radial direction.
  • three baffles 68 are provided.
  • the three guide devices 68 are evenly distributed over the inner circumference.
  • the combustion head 10b can also have more or fewer guide devices 68, which can then likewise be distributed uniformly over the inner circumference.
  • the guide devices 68 are triangular in shape and have a tip pointing inwards in the radial direction. The triangles point away from the annular delta disc 66 with an apex. How out figure 5 seen, the guide devices 68 are not in the plane of the 6 , but point away from the swirl body 30 . They are angled.
  • the guide devices 68 with the delta disc 66 are designed in such a way that they cause the formation of a vacuum zone which draws in exhaust gases from the combustion chamber. Delta disk 66 and guide devices 68 thus lead to an internal exhaust gas recirculation.
  • the shape in the manner of an angled triangle pointing away from the swirler leads to "standing vortices" on the guide devices 68, which contribute to the stabilization of the main flame front 26. Consequently, the recirculated exhaust gases are injected into the hot zones of the main flame and thus into the areas of greatest NO production.
  • the geometry of the guide devices 68 has been optimized in such a way that as high an internal exhaust gas quantity as possible is drawn into the main flame 26 . Both the number and the geometry of the guiding devices 68 must be taken into account both for the effect of the NO reduction and for the stability of the main flame.
  • the annular delta disc 66 can have a multiplicity of bulges 72 on its inner circumference between the guide devices 68 .
  • the bulges 72 form an interlocking geometry.
  • Semi-circular lobes are shown, but the teeth can be formed with other geometries.
  • the serration 72 is designed to create a larger surface area. The larger surface area results in a larger contact area between exhaust gas, combustion air and main fuel, a more intensive and uniform mixture of the fuel-air-exhaust gas mixture is produced. As a result, a more uniform distribution of combustion zones enriched with exhaust gas and thus stoichiometrically more favorable can form in the main flame 26 . The inventors have found that this further reduces the overall formation of thermal NO.
  • the second fuel nozzles 18 are shaped in such a way that the highest possible exit velocities are achieved.
  • an aperture can be provided in front of the axial opening of the fuel nozzle. Due to the high momentum of the outflowing gas, the intensity of the mixture of internally recirculated exhaust gas and fuel can be further advanced. A further optimization takes place through the position of the second fuel nozzles 18 in coordination with the geometry of the guide devices 68. The second fuel nozzles 18 are evenly distributed between the guide devices 68.
  • the advantageous low-nitrogen combustion is achieved by first introducing combustion air 28 into the burner tube 12 with an open end downstream. A part of the combustion air 28 is twisted in the twisting device 14 arranged in the burner tube 12 . A first quantity of fuel is fed directly into the swirl body 30 and mixed there with the swirled combustion air 28 . A primary flame is formed in the swirled fuel/combustion air mixture within the swirler. A second quantity of fuel is supplied downstream of the swirl device 14 . A main flame front is formed which stabilizes downstream of the combustor tube and spaced from the combustor tube. In this case, the first quantity of fuel is regulated independently of the second quantity of fuel.
  • the separate fuel control makes it possible to achieve very low NO emissions over a wide load range.
  • a different ratio of the first quantity of fuel to the second quantity of fuel can be optimal than at a high load. If the ratio of the two fuel quantities to one another is fixed, low NO emissions cannot be guaranteed over the entire load range of the burner.
  • less primary gas/support gas can be supplied as a percentage of the main gas than at high load.
  • the first amount of fuel decreases to a lesser extent than the amount of air through the swirler at lower loads, due to flow technology flows, so NO emissions can increase at lower loads even with a lean primary flame.

Abstract

Verfahren Brennkopf zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes unter Zuführung von Verbrennungsluft (28) in ein Brennerrohr (12). Eine erste Brennstoffmenge wird zur Ausbildung einer Primärflamme (24) innerhalb des Brennerrohrs zugeführt. Eine zweite Brennstoffmenge wird stromabwärts zur Ausbildung einer Hauptflammenfront (26) zugeführt. Die Hauptflammenfront (26) stabilisiert sich stromabwärts des Brennerrohrs (12) und beabstandet von dem Brennerrohr (12). Die Brennstoffzuführungen sind so ausgestaltet, dass die Primärflamme (24) mit einer Stöchiometrie größer 1,5, insbesondere größer 2,0 brennt.Process Combustion head for the staged combustion of a fuel with the supply of combustion air (28) into a burner tube (12). A first quantity of fuel is supplied to form a primary flame (24) within the burner tube. A second quantity of fuel is introduced downstream to form a main flame front (26). The main flame front (26) stabilizes downstream of the burner tube (12) and spaced from the burner tube (12). The fuel feeds are designed in such a way that the primary flame (24) burns with a stoichiometry greater than 1.5, in particular greater than 2.0.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes und einen Brennkopf zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes.The present invention relates to a method for the staged combustion of a fuel and a combustion head for the staged combustion of a fuel.

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Feuerungsanlagen entstehen neben anderen Verbrennungsprodukten auch Stickoxide z.B. NO, NO2 Im Folgenden wird zusammenfassend nur von NO gesprochen. Diese und andere Schadstoffemissionen können durch konstruktive Maßnahmen in den Brennern beeinflusst und reduziert werden. Die Reaktionsmechanismen, die zu derartigen Stickoxiden führen, sind weitgehend bekannt und werden im Allgemeinen in thermische und prompte NO-Bildung unterschieden, sowie als NO-Bildung infolge der Oxidation des im Brennstoff chemisch gebundenen Stickstoffs beschrieben.When burning fossil fuels in furnaces, nitrogen oxides, e.g. NO, NO2, are produced in addition to other combustion products. In the following, only NO is referred to in summary. These and other pollutant emissions can be influenced and reduced by design measures in the burners. The reaction mechanisms that lead to such nitrogen oxides are widely known and are generally divided into thermal and prompt NO formation, and described as NO formation as a result of the oxidation of the nitrogen chemically bound in the fuel.

Dabei ist bekannt, dass das thermische NO gemäß dem sogenannten Zeldovich- Mechanismus zum einen von der Verweilzeit der Reaktionspartner in der Verbrennungszone und zum anderen in hohem Maße von der Verbrennungstemperatur selbst abhängig ist. Die Verbrennungstemperatur ist mit dem Brennstoff-/ Luftverhältnis λ gekoppelt. Die maximale Verbrennungstemperatur stellt sich bei einem Brennstoff-/ Luftverhältnis λ=1 ein. Dieses wird auch als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet. Es ist genau so viel Sauerstoff in der Verbrennungsluft vorhanden, dass der Brennstoff vollständig verbrennt. Bei einem Brennstoff-/ Luftverhältnis λ < 1 spricht man von einem fetten Gemisch, es ist zu viel Brennstoff vorhanden. Bei einem Brennstoff-/ Luftverhältnis λ > 1 spricht man von einem mageren Gemisch, es gibt einen Luftüberschuss. Bei beiden sinkt die Verbrennungstemperatur wieder ab und folglich wird auch weniger thermisches NO gebildet.It is known that the thermal NO is dependent on the so-called Zeldovich mechanism on the one hand on the residence time of the reactants in the combustion zone and on the other hand to a large extent on the combustion temperature itself. The combustion temperature is linked to the fuel/air ratio λ. The maximum combustion temperature occurs at a fuel/air ratio of λ=1. This is also referred to as the stoichiometric ratio. There is just enough oxygen in the combustion air for the fuel to burn completely. A fuel/air ratio of λ < 1 is referred to as a rich mixture; there is too much fuel. A fuel/air ratio λ > 1 is referred to as a lean mixture, there is excess air. In both cases, the combustion temperature drops again and consequently less thermal NO is formed.

Neben dem thermischen NO spielt auch die Bildung des prompten NOx eine nicht unwesentliche Rolle. Das prompte NO entsteht durch in Flammen intermediär gebildete Kohlenwasserstoff-Radikale CH, die als Zwischenprodukte bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger, fossiler Brennstoffe vorliegen. Die CH-Radikale reagieren mit Luftstickstoff zu Blausäure (HCN), welche in sehr schnellen Bildungsreaktionen weiter zu NO umgesetzt wird. Eine bewährte Methode, um die Bildung freier CH-Radikale und somit die Bildung des prompten NO zu unterdrücken, ist die Magerverbrennung oder überstöchiometrische Verbrennung. Mit Magerverbrennung bezeichnet man die Verbrennung mit einem Luftüberschuss also mit λ > 1.In addition to thermal NO, the formation of prompt NOx also plays a not insignificant role. The prompt NO arises from hydrocarbon radicals CH formed as intermediates in flames, which are present as intermediate products during the combustion of carbonaceous fossil fuels. The CH radicals react with atmospheric nitrogen to form hydrocyanic acid (HCN), which is further converted to NO in very rapid formation reactions. A proven method to suppress the formation of free CH radicals and thus the formation of prompt NO is lean combustion or lean combustion. Lean combustion refers to combustion with excess air, i.e. with λ > 1.

Das prompte NO entsteht im Vergleich zum thermischen NO in geringen Mengen, ist jedoch für die Minderung der NO-Bildung insbesondere bei Ultra-Low-NO-Anwendungen mitentscheidend.The prompt NO is formed in small amounts compared to the thermal NO, but is also crucial for the reduction of the NO formation, especially in ultra-low NO applications.

Weiter ist bekannt, dass sich die Rezirkulation bzw. Rückführung von bei der Verbrennung entstehenden Abgasen positiv auf die Verringerung der Stickoxidbildung auswirkt. Das rückgeführte abgekühlte Abgas verringert dabei sowohl die Flammentemperatur selbst als auch den O2- Partialdruck in der Verbrennungszone. Beide Effekte tragen zur Reduzierung der NO-Bildung bei. Jedoch führt eine Einmischung zunehmender Abgasmengen tendenziell zu einer Destabilisierung des kontinuierlichen Verbrennungsvorganges.It is also known that the recirculation or recirculation of exhaust gases produced during combustion has a positive effect on reducing the formation of nitrogen oxides. The recirculated, cooled exhaust gas reduces both the flame temperature itself and the O2 partial pressure in the combustion zone. Both effects contribute to the reduction of NO formation. However, mixing in increasing amounts of exhaust gas tends to destabilize the continuous combustion process.

EP 1 754 937 B1 und EP 2 037 173 B1 zeigen Brennköpfe, mit denen eine NO-Reduzierung erreicht wird. Dabei handelt es sich primär um einstufige Verbrennungsverfahren, die nur in einem begrenzten Umfang eine weiterführende NO-Optimierung und Stabilisierung der Flamme zulassen. DE 195 09 219 A1 zeigt einen Brennkopf zur zweistufigen Verbrennung mit einem überstöchiometrischen Luft-Gasgemisch in der ersten Stufe und einem unterstöchiometrischen Luft-Gasgemisch in der zweiten Stufe. EP 1 754 937 B1 and EP 2 037 173 B1 show burner heads with which NO reduction is achieved. These are primarily single-stage combustion processes that only allow further NO optimization and flame stabilization to a limited extent. DE 195 09 219 A1 shows a combustor for two-stage combustion with a hyper-stoichiometric air-gas mixture in the first stage and a sub-stoichiometric air-gas mixture in the second stage.

Bei einem Brennkopf kann in der Regel zwischen sogenannten Mischzonen und sogenannten Verbrennungszonen unterschieden werden.In the case of a combustion head, a distinction can usually be made between so-called mixing zones and so-called combustion zones.

In einer Mischzone werden unterschiedliche Fluide gemischt, die (noch) nicht verbrannt werden. In einer Mischzone sind üblicherweise die Bedingungen, die für eine Verbrennung vorliegen müssen, nicht erfüllt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des zündfähigen Gemischs deutlich höher als die Flammengeschwindigkeit liegt.Different fluids that are not (yet) burned are mixed in a mixing zone. In a mixing zone, the conditions that must be present for combustion are usually not met. This can be the case, for example, when the flow rate of the ignitable mixture is significantly higher than the flame speed.

Eine Verbrennungszone ist ein Bereich, in dem die zur Verbrennung erforderlichen Bedingungen vorliegen. Eine Verbrennungszone ist gegeben, wenn ein zündfähiges Gemisch (z.B. Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch, Brennstoff-Verbrennungsluft-Abgas-Gemisch, Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch, Brennstoff-Oxidationsmittel-Abgas-Gemisch) vorliegt, die Strömungsgeschwindigkeit des zündfähigen Gemischs und die Flammengeschwindigkeit im Wesentlichen gleich sind und eine Temperatur vorliegt, die gleich oder größer der Zündtemperatur des zündfähigen Gemischs ist. Der allgemeinere Begriff Oxidationsmittel umfasst den Begriff Verbrennungsluft, schließt aber auch beispielsweise mit zusätzlichem Sauerstoff angereicherte Umgebungsluft mit ein. In Bereichen, in denen diese Bedingungen nicht erfüllt sind, kann keine Zündung bzw. Verbrennung erfolgen. Oft gehen Mischzonen ohne deutliche räumliche Trennung in Verbrennungszonen über.A combustion zone is an area where the conditions required for combustion exist. A combustion zone exists when an ignitable mixture (eg, fuel-combustion air mixture, fuel-combustion air-exhaust mixture, fuel-oxidant mixture, fuel-oxidant-exhaust mixture) is present, the flow rate of the ignitable mixture, and the flame velocity are essentially the same and have a temperature that is equal to or greater than the ignition temperature of the ignitable mixture. The more general term oxidizing agent includes the term combustion air, but also includes, for example, ambient air enriched with additional oxygen. Ignition or combustion cannot take place in areas where these conditions are not met. Mixed zones often merge into combustion zones without any clear spatial separation.

Aus diesen und anderen Gründen besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung. Es kann eine Aufgabe der Erfindung sein, auf externe Maßnahmen zur NO-Reduzierung, beispielsweise auf eine externe Abgasrückführung verzichten zu können. Es kann eine Aufgabe der Erfindung sein, den Energieeinsatz so gering wie möglich zu halten. Es kann eine Aufgabe der Erfindung sein, eine energetisch vorteilhafte Verbrennung mit minimiertem NO-Ausstoß zur Verfügung zu stellen.For these and other reasons, there is a need for the present invention. It may be an object of the invention to be able to dispense with external measures for reducing NO, for example external exhaust gas recirculation. It can be an object of the invention to keep the use of energy as low as possible. It may be an object of the invention to provide energetically advantageous combustion with minimized NO emissions.

Die Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlich in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die mit Bezug auf die beigefügten Figuren erfolgt, in denen:

  • Fig. 1 stark schematisiert eine Seitenansicht eines Brennkopfs zeigt;
  • Fig. 2 schematisch perspektivisch Teile eines Brennkopfs von einer Brennstoffzuführungsseite zeigt;
  • Fig. 3 schematisch perspektivisch Teile des Brennkopfs von Fig. 2 von einer Flammenseite zeigt;
  • Fig. 4 schematisch eine Seitenansicht eines Brennkopfs zeigt;
  • Fig. 5 schematisch eine Schnittansicht eines vorderen Abschnitts eines Brennkopfs zeigt; und
  • Fig. 6 schematisch eine Vorderansicht eines Brennkopfs zeigt.
The aims and characteristics of the present invention will become clear in the following description of exemplary embodiments, made with reference to the attached figures, in which:
  • 1 shows a highly schematic side view of a combustion head;
  • 2 shows schematically in perspective parts of a combustion head from a fuel supply side;
  • 3 schematic perspective parts of the burner head from 2 showing from a flame side;
  • 4 shows schematically a side view of a combustion head;
  • figure 5 shows schematically a sectional view of a front portion of a combustion head; and
  • 6 schematically shows a front view of a combustion head.

Im Folgenden sind unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Gesichtspunkte und Ausführungsformen beschrieben, worin gleiche oder ähnliche Bezugszeichen im Allgemeinen benutzt werden, um auf gleiche oder ähnliche Elemente zu verweisen. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche bestimmte Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis eines oder mehrerer Gesichtspunkte der Ausführungsformen zu bieten. Einem Fachmann kann jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Gesichtspunkte der Ausführungsformen mit einem geringeren Maß der bestimmten Einzelheiten ausgeführt werden kann. In weiteren Fällen sind Elemente in schematischer Form gezeigt, um das Beschreiben eines oder mehrerer Gesichtspunkte der Ausführungsformen zu erleichtern. Die folgende Beschreibung soll daher nicht als beschränkend aufgefasst werden. Es wird bemerkt, dass die Darstellung der verschiedenen Elemente in den Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ist.Aspects and embodiments are described below with reference to the drawings, wherein the same or similar reference numbers are generally used to refer to the same or similar elements. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding to provide understanding of one or more aspects of the embodiments. However, it may be apparent to one skilled in the art that one or more aspects of the embodiments may be practiced with a lesser degree of the specific details. In other instances, elements are shown in schematic form in order to facilitate describing one or more aspects of the embodiments. The following description should therefore not be taken in a limiting sense. It is noted that the representations of the various elements in the figures are not necessarily to scale.

In der Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen verwendete Richtungsterminologie, wie etwa zum Beispiel "oben", "unten", "Oberseite", "Unterseite", "links", "rechts", "Vorderseite", "Rückseite", "senkrecht", "waagerecht" usw. ist nicht beschränkend zu verstehen. Bestandteile von Ausführungsformen können in einer Anzahl unterschiedlicher Ausrichtungen positioniert werden, die Richtungsterminologie wird lediglich zur Erläuterung verwendet. Es versteht sich, dass weitere Ausführungsformen verwendet werden können und bauliche oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.Directional terminology used in the description with reference to the drawings, such as, for example, "top", "bottom", "top", "bottom", "left", "right", "front", "back", "vertical" , "horizontal" etc. is not meant to be limiting. Components of embodiments can be positioned in a number of different orientations, the directional terminology is used for explanation only. It is understood that other embodiments may be employed and structural or logical changes may be made without departing from the concept of the present invention.

Mehrstufige Verbrennungsverfahren sind in der Praxis bereits seit langem bekannt. Aktuell reichen die bisher bekannten Ansätze jedoch nicht aus, um die stetig steigenden NO-Anforderungen an den Betrieb von Feuerungsanlagen auch langfristig weiter erfüllen zu können. Eine intensivere NO-Absenkung ist durch eine gestufte Verbrennung gemäß der Offenbarung möglich. Mit einer entsprechenden Regelbarkeit kann die NO-Absenkung auch über einen weiten Lastbereich und/oder für verschiedene Brennstoffe und/oder für verschiedene Feuerräume gewährleistet werden.Multi-stage combustion processes have been known in practice for a long time. At present, however, the approaches known to date are not sufficient to be able to continue to meet the steadily increasing NO requirements for the operation of combustion plants in the long term. A more intensive NO reduction is possible through a staged combustion according to the disclosure. With appropriate controllability, the NO reduction can also be guaranteed over a wide load range and/or for different fuels and/or for different combustion chambers.

Es wird ein Verfahren zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes unter Zuführung von Verbrennungsluft in ein Brennerrohr gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Bei dem Brennstoff kann es sich um ein Gas oder einen flüssigen Brennstoff handeln. Eine erste Brennstoffmenge wird zur Ausbildung einer Primärflamme innerhalb des Brennerrohrs zugeführt. Eine zweite Brennstoffmenge kann stromabwärts zur Ausbildung einer Hauptflammenfront zugeführt werden. Die Hauptflamme stabilisiert sich stromabwärts des Brennerrohrs und beabstandet von dem Brennerrohr. Die Brennstoffzuführungen sind so ausgestaltet, dass die Primärflamme mit einer Stöchiometrie größer 1,5, insbesondere größer 2,0 brennt. Hierdurch kann eine sehr niedrige Flammentemperatur erreicht werden. Es bildet sich praktisch kein promptes NO. Die Hauptflamme ist schwach überstöchiometrisch. Die Stöchiometrie kann zwischen 1,03 ... 1,18 liegen. Die Temperatur der Hauptflamme kann durch feuerraumintern rezirkulierte Abgase deutlich herabgesetzt sein.A method for the staged combustion of a fuel while supplying combustion air into a burner tube according to claim 1 is provided. The fuel can be a gas or a liquid fuel. A first quantity of fuel is introduced to form a primary flame within the burner tube. A second amount of fuel may be added downstream to form a main flamefront. The main flame stabilizes downstream of the burner tube and spaced from the burner tube. The fuel feeds are designed in such a way that the primary flame burns with a stoichiometry greater than 1.5, in particular greater than 2.0. This allows a very low flame temperature to be achieved. It forms practically none prompt NO. The main flame is slightly lean of stoichiometry. The stoichiometry can be between 1.03 ... 1.18. The temperature of the main flame can be significantly reduced by flue gases recirculated inside the combustion chamber.

In einer Ausführungsform kann die erste Brennstoffmenge unabhängig von der zweiten Brennstoffmenge geregelt werden. Damit kann eine überstöchiometrische Primärflamme über einen weiten Lastbereich gewährleistet werden.In one embodiment, the first amount of fuel may be regulated independently of the second amount of fuel. A hyper-stoichiometric primary flame can thus be guaranteed over a wide load range.

In einer Ausführungsform kann die zugeführte erste Brennstoffmenge deutlich geringer sein als die zweite zugeführte Brennstoffmenge. Die erste Brennstoffmenge kann etwa zwischen 3 % und 15 % der gesamten Brennstoffmenge, d.h. der Summe aus erster Brennstoffmenge und zweiter Brennstoffmenge betragen. Vorzugsweise liegt die erste Brennstoffmenge zwischen 5 % und 10 % der Summe der ersten Brennstoffmenge und der zweiten Brennstoffmenge.In one embodiment, the first amount of fuel supplied can be significantly less than the second amount of fuel supplied. The first amount of fuel can be between 3% and 15% of the total amount of fuel, i.e. the sum of the first amount of fuel and the second amount of fuel. The first amount of fuel is preferably between 5% and 10% of the sum of the first amount of fuel and the second amount of fuel.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Teil der Verbrennungsluft verdrallt. Dadurch wird eine verwirbelte Verbrennungsluft erzeugt. Eine erste Teilmenge der ersten Brennstoffmenge wird in den Bereich der Luftverwirbelung abgegeben. Damit wird ein verwirbeltes mageres Luft-/ Brennstoffgemisch erzeugt. Es kann eine sehr gute Durchmischung erreicht werden. In diesem Bereich ist die Strömungsgeschwindigkeit hoch und das Gemisch mager, so dass keine Zündbedingungen gegeben sind. Die Strömungsgeschwindigkeit des verwirbelten mageren Luft-/ Brennstoffgemischs wird im nächsten Schritt herabgesetzt. Eine zweite Teilmenge der ersten Brennstoffmenge wird dem verlangsamten verwirbelten mageren Luft-/ Brennstoffgemisch zugeführt.In a further embodiment, part of the combustion air is twisted. This creates turbulent combustion air. A first partial quantity of the first quantity of fuel is released into the area of the air turbulence. This creates a turbulent lean air/fuel mixture. Very thorough mixing can be achieved. In this range, the flow velocity is high and the mixture is lean, so that there are no ignition conditions. The flow rate of the swirled lean air/fuel mixture is reduced in the next step. A second portion of the first amount of fuel is introduced into the decelerated swirled lean air/fuel mixture.

Es wird ferner ein Brennkopf zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes gemäß Anspruch 7 bereitgestellt. Der bereitgestellte Brennkopf ermöglicht die Durchführung des Verfahrens. Der Brennkopf ist ausgestaltet, eine erste zugeführte Menge des Brennstoffs in einer überstöchiometrischen Primärflamme zu verbrennen. Eine zweite zugeführte Menge des Brennstoffs wird in einer schwach überstöchiometrischen Hauptflamme verbrannt.There is further provided a combustor for staged combustion of a fuel according to claim 7. The burner head provided enables the procedure to be carried out. The combustor is configured to combust a first supplied amount of fuel in a lean-of-stoichiometric primary flame. A second quantity of fuel supplied is combusted in a slightly over-stoichiometric main flame.

Eine Zuführung der ersten Menge Brennstoff und eine Zuführung der zweiten Menge Brennstoff kann vorzugsweise voneinander unabhängig geregelt werden und so über einen breiten Lastbereich eine sehr stickoxidarme Verbrennung gewährleisten.A supply of the first quantity of fuel and a supply of the second quantity of fuel can preferably be regulated independently of one another and thus ensure combustion with a very low level of nitrogen oxides over a wide load range.

Die folgenden Figuren zeigen beispielhaft Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Brennköpfen, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes durchgeführt werden kann.The following figures show exemplary configurations of combustion heads according to the invention, with which the method according to the invention for the staged combustion of a fuel can be carried out.

Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Form eine Seitenansicht eines Brennkopfs 10. Der Brennkopf 10 umfasst ein Brennerrohr 12, eine Dralleinrichtung 14, erste Brennstoffdüsen 16a, 16b, zweite Brennstoffdüsen 18, eine erste Brennstoffzuführung 20 und eine zweite Brennstoffzuführung 22. Pfeile symbolisieren den zuströmenden Brennstoff. Im Betrieb bildet sich eine überstöchiometrische Primärflamme 24 innerhalb der Dralleinrichtung 14 und eine Hauptflamme oder Hauptflammenfront 26 beabstandet von dem Brennkopf 10, die beide jeweils durch eine Flamme in der Fig. 1 symbolisch dargestellt sind. Brennkopf 10 dient damit zum gestuften Verbrennen von Brennstoff. Der Brennstoff kann gasförmig sein. Bei dem Brennstoff kann es sich um Erdgas handeln. Der Brennstoff kann Wasserstoff umfassen. Neben einem Einsatz als reiner Gasbrenner ist auch ein Zweistoffbrenner möglich, bei dem neben gasförmigem Brennstoff auch flüssiger Brennstoff verbrannt werden kann. Es ist auch ein Brenner nur für flüssigen Brennstoff möglich. Die weitere Beschreibung bezieht sich in der Regel in nicht einschränkender Weise auf eine Ausführungsform als Gasbrenner. 1 shows a highly schematic side view of a burner head 10. The burner head 10 comprises a burner tube 12, a swirl device 14, first fuel nozzles 16a, 16b, second fuel nozzles 18, a first fuel feed 20 and a second fuel feed 22. Arrows symbolize the inflowing fuel. In operation, a lean primary flame 24 forms within the swirler 14 and a main flame or main flame front 26 spaced from the combustor 10, both of which are defined by a flame in the 1 are represented symbolically. Combustion head 10 thus serves to burn fuel in stages. The fuel can be gaseous. The fuel can be natural gas. The fuel may include hydrogen. In addition to use as a pure gas burner, a dual-fuel burner is also possible, in which liquid fuel can also be burned in addition to gaseous fuel. A liquid fuel only burner is also possible. The further description generally relates to an embodiment as a gas burner in a non-limiting manner.

Dem Brennerrohr 12 wird in der Darstellung der Fig. 1 von rechts Verbrennungsluft 28 zugeführt. Das in der Darstellung rechte Ende des Brennerrohrs 12 ist damit das stromaufwärts gelegene Ende. Das Brennerrohr 12 kann im Wesentlichen zylindrisch sein. Die Verbrennungsluft 28 durchströmt das Brennerrohr 12 und verlässt dieses an dem in der Darstellung linken offenen Ende des Brennerrohrs 12, dem stromabwärts gelegenen Ende. Die Hauptflammenfront 26 bildet sich stromabwärts des Brennkopfs 10. Hier befindet sich der nicht weiter dargestellte Brennraum oder Feuerraum.The burner tube 12 is shown in the illustration 1 Combustion air 28 supplied from the right. The end of the burner tube 12 on the right in the illustration is therefore the upstream end. The combustor tube 12 may be substantially cylindrical. The combustion air 28 flows through the burner tube 12 and leaves it at the open end of the burner tube 12 on the left in the illustration, the downstream end. The main flame front 26 is formed downstream of the combustion head 10. Here is the combustion chamber or furnace, not shown.

Die Brennstoffmenge aus den ersten Brennstoffdüsen 16a, 16b kann klein sein im Verhältnis zur Brennstoffmenge, welche aus den zweiten Brennstoffdüsen 18 austritt. Wenn nur eine kleine Brennstoffmenge stark überstöchiometrisch in der Primärflamme 24 verbrannt wird, ist eine zweite unterstöchiometrische Verbrennungsstufe nicht notwendig. Daher kann auch die beabstandete Hauptflamme 26 insgesamt überstöchiometrisch sein. Eine generelle unterstöchiometrische Verbrennungszone wie bei einer gestuften Verbrennung mit unterstöchiometrischer und überstöchiometrischer Verbrennungszone und der für die NO-Minderung notwendigen Verweilzeit der Gase in diesen Zonen wird mit dem erfindungsgemäßen Brennkopf 10 nicht erzeugt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine stark überstöchiometrische Primärflamme und eine schwach überstöchiometrische Hauptflamme vor.The amount of fuel from the first fuel nozzles 16a, 16b may be small in relation to the amount of fuel exiting the second fuel nozzles 18. If only a small amount of fuel is burned well lean of stoichiometry in the primary flame 24, a second lean of stoichiometry combustion stage is not necessary. Therefore, the spaced main flame 26 can also be overall lean of stoichiometry. A general under-stoichiometric combustion zone, as in the case of staged combustion with under-stoichiometric and over-stoichiometric combustion zones and the residence time of the gases in these zones necessary for NO reduction, is not produced with the combustion head 10 according to the invention. The inventive method provides a heavily over-stoichiometric primary flame and a slightly over-stoichiometric main flame.

Die Dralleinrichtung 14 ist innerhalb des Brennerrohrs 12 angeordnet. Die Dralleinrichtung 14 kann an beiden Enden offen sein. Eine Längsachse des Brennerrohrs 12 und eine Längsachse der Dralleinrichtung 14 können zueinander parallel sein oder aufeinanderliegen, so dass die Dralleinrichtung 14 mittig in dem Brennerrohr 12 liegt und von der Innenwand des Brennerrohrs radial gleichmäßig beabstandet ist. Ein Teil der Verbrennungsluft 28 strömt außerhalb der Dralleinrichtung 14 durch das Brennerrohr 12, ein anderer Teil der Verbrennungsluft 28 strömt durch die Dralleinrichtung 14.The swirl device 14 is arranged within the burner tube 12 . The twister 14 can be open at both ends. A longitudinal axis of the burner tube 12 and a longitudinal axis of the swirl device 14 can be parallel to one another or lie on top of one another, so that the swirl device 14 is located centrally in the burner tube 12 and is radially evenly spaced from the inner wall of the burner tube. Part of the combustion air 28 flows outside the swirl device 14 through the burner tube 12, another part of the combustion air 28 flows through the swirl device 14.

Die Dralleinrichtung 14 umfasst einen Drallkörper 30, Drallschaufeln 32 und eine durchbrochene Trennwand 34. Der Drallkörper 30 kann im Wesentlichen zylinderförmig sein. Die durchbrochene Trennwand 34 kann im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Drallkörpers 30 verlaufen und einen Innenraum des Drallkörpers 30 in einen ersten Bereich 36 und einen zweiten Bereich 38 aufteilen. Der erste Bereich 36 kann stromaufwärts des zweiten Bereichs 38 liegen. Die durchbrochene Trennwand 34 kann einen Druckverlust bewirken. Sie kann damit lokal die Strömungsgeschwindigkeit stromab der durchbrochenen Trennwand 34 herabsetzen.The swirl device 14 comprises a swirl body 30, swirl vanes 32 and a perforated partition 34. The swirl body 30 can be essentially cylindrical. The perforated dividing wall 34 can run essentially perpendicularly to the longitudinal axis of the swirl body 30 and divide an interior space of the swirl body 30 into a first area 36 and a second area 38 . The first region 36 may be upstream of the second region 38 . The broken partition wall 34 can cause a pressure loss. It can thus locally reduce the flow speed downstream of the partition wall 34 that has been perforated.

Die Drallschaufeln 32 können nur im ersten Bereich 36 angeordnet sein. Der zweite Bereich stromabwärts der Trennwand 34 kann frei von Drallschaufeln 32 sein. Es kann eine Mehrzahl von Drallschaufeln 32 vorgesehen sein.The swirl vanes 32 can only be arranged in the first region 36 . The second area downstream of the partition wall 34 can be free of swirl vanes 32 . A plurality of swirl vanes 32 can be provided.

Der Drallkörper 30 kann im ersten Bereich 36 einen größeren Durchmesser aufweisen als im zweiten Bereich 38. Im Übergang zwischen dem ersten Bereich 36 in den zweiten Bereich 38 kann ein konischer Abschnitt vorgesehen sein.The swirl body 30 can have a larger diameter in the first area 36 than in the second area 38. In the transition between the first area 36 and the second area 38, a conical section can be provided.

Die ersten Brennstoffdüsen 16a, 16b sind innerhalb des Drallkörpers 30 angeordnet. Sie sind mit der ersten Brennstoffzuführung 20 verbunden. Die erste Brennstoffzuführung 20 erlaubt eine Regelung der Menge des zu den ersten Brennstoffdüsen 16a, 16b strömenden Brennstoffs/ Brenngases, wie mit einem Symbol 40 in Fig. 1 dargestellt. Diese Regelung ist getrennt und unabhängig von einer Regelung 42 in der zweiten Brennstoffzuführung 22.The first fuel nozzles 16a, 16b are arranged inside the swirl body 30. You are connected to the first fuel feed 20 . The first fuel supply 20 permits regulation of the amount of fuel/combustion gas flowing to the first fuel nozzles 16a, 16b, as indicated by a symbol 40 in 1 shown. This control is separate and independent of a control 42 in the second fuel feed 22.

Die ersten Brennstoffdüsen 16a, 16b können Primärbrennstoffdüsen, im Weiteren auch Primärgasdüsen genannt, 16a umfassen, die im zweiten, stromabwärts gelegenen Bereich 38 der Dralleinrichtung 14 liegen. Die ersten Brennstoffdüsen 16a, 16b können weitere Brennstoffdüsen- nachfolgend als Stützbrennstoffdüsen oder Stützgasdüsen 16b bezeichnetumfassen, die im ersten, stromaufwärts gelegenen Bereich 36 der Dralleinrichtung 14 liegen.The first fuel nozzles 16a, 16b can include primary fuel nozzles, also referred to below as primary gas nozzles, 16a, which are located in the second, downstream region 38 of the swirl device 14. The first fuel nozzles 16a, 16b can include further fuel nozzles--hereinafter referred to as auxiliary fuel nozzles or auxiliary gas nozzles 16b--which are located in the first, upstream region 36 of the swirl device 14.

Die Stützbrennstoffdüsen 16b können gleichmäßig zwischen den Drallschaufeln 32 verteilt angeordnet sein. Die Stützbrennstoffdüsen 16b können im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Brennerrohrs 12 angeordnet sein. Die Drallschaufeln 32 bewirken eine starke Verwirbelung der Verbrennungsluft 28. Der den Stützbrennstoffdüsen 16b entströmende Brennstoff, der auch als Stützgas bezeichnet wird, wird somit hocheffizient mit einem Teil der Verbrennungsluft 28 für die Primärflamme 24 vorgemischt. Es entsteht ein verdralltes Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemisch. Die Brennstoffzuführung durch die Stützbrennstoffdüsen 16b kann so ausgestaltet sein, dass ein verwirbeltes mageres Luft-/ Brennstoffgemisch ausgebildet wird. Die Stützbrennstoffdüsen 16b können eine erste Teilmenge der ersten Brennstoffmenge abgeben. Die Stützbrennstoffdüsen 16b können zur Abgabe des Brennstoffs Bohrungen aufweisen. Die Bohrungen können so angeordnet sein, dass der Brennstoff wenigstens teilweise im Wesentlichen in radialer Richtung nach innen abgegeben wird, das heißt in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Wand des Drallkörpers 30. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten der verdrallten Verbrennungsluft sowie aufgrund des hohen Luftanteils im Verhältnis zur Brennstoffbeziehungsweise Gasmenge sind die Zündbedingungen des verdrallten Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemischs im Bereich der Drallschaufeln 32, also im stromaufwärts gelegenen Bereich 36, noch nicht gegeben.The support fuel nozzles 16b can be distributed evenly between the swirl vanes 32 . The auxiliary fuel nozzles 16b can be arranged essentially parallel to a longitudinal axis of the burner tube 12 . The swirl vanes 32 cause a strong turbulence of the combustion air 28. The fuel flowing out of the support fuel nozzles 16b, which is also referred to as support gas, is thus highly efficiently premixed with part of the combustion air 28 for the primary flame 24. A twisted fuel/combustion air mixture is created. The fuel supply through the auxiliary fuel nozzles 16b can be designed in such a way that a turbulent lean air/fuel mixture is formed. The auxiliary fuel nozzles 16b can deliver a first subset of the first quantity of fuel. The auxiliary fuel nozzles 16b can have bores for dispensing the fuel. The bores can be arranged in such a way that the fuel is discharged at least partially inwards in a substantially radial direction, i.e. in a direction substantially perpendicular to the wall of the swirler 30. Due to the high flow velocities of the swirled combustion air and due to the high proportion of air in the ratio The ignition conditions of the swirled fuel/combustion air mixture in the region of the swirl vanes 32, ie in the upstream region 36, are not yet given in relation to the fuel or gas quantity.

Die Trennwand 34 kann ausgestaltet sein, das verdrallte Brennstoff-/Verbrennungsluft-gemisch abzubremsen. Die Trennwand 34 kann hierzu Öffnungen aufweisen. Die Trennwand kann hierzu im Wesentlichen gitterartig ausgestaltet sein. Eine Geometrie der Trennwand 34 kann ausgestaltet sein, die Strömungsgeschwindigkeit des verdrallten Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemischs herabzusetzen und dabei die Verwirbelung weitgehend ungestört zu lassen. Die Trennwand 34 setzt die absolute Strömungsgeschwindigkeit der verdrallten und vorgemischten Primärluft herab und gewährleistet damit die Zündung der Primärflamme 24, die in diesem Bereich zusätzlich mit einem zweiten Anteil der ersten Brennstoffmenge angereichert wird.The partition wall 34 can be designed to decelerate the swirled fuel/combustion air mixture. The partition wall 34 can have openings for this purpose. For this purpose, the dividing wall can be configured essentially in the manner of a lattice. A geometry of the dividing wall 34 can be designed to reduce the flow velocity of the swirled fuel/combustion air mixture while leaving the turbulence largely undisturbed. The partition 34 reduces the absolute flow rate of the swirled and premixed primary air and thus ensures the ignition of the primary flame 24, which is additionally enriched in this area with a second portion of the first amount of fuel.

Die Primärbrennstoffdüsen 16a können gleichmäßig im stromabwärts gelegenen Bereich 38 verteilt sein. Die Primärbrennstoffdüsen 16a liegen damit stromabwärts der Trennwand 34 in einem Bereich geringerer Strömungsgeschwindigkeit. Die Primärbrennstoffdüsen 16a können im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Brennerrohrs 12 angeordnet sein. Die Primärbrennstoffdüsen 16a können gleichmäßig in einem Strahlenkranz verteilt sein. Es kann eine Mehrzahl von Primärbrennstoffdüsen 16a vorgesehen sein. Die Primärbrennstoffdüsen 16a geben im stromabwärts gelegenen Bereich 38 den zweiten Teil der ersten Brennstoffmenge, welcher als Primärgas bezeichnet wird, an das im beschaufelten Teil des Drallkörpers 30 oder in anderen Worten im ersten Bereich 36 gebildete Brennstoff-LuftGemisch ab und erzeugen somit das zündfähige Gemisch für die Ausbildung der Primärflamme 24. Die Primärbrennstoffdüsen 16a können zur Abgabe des Brennstoffs Bohrungen aufweisen. Die Bohrungen können seitlich an den Primärbrennstoffdüsen 16a angeordnet sein. Die seitlichen Bohrungen können so angeordnet sein, dass der Brennstoff im Wesentlichen in tangentialer Richtung abgegeben wird.The primary fuel nozzles 16a may be evenly distributed in the downstream area 38 . The primary fuel nozzles 16a are thus located downstream of the partition wall 34 in an area with a lower flow velocity. The primary fuel nozzles 16a may be arranged substantially perpendicular to a longitudinal axis of the combustor tube 12 . The primary fuel nozzles 16a can be evenly distributed in a corona. A plurality of primary fuel nozzles 16a may be provided. In the downstream region 38, the primary fuel nozzles 16a deliver the second part of the first quantity of fuel, which is referred to as the primary gas, to the fuel-air mixture formed in the bladed part of the swirl body 30 or, in other words, in the first region 36, and thus produce the ignitable mixture for the formation of the primary flame 24. The primary fuel nozzles 16a can have bores for dispensing the fuel. The bores can be arranged laterally on the primary fuel nozzles 16a. The lateral bores can be arranged in such a way that the fuel is discharged essentially in a tangential direction.

Das Verhältnis der Öffnungsfläche der Gesamtheit der Bohrungen in den Primärbrennstoffdüsen 16a zu der Öffnungsfläche der Gesamtheit der Bohrungen in den Stützbrennstoffdüsen 16b kann unter Berücksichtigung der Zuleitungen zu den Primärbrennstoffdüsen 16a und den Stützbrennstoffdüsen 16b ein Verhältnis von Primärgas zu Stützgas bestimmen. Das Verhältnis kann abhängig von der Gesamtgeometrie und der Brennstoffqualität bzw. der Brennstoffzusammensetzung gewählt sein. Das Verhältnis kann bei etwa 1:1 liegen. Etwa die Hälfte des durch die erste Brennstoffzuführung 20 strömenden Brennstoffs kann über die Primärbrennstoffdüsen 16a im Bereich 38 abgegeben werden, und etwa die Hälfte des durch die erste Brennstoffzuführung 20 strömenden Brennstoffs kann über die Stützbrennstoffdüsen 16b im Bereich 36 abgegeben werden.The ratio of the opening area of the entirety of the bores in the primary fuel nozzles 16a to the opening area of the entirety of the bores in the support fuel nozzles 16b can determine a ratio of primary gas to support gas, taking into account the supply lines to the primary fuel nozzles 16a and the support fuel nozzles 16b. The ratio can be chosen depending on the overall geometry and the fuel quality or the fuel composition. The ratio can be around 1:1. About half of the fuel flowing through first fuel guide 20 may be delivered via primary fuel nozzles 16a in region 38, and about half of the fuel flowing through first fuel guide 20 may be delivered via support fuel nozzles 16b in region 36.

Die separate Regelbarkeit von Primär- und Stützgas durch die Regeleinrichtung 40 im Verhältnis zur Regelbarkeit der durch die zweite Brennstoffzuführung 22 strömenden zweiten und hauptsächlichen Brennstoffmenge sowie die Auslegung von Drallkörper 30, Primär- und Stützbrennstoffdüsen 16a, 16b sowie Trennwand 34 können eine Primärflamme 24 mit einer Stöchiometrie λ>>1 über einen weiten Lastbereich erzeugen. In einer Ausführungsform liegt die Stöchiometrie der Primärflamme 24 bei λ> 1,5. In einer anderen Ausführungsform liegt die Stöchiometrie der Primärflamme 24 bei λ>2.The separate controllability of the primary and support gas by the control device 40 in relation to the controllability of the second and main fuel quantity flowing through the second fuel supply 22 and the design of the swirler 30, primary and support fuel nozzles 16a, 16b and partition 34 can provide a primary flame 24 with a Generate stoichiometry λ>>1 over a wide load range. In one embodiment, the stoichiometry of the primary flame 24 is λ>1.5. In another embodiment, the stoichiometry of the primary flame 24 is λ>2.

Aufgrund der dadurch sehr niedrigen Verbrennungstemperaturen entsteht innerhalb der Primärflamme 24 nachweislich nahezu kein thermisches und kein promptes NO.Due to the resulting very low combustion temperatures, it has been proven that almost no thermal and no prompt NO is produced within the primary flame 24 .

Derart niedrige Verbrennungstemperaturen erzeugen jedoch auch stets Flammeninstabilitäten, die zwingend abgefangen werden müssen. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist exponentiell von der Temperatur in der Flammenzone und von der Turbulenz in derselbigen abhängig. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch unvollkommene Durchmischung von Brennstoff und Oxidator gemindert. Flammeninstabilität tritt auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in axialer Richtung größer ist, als die turbulente Flammengeschwindigkeit.However, such low combustion temperatures always produce flame instabilities that must be intercepted. The reaction rate is exponentially dependent on the temperature in the flame zone and on the turbulence in the same. The reaction speed is reduced by imperfect mixing of fuel and oxidizer. Flame instability occurs when the flow velocity in the axial direction is greater than the turbulent flame velocity.

Für eine stabile Primärflamme 24 sind die vorherige Zufuhr des Stützgases über die Stützbrennstoffdüsen 16b in die verdrallte Verbrennungsluft und damit die Anreicherung und Vormischung der Primärluft mit Brennstoff, die Art und Position der Einbringung des Primärgases, das Verhältnis aus Stütz- und Primärgas sowie die Geometrie und Position der Trennwand 34 im unbeschaufelten Teil 38 des Drallkörpers 30 in der dargestellten Ausführungsform von Bedeutung. Andere Mittel können vorgesehen sein, um eine stabile Primärflamme mit einer Stöchiometrie größer 1, insbesondere größer 1,5 oder auch größer 2 zu erzielen.For a stable primary flame 24, the previous supply of the support gas via the support fuel nozzles 16b into the swirled combustion air and thus the enrichment and premixing of the primary air with fuel, the type and position of the introduction of the primary gas, the ratio of support and primary gas and the geometry and Position of the partition wall 34 in the bladeless part 38 of the swirler 30 in the illustrated embodiment of importance. Other means can be provided in order to achieve a stable primary flame with a stoichiometry greater than 1, in particular greater than 1.5 or even greater than 2.

Weiterhin ist der zylindrische, unbeschaufelte Teil des Drallkörpers 30, der Bereich 38 in Fig. 1, so ausgestaltet, dass sich die Primärflamme 24 in einem definierten Bereich ausbildet, der von der restlichen Verbrennungsluft 28, die außerhalb des Drallkörpers 30 durch das Brennerrohr 12 strömt, geschützt ist.Furthermore, the cylindrical, bladeless part of the swirl body 30, the area 38 in 1 , Designed so that the primary flame 24 forms in a defined area that is protected from the remaining combustion air 28 that flows through the burner tube 12 outside of the swirl body 30 .

Die zweiten Brennstoffdüsen 18, auch als Hauptgasdüsen bezeichnet, liegen außerhalb und stromabwärts der Dralleinrichtung 14. Die zweiten Brennstoffdüsen 18 sind mit der zweiten Brennstoffzuführung 22 verbunden. Die zweite Brennstoffzuführung 22 erlaubt eine Regelung der Menge des zu den zweiten Brennstoffdüsen 18 strömenden Brennstoffs/ Brenngases. Die zweite Brennstoffmenge umfasst dabei den Großteil der Gesamtbrennstoffmenge und wird daher auch als Hauptbrennstoffmenge oder Hauptgas bezeichnet. Die Regelbarkeit des Hauptgases ist mit dem Symbol 42 in Fig. 1 dargestellt.The second fuel nozzles 18, also referred to as main gas nozzles, are located outside and downstream of the swirl device 14. The second fuel nozzles 18 are connected to the second fuel feed 22. The second fuel feed 22 allows the amount of fuel/combustion gas flowing to the second fuel nozzles 18 to be regulated. The second amount of fuel comprises the majority of the total amount of fuel and is therefore also referred to as the main amount of fuel or main gas. The adjustability of the main gas is marked with the symbol 42 in 1 shown.

Die zweiten Brennstoffdüsen 18 liegen innerhalb des Brennerrohrs 12. Die zweiten Brennstoffdüsen 18 können am stromabwärts liegenden Ende des Brennerrohrs 12 liegen und mit diesem abschließen. Die zweiten Brennstoffdüsen 18 können gleichmäßig über den Innenumfang des Brennerrohrs 12 verteilt liegen. In Fig. 1 nicht dargestellt ist eine ringförmige Deltascheibe, die einen Abstand zwischen Brennerrohr 12 und zweiten Brennstoffdüsen 18 am stromabwärts liegenden Ende des Brennerrohrs ausfüllen kann. Die Deltascheibe ist mit Bezug auf Fig. 4-6 näher erläutert.The second fuel nozzles 18 are located within the combustor tube 12. The second fuel nozzles 18 may be located at the downstream end of the combustor tube 12 and terminated therewith. The second fuel nozzles 18 can evenly over the Inner circumference of the burner tube 12 are distributed. In 1 not shown is an annular delta disk that can fill a gap between burner tube 12 and second fuel nozzles 18 at the downstream end of the burner tube. The delta disc is with reference to Figures 4-6 explained in more detail.

Die zweiten Brennstoffdüsen 18 können ausgestaltet sein, eine hohe Brennstoffaustrittsgeschwindigkeit zu gewährleisten. Der dadurch entstehende Impuls transportiert den Brennstoff möglichst weit in den Brennraum und bildet eine vom Brennkopf 10 beabstandete Verbrennungszone aus. Das Hauptgas kann im Wesentlichen in Strömungsrichtung, also parallel der Längsachse des Brennerrohrs 12 abgegeben werden. Die zweiten Brennstoffdüsen 18 können hierfür eine Öffnung an einer Stirnseite aufweisen. Eine Blende kann die Öffnung an der Stirnseite bestimmen. Die Ausgestaltung der zweiten Brennstoffdüsen 18 führt zu einer Ausbildung der Hauptflamme oder Hauptflammenfront 26, die vom stromabwärts gelegenen Ende des Brennkopfs 10 beabstandet ist und stabil im nicht näher dargestellten Brennraum ausgebildet ist. Die Hauptflamme 26 kann aufgrund der Anordnung der zweiten Brennstoffdüsen mit koaxialer Ausströmrichtung bezogen auf die Brennerrohrachse eine schlank und gestreckt ausgebildete Flammenform aufweisen. Eine interne Abgasrezirkulation, die weiter unten näher erläutert wird, kann Abgase in die heißen Zonen der Hauptflamme 26 und damit in die Bereiche größter NO-Produktion injizieren. Hiermit wird die NO-Produktion in der Hauptflamme reduziert.The second fuel nozzles 18 can be designed to ensure a high fuel exit velocity. The resulting impulse transports the fuel as far as possible into the combustion chamber and forms a combustion zone spaced apart from the combustion head 10 . The main gas can be discharged essentially in the direction of flow, ie parallel to the longitudinal axis of the burner tube 12 . For this purpose, the second fuel nozzles 18 can have an opening on one end face. A panel can determine the opening at the front. The configuration of the second fuel nozzles 18 results in the formation of the main flame or main flame front 26 which is spaced from the downstream end of the combustion head 10 and is stably formed in the combustion chamber, not shown in detail. Due to the arrangement of the second fuel nozzles with a coaxial outflow direction in relation to the axis of the burner tube, the main flame 26 can have a slim and elongated flame shape. An internal exhaust gas recirculation, which is explained in more detail below, can inject exhaust gases into the hot zones of the main flame 26 and thus into the areas of greatest NO production. This reduces NO production in the main flame.

Die Brennstoffzuführungen können so ausgestaltet und angeordnet sein, dass eine Zündenergie für die beabstandete Hauptflamme 26 aus der Primärflamme und rezirkulierten Abgasen zur Verfügung gestellt wird, um das Gemisch aus Hauptbrennstoff, Verbrennungsluft oder allgemein Oxidationsmittel und rezirkuliertem Abgas zu zünden und einen kontinuierlichen, stabilen Fortschritt der Oxidationsreaktionen sicherzustellen.The fuel feeds can be designed and arranged in such a way that ignition energy for the spaced-apart main flame 26 from the primary flame and recirculated exhaust gases is made available in order to ignite the mixture of main fuel, combustion air or generally oxidant and recirculated exhaust gas and ensure a continuous, stable progression of the ensure oxidation reactions.

Beide Gasanschlüsse, das heißt Brennstoffzuführung 20 für Primär- und Stützgas für die Primärflamme 24 und Brennstoffzuführung 22 für das Hauptgas für die Hauptflamme 26 werden in der gezeigten Ausführungsform durch Gasregeleinrichtungen 40 und 42 separat geregelt. Dadurch können die Gasmenge in der Primärflamme 24 und in der Hauptflamme 26 separat voneinander eingestellt und somit die Stöchiometrie in der jeweiligen Verbrennungszone individuell geregelt werden. Das erlaubt die Einstellung einer stabilen und überstöchiometrischen primären Verbrennungszone und damit die Ausbildung einer nahezu NO-freien Primärflamme 24 über einen weiten Lastbereich sowie die Anpassung an verschiedene Feuerräume.Both gas connections, ie fuel supply 20 for the primary and supporting gas for the primary flame 24 and fuel supply 22 for the main gas for the main flame 26 are regulated separately by gas control devices 40 and 42 in the embodiment shown. As a result, the quantity of gas in the primary flame 24 and in the main flame 26 can be set separately from one another and the stoichiometry in the respective combustion zone can thus be regulated individually. This allows the setting of a stable and over-stoichiometric primary combustion zone and thus the formation of an almost NO-free primary flame 24 over a wide load range and adaptation to different combustion chambers.

Fig. 2 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht Teile eines Brennkopfs 10a von einer Brennstoffzuführungsseite. Brennkopf 10a kann die gleichen Merkmale aufweisen, wie für den in Fig. 1 dargestellten Brennkopf 10 geschildert. Brennkopf 10a kann eine Implementierung des Brennkopfs 10 darstellen. Es werden daher gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Die Beschreibung der Fig. 2 beschränkt sich im Wesentlichen auf Details, die aus der Darstellung der Fig. 1 nicht hervorgehen. In der Fig. 2 ist das Brennerrohr 12 nicht dargestellt. 2 shows schematically in a perspective view parts of a combustion head 10a from a fuel supply side. Combustion head 10a can have the same features as for the in 1 illustrated combustion head 10 described. Combustion head 10a may represent an implementation of combustion head 10 . The same reference numbers are therefore used as in 1 used. The description of 2 is essentially limited to details arising from the presentation of the 1 not emerge. In the 2 the burner tube 12 is not shown.

Die zweite Brennstoffzuführung 22 des Brennkopfs 10a ist als Rohr ausgeführt, das einen Anschlussflansch 44 zum Anschluss an eine Brennstoffversorgung aufweist. Von der zweiten Brennstoffzuführung 22 gehen kleinere Rohre 46 oder Hauptgaslanzen 46 ab. Die Hauptgaslanzen 46 leiten den Brennstoff aus der zweiten Brennstoffzuführung 22 zu den zweiten Brennstoffdüsen 18 und schließen mit diesen ab. Der Brennkopf 10a weist in der dargestellten Ausführungsform sechs zweite Brennstoffdüsen 18 auf. Die Hauptgaslanzen 46 verlaufen außerhalb des Drallkörpers 30.The second fuel feed 22 of the combustion head 10a is designed as a tube which has a connection flange 44 for connection to a fuel supply. Smaller pipes 46 or main gas lances 46 lead from the second fuel feed 22 . The main gas lances 46 direct the fuel from the second fuel feed 22 to the second fuel nozzles 18 and close with them. In the illustrated embodiment, the combustion head 10a has six second fuel nozzles 18 . The main gas lances 46 run outside the swirl body 30.

Die zweite Brennstoffzuführung 22 geht über in ein Brennstoffrohr 48, das den Drallkörper 30 mittig parallel zu der Längsachse des Drallkörpers 30 durchlaufen kann. Das Brennstoffrohr 48 ist vorzugsweise als ein zentrales Brennstoffrohr ausgeführt. Das Brennstoffrohr 48 führt im ersten stromaufwärts gelegenen Bereich das Hauptgas. Stromabwärts der Abzweigung der Hauptgaslanzen 46 dichtet ein Gastrennblech 50 die zweite Brennstoffzuführung 22 von dem nachfolgenden Brennstoffrohr 48 ab. Das Gastrennblech 50 ist in der zweiten Brennstoffzuführung 22/ dem Brennstoffrohr 48 angeordnet und liegt im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse der zweiten Brennstoffzuführung 22/ des Brennstoffrohrs 48.The second fuel feed 22 transitions into a fuel pipe 48 which can run through the swirl body 30 in the middle parallel to the longitudinal axis of the swirl body 30 . The fuel pipe 48 is preferably designed as a central fuel pipe. The fuel tube 48 carries the main gas in the first upstream region. Downstream of where the main gas lances 46 branch off, a gas separating plate 50 seals off the second fuel feed 22 from the subsequent fuel pipe 48 . The gas separating plate 50 is arranged in the second fuel feed 22/the fuel pipe 48 and is essentially perpendicular to a longitudinal axis of the second fuel feed 22/the fuel pipe 48.

Stromabwärts des Gastrennblechs 50 mündet die erste Brennstoffzuführung 20 in das Brennstoffrohr 48. Stromabwärts des Gastrennblechs 50 dient das Brennstoffrohr 48 also der Führung der ersten Brennstoffmenge. Stromabwärts des Gastrennblechs 50 gehen kleinere Rohre 52, die sogenannten Stützgaslanzen ab. Die Stützgaslanzen 52 leiten den Brennstoff aus der ersten Brennstoffzuführung 20 zu den Stützgasdüsen 16b. Der Brennkopf 10a weist in der dargestellten Ausführungsform drei Stützgasdüsen 16b auf. Die Stützgasdüsen 16b liegen innerhalb des Drallkörpers 30. Neben der Stützgasdüse 16b sind die Drallschaufeln 32 zu erkennen.Downstream of the gas separating plate 50, the first fuel feed 20 opens into the fuel pipe 48. Downstream of the gas separating plate 50, the fuel pipe 48 is therefore used to guide the first quantity of fuel. Smaller tubes 52, the so-called support gas lances, branch off downstream of the gas separating plate 50. The supporting gas lances 52 conduct the fuel from the first fuel feed 20 to the supporting gas nozzles 16b. In the illustrated embodiment, the combustion head 10a has three supporting gas nozzles 16b. The support gas nozzles 16b are inside the swirl body 30. The swirl vanes 32 can be seen next to the supporting gas nozzle 16b.

Fig. 2 ist auch eine beispielhafte Form des Drallkörpers 30 zu entnehmen. In dem ersten Bereich 38 mit den Drallschaufeln 32 und den Stützgasdüsen 16b ist der Drallkörper 30 zylindrisch mit einem ersten Durchmesser ausgestaltet. In dem zweiten Bereich 38 ohne Drallschaufeln ist der Drallkörper 30 zylindrisch mit einem zweiten Durchmesser ausgestaltet. Der erste Durchmesser ist in einer Ausführungsform größer als der zweite Durchmesser. Beide Bereiche 36, 38 können dann durch einen konischen Bereich miteinander verbunden sein. 2 An exemplary shape of the swirl body 30 can also be found in FIG. In the first area 38 with the swirl vanes 32 and the support gas nozzles 16b, the swirl body 30 is configured cylindrically with a first diameter. In the second region 38 without swirl vanes, the swirl body 30 is cylindrical with a second diameter. In one embodiment, the first diameter is larger than the second diameter. Both areas 36, 38 can then be connected to one another by a conical area.

Drallkörper 30 ist über ein Drallkörperinnenrohr 54 auf dem Brennstoffrohr 48 verschiebbar montiert, was beispielsweise eine Anpassung an verschiedene Feuerraumgeometrien und Prozessparameter erlaubt. Durch das axiale Verschieben des
Drallkörpers 30 auf dem Brennstoffrohr 48 kann der Verhältnis der Luftmengen, welche durch den Drallkörper 30 strömt und welche aus dem Spalt austritt, der durch den äußeren Durchmesser des Drallkörpers im Bereich 38 und dem inneren Durchmesser der Deltascheibe 66 gebildet wird, in Grenzen beeinflusst werden.
Swirl body 30 is displaceably mounted on fuel pipe 48 via a swirl body inner tube 54, which allows, for example, an adjustment to different combustion chamber geometries and process parameters. By axially shifting the
Swirl body 30 on the fuel pipe 48, the ratio of the amounts of air which flows through the swirl body 30 and which exits from the gap formed by the outer diameter of the swirler in area 38 and the inner diameter of the delta disc 66 can be influenced within limits.

Auch wenn in Fig. 2 das Brennerrohr 12 nicht gezeigt ist, ist zu verstehen, dass die Verbrennungsluft 28 in der Darstellung der Fig. 2 von rechts vorn nach hinten links strömt und zwar sowohl durch den Drallkörper 30 als auch außerhalb des Drallkörpers 30. Die Hauptgaslanzen 46 befinden sich im Luftstrom.Even if in 2 the burner tube 12 is not shown, it is to be understood that the combustion air 28 in the illustration of FIG 2 flows from the front right to the left rear, both through the swirl body 30 and outside of the swirl body 30. The main gas lances 46 are located in the air flow.

Fig. 3 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht den Brennkopf 10a von einer Flammenseite aus. Bereits mit Bezug auf Figuren 1 und 2 geschilderte Teile werden nicht erneut ausführlich beschrieben. Alle bisher beschriebenen Merkmale gelten auch für den Brennkopf 10a wie in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist der konische Teil des Drallkörpers 30 nicht dargestellt und Teile des Drallkörpers 30, die den stromabwärts gelegenen Bereich 38 umschließen, sind weggeschnitten, um die Darstellung innerhalb des Drallkörpes 30 liegender Teile zu erlauben. Wie in Fig. 2 ist das Brennerrohr 12 nicht gezeigt. 3 shows schematically in a perspective view the combustion head 10a from a flame side. Already referring to figures 1 and 2 illustrated parts will not be described again in detail. All features described so far also apply to the burner head 10a as in 3 shown. In 3 The conical portion of the swirler 30 is not shown and portions of the swirler 30 enclosing the downstream region 38 are cut away to allow portions within the swirler 30 to be shown. As in 2 the burner tube 12 is not shown.

Zum Starten des Verbrennungsvorgangs kann eine direkte, elektrische Zündung 56 vorgesehen sein, die nur anfänglich zum (z.B. erstmaligen) Zünden verwendet wird. Hat sich eine Flamme gebildet und stabilisiert, erfolgt die weitere Zündung des Brennstoff-Luftgemisches durch Rückwirkung aus der Flamme. In einer Ausführungsform ist die Zündeinrichtung 56 an einer der Stützgasdüsen 16b befestigt.To start the combustion process, a direct, electrical ignition 56 can be provided, which is only used initially for (eg for the first time) ignition. Once a flame has formed and stabilized, the fuel-air mixture continues to ignite by reaction from the flame. In one embodiment, the ignition device 56 is attached to one of the support gas nozzles 16b.

Das Brennstoffrohr 48 endet in der dargestellten Ausführungsform stromabwärts in einem zylinderförmigen Brennstoffverteiler 58. Der Brennstoffverteiler 58 kann auch als Primärgasverteiler 58 bezeichnet werden, da an dieser Stelle das Brennstoffrohr 48 nur noch das Primärgas führt. An dem Primärgasverteiler 58 sind in der Ausführungsform vier Primärgasdüsen 16a strahlenförmig an einer Mantelfläche des Primärgasverteilers 58 angeordnet. Die Primärgasdüsen 16a sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet und weisen von dem Brennstoffrohr 48 bzw. von dem Primärgasverteiler 58 weg hin zu dem nicht dargestellten Brennerrohr 12.In the illustrated embodiment, the fuel pipe 48 ends downstream in a cylindrical fuel distributor 58. The fuel distributor 58 can also be referred to as the primary gas distributor 58 since at this point the fuel pipe 48 only carries the primary gas. In the embodiment, four primary gas nozzles 16a are arranged radially on a lateral surface of the primary gas distributor 58 on the primary gas distributor 58 . The primary gas nozzles 16a are arranged at equal intervals and point away from the fuel pipe 48 or from the primary gas distributor 58 towards the burner pipe 12 (not shown).

Die Primärgasdüsen 16a können Bohrungen 60 aufweisen. Jede Primärgasdüse 16a kann mehrere Bohrungen 60 aufweisen. Dargestellt sind zwei Bohrungen 60. Es können aber auch mehr oder weniger Bohrungen sein. Die Bohrungen 60 sind so an den Primärgasdüsen 16a angeordnet, dass das Primärgas im Wesentlichen in eine tangentiale Richtung ausströmt. Die Orientierung der Bohrungen 60 kann so mit der Anordnung und Ausgestaltung der Drallschaufeln 32 abgestimmt sein, dass das Primärgas mit der Strömung des in dem ersten Bereich 36 verdrallten Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemischs abgegeben wird. Das Primärgas strömt aus den seitlichen Bohrungen in eine tangentiale Richtung aus, die von der Drallrichtung vorgegeben ist. Zusätzlich oder alternativ können die Primärgasdüsen 16a eine axiale Bohrung aufweisen, aus der ebenfalls Primärgas strömt.The primary gas nozzles 16a can have bores 60 . Each primary gas nozzle 16a can have a plurality of bores 60 . Two bores 60 are shown. However, there can also be more or fewer bores. The bores 60 are arranged on the primary gas nozzles 16a in such a way that the primary gas essentially flows out in a tangential direction. The orientation of the bores 60 can be matched to the arrangement and configuration of the swirl vanes 32 in such a way that the primary gas is discharged with the flow of the fuel/combustion air mixture swirled in the first region 36 . The primary gas flows out of the lateral bores in a tangential direction that is determined by the direction of the swirl. Additionally or alternatively, the primary gas nozzles 16a can have an axial bore, from which the primary gas also flows.

Die zweiten Brennstoffdüsen 18 oder auch Hauptgasdüsen, sind kreisförmig um das stromabwärts liegende Ende des Drallkörpers 30 angeordnet. Sie weisen Bohrungen 62 an ihren Stirnseiten auf. Die Bohrungen 62 sind ausgestaltet eine hohe Brennstoffaustrittsgeschwindigkeit des Hauptgases zu gewährleisten, so dass sich die Hauptflammenfront 26 beabstandet von dem Brennkopf ausbildet.The second fuel nozzles 18 or main gas nozzles are arranged in a circle around the downstream end of the swirl body 30 . They have holes 62 on their end faces. The bores 62 are designed to ensure a high fuel exit velocity of the main gas, so that the main flame front 26 forms at a distance from the combustion head.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Brennkopfs 10b. Brennkopf 10b kann dem Brennkopf 10 und/oder dem Brennkopf 10a entsprechen. Bereits mit Bezug auf Figuren 1 bis 3 geschilderte Teile werden nicht erneut ausführlich beschrieben. In der Seitensicht sind einzelne Teile weggeschnitten, um Einzelheiten besser darzustellen. Der zum Betrachter hinweisende Teil des Drallkörpers 30 ist weggeschnitten, damit der innere Aufbau erkenntlich ist. Der Bereich der Einmündung der ersten Brennstoffzuführung 20 in das Brennstoffrohr 48 ist aufgeschnitten. 4 shows schematically a side view of a combustion head 10b. Combustion head 10b may correspond to combustion head 10 and/or combustion head 10a. Already referring to Figures 1 to 3 illustrated parts will not be described again in detail. In the side view, parts have been cut away to show details better. The part of the swirl body 30 pointing towards the viewer has been cut away so that the internal structure can be seen is. The area where the first fuel feed 20 opens into the fuel pipe 48 has been cut open.

In der Seitenansichtsdarstellung der Fig. 4 sind Bohrungen 64 an den Primärgasdüsen 16a sichtbar. Die Bohrungen 64 sind ausgestaltet, den Brennstoff im Wesentlichen in radialer Richtung nach innen abzugeben. Die Primärgasdüsen können zusätzlich oder alternativ auch axiale Bohrungen aufweisen.In the side view representation of the 4 holes 64 are visible on the primary gas nozzles 16a. The bores 64 are configured to discharge the fuel substantially radially inward. In addition or as an alternative, the primary gas nozzles can also have axial bores.

In Fig. 4 ist auch das Brennerrohr 12 dargestellt. Das Brennerrohr 12 kann an seinem stromabwärts gelegenen Ende durch eine ringförmige Deltascheibe 66 abgeschlossen sein, die sich von dem Brennerrohr 12 radial nach innen erstreckt. Die Deltascheibe 66 weist in der dargestellten Ausführungsform eine Mehrzahl von radial nach innen weisenden Leiteinrichtungen 68 auf. Die Öffnungen der zweiten Brennstoffdüsen 18 können bündig mit der Deltascheibe 66 abschließen. Die Ausgestaltung der Deltascheibe 66, die mit Bezug auf Fig. 6 ausführlicher beschrieben wird, dient einer internen Abgasrezirkulation in der Hauptflamme 26. Die Rezirkulation kann dabei durch den Teil der Verbrennungsluft 28 bewirkt werden, der an der Dralleinrichtung 14 vorbeiströmt und direkt auf den Ring der ringförmigen Deltascheibe 66 trifft. An den Leiteinrichtungen 68 bilden sich dadurch abstromseitig, das heißt an den in den Brennraum weisenden Seiten der Leiteinrichtungen 68, Unterdruckzonen und Wirbelgebiete aus. Die dadurch rückgeführten Abgase werden dabei in die heißen Zonen der Hauptflamme 26 injiziert. In diesen Zonen wird durch das rezirkulierte Abgas die Temperatur verringert und der O2-Partialdruck reduziert. Beide Effekte tragen zur Verringerung der NO-Bildung, bzw. NO-Bildung bei.In 4 the burner tube 12 is also shown. The combustor tube 12 may be terminated at its downstream end by an annular delta disc 66 extending radially inward from the combustor tube 12 . In the embodiment shown, the delta disc 66 has a plurality of guide devices 68 pointing radially inwards. The openings of the second fuel nozzles 18 can end flush with the delta disc 66 . The design of the delta disc 66 with reference to 6 is described in more detail, is used for internal exhaust gas recirculation in the main flame 26. The recirculation can be effected by the portion of the combustion air 28 that flows past the swirl device 14 and hits the ring of the annular delta disk 66 directly. As a result, negative pressure zones and vortex areas are formed on the guide devices 68 on the downstream side, that is to say on the sides of the guide devices 68 pointing into the combustion chamber. The exhaust gases thereby recirculated are injected into the hot zones of the main flame 26 . In these zones, the recirculated exhaust gas lowers the temperature and reduces the O2 partial pressure. Both effects contribute to the reduction of NO formation or NO formation.

Die Brennstoffmenge aus den Primärgasdüsen 16a und den Stützgasdüsen 16b ist klein im Verhältnis zur Brennstoffmenge, welche aus den zweiten Brennstoffdüsen 18 austritt. Sie beträgt vorzugweise 3% bis 15 %, besonders bevorzugt 5% bis 10% der Gesamtbrennstoffmenge.The amount of fuel from the primary gas nozzles 16a and the support gas nozzles 16b is small in relation to the amount of fuel which exits from the second fuel nozzles 18 . It is preferably 3% to 15%, particularly preferably 5% to 10% of the total amount of fuel.

Der für die vollständige Verbrennung der Brennstoffteilmengen aus den Primärgasdüsen 16a, den Stützgasdüsen 16b und aus den Brennstoffdüsen 18 notwendige Luftüberschuss kann in Ausführungsformen zwischen 1,075 und 1,2 liegen. Die Verbrennungszonen der Primärflamme und der beabstandeten Hauptflamme sind jeweils überstöchiometrisch. Lokal kann es aufgrund des axial in den Feuerraum eintretenden Brennstoffstroms aus den zweiten Brennstoffdüsen 18 zur Bildung unterstöchiometrischer Zonen kommen, bevor sich Brenngas und Luft sowie rezirkuliertes Abgas ausreichend durchmischt haben.The excess air required for the complete combustion of the partial fuel quantities from the primary gas nozzles 16a, the supporting gas nozzles 16b and from the fuel nozzles 18 can be between 1.075 and 1.2 in embodiments. The combustion zones of the primary flame and the spaced main flame are each lean of stoichiometry. Locally, due to the flow of fuel entering the combustion chamber axially, it can from the second Fuel nozzles 18 come to form sub-stoichiometric zones before fuel gas and air and recirculated exhaust gas have been sufficiently mixed.

Die Minderung der NO-Werte ergibt sich durch die extrem NO-arme Verbrennung in der teilvorgemischten sehr mageren Primärflamme in Kombination mit der beabstandeten Hauptflamme, welche durch die intensive Einmischung intern rezirkulierter Abgase sowie die Absenkung des O2-Partialdruckes im Gemisch keine für die NO-Bildung schädlichen hohen Temperaturen ausbilden kann. Vorteilhaft ist die Bildung einer schlanken, aber dennoch nicht zu langen Flamme, welche die bei der Verbrennung des Brennstoffes freigesetzte Wärme aus Umwandlung der chemischen Enthalpie an die gekühlten Umfassungswände des Feuerraumes effizient durch Strahlung und Konvektion auskoppelt.The reduction in the NO values results from the extremely low-NO combustion in the partially premixed, very lean primary flame in combination with the main flame at a distance, which, due to the intensive mixing in of internally recirculated exhaust gases and the lowering of the O2 partial pressure in the mixture, has no effect on the NO Formation can form harmful high temperatures. The formation of a slim but not too long flame is advantageous, which efficiently decouples the heat released during the combustion of the fuel from the conversion of the chemical enthalpy to the cooled surrounding walls of the combustion chamber through radiation and convection.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines vorderen Abschnitts des Brennkopfs 10b. Bereits mit Bezug auf Figuren 1 bis 4 geschilderte Teile werden nicht erneut ausführlich beschrieben. figure 5 Fig. 12 schematically shows a sectional view of a front portion of the combustion head 10b. Already referring to Figures 1 to 4 illustrated parts will not be described again in detail.

Sichtbar ist das Drallkörperinnenrohr 54, das über dem Brennstoffrohr 48 geführt ist. Damit ist der Drallkörper längsverschiebbar und kann mit einer Schraube 70 in seiner Position fixiert werden. Die Verschiebbarkeit erlaubt eine bessere Anpassung an verschiedene Brennräume, in denen sich die Hauptflammenfront 26 ausbildet.The swirl body inner tube 54, which is routed over the fuel tube 48, is visible. The swirl body can thus be displaced longitudinally and can be fixed in its position with a screw 70 . The displaceability allows better adaptation to different combustion chambers in which the main flame front 26 is formed.

Die durchbrochene Trennwand 34 ist im Bereich 38 angeordnet. Die durchbrochene Trennwand 34 ist so positioniert und ausgestaltet, dass in der beschriebenen Ausführungsform die Primärflamme 24 sicher im Bereich 38 des Drallkörpers 30 stabilisiert oder gehalten wird.The perforated partition 34 is arranged in the area 38 . The breached partition 34 is positioned and configured such that the primary flame 24 is securely stabilized or retained within the region 38 of the swirler 30 in the described embodiment.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Vorderansicht des Brennkopfs 10b von der Flammenseite aus oder in anderen Worten von dem Brennraum aus. Mittig angeordnet liegt der Brennstoffverteiler 58, von dem sich die Primärgasdüsen 16a mit ihren Bohrungen 60 wegerstrecken. Dahinter liegt die durchbrochene Trennwand 34. Die Durchbrüche sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei konzentrische Lochreihen realisiert, wobei die Löcher kreisrund sind. Es ist zu verstehen, dass die Durchbrüche auch eine andere Form aufweisen können. Auch kann das Verhältnis der Öffnungsflächen zur Gesamtfläche anders sein als dargestellt. Die durchbrochene Trennwand 34 dient zum Herabsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des verdrallten Luft-/ Brennstoffgemischs aus dem Bereich 36 des Drallkörpers 30. Die Trennwand 34 ist durch die Wandung des Drallkörpers 30 begrenzt. Durch die Durchbrüche hindurch sind die dahinterliegenden Stützgasdüsen 16b zu erkennen. 6 Fig. 12 schematically shows a front view of the combustion head 10b from the flame side, or in other words from the combustion chamber. Arranged in the center is the fuel distributor 58, from which the primary gas nozzles 16a with their bores 60 extend. Behind it is the perforated partition wall 34. In the exemplary embodiment shown, the perforations are realized by two concentric rows of holes, the holes being circular. It is to be understood that the openings can also have a different shape. The ratio of the opening areas to the total area can also be different than shown. The perforated partition wall 34 serves to reduce the flow velocity of the swirled air/fuel mixture from the area 36 of the Swirl body 30. The partition 34 is limited by the wall of the swirl body 30. The support gas nozzles 16b located behind them can be seen through the openings.

In gleichmäßigen Abständen auf einem Kreis um die Mittelachse des Drallkörpers 30 liegend sind die zweiten Brennstoffdüsen 18 mit ihren Bohrungen 62 angeordnet. Darum herum ist die ringförmige Deltascheibe 66, die das Brennerrohr 12 abschließt. Von dem Innenumfang der Deltascheibe 66 erstrecken sich die Leiteinrichtungen 68 in radialer Richtung nach innen. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Leiteinrichtungen 68 vorgesehen. Die drei Leiteinrichtungen 68 sind gleichmäßig auf den Innenumfang verteilt. Der Brennkopf 10b kann auch mehr oder weniger Leiteinrichtungen 68 aufweisen, die dann ebenfalls gleichmäßig auf den Innenumfang verteilt sein können. Die Leiteinrichtungen 68 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel von dreieckförmiger Gestalt und weisen mit einer Spitze in radialer Richtung nach innen. Die Dreiecke weisen mit einer Spitze von der ringförmigen Deltascheibe 66 weg. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, liegen die Leiteinrichtungen 68 nicht in der Zeichenebene der Fig. 6, sondern weisen vom Drallkörper 30 weg. Sie sind abgewinkelt.The second fuel nozzles 18 with their bores 62 are arranged at regular intervals on a circle around the central axis of the swirl body 30 . Around it is the annular delta disc 66 which closes off the burner tube 12 . From the inner circumference of the delta disc 66, the guide devices 68 extend inward in the radial direction. In the illustrated embodiment, three baffles 68 are provided. The three guide devices 68 are evenly distributed over the inner circumference. The combustion head 10b can also have more or fewer guide devices 68, which can then likewise be distributed uniformly over the inner circumference. In the exemplary embodiment shown, the guide devices 68 are triangular in shape and have a tip pointing inwards in the radial direction. The triangles point away from the annular delta disc 66 with an apex. How out figure 5 seen, the guide devices 68 are not in the plane of the 6 , but point away from the swirl body 30 . They are angled.

Die Leiteinrichtungen 68 mit der Deltascheibe 66 sind so ausgebildet, dass sie die Ausbildung einer Unterdruckzone bewirken, welche Abgase aus dem Brennraum ansaugen. Deltascheibe 66 und Leiteinrichtungen 68 führen somit zu einer internen Abgasrezirkulation. Die Formgebung in der Art eines gewinkelten, vom Drallkörper wegweisenden Dreiecks führt zu "stehenden Wirbeln" an den Leiteinrichtungen 68, die zur Stabilisierung der Hauptflammenfront 26 beitragen. Folglich werden die rückgeführten Abgase in die heißen Zonen der Hauptflamme und damit in die Bereiche größter NO-Produktion injiziert.The guide devices 68 with the delta disc 66 are designed in such a way that they cause the formation of a vacuum zone which draws in exhaust gases from the combustion chamber. Delta disk 66 and guide devices 68 thus lead to an internal exhaust gas recirculation. The shape in the manner of an angled triangle pointing away from the swirler leads to "standing vortices" on the guide devices 68, which contribute to the stabilization of the main flame front 26. Consequently, the recirculated exhaust gases are injected into the hot zones of the main flame and thus into the areas of greatest NO production.

Die Geometrie der Leiteinrichtungen 68 wurde dahingehend optimiert, dass eine möglichst hohe interne Abgasmenge in die Hauptflamme 26 eingezogen wird. Dabei sind sowohl Anzahl als auch Geometrie der Leiteinrichtungen 68 sowohl für die Wirkung der NO-Absenkung als auch für die Stabilität der Hauptflamme zu berücksichtigen.The geometry of the guide devices 68 has been optimized in such a way that as high an internal exhaust gas quantity as possible is drawn into the main flame 26 . Both the number and the geometry of the guiding devices 68 must be taken into account both for the effect of the NO reduction and for the stability of the main flame.

Die ringförmige Deltascheibe 66 kann an ihrem Innenumfang zwischen den Leiteinrichtungen 68 eine Vielzahl von Ausbuchtungen 72 aufweisen. Die Ausbuchtungen 72 bilden eine verzahnte Geometrie. In Fig. 6 sind halbkreisförmige Ausbuchtungen dargestellt, aber die Verzahnung kann mit anderen Geometrien ausgebildet sein. Die Verzahnung 72 ist ausgestaltet, um eine größere Oberfläche zu erzeugen. Die größere Oberfläche führt zu einer größeren Kontaktfläche zwischen Abgas, Verbrennungsluft und Hauptbrennstoff, wodurch eine intensivere und gleichmäßigere Mischung des Brennstoff-Luft-Abgas-Gemischs erzeugt wird. Dadurch kann sich in der Hauptflamme 26 eine gleichmäßigere Verteilung mit Abgas angereicherter und somit stöchiometrisch günstigerer Verbrennungszonen ausbilden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass hierdurch die Bildung des thermischen NO insgesamt weiter reduziert wird.The annular delta disc 66 can have a multiplicity of bulges 72 on its inner circumference between the guide devices 68 . The bulges 72 form an interlocking geometry. In 6 Semi-circular lobes are shown, but the teeth can be formed with other geometries. The serration 72 is designed to create a larger surface area. The larger surface area results in a larger contact area between exhaust gas, combustion air and main fuel, a more intensive and uniform mixture of the fuel-air-exhaust gas mixture is produced. As a result, a more uniform distribution of combustion zones enriched with exhaust gas and thus stoichiometrically more favorable can form in the main flame 26 . The inventors have found that this further reduces the overall formation of thermal NO.

Wie bereits erwähnt, sind die zweiten Brennstoffdüsen 18 so ausgeformt, dass möglichst hohe Austrittsgeschwindigkeiten erreicht werden. Hierfür kann eine Blende vor der axialen Öffnung der Brennstoffdüse vorgesehen sein. Durch den hohen Impuls des ausströmenden Gases kann die Intensität der Mischung aus intern rezirkuliertem Abgas und Brennstoff weiter vorangetrieben werden. Eine weitere Optimierung erfolgt durch die Position der zweiten Brennstoffdüsen 18 in Abstimmung mit der Geometrie der Leiteinrichtungen 68. Die zweiten Brennstoffdüsen 18 liegen gleichmäßig verteilt zwischen den Leiteinrichtungen 68.As already mentioned, the second fuel nozzles 18 are shaped in such a way that the highest possible exit velocities are achieved. For this purpose, an aperture can be provided in front of the axial opening of the fuel nozzle. Due to the high momentum of the outflowing gas, the intensity of the mixture of internally recirculated exhaust gas and fuel can be further advanced. A further optimization takes place through the position of the second fuel nozzles 18 in coordination with the geometry of the guide devices 68. The second fuel nozzles 18 are evenly distributed between the guide devices 68.

Im Betrieb wird die vorteilhafte, stickstoffarme Verbrennung erreicht, indem zunächst dem Brennerrohr 12 mit einem stromabwärts gelegenen offenen Ende Verbrennungsluft 28 zugeführt wird. Ein Teil der Verbrennungsluft 28 wird in der in dem Brennerrohr 12 angeordneten Dralleinrichtung 14 verdrallt. Eine erste Brennstoffmenge wird direkt in den Drallkörper 30 zugeführt und dort mit der verdrallten Verbrennungsluft 28 vermischt. Eine Primärflamme wird in dem verdrallten Brennstoff-/Verbrennungsluftgemischs innerhalb des Drallkörpers gebildet. Eine zweite Brennstoffmenge wird stromabwärts der Dralleinrichtung 14 zugeführt. Eine Hauptflammenfront wird ausgebildet, die sich stromabwärts des Brennerrohrs und beabstandet von dem Brennerrohr stabilisiert. Dabei erfolgt ein Regeln der ersten Brennstoffmenge unabhängig von der zweiten Brennstoffmenge.In operation, the advantageous low-nitrogen combustion is achieved by first introducing combustion air 28 into the burner tube 12 with an open end downstream. A part of the combustion air 28 is twisted in the twisting device 14 arranged in the burner tube 12 . A first quantity of fuel is fed directly into the swirl body 30 and mixed there with the swirled combustion air 28 . A primary flame is formed in the swirled fuel/combustion air mixture within the swirler. A second quantity of fuel is supplied downstream of the swirl device 14 . A main flame front is formed which stabilizes downstream of the combustor tube and spaced from the combustor tube. In this case, the first quantity of fuel is regulated independently of the second quantity of fuel.

Die separate Brennstoffregelung erlaubt es, in einem großen Lastbereich eine sehr geringe NO-Emission zu erreichen. Bei niedrigerer Last kann ein anderes Verhältnis von erster Brennstoffmenge zu zweiter Brennstoffmenge optimal sein als bei hoher Last. Bei fest eingestelltem Verhältnis der beiden Brennstoffmengen zueinander, kann ein niedriger NO Ausstoß nicht über den gesamten Lastbereich des Brenners gewährleistet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Brennkopf kann beispielsweise bei niedriger Last prozentual zum Hauptgasweniger Primärgas/ Stützgas zugeführt werden, als bei hoher Last. Bei einer nicht getrennten Regelbarkeit sinkt strömungstechnisch bedingt bei niedrigerer Last die erste Brennstoffmenge im Verhältnis geringer ab als die Luftmenge die durch den Drallkörper strömt, sodass die NO-Emissionen bei niedrigerer Last auch bei einer überstöchiometrischen Primärflamme zunehmen können.The separate fuel control makes it possible to achieve very low NO emissions over a wide load range. At a lower load, a different ratio of the first quantity of fuel to the second quantity of fuel can be optimal than at a high load. If the ratio of the two fuel quantities to one another is fixed, low NO emissions cannot be guaranteed over the entire load range of the burner. In the combustion head according to the invention, for example, at low load, less primary gas/support gas can be supplied as a percentage of the main gas than at high load. In the case of non-separate controllability, the first amount of fuel decreases to a lesser extent than the amount of air through the swirler at lower loads, due to flow technology flows, so NO emissions can increase at lower loads even with a lean primary flame.

Wenngleich spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann, dass eine Vielzahl alternativer und/ oder äquivalenter Implementierungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsform substituiert werden können, ohne von der grundlegenden Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll alle Adaptionen oder Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abdecken.Although specific embodiments have been illustrated and described, those of ordinary skill in the art will understand that a variety of alternative and/or equivalent implementations may be substituted for the specific embodiment shown and described without departing from the basic spirit of the present invention. This application is intended to cover any adaptations or variations of the specific embodiments discussed herein.

Claims (20)

Verfahren zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes unter Zuführung von Verbrennungsluft (28) in ein Brennerrohr (12), umfassend: - Zuführen einer ersten Brennstoffmenge zur Ausbildung einer stark überstöchiometrischen Primärflamme (24) innerhalb des Brennerrohrs (12), vorzugsweise mit einer Stöchiometrie größer 1,5, insbesondere größer 2,0; - Zuführen einer zweiten Brennstoffmenge stromabwärts zur Ausbildung einer schwach überstöchiometrischen Hauptflamme (26), vorzugsweise mit einer Stöchiometrie zwischen 1,03 und 1,18, in einem Feuerraum, wobei eine Temperatur der Hauptflamme (26) durch feuerraumintern rezirkulierte Abgase herabgesetzt ist, und wobei sich die Hauptflamme (26) stromabwärts des Brennerrohrs (12) und beabstandet von dem Brennerrohr (12) stabilisiert. Method for the staged combustion of a fuel with the supply of combustion air (28) into a burner tube (12), comprising: - Supplying a first amount of fuel to form a highly over-stoichiometric primary flame (24) within the burner tube (12), preferably with a stoichiometry greater than 1.5, in particular greater than 2.0; - supplying a second quantity of fuel downstream to form a slightly over-stoichiometric main flame (26), preferably with a stoichiometry between 1.03 and 1.18, in a furnace, wherein a temperature of the main flame (26) is reduced by exhaust gases recirculated within the furnace, and wherein the main flame (26) stabilizes downstream of the burner tube (12) and spaced from the burner tube (12). Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: - Regeln der ersten Brennstoffmenge unabhängig von der zweiten Brennstoffmenge, wobei die Regelung so erfolgt, dass die erste Brennstoffmenge etwa zwischen 3 % und 15 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 10 % der Summe der ersten Brennstoffmenge und der zweiten Brennstoffmenge beträgt. The method of claim 1, further comprising: - Controlling the first amount of fuel independently of the second amount of fuel, the control being such that the first amount of fuel is approximately between 3% and 15%, preferably between 5% and 10% of the sum of the first amount of fuel and the second amount of fuel. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: - Verdrallen eines Teils der Verbrennungsluft (28) zur Erzeugung einer verwirbelten Verbrennungsluft; - Zuführen einer ersten Teilmenge der ersten Brennstoffmenge in den Bereich der verwirbelten Verbrennungsluft zur Ausbildung eines verwirbelten mageren Luft-/ Brennstoffgemischs; - Herabsetzen einer Strömungsgeschwindigkeit des verwirbelten mageren Luft-/ Brennstoffgemischs; und - Zuführen einer zweiten Teilmenge der ersten Brennstoffmenge in das verlangsamte verwirbelte magere Luft-/ Brennstoffgemisch. The method of claim 1 or 2, further comprising: - Swirling part of the combustion air (28) to produce a swirled combustion air; - Supplying a first portion of the first amount of fuel in the region of the swirled combustion air to form a swirled lean air / fuel mixture; - reducing a flow velocity of the swirled lean air/fuel mixture; and - Introducing a second portion of the first amount of fuel into the slowed swirled lean air/fuel mixture. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Zuführen wenigstens eines Teils der ersten Teilmenge der ersten Brennstoffmenge in radialer Richtung nach innen erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the supplying of at least part of the first partial quantity of the first quantity of fuel takes place in the radial direction inwards. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Zuführen wenigstens eines Teils der zweiten Teilmenge der ersten Brennstoffmenge in tangentialer Richtung mit der Strömung des verdrallten Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemischs erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the supplying of at least part of the second partial quantity of the first quantity of fuel takes place in a tangential direction with the flow of the swirled fuel/combustion air mixture. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend: - Ausbilden von Wirbeln, insbesondere stehenden Wirbeln im Bereich der Zuführung der zweiten Brennstoffmenge, so dass Abgase in die heißen Zonen der Hauptflammenfront (26) rückgeführt werden. A method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Formation of vortices, in particular standing vortices in the area where the second quantity of fuel is supplied, so that exhaust gases are returned to the hot zones of the main flame front (26). Brennkopf (10) zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes, wobei der Brennkopf (10) ausgestaltet ist, eine erste zugeführte Menge des Brennstoffs in einer überstöchiometrischen Primärflamme (24) innerhalb eines Brennerrohrs (12) zu verbrennen, und eine zweite zugeführte Menge des Brennstoffs in einer schwach überstöchiometrischen Hauptflamme (26), vorzugsweise mit einer Stöchiometrie zwischen 1,03 und 1,18 in einem Feuerraum beabstandet von dem Brennerrohr (12) zu verbrennen, wobei die Brennstoffzuführungen so ausgestaltet sind, dass die Primärflamme (24) mit einer Stöchiometrie größer 1,5, insbesondere größer 2,0 brennt, wobei der Brennkopf (10) ferner ausgestaltet ist, eine Temperatur der Hauptflamme (26) durch feuerraumintern rezirkulierte Abgase herabzusetzen, und die Hauptflamme (26) stromabwärts des Brennerrohrs (12) und beabstandet von dem Brennerrohr (12) zu stabilisieren.Combustion head (10) for the staged combustion of a fuel, wherein the combustion head (10) is designed to burn a first quantity of fuel supplied in a hyperstoichiometric primary flame (24) within a burner tube (12), and a second quantity of fuel supplied in a to burn a slightly over-stoichiometric main flame (26), preferably with a stoichiometry between 1.03 and 1.18, in a combustion chamber at a distance from the burner tube (12), the fuel feeds being designed in such a way that the primary flame (24) has a stoichiometry greater than 1 5, in particular greater than 2.0, wherein the combustion head (10) is also designed to reduce a temperature of the main flame (26) by exhaust gases recirculated inside the combustion chamber, and the main flame (26) downstream of the burner tube (12) and at a distance from the burner tube (12) to stabilize. Brennkopf (10) gemäß Anspruch 7, wobei eine Zuführung der ersten Menge Brennstoff und eine Zuführung der zweiten Menge Brennstoff voneinander unabhängig regelbar sind, wobei die Regelung so erfolgt, dass die erste Brennstoffmenge etwa zwischen 3 % und 15 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 10 % der Summe der ersten Brennstoffmenge und der zweiten Brennstoffmenge beträgt.Combustion head (10) according to Claim 7, in which the supply of the first quantity of fuel and the supply of the second quantity of fuel can be regulated independently of one another, the regulation being carried out in such a way that the first quantity of fuel is between approximately 3% and 15%, preferably between 5% and 10% of the sum of the first amount of fuel and the second amount of fuel. Brennkopf (10) nach Anspruch 8, wobei der Brennkopf ausgestaltet ist, einen ersten Teil der ersten Menge des Brennstoffs einem stark verwirbelten Teil der Verbrennungsluft zur Bildung eines Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemischs zuzuführen und einen zweiten Teil der ersten Menge des Brennstoffs dem abgebremsten Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemisch zuzuführen.A combustor (10) according to claim 8, wherein the combustor is configured to deliver a first portion of the first quantity of fuel to a highly turbulent portion of the combustion air supply to form a fuel / combustion air mixture and supply a second part of the first amount of fuel to the decelerated fuel / combustion air mixture. Brennkopf (10) zur gestuften Verbrennung eines Brennstoffes, aufweisend: ein Brennerrohr (12), ausgebildet um von Verbrennungsluft (28) durchströmt zu werden, wobei das Brennerrohr (12) ein stromabwärts gelegenes offenes Ende aufweist; eine Dralleinrichtung (14), die innerhalb des Brennerrohrs (12) angeordnet ist, um von einem Teil der Verbrennungsluft (28) durchströmt zu werden, mit einem Drallkörper (30), der einen ersten und einen zweiten Bereich umschließt, wobei der erste Bereich (36) stromaufwärts von dem zweiten Bereich (38) liegt, und nur in dem ersten Bereich Drallschaufeln (32) angeordnet sind; erste Brennstoffdüsen (16a, 16b), die innerhalb des Drallkörpers (30) angeordnet sind, um Brennstoff zur Ausbildung einer Primärflamme (24) innerhalb des Drallkörpers (30) zuzuführen; zweite Brennstoffdüsen (18), die stromabwärts der Dralleinrichtung (14) angeordnet sind, um Brennstoff zur Bildung einer freien Hauptflammenfront (26) zuzuführen, wobei sich die Hauptflammenfront (26) stromabwärts des Brennkopfs (10) und von diesem beabstandet stabilisiert; eine erste Brennstoffzuführung (20), die mit den ersten Brennstoffdüsen (16a, 16b) verbunden ist; und eine zweite Brennstoffzuführung (22), die mit den zweiten Brennstoffdüsen (18) verbunden ist, wobei der Drallkörper (30) und die ersten Brennstoffdüsen (16a, 16b) ausgestaltet sind, die Primärflamme (24) mit einer Stöchiometrie größer 1,5, insbesondere größer 2,0 zu erhalten. Combustion head (10) for the staged combustion of a fuel, having: a burner tube (12) adapted to have combustion air (28) therethrough, the burner tube (12) having an open end downstream; a swirl device (14), which is arranged within the burner tube (12) in order to be flowed through by part of the combustion air (28), with a swirl body (30) which encloses a first and a second region, the first region ( 36) is upstream of the second region (38) and swirl vanes (32) are disposed only in the first region; first fuel nozzles (16a, 16b) disposed within the swirler (30) for supplying fuel to form a primary flame (24) within the swirler (30); second fuel nozzles (18) located downstream of the swirler (14) for supplying fuel to form a free main flamefront (26), the main flamefront (26) stabilizing downstream of and spaced from the combustor (10); a first fuel supply (20) connected to the first fuel nozzles (16a, 16b); and a second fuel feed (22), which is connected to the second fuel nozzles (18), the swirl body (30) and the first fuel nozzles (16a, 16b) being configured, the primary flame (24) having a stoichiometry greater than 1.5, in particular greater than 2.0. Brennkopf nach Anspruch 10, wobei sich die Brennstoffmengen des durch die erste Brennstoffzuführung (20) beziehungsweise durch die zweite Brennstoffzuführung (22) zugeführten Brennstoffes voneinander unabhängig regeln lassen.Combustion head according to Claim 10, in which the fuel quantities of the fuel supplied through the first fuel supply (20) or through the second fuel supply (22) can be regulated independently of one another. Brennkopf gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Dralleinrichtung (14) eine durchbrochene Trennwand (34) zwischen dem ersten Bereich (36) und dem zweiten Bereich (38) aufweist.Combustion head according to claim 10 or 11, wherein the swirl device (14) has a perforated partition wall (34) between the first region (36) and the second region (38). Brennkopf gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die ersten Brennstoffdüsen (16a, 16b) Primärbrennstoffdüsen (16a) umfassen, die im zweiten Bereich (38) des Drallkörpers (30) angeordnet sind, und Stützbrennstoffdüsen (16b) umfassen, die im ersten Bereich des Drallkörpers (30) angeordnet sind.Combustion head according to one of claims 10 to 12, wherein the first fuel nozzles (16a, 16b) comprise primary fuel nozzles (16a) arranged in the second region (38) of the swirler (30) and auxiliary fuel nozzles (16b) arranged in the first region of the swirler (30) are arranged. Brennkopf gemäß Anspruch 13, wobei die Stützbrennstoffdüsen (16b) gleichmäßig zwischen den Drallschaufeln (32) verteilt und ausgestaltet sind, Brennstoff in radialer Richtung nach innen abzugeben, um ein verdralltes Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemisch zu bilden.A combustor according to claim 13, wherein the support fuel nozzles (16b) are evenly distributed between the swirl vanes (32) and are configured to discharge fuel radially inward to form a swirled fuel/combustion air mixture. Brennkopf gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Primärbrennstoffdüsen (16a) gleichmäßig in einem Strahlenkranz verteilt und ausgebildet sind, Brennstoff in tangentialer Richtung mit der Strömung des verdrallten Brennstoff-/ Verbrennungsluftgemischs abzugeben.Combustion head according to Claim 13 or 14, in which the primary fuel nozzles (16a) are uniformly distributed in a corona and are designed to discharge fuel in a direction tangential to the flow of the swirled fuel/combustion air mixture. Brennkopf nach einem der Ansprüche 10-15, wobei wenigstens ein Teil des Brennstoffaustritts aus den ersten Brennstoffdüsen (16a) über seitliche Bohrungen (60) in den ersten Brennstoffdüsen erfolgt.Combustion head according to one of Claims 10-15, in which at least part of the fuel exits from the first fuel nozzles (16a) via lateral bores (60) in the first fuel nozzles. Brennkopf gemäß einem der Ansprüche 10-16, wobei die erste Brennstoffzuführung (20) über ein Brennstoffrohr (48) in dem Drallkörper (30) mit den Primärbrennstoffdüsen (16a) und den Stützbrennstoffdüsen (16b) verbunden ist, wobei das Brennstoffrohr (48) mit einem Brennstoffverteiler (58) abschließt, an dem die Primärbrennstoffdüsen (16a) befestigt sind.Combustion head according to one of claims 10-16, wherein the first fuel feed (20) is connected to the primary fuel nozzles (16a) and the support fuel nozzles (16b) via a fuel pipe (48) in the swirl body (30), the fuel pipe (48) having a fuel manifold (58) to which the primary fuel nozzles (16a) are attached. Brennkopf nach Anspruch 17, wobei der Drallkörper (30) auf dem Brennstoffrohr (48) in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist.Combustion head according to Claim 17, in which the swirl body (30) is arranged so as to be displaceable in the longitudinal direction on the fuel pipe (48). Brennkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
eine ringförmige Deltascheibe (66), die sich von dem stromabwärts gelegenen Ende des Brennerrohrs (12) radial nach innen erstreckt und eine Mehrzahl von radial nach innen weisenden Leiteinrichtungen (68) aufweist.
A combustor according to any one of the preceding claims, further comprising:
an annular delta disc (66) extending from the downstream end of the Burner tube (12) extends radially inwardly and has a plurality of radially inwardly directed baffles (68).
Brennkopf nach Anspruch 19, wobei die ringförmige Deltascheibe (66) an ihrem Innenumfang zwischen den Leiteinrichtungen (68) eine Vielzahl von Ausbuchtungen (72) aufweist.Combustion head according to Claim 19, in which the annular delta disc (66) has a multiplicity of bulges (72) on its inner circumference between the guide devices (68).
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