EP4008955A1 - Device and method for supplying combustion air and exhaust gas recirculation for a burner - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device and a method for supplying combustion air and recirculating exhaust gas for a burner and a burner with a device for supplying combustion air and recirculating exhaust gas.
- Hydrogen in particular so-called green hydrogen, which is obtained by water splitting from renewable energies such as wind energy, solar energy or hydropower, or from biomass, is becoming increasingly important as an energy source, initially as an admixture to natural gas and later as a pure gas.
- hydrogen burns with almost no emissions, oxygen and nitrogen are components of the combustion air, meaning that nitrogen oxides can also form when hydrogen is used.
- Thermal nitrogen oxide formation starts at high temperatures and then increases exponentially with temperature. Due to the high reaction speed of the hydrogen, the thermal nitrogen oxide formation increases significantly when using hydrogen compared to using pure natural gas. For example, with burners without special measures, around 50 ppm nitrogen oxide is produced in the exhaust gas with natural gas (CH4) and with hydrogen more than 100 ppm.
- CH4 natural gas
- Exhaust gas recirculation or exhaust gas recirculation is known as an effective measure against the thermal formation of nitrogen oxides in the exhaust gas from furnaces, with the oxygen content being reduced by recirculating the exhaust gas and the flame temperature thus being lowered.
- an exhaust gas recirculation ratio (EGR) is defined as the ratio of the mass flows of the recirculated or recirculated exhaust gas and the combustion air supplied (m A /m L ).
- the exhaust gases are also referred to as combustion exhaust gases or combustion gases.
- exhaust gas is routed out of the combustion chamber and a partial exhaust gas flow is removed from the exhaust tract, for example in a chimney, and mixed with the combustion air or the fuel before or when it flows into a combustion chamber.
- EGR can be regulated to a desired ratio by means of suitable controls.
- a significant disadvantage of the external exhaust gas recirculation is an increase in the amount of exhaust gas, which is why areas for extracting the heat have to be increased accordingly.
- the exhaust gas recirculation ratio must be limited in order to avoid the flame going out.
- a device for combustion air supply and exhaust gas recirculation for a burner with a combustion chamber comprising a plurality of propulsion nozzles distributed around a central axis and fluidly connected to a combustion air supply and a mixing chamber downstream of the propulsion nozzles, the propulsion nozzles and the mixing chamber form a jet pump, and wherein in the mixing chamber, combustion air emerging from the propulsion nozzles can be mixed with exhaust gases flowing out of the combustion chamber and sucked back by means of the propulsion nozzles to form a combustion air/exhaust gas mixture and the combustion air/exhaust gas mixture can be fed to a reaction zone downstream of the mixing chamber.
- the cross section of the mixing chamber can be suitably selected by a person skilled in the art depending on the application. In advantageous configurations, the cross section is Flow direction constant, in one embodiment in an inlet and / or an outlet a converging or diverging cross-section for improved inflow or outflow is provided.
- the distributed motive nozzles and the mixing chamber form a jet pump, with the exhaust gas recirculation ratio of the combustion air/exhaust gas mixture conveyed by the jet pump depending on a cross-sectional ratio of the mixing chamber and the motive nozzles and on operating parameters such as a temperature of the recirculated exhaust gas.
- the exhaust gas recirculation ratio can thus be specified in advance by a person skilled in the art by suitably designing the mixing chamber and the propulsion nozzles, for example up to a limit of flame stability, for specific operating parameters.
- the cross section of the mixing chamber is matched to an outlet cross section of the propulsion nozzles and a number of propulsion nozzles.
- an end of the mixing chamber facing the propulsion nozzles is at least partially spaced in the direction of flow from a wall on which the propulsion nozzles are arranged, so that a circumferential or interrupted gap is created, which acts as a suction opening of the jet pump, through which an exhaust gas is sucked back and in the mixing chamber can be conveyed.
- an intake chamber with an opening for intake of exhaust gas is provided upstream of the mixing chamber.
- an end of the mixing chamber facing the combustion chamber is arranged upstream of an outlet opening of a fuel supply, with a distance being suitably selectable by a person skilled in the art depending on the application.
- the combustion air and the exhaust gas are mixed with one another before being mixed with the fuel in a defined exhaust gas recirculation ratio that may be dependent on operating parameters, without the amount of exhaust gas in an exhaust tract having to be increased for this purpose, as is the case with external exhaust gas recirculation.
- the flame temperature is lowered by the flue gas recirculation.
- the nitrogen oxide formation rate is around 10 4 ppm/s at flame temperatures of around 2000 °C for conventional fuels and drops to around 10 ppm/s at 1500 °C.
- the arrangement of the propulsion nozzles distributed around a central axis is also referred to as a ring-shaped arrangement in connection with the application.
- the propulsion nozzles are arranged in parallel.
- axes of the propulsion nozzles are inclined with respect to the central axis.
- the device with a jet pump formed by the mixing chamber and the driving nozzles is suitable both for burners in a power range with a few kW and for burners with a MW power range.
- a mixing chamber with an annular cross section is provided.
- An inner diameter of the mixing chamber is selected in such a way that the mixing chamber can be arranged around a fuel lance provided coaxially to the central axis during use.
- the number of driving nozzles can be suitably determined by a person skilled in the art.
- eight or more propulsion nozzles are provided, distributed uniformly around the central axis. This creates a good suction effect, in particular for a mixing chamber with a feed opening in the form of an annular gap.
- a cross-sectional ratio of the mixing chamber and the driving nozzles of the jet pump is designed in order to achieve a specific exhaust gas recirculation ratio AGR, a resulting cross-section of all driving nozzles being referred to as the cross-section of the driving nozzles.
- the aspect ratio of the mixing chamber and the propulsion nozzles is less than or equal to 20.
- an exhaust gas recirculation ratio EGR that is optimal for avoiding pollutants also depends on operating parameters. For example, depending on the temperature of the recirculated exhaust gas, an exhaust gas recirculation ratio EGR of 1 to 1.5 with an oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture of between approx. 10% and approx. 12% is required in order to lower the flame temperature to 1500°C.
- a bypass channel is provided, by means of which combustion air can be fed to the reaction zone, bypassing the driving nozzles. This makes it possible, for example, to reduce the EGR for flame stability by directing part of the combustion air past the propellant nozzles via the bypass channel.
- the bypass channel is designed as an annular gap channel, which is arranged around a fuel lance during use and runs in sections between the mixing chamber and the fuel lance.
- nozzle openings are provided at an outlet end of the bypass duct in order to achieve rapid and complete mixing of the combustion air supplied via the bypass duct with the combustion air/exhaust gas mixture of the jet pump.
- an adjustable bypass valve is provided in the bypass channel.
- the bypass valve can only be adjusted between an open position and a closed position.
- a continuously or steplessly adjustable bypass valve is provided.
- the bypass valve is adjusted by means of a controllable or regulatable actuating device, with the bypass valve being opened or closed or a passage being varied, depending on the configuration, by means of regulating or control interventions.
- an oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture for the combustion can be changed and, in particular, kept within a defined range for flame stability by a variable supply of additional combustion air.
- an adjustable valve is provided in one embodiment in an intake opening for the back-sucked exhaust gas, with the valve preferably being adjustable continuously or steplessly.
- an oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture for the combustion can be changed and, in particular, kept within a defined range for flame stability through a variable supply of exhaust gas.
- a probe is provided for an oxygen measurement.
- the probe is preferably provided upstream of outlet openings of a fuel supply and thus upstream of a flame.
- the oxygen content of the mixture, determined with the probe can be determined and can be varied by regulating or controlling interventions on the bypass valve and/or on the valve in the intake opening for the recirculated exhaust gas.
- a sensor for measuring the temperature of the recirculated exhaust gas is provided in one embodiment.
- An exhaust gas recirculation ratio optimized for a temperature of the exhaust gas can be determined and set by regulating or controlling interventions on the bypass valve and/or on the valve in the intake opening, preferably by measuring the oxygen content.
- a burner comprising a device for combustion air supply and exhaust gas recirculation with a jet pump, wherein the jet pump has a preferably annular gap-shaped mixing chamber and several propulsion nozzles arranged in a ring around a central axis, and a fuel lance arranged coaxially to the central axis with outlet openings .
- the outlet openings are arranged downstream of an outlet opening of the mixing chamber, with a distance being suitably selectable by the person skilled in the art.
- a baffle plate is provided upstream of the outlet openings of the fuel lance.
- a flame tube which delimits a reaction zone transversely to the direction of flow.
- the exhaust gas can flow in an annular gap between a wall of the chamber and the flame tube to the jet pump and/or to an exhaust gas outlet.
- the flame tube is arranged directly adjacent to the mixing chamber.
- a length of the flame tube can be suitably selected by those skilled in the art depending on the fuel.
- an extended flame tube is chosen for an extended residence time to ensure burnout.
- a dwell time also influences the formation of nitrogen oxides, a short flame tube is provided in other configurations.
- the fuel lance includes an ignition device or a pilot burner.
- An outlet opening of the ignition device or the pilot burner is preferably offset with respect to the outlet openings of the fuel lance for normal operation.
- a method for supplying combustion air and recirculating exhaust gas for a burner with a combustion chamber is created, with combustion air by means of a plurality of propulsion nozzles arranged distributed around a central axis, with exhaust gases being drawn in from the combustion chamber, to a mixing chamber downstream of the propulsion nozzles, in the mixing chamber the combustion air emerging from the propulsion nozzles with the exhaust gases flowing out of the combustion chamber and sucked back by means of the propulsion nozzles to form a combustion air/exhaust gas mixture is mixed and the combustion air/exhaust gas mixture is fed to a reaction zone downstream of the mixing chamber.
- the propulsion nozzles and the mixing chamber form a jet pump, by means of which a combustion air/exhaust gas mixture with a defined EGR can be fed to the reaction zone depending on certain operating parameters.
- combustion air is selectively supplied to the reaction zone via a bypass channel, bypassing the driving nozzles.
- a proportion of the combustion air supplied via the bypass duct is preferably variable in order to carry out an adjustment as a function of specific operating parameters.
- an oxygen content of a mixture of the combustion air supplied via the bypass duct and the combustion air/exhaust gas mixture is monitored and a quantity of the combustion air supplied via the bypass duct is adjusted to maintain a defined oxygen content.
- another embodiment provides for a temperature of the recirculated exhaust gas to be recorded and for a quantity of the combustion air supplied via the bypass channel to be adjusted as a function of the recorded temperature.
- Figures 1 and 2 show a burner 1 with a combustion chamber 10 and with a device 2 for combustion air supply and exhaust gas recirculation in a sectional side view and in a sectional top view according to marking II-II in 1 .
- the burner 1 shown has a fuel feed 3 with a feed connector 30 , a fuel lance 31 running coaxially to a central axis A and outlet nozzles 32 .
- a flame holder 4 is provided upstream of the outlet nozzles 31 for stabilizing a flame front.
- the fuel supply 3 shown also includes an internal pilot burner or ignition device 34.
- the ignition device 34 is arranged in a pipe 35, which delimits a channel for the fuel supply in the fuel lance 31 of the fuel supply.
- the combustion chamber 10 is delimited by a flame tube 12 transversely to the direction of flow.
- the device 2 comprises a combustion air supply with a supply nozzle 20, several, in the illustrated embodiment, sixteen fluidically connected to the combustion air supply, arranged around the central axis A and distributed around the fuel lance 31 propulsion nozzles 21 and a mixing chamber 22 downstream of the propulsion nozzles 21.
- the propulsion nozzles 21 and the mixing chamber 22 form a jet pump.
- the combustion air supplied by means of the driving nozzles 21 serves as a driving medium, by which a pumping effect is generated, so that an exhaust gas flowing out of the combustion chamber 10 is sucked in via an intake opening 25 provided between the driving nozzles 21 and the mixing chamber 22 .
- the combustion air emerging from the driving nozzles 21 is mixed with the exhaust gases flowing out of the combustion chamber 10 and sucked back by means of the driving nozzles 21 to form a combustion air/exhaust gas mixture, and the combustion air/exhaust gas mixture is conveyed downstream of the mixing chamber 22 to a reaction zone in the combustion chamber 10 fed.
- the mixing chamber 22 of the device 2 shown has an annular cross-section and surrounds the fuel lance 31.
- the flame tube 12 connects to the mixing chamber 22.
- FIG. In the illustrated embodiment, the flame tube 12 and the mixing chamber 22 are realized by a common component. In other configurations, separate components are provided.
- the device 2 shown also has a bypass channel 23, by means of which combustion air can be fed to the reaction zone, bypassing the driving nozzles 21.
- the bypass channel 23 is designed as an annular channel running coaxially to the central axis A between the fuel lance 31 and the mixing chamber 22 .
- the bypass duct 23 ends downstream of the mixing chamber 22 and upstream of the flame holder 4.
- nozzle openings at an outlet end of the bypass duct 23 230 provided.
- a continuously or steplessly adjustable bypass valve 232 is provided in the bypass channel 23 .
- a probe 5 for an oxygen measurement is provided downstream of the mixing chamber 22 and in the illustrated embodiment downstream of the outlet end of the bypass channel 23 and upstream of the flame holder 4 and the outlet nozzles 32 of the fuel feed 3, a probe 5 for an oxygen measurement is provided downstream of the mixing chamber 22 and in the illustrated embodiment downstream of the outlet end of the bypass channel 23 and upstream of the flame holder 4 and the outlet nozzles 32 of the fuel feed 3, a probe 5 for an oxygen measurement is provided downstream of the mixing chamber 22 and in the illustrated embodiment downstream of the outlet end of the bypass channel 23 and upstream of the flame holder 4 and the outlet nozzles 32 of the fuel feed 3, a probe 5 for an oxygen measurement is provided downstream of the mixing chamber 22 and in the illustrated embodiment downstream of the outlet end of the bypass channel 23 and upstream of the flame holder 4 and the outlet nozzles 32 of the fuel feed 3, a probe 5 for an oxygen measurement is provided downstream of the mixing chamber 22 and in the illustrated embodiment downstream of the outlet end of the bypass channel 23 and upstream of the flame holder 4 and the outlet nozzles
- a sensor 6 is also provided for measuring the temperature of the recirculated exhaust gas.
- the measuring sensor 6 is arranged in the region of the suction opening 25 of the jet pump formed by the mixing chamber 22 and the driving nozzles 21 .
- An exhaust gas recirculation ratio of the combustion air/exhaust gas mixture conveyed by the jet pump depends on a cross-sectional ratio of the mixing chamber 22 and the driving nozzles 21 and on operating parameters such as a temperature of the recirculated exhaust gas.
- an exhaust gas recirculation ratio of 1 to 1.5 is required, depending on the temperature of the recirculated exhaust gas.
- a cross-sectional ratio of the mixing chamber 22 and the propulsion nozzles 21 is corresponding to the Those skilled in the art designed to be suitable for a temperature range of the recirculated exhaust gas. In the illustrated embodiment, the cross-sectional ratio is selected to be less than 20.
- the mixing chamber 22 shown has funnel-shaped inlet and outlet areas. A cross section of the mixing chamber 22 is determined in an intermediate section with a constant cross section.
- part of the combustion air can be supplied via the bypass channel 23 in the illustrated exemplary embodiment.
- An oxygen content can be detected using the probe 5 and can be regulated to a specific value using the bypass valve 232 .
- FIGS 3 and 4 show a burner 1 with a combustion chamber 10 and with a device 2 for combustion air supply and exhaust gas recirculation in a sectional side view and in a sectional top view according to marking II-II in 1 .
- the burner 1 according to Figures 3 and 4 is similar to the burner 1 according to the Figures 1 and 2 and uniform reference numbers are used for identical components. A detailed description of components already described is omitted.
- a continuously or steplessly adjustable valve 27 is provided in the intake opening 25 for the sucked-back exhaust gas. If it is necessary to reduce an exhaust gas recirculation ratio during operation to obtain flame stability, in the exemplary embodiment according to FIG Figures 3 and 4 a recirculation of exhaust gas by means of the valve 27 can be reduced.
- an oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture upstream of the outlet nozzles 32 of the fuel supply can be detected by means of the probe 5 and—in contrast to the exemplary embodiment according to FIGS Figures 1 and 2 - Adjustable to a specific value using the valve 27.
- an annular cavity remains between the fuel lance 31 of the fuel feed 3 and the mixing chamber 22, which cavity can be used, for example, for routing the cable of the probe 5.
- an inner diameter of the annular mixing chamber 22 is equal to an outer diameter of the channel 31, so that no cavity remains.
- FIG 5 shows burner 1 according to FIG 1 and a heating space 7 delimited by a housing 70.
- a double-walled housing 70 is provided.
- a coiled tubing 71 through which a medium to be heated is passed.
- the exhaust gas or combustion gas is routed through the double-walled housing 70 to an outlet 72 and in the process heats the medium routed in the coiled tubing.
- part of the exhaust gas is sucked in by the jet pump formed by the driving nozzles 21 and the mixing chamber 22 and is mixed with the combustion air.
- an extended flame tube 112 is provided for increased residence time to ensure burnout.
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) und ein Verfahren zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation für einen Brenner (1) mit einem Brennraum (10) sowie einen Brenner (1) mit einer Vorrichtung (2) zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation, wobei Verbrennungsluft mittels mehrerer um eine zentrale Achse (A) verteilt angeordneter Treibdüsen (21) unter Ansaugen von Abgasen aus dem Brennraum (10) einer den Treibdüsen (21) nachgeschalteten Mischkammer (22) zugeführt wird, in der Mischkammer (22) die aus den Treibdüsen (21) austretende Verbrennungsluft mit aus dem Brennraum (10) abströmenden und mittels der Treibdüsen (21) rückgesaugten Abgasen zu einem Verbrennungsluft-/Abgasgemisches vermischt wird und das Verbrennungsluft-/Abgasgemisch stromabwärts der Mischkammer (22) einer Reaktionszone zugeführt wird.The invention relates to a device (2) and a method for supplying combustion air and recirculating exhaust gas for a burner (1) with a combustion chamber (10) and a burner (1) with a device (2) for supplying combustion air and recirculating exhaust gas, with combustion air being recirculated by means of several distributed along the central axis (A) of propulsion nozzles (21) while sucking in exhaust gases from the combustion chamber (10) to a mixing chamber (22) downstream of the propulsion nozzles (21), the combustion air exiting from the propulsion nozzles (21) is in the mixing chamber (22). is mixed with exhaust gases flowing out of the combustion chamber (10) and sucked back by means of the driving nozzles (21) to form a combustion air/exhaust gas mixture and the combustion air/exhaust gas mixture is fed to a reaction zone downstream of the mixing chamber (22).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation für einen Brenner sowie einen Brenner mit einer Vorrichtung zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation.The invention relates to a device and a method for supplying combustion air and recirculating exhaust gas for a burner and a burner with a device for supplying combustion air and recirculating exhaust gas.
Wasserstoff, insbesondere sogenannter grüner Wasserstoff, welcher durch Wasserspaltung aus erneuerbaren Energien, wie Windenergie, Sonnenenergie oder Wasserkraft, oder aus Biomasse gewonnen wird, gewinnt als Energieträger zunehmend an Bedeutung, zunächst als Beimischung zum Erdgas und später als reines Gas. Obwohl Wasserstoff nahezu emissionsfrei verbrennt, sind Sauerstoff und Stickstoff Bestandteile der Verbrennungsluft, sodass sich Stickoxide auch beim Einsatz von Wasserstoff bilden können. Eine thermische Stickoxid-Bildung setzt bei hohen Temperaturen ein und steigt dann mit der Temperatur exponentiell an. Aufgrund einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs steigt die thermische Stickoxid-Bildung durch den Einsatz von Wasserstoff im Vergleich zum Einsatz von reinem Erdgas stark an. Beispielsweise entsteht bei Brennern ohne besondere Maßnahmen mit Erdgas (CH4) etwa 50 ppm und mit Wasserstoff über 100 ppm Stickoxid im Abgas.Hydrogen, in particular so-called green hydrogen, which is obtained by water splitting from renewable energies such as wind energy, solar energy or hydropower, or from biomass, is becoming increasingly important as an energy source, initially as an admixture to natural gas and later as a pure gas. Although hydrogen burns with almost no emissions, oxygen and nitrogen are components of the combustion air, meaning that nitrogen oxides can also form when hydrogen is used. Thermal nitrogen oxide formation starts at high temperatures and then increases exponentially with temperature. Due to the high reaction speed of the hydrogen, the thermal nitrogen oxide formation increases significantly when using hydrogen compared to using pure natural gas. For example, with burners without special measures, around 50 ppm nitrogen oxide is produced in the exhaust gas with natural gas (CH4) and with hydrogen more than 100 ppm.
Als wirksame Maßnahme gegen die thermische Stickoxid-Bildung im Abgas von Feuerungsanlagen ist eine Abgasrezirkulation oder Abgasrückführung bekannt, wobei durch Rückführung des Abgases ein Sauerstoffanteil reduziert und so eine Flammentemperatur gesenkt wird. Im Zusammenhang mit der Anmeldung wird ein Abgasrückführverhältnis (AGR) als das Verhältnis der Massenströme des rezirkulierten oder rückgeführten Abgases und der zugeführten Verbrennungsluft (mA/mL) definiert. Die Abgase werden auch als Verbrennungsabgase oder Verbrennungsgase bezeichnet.Exhaust gas recirculation or exhaust gas recirculation is known as an effective measure against the thermal formation of nitrogen oxides in the exhaust gas from furnaces, with the oxygen content being reduced by recirculating the exhaust gas and the flame temperature thus being lowered. In the context of the application, an exhaust gas recirculation ratio (EGR) is defined as the ratio of the mass flows of the recirculated or recirculated exhaust gas and the combustion air supplied (m A /m L ). The exhaust gases are also referred to as combustion exhaust gases or combustion gases.
Üblicherweise wird zwischen externer und interner Abgasrezirkulation unterschieden. Bei der externen Abgasrezirkulation wird Abgas aus dem Brennraum geführt und ein Abgasteilstrom im Abgastrakt beispielsweise in einem Kamin entnommen und der Verbrennungsluft oder dem Brennstoff vor oder beim Einströmen in einen Brennraum beigemischt. Dabei lässt sich ein AGR mittels geeigneter Steuerungen auf ein gewünschtes Verhältnis regeln. Ein wesentlicher Nachteil der externen Abgasrezirkulation ist eine Erhöhung der Abgasmenge, weshalb Flächen für eine Auskopplung der Wärme entsprechend vergrößert werden müssen.A distinction is usually made between external and internal exhaust gas recirculation. With external exhaust gas recirculation, exhaust gas is routed out of the combustion chamber and a partial exhaust gas flow is removed from the exhaust tract, for example in a chimney, and mixed with the combustion air or the fuel before or when it flows into a combustion chamber. EGR can be regulated to a desired ratio by means of suitable controls. A significant disadvantage of the external exhaust gas recirculation is an increase in the amount of exhaust gas, which is why areas for extracting the heat have to be increased accordingly.
Bei der internen Abgasrezirkulation wird mit dem Impuls der Verbrennungsluft in einem Brennraum vorhandenes Abgas oder Verbrennungsgas in die Reaktionszone zurückgeführt. Wenn eine Temperatur in dem Brennraum über einer Zündtemperatur des Brennstoffs liegt, kann das Abgasrückführverhältnis dabei beliebig gesteigert werden, da eine Flammenstabilität keine Rolle spielt.With internal flue gas recirculation, flue gas or combustion gas present in a combustion chamber is returned to the reaction zone with the impulse of the combustion air. If a temperature in the combustion chamber is above an ignition temperature of the fuel, the exhaust gas recirculation ratio can be increased at will since flame stability is irrelevant.
Beispielsweise ist aus
Wenn dagegen die Temperatur in dem Brennraum unter der Zündtemperatur liegt, muss das Abgasrückführverhältnis begrenzt werden, um ein Verlöschen der Flamme zu vermeiden.On the other hand, if the temperature in the combustion chamber is below the ignition temperature, the exhaust gas recirculation ratio must be limited in order to avoid the flame going out.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennungsluftzufuhr und internen Abgasrezirkulation für einen Brenner, insbesondere für Niedertemperaturprozesse, mit einem definierten Abgasrückführverhältnis zu schaffen.It is an object of the invention to create a device and a method for supplying combustion air and internal exhaust gas recirculation for a burner, in particular for low-temperature processes, with a defined exhaust gas recirculation ratio.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation für einen Brenner mit einem Brennraum geschaffen, wobei die Vorrichtung mehrere um eine zentrale Achse verteilt angeordnete, mit einer Verbrennungsluftzufuhr fluidisch verbundene Treibdüsen und eine den Treibdüsen nachgeschaltete Mischkammer umfasst, wobei die Treibdüsen und die Mischkammer eine Strahlpumpe bilden, und wobei in der Mischkammer aus den Treibdüsen austretende Verbrennungsluft mit aus dem Brennraum abströmenden und mittels der Treibdüsen rückgesaugten Abgasen zu einem Verbrennungsluft-/Abgasgemisches mischbar und das Verbrennungsluft-/Abgasgemisch stromabwärts der Mischkammer einer Reaktionszone zuführbar ist.According to a first aspect, a device for combustion air supply and exhaust gas recirculation for a burner with a combustion chamber is created, the device comprising a plurality of propulsion nozzles distributed around a central axis and fluidly connected to a combustion air supply and a mixing chamber downstream of the propulsion nozzles, the propulsion nozzles and the mixing chamber form a jet pump, and wherein in the mixing chamber, combustion air emerging from the propulsion nozzles can be mixed with exhaust gases flowing out of the combustion chamber and sucked back by means of the propulsion nozzles to form a combustion air/exhaust gas mixture and the combustion air/exhaust gas mixture can be fed to a reaction zone downstream of the mixing chamber.
Als Mischkammer wird ein gegenüber der Umgebung abgegrenzter Raum mit einem definierten Querschnitt bezeichnet, welcher zwischen den Treibdüsen und der Reaktionszone des Brennraums vorgesehen ist. Der Querschnitt der Mischkammer ist je nach Anwendungsfall durch den Fachmann geeignet wählbar. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist der Querschnitt in Strömungsrichtung konstant, wobei in einer Ausgestaltung in einem Einlass- und/oder einem Auslassbereich ein konvergierender bzw. divergierender Querschnitt für ein verbessertes Ein- bzw. Ausströmen vorgesehen ist.A space which is delimited from the environment and has a defined cross-section, which is provided between the propulsion nozzles and the reaction zone of the combustion chamber, is referred to as the mixing chamber. The cross section of the mixing chamber can be suitably selected by a person skilled in the art depending on the application. In advantageous configurations, the cross section is Flow direction constant, in one embodiment in an inlet and / or an outlet a converging or diverging cross-section for improved inflow or outflow is provided.
Die verteilt angeordneten Treibdüsen und die Mischkammer bilden eine Strahlpumpe, wobei das Abgasrückführverhältnis des durch die Strahlpumpe geförderten Verbrennungsluft-/Abgasgemisches von einem Querschnittsverhältnis der Mischkammer und der Treibdüsen sowie von Betriebsparametern, wie einer Temperatur des rezirkulierten Abgases, abhängt. Das Abgasrückführverhältnis kann so durch geeignete Auslegung der Mischkammer und der Treibdüsen von einem Fachmann im Vorfeld geeignet, beispielsweise bis an eine Grenze der Flammenstabilität, für bestimmte Betriebsparameter festgelegt werden. In anderen Worten ist der Querschnitt der Mischkammer auf einen Austrittsquerschnitt der Treibdüsen und eine Anzahl der Treibdüsen abgestimmt.The distributed motive nozzles and the mixing chamber form a jet pump, with the exhaust gas recirculation ratio of the combustion air/exhaust gas mixture conveyed by the jet pump depending on a cross-sectional ratio of the mixing chamber and the motive nozzles and on operating parameters such as a temperature of the recirculated exhaust gas. The exhaust gas recirculation ratio can thus be specified in advance by a person skilled in the art by suitably designing the mixing chamber and the propulsion nozzles, for example up to a limit of flame stability, for specific operating parameters. In other words, the cross section of the mixing chamber is matched to an outlet cross section of the propulsion nozzles and a number of propulsion nozzles.
Ein den Treibdüsen zugewandtes Ende der Mischkammer ist in einer Ausgestaltung in Strömungsrichtung zumindest abschnittsweise beabstandet zu einer Wandung, an welcher die Treibdüsen angeordnet sind, sodass ein umlaufender oder unterbrochener Spalt geschaffen wird, welcher als Ansaugöffnung der Strahlpumpe wirkt, über welche ein Abgas rückgesaugt und in die Mischkammer gefördert werden kann. In einer anderen Ausgestaltung ist stromaufwärts der Mischkammer eine Ansaugkammer mit einer Öffnung zum Ansaugen von Abgas vorgesehen. Ein dem Brennraum zugewandtes Ende der Mischkammer ist im Gebrauch stromaufwärts einer Auslassöffnung einer Brennstoffzufuhr angeordnet, wobei ein Abstand je nach Anwendungsfall durch den Fachmann geeignet wählbar ist.In one configuration, an end of the mixing chamber facing the propulsion nozzles is at least partially spaced in the direction of flow from a wall on which the propulsion nozzles are arranged, so that a circumferential or interrupted gap is created, which acts as a suction opening of the jet pump, through which an exhaust gas is sucked back and in the mixing chamber can be conveyed. In another embodiment, an intake chamber with an opening for intake of exhaust gas is provided upstream of the mixing chamber. In use, an end of the mixing chamber facing the combustion chamber is arranged upstream of an outlet opening of a fuel supply, with a distance being suitably selectable by a person skilled in the art depending on the application.
Die Verbrennungsluft und das Abgas werden ähnlich einer externen Abgasrezirkulation vor einer Vermischung mit dem Brennstoff miteinander in einem ggf. von Betriebsparametern abhängigen, definierten Abgasrückführverhältnis vermischt, ohne dass hierfür wie bei einer externen Abgasrezirkulation eine Abgasmenge in einem Abgastrakt erhöht werden muss.Similar to an external exhaust gas recirculation, the combustion air and the exhaust gas are mixed with one another before being mixed with the fuel in a defined exhaust gas recirculation ratio that may be dependent on operating parameters, without the amount of exhaust gas in an exhaust tract having to be increased for this purpose, as is the case with external exhaust gas recirculation.
Durch die Abgasrezirkulation wird die Flammentemperatur abgesenkt. Die Bildungsrate für Stickoxid liegt bei Flammentemperaturen üblicher Brennstoffe von ca. 2000 °C bei etwa 104 ppm/s und sinkt bei 1500° C auf ungefähr 10 ppm/s ab. Bei niedrigen Flammentemperaturen und Verweilzeiten im Bereich von Zehntelsekunden sind so einstellige Stickoxidwerte im Abgas erziel bar.The flame temperature is lowered by the flue gas recirculation. The nitrogen oxide formation rate is around 10 4 ppm/s at flame temperatures of around 2000 °C for conventional fuels and drops to around 10 ppm/s at 1500 °C. At low flame temperatures and residence times in the range of tenths of a second, single-digit nitrogen oxide values in the exhaust gas can be achieved.
Die um eine zentrale Achse verteilte Anordnung der Treibdüsen wird im Zusammenhang mit der Anmeldung auch als kranzförmige Anordnung bezeichnet. Die Treibdüsen sind in einer Ausgestaltung parallel angeordnet. In anderen Ausgestaltungen sind Achsen der Treibdüsen gegenüber der zentralen Achse geneigt. Durch die Gestaltung der Strahlpumpe mit mehreren, um eine zentrale Achse verteilt angeordneten Treibdüsen und einer diesen Treibdüsen nachgeschalteten Mischkammer wird eine kleinbauende Strahlpumpe geschaffen, die in bestehende Brenner mit üblichen Abmessungen integriert werden kann. Die Vorrichtung ist daher auch zur Nachrüstung bestehender Anlagen geeignet.The arrangement of the propulsion nozzles distributed around a central axis is also referred to as a ring-shaped arrangement in connection with the application. In one embodiment, the propulsion nozzles are arranged in parallel. In other configurations, axes of the propulsion nozzles are inclined with respect to the central axis. The design of the jet pump with a plurality of propulsion nozzles distributed around a central axis and a mixing chamber downstream of these propulsion nozzles creates a small-sized jet pump which can be integrated into existing burners of the usual dimensions. The device is therefore also suitable for retrofitting existing systems.
Die Vorrichtung mit einer durch die Mischkammer und die Treibdüsen gebildeten Strahlpumpe eignet sich sowohl für Brenner in einem Leistungsbereich mit einigen kW als auch für Brenner mit einem MW-Leistungsbereich.The device with a jet pump formed by the mixing chamber and the driving nozzles is suitable both for burners in a power range with a few kW and for burners with a MW power range.
In einer Ausgestaltung ist eine Mischkammer mit einem ringförmigen Querschnitt vorgesehen. Ein Innendurchmesser der Mischkammer ist dabei derart gewählt, dass die Mischkammer im Gebrauch um eine koaxial zu der zentralen Achse vorgesehenen Brennstofflanze angeordnet werden kann.In one embodiment, a mixing chamber with an annular cross section is provided. An inner diameter of the mixing chamber is selected in such a way that the mixing chamber can be arranged around a fuel lance provided coaxially to the central axis during use.
Die Anzahl der Treibdüsen ist je nach Anwendungsfall und Größe des Brenners durch den Fachmann geeignet festlegbar. In einer Ausgestaltung sind acht oder mehr um die zentrale Achse gleichmäßig verteilt angeordnete Treibdüsen vorgesehen. Dadurch wird eine gute Saugwirkung insbesondere für eine Mischkammer mit einer Zufuhröffnung in Form eines Ringspalts geschaffen.Depending on the application and size of the burner, the number of driving nozzles can be suitably determined by a person skilled in the art. In one embodiment, eight or more propulsion nozzles are provided, distributed uniformly around the central axis. This creates a good suction effect, in particular for a mixing chamber with a feed opening in the form of an annular gap.
Ein Querschnittsverhältnis der Mischkammer und der Treibdüsen der Strahlpumpe wird ausgelegt, um ein bestimmtes Abgasrückführverhältnis AGR zu erzielen, wobei als Querschnitt der Treibdüsen ein resultierender Querschnitt sämtlicher Treibdüsen bezeichnet wird. In einer Ausgestaltung ist das Querschnittsverhältnis der Mischkammer und der Treibdüsen kleiner oder gleich 20.A cross-sectional ratio of the mixing chamber and the driving nozzles of the jet pump is designed in order to achieve a specific exhaust gas recirculation ratio AGR, a resulting cross-section of all driving nozzles being referred to as the cross-section of the driving nozzles. In one embodiment, the aspect ratio of the mixing chamber and the propulsion nozzles is less than or equal to 20.
Wie oben erwähnt, ist ein für die Schadstoffvermeidung optimales Abgasrückführverhältnis AGR auch von Betriebsparametern abhängig. Beispielsweise ist je nach der Temperatur des rezirkulierten Abgases ein Abgasrückführverhältnis AGR von 1 bis 1,5 mit einem Sauerstoffgehalt des Verbrennungsluft-/Abgasgemischs zwischen ca. 10 % und ca. 12 % erforderlich, um die Flammentemperatur auf 1500°C abzusenken.As mentioned above, an exhaust gas recirculation ratio EGR that is optimal for avoiding pollutants also depends on operating parameters. For example, depending on the temperature of the recirculated exhaust gas, an exhaust gas recirculation ratio EGR of 1 to 1.5 with an oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture of between approx. 10% and approx. 12% is required in order to lower the flame temperature to 1500°C.
In einer Ausgestaltung ist daher ein Bypasskanal vorgesehen, mittels welchem Verbrennungsluft unter Umgehung der Treibdüsen der Reaktionszone zuführbar ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, das AGR für eine Flammenstabilität zu reduzieren, indem ein Teil der Verbrennungsluft über den Bypasskanal an den Treibdüsen vorbeigeführt wird. Der Bypasskanal ist in einer Ausgestaltung als Ringspaltkanal gestaltet, welcher im Gebrauch um eine Brennstofflanze angeordnet ist und abschnittsweise zwischen der Mischkammer und der Brennstofflanze verläuft. An einem Auslassende des Bypasskanals sind in einer Ausgestaltung Düsenöffnungen vorgesehen, um eine schnelle und vollständige Vermischung der über den Bypasskanal zugeführten Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsluft-/Abgasgemisch der Strahlpumpe zu erreichen.In one embodiment, therefore, a bypass channel is provided, by means of which combustion air can be fed to the reaction zone, bypassing the driving nozzles. This makes it possible, for example, to reduce the EGR for flame stability by directing part of the combustion air past the propellant nozzles via the bypass channel. In one embodiment, the bypass channel is designed as an annular gap channel, which is arranged around a fuel lance during use and runs in sections between the mixing chamber and the fuel lance. In one embodiment, nozzle openings are provided at an outlet end of the bypass duct in order to achieve rapid and complete mixing of the combustion air supplied via the bypass duct with the combustion air/exhaust gas mixture of the jet pump.
In dem Bypasskanal ist in einer Ausgestaltung ein verstellbares Bypassventil vorgesehen. Das Bypassventil ist in einer Ausgestaltung lediglich zwischen einer Offen- und einer Schließstellung verstellbar. In anderen Ausgestaltungen ist ein kontinuierlich oder stufenlos verstellbares Bypassventil vorgesehen. Ein Verstellen des Bypassventils erfolgt in Ausgestaltungen mittels einer steuer- oder regelbaren Stelleinrichtung, wobei je nach Ausgestaltung mittels Regel- oder Steuereingriffen das Bypassventil geöffnet oder geschlossen oder ein Durchlass variiert wird. Mittels des Bypassventils kann für einen Flammenstabilität durch eine variable Zufuhr zusätzlicher Verbrennungsluft ein Sauerstoffgehalt des Verbrennungsluft-/Abgasgemischs für die Verbrennung verändert und, insbesondere innerhalb eines definierten Bereichs gehalten werden.In one embodiment, an adjustable bypass valve is provided in the bypass channel. In one embodiment, the bypass valve can only be adjusted between an open position and a closed position. In other configurations, a continuously or steplessly adjustable bypass valve is provided. In configurations, the bypass valve is adjusted by means of a controllable or regulatable actuating device, with the bypass valve being opened or closed or a passage being varied, depending on the configuration, by means of regulating or control interventions. By means of the bypass valve, an oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture for the combustion can be changed and, in particular, kept within a defined range for flame stability by a variable supply of additional combustion air.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Bypasskanal ist in einer Ausgestaltung in einer Ansaugöffnung für das rückgesaugte Abgas ein verstellbares Ventil vorgesehen, wobei vorzugsweise das Ventil kontinuierlich oder stufenlos verstellbar ist. Mittels des Ventils in der Ansaugöffnung für das rückgesaugte Abgas kann für einen Flammenstabilität durch eine variable Zufuhr an Abgas ein Sauerstoffgehalt des Verbrennungsluft-/Abgasgemischs für die Verbrennung verändert und, insbesondere innerhalb eines definierten Bereichs gehalten werden.As an alternative or in addition to a bypass channel, an adjustable valve is provided in one embodiment in an intake opening for the back-sucked exhaust gas, with the valve preferably being adjustable continuously or steplessly. By means of the valve in the intake opening for the sucked-back exhaust gas, an oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture for the combustion can be changed and, in particular, kept within a defined range for flame stability through a variable supply of exhaust gas.
In einer Ausgestaltung ist eine Sonde für eine Sauerstoffmessung vorgesehen. Die Sonde ist vorzugsweise stromaufwärts von Auslassöffnungen einer Brennstoffzufuhr und damit stromaufwärts einer Flamme vorgesehen. Dabei kann der mit der Sonde bestimmte Sauerstoffgehalt der Mischung aus dem mittels der Strahlpumpe zugeführten Verbrennungsluft-/Abgasgemisch und ggf. der über den Bypasskanal zugeführten Verbrennungsluft bestimmt und durch Regel- oder Steuereingriffe an dem Bypassventil und/oder an dem Ventil in der Ansaugöffnung für das rückgesaugte Abgas variiert werden.In one embodiment, a probe is provided for an oxygen measurement. The probe is preferably provided upstream of outlet openings of a fuel supply and thus upstream of a flame. The oxygen content of the mixture, determined with the probe, can be determined and can be varied by regulating or controlling interventions on the bypass valve and/or on the valve in the intake opening for the recirculated exhaust gas.
Alternativ oder zusätzlich ist in einer Ausgestaltung ein Messfühler für eine Temperaturmessung des rezirkulierten Abgases vorgesehen. Dabei kann ein für eine Temperatur des Abgases optimiertes Abgasrückführverhältnis ermittelt und durch Regel- oder Steuereingriffe an dem Bypassventil und/oder an dem Ventil in der Ansaugöffnung, vorzugsweise unter Messung des Sauerstoffgehalts, eingestellt werden.Alternatively or additionally, a sensor for measuring the temperature of the recirculated exhaust gas is provided in one embodiment. An exhaust gas recirculation ratio optimized for a temperature of the exhaust gas can be determined and set by regulating or controlling interventions on the bypass valve and/or on the valve in the intake opening, preferably by measuring the oxygen content.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Brenner geschaffen, umfassend eine Vorrichtung zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation mit einer Strahlpumpe, wobei die Strahlpumpe eine vorzugsweise ringspaltförmige Mischkammer und mehrere, kranzförmig um eine zentrale Achse angeordnete Treibdüsen aufweist, und eine koaxial zu der zentralen Achse angeordnete Brennstofflanze mit Austrittsöffnungen. Die Austrittsöffnungen sind stromabwärts einer Auslassöffnung der Mischkammer angeordnet, wobei ein Abstand durch den Fachmann geeignet wählbar ist. Zur Verbesserung einer Flammenstabilität ist in einer Ausgestaltung eine Stauscheibe stromaufwärts der Austrittsöffnungen der Brennstofflanze vorgesehen. Der so geschaffene Brenner kann in eine herkömmliche Kammer eingebaut werden.According to a second aspect, a burner is created, comprising a device for combustion air supply and exhaust gas recirculation with a jet pump, wherein the jet pump has a preferably annular gap-shaped mixing chamber and several propulsion nozzles arranged in a ring around a central axis, and a fuel lance arranged coaxially to the central axis with outlet openings . The outlet openings are arranged downstream of an outlet opening of the mixing chamber, with a distance being suitably selectable by the person skilled in the art. To improve flame stability, in one embodiment, a baffle plate is provided upstream of the outlet openings of the fuel lance. The burner thus created can be installed in a conventional chamber.
In einer Ausgestaltung ist ein Flammenrohr vorgesehen, welches eine Reaktionszone quer zur Strömungsrichtung begrenzt. Das Abgas kann dabei in einem Ringspalt zwischen einer Wandung der Kammer und dem Flammenrohr zu der Strahlpumpe und/oder zu einem Abgasauslass strömen. Das Flammenrohr ist in einer Ausgestaltung unmittelbar angrenzend an die Mischkammer angeordnet. Eine Länge des Flammenrohrs kann durch den Fachmann je nach Brennstoff geeignet gewählt werden. In einer Ausgestaltung ist für einen Betrieb mit Brennstoffen mit einer niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit, wie beispielsweise Erdgas, ein verlängertes Flammenrohr für eine verlängerte Verweilzeit gewählt, um einen Ausbrand sicherzustellen. Da eine Verweilzeit jedoch auch Einfluss auf eine Stickoxid-Bildung hat, wird in anderen Ausgestaltungen ein kurzes Flammenrohr vorgesehen.In one embodiment, a flame tube is provided which delimits a reaction zone transversely to the direction of flow. The exhaust gas can flow in an annular gap between a wall of the chamber and the flame tube to the jet pump and/or to an exhaust gas outlet. In one embodiment, the flame tube is arranged directly adjacent to the mixing chamber. A length of the flame tube can be suitably selected by those skilled in the art depending on the fuel. In one embodiment, for operation with fuels with a low reaction rate, such as natural gas, an extended flame tube is chosen for an extended residence time to ensure burnout. However, since a dwell time also influences the formation of nitrogen oxides, a short flame tube is provided in other configurations.
In einer Ausgestaltung umfasst die Brennstofflanze eine Zündeinrichtung oder einen Pilotbrenner. Eine Austrittsöffnung der Zündeinrichtung oder des Pilotbrenners ist vorzugsweise bezüglich der Austrittsöffnungen der Brennstofflanze für einen Normalbetrieb versetzt.In one embodiment, the fuel lance includes an ignition device or a pilot burner. An outlet opening of the ignition device or the pilot burner is preferably offset with respect to the outlet openings of the fuel lance for normal operation.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation für einen Brenner mit einem Brennraum geschaffen, wobei Verbrennungsluft mittels mehrerer um eine zentrale Achse verteilt angeordneter Treibdüsen unter Ansaugen von Abgasen aus dem Brennraum einer den Treibdüsen nachgeschalteten Mischkammer zugeführt wird, in der Mischkammer die aus den Treibdüsen austretende Verbrennungsluft mit aus dem Brennraum abströmenden und mittels der Treibdüsen rückgesaugten Abgasen zu einem Verbrennungsluft-/Abgasgemisches vermischt wird und das Verbrennungsluft-/Abgasgemisch stromabwärts der Mischkammer einer Reaktionszone zugeführt wird.According to a third aspect, a method for supplying combustion air and recirculating exhaust gas for a burner with a combustion chamber is created, with combustion air by means of a plurality of propulsion nozzles arranged distributed around a central axis, with exhaust gases being drawn in from the combustion chamber, to a mixing chamber downstream of the propulsion nozzles, in the mixing chamber the combustion air emerging from the propulsion nozzles with the exhaust gases flowing out of the combustion chamber and sucked back by means of the propulsion nozzles to form a combustion air/exhaust gas mixture is mixed and the combustion air/exhaust gas mixture is fed to a reaction zone downstream of the mixing chamber.
Die Treibdüsen und die Mischkammer bilden eine Strahlpumpe, mittels welcher in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter ein Verbrennungsluft-/Abgasgemisch mit einem definierten AGR der Reaktionszone zuführbar ist.The propulsion nozzles and the mixing chamber form a jet pump, by means of which a combustion air/exhaust gas mixture with a defined EGR can be fed to the reaction zone depending on certain operating parameters.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wahlweise Verbrennungsluft über einem Bypasskanal unter Umgehung der Treibdüsen der Reaktionszone zugeführt wird. Ein Anteil der über den Bypasskanal zugeführten Verbrennungsluft ist dabei vorzugsweise variabel, um in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter eine Anpassung vorzunehmen.In one embodiment, it is provided that combustion air is selectively supplied to the reaction zone via a bypass channel, bypassing the driving nozzles. A proportion of the combustion air supplied via the bypass duct is preferably variable in order to carry out an adjustment as a function of specific operating parameters.
Zu diesem Zweck wird in einer Ausgestaltung ein Sauerstoffgehalt einer Mischung aus der über den Bypasskanal zugeführten Verbrennungsluft und dem Verbrennungsluft-/Abgasgemisch überwacht und eine Menge der über den Bypasskanal zugeführten Verbrennungsluft zur Einhaltung eines definierten Sauerstoffgehalts angepasst.For this purpose, in one embodiment, an oxygen content of a mixture of the combustion air supplied via the bypass duct and the combustion air/exhaust gas mixture is monitored and a quantity of the combustion air supplied via the bypass duct is adjusted to maintain a defined oxygen content.
Alternativ oder zusätzlich ist in einer anderen Ausgestaltung vorgesehen, dass eine Temperatur des rezirkulierten Abgases erfasst und eine Menge der über den Bypasskanal zugeführten Verbrennungsluft in Abhängigkeit der erfassten Temperatur angepasst wird.Alternatively or additionally, another embodiment provides for a temperature of the recirculated exhaust gas to be recorded and for a quantity of the combustion air supplied via the bypass channel to be adjusted as a function of the recorded temperature.
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgenden anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
- Fig. 1:
- eine geschnittene Seitenansicht eines Brenners mit einer Vorrichtung zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation;
- Fig. 2:
- den Brenner gemäß
Fig. 1 in einer geschnittenen Draufsicht gemäß einer Markierung II-II inFig. 1 ; - Fig. 3:
- eine geschnittene Seitenansicht eines Brenners ähnlich
Fig. 1 mit einer Vorrichtung zur Verbrennungsluftzufuhr und Abgasrezirkulation; - Fig. 4:
- den Brenner gemäß
Fig. 3 in einer geschnittenen Draufsicht gemäß einer Markierung IV-IV inFig. 3 ; - Fig. 5:
- einen Brenner ähnlich
Fig. 1 in einer geschnittenen Seitenansicht mit einer Kammer.
- Figure 1:
- a sectional side view of a burner with a device for combustion air supply and exhaust gas recirculation;
- Figure 2:
- according to the
burner 1 in a sectional plan view according to a marking II-II in1 ; - Figure 3:
- a sectional side view of a burner similar
1 with a device for combustion air supply and exhaust gas recirculation; - Figure 4:
- according to the
burner 3 in a sectional plan view according to a marking IV-IV in3 ; - Figure 5:
- similar to a
burner 1 in a sectional side view with a chamber.
Der dargestellte Brenner 1 weist eine Brennstoffzufuhr 3 mit einem Zufuhrstutzen 30, einer koaxial zu einer zentralen Achse A verlaufenden Brennstofflanze 31 und Auslassdüsen 32 auf. Stromaufwärts der Auslassdüsen 31 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Flammenhalter 4 für eine Stabilisierung einer Flammenfront vorgesehen. Die dargestellte Brennstoffzufuhr 3 umfasst weiter einen innenliegenden Pilotbrenner oder Zündeinrichtung 34. Die Zündeinrichtung 34 ist dabei in einem Rohr 35 angeordnet, welcher einen Kanal für die Brennstoffzufuhr in der Brennstofflanze 31 der Brennstoffzufuhr begrenzt. Der Brennraum 10 ist quer zur Strömungsrichtung durch ein Flammenrohr 12 begrenzt.The
Die Vorrichtung 2 umfasst eine Verbrennungsluftzufuhr mit einem Zufuhrstutzen 20, mehrere, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sechzehn mit der Verbrennungsluftzufuhr fluidisch verbundene, um die zentrale Achse A und um die Brennstofflanze 31 verteilt angeordnete Treibdüsen 21 und eine den Treibdüsen 21 nachgeschaltete Mischkammer 22. Die Treibdüsen 21 und die Mischkammer 22 bilden eine Strahlpumpe. Dabei dient die mittels der Treibdüsen 21 zugeführte Verbrennungsluft als Treibmedium, durch welche eine Pumpwirkung erzeugt wird, sodass über eine zwischen den Treibdüsen 21 und der Mischkammer 22 vorgesehene Ansaugöffnung 25 ein aus dem Brennraum 10 abströmendes Abgas angesaugt wird. In der Mischkammer 22 wird die aus den Treibdüsen 21 austretende Verbrennungsluft mit den aus dem Brennraum 10 abströmenden und mittels der Treibdüsen 21 rückgesaugten Abgasen zu einem Verbrennungsluft-/Abgasgemisches vermischt und das Verbrennungsluft-/Abgasgemisch wird stromabwärts der Mischkammer 22 einer Reaktionszone in dem Brennraum 10 zugeführt. Die Mischkammer 22 der dargestellten Vorrichtung 2 weist einen ringförmigen Querschnitt auf und umgibt die Brennstofflanze 31. An die Mischkammer 22 schließt das Flammenrohr 12 an. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Flammenrohr 12 und die Mischkammer 22 durch ein gemeinsames Bauteil realisiert. In anderen Ausgestaltungen sind separate Bauteile vorgesehen.The
Die in den
Stromabwärts der Mischkammer 22 und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel stromabwärts des Auslassende des Bypasskanals 23 sowie stromaufwärts des Flammenhalters 4 und der Auslassdüsen 32 der Brennstoffzufuhr 3 ist eine Sonde 5 für eine Sauerstoffmessung vorgesehen.Downstream of the mixing
Weiter ist ein Messfühler 6 für eine Temperaturmessung des rezirkulierten Abgases vorgesehen. Der Messfühler 6 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich der Ansaugöffnung 25 der durch die Mischkammer 22 und die Treibdüsen 21 gebildeten Strahlpumpe angeordnet.A
Ein Abgasrückführverhältnis des durch die Strahlpumpe geförderten Verbrennungsluft-/Abgasgemisches hängt von einem Querschnittsverhältnis der Mischkammer 22 und der Treibdüsen 21 sowie von Betriebsparametern, wie einer Temperatur des rezirkulierten Abgases, ab.An exhaust gas recirculation ratio of the combustion air/exhaust gas mixture conveyed by the jet pump depends on a cross-sectional ratio of the mixing
Um eine Flammentemperatur auf 1500°C abzusenken, ist je nach Temperatur des rückgeführten Abgases ein Abgasrückführverhältnis von 1 bis 1,5 erforderlich. Ein Querschnittsverhältnis der Mischkammer 22 und der Treibdüsen 21 ist entsprechend durch den Fachmann geeignet für einen Temperaturbereich des rückgeführten Abgases ausgelegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Querschnittsverhältnis kleiner 20 gewählt. Die dargestellte Mischkammer 22 weist trichterförmige Zu- und Auslaufbereiche auf. Ein Querschnitt der Mischkammer 22 wird dabei in einem dazwischenliegenden Abschnitt mit konstantem Querschnitt bestimmt.In order to reduce a flame temperature to 1500°C, an exhaust gas recirculation ratio of 1 to 1.5 is required, depending on the temperature of the recirculated exhaust gas. A cross-sectional ratio of the mixing
Sofern es im Betrieb zum Erhalt einer Flammenstabilität, beispielsweise aufgrund Abweichungen der Temperatur des rückgeführten Abgases, notwendig ist, ein Abgasrückführverhältnis zu reduzieren, kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Teil der Verbrennungsluft über den Bypasskanal 23 zugeführt werden. Mittels der Sonde 5 ist ein Sauerstoffgehalt erfassbar und mithilfe des Bypassventil 232 auf einen bestimmten Wert regelbar.If it is necessary to reduce an exhaust gas recirculation ratio during operation to maintain flame stability, for example due to deviations in the temperature of the recirculated exhaust gas, part of the combustion air can be supplied via the
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispiel gemäß den
Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß den
Claims (15)
Priority Applications (5)
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