DE19704721B4

DE19704721B4 - Verfahren und Brennkopf zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen

Info

Publication number: DE19704721B4
Application number: DE19704721A
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Freund; Thomas Schmidt; Jürgen Stittrich
Original assignee: E C B GmbH
Current assignee: Elco Burners GmbH
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: NO311855B1; NO980247D0; EP0857915A3; NO980247L; EP0857915A2; DE59707408D1; EP0857915B1; ATE218687T1; DE19704721A1

Abstract

Verfahren zum Verbrennen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen mit einem in den Brennraum (17) eines Kessels ragenden Brennkopf eines Brenners, dessen Flammrohr (3) darin angeordnet wenigstens eine Zerstäuberdüse (1) für die Zufuhr von flüssigem Brennstoff und/oder wenigstens eine Gasdüse (2) für die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas (14) aus der Verbrennung in dem Brennraum (17) mit in den Brennraum (17) eintretendem, noch nicht entzündeten Brennstoff in einer Vermischungszone (16) vermischt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennkopf, der an Brennern für Gas und/oder Ölfeuerungsanlagen verwendet werden kann sowie ein Verfahren zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in den genannten Anlagen.
Die Immission von Verbrennungsgasen aus Gas und Ölfeuerungsanlagen verursacht erhebliche Umweltbelastungen durch bei der Verbrennung entstehende Schadstoffe. Die Bildung einiger Schadstoffe kann durch Primärmaßnahmen an der Feuerführung bzw. am Brenner beeinflusst und wirksam reduziert werden. Bei der Reduzierung der Umweltbelastungen kommt der Zuführung der Verbrennungsluft, der des Einsatzes des Brennstoffes sowie der Mischung mit rückgeführten Abgasen große Bedeutung zu.

DE 42 37 086 A1 offenbart einen Brenner für fließfähige Brennstoffe, bei dem zur Rezirkulation Gase aus der unmittelbaren Umgebung des Brennrohrs, aus dem Feuerraum des Heizkessels verwendet werden. Rezirkulierendes Gas wird über im Brennrohr selbst und in einem im Brennrohr vorgesehenen Lufttrichter angeordneten Bohrungen einer Mischzone des Brennrohrs zugeführt. Die Mischzone befindet sich, in Richtung stromabwärts gesehen, im ersten Viertel des Brennrohrs. Die Verbrennung von Brennstoff erfolgt innerhalb des Brennrohrs.

DE 39 23 238 C2 offenbart einen Brennerkopf mit einer im Brennerrohr angeordneten Stauscheibe, mit der in herkömmlicher Weise eine Flammenform innerhalb des Brennerrohrs erzeugt wird. Innerhalb der Verbrennungskammer erzeugtes Abgas wird außen am Brennerrohr zurückgeführt und mit sekundär zugeführter Verbrennungsluft vermischt.

DE 43 24 298 A1 offenbart einen Brennerkopf mit einer im Brennerrohr angeordneten Stauscheibe und stromabwärts der Stauscheibe sich vom Brennerrohr nach innen erstreckenden und das Brennerrohr durchbrechenden Leiteinrichtungen. Eine Flammenfront wird innerhalb des Brennerrohrs erzeugt.

DE 39 36 461 A1 offenbart einen Ölbrenner, bei dem über Öffnungen durch ein Brennerrohr hindurch Abgas aus dem Brennraum in das Brennrohr gesaugt werden, wo das Abgas auf die im Brennerrohr erzeugte Flamme trifft.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens sowie eines Brennkopfes, welches die NOx-Bildung bei der Verbrennung erheblich verringert sowie eine Verbrennung des Brennstoffes bei möglichst niedriger Flammentemperatur sowie geringem Energieeinsatz möglich macht.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren und den Brennkopf gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Erfindungsgemäß wird die Ausbildung einer Flammenfront nicht unmittelbar am Brennkopf, wie bei konventionellen Brennern üblich, sondern in einem gewissen Abstand vor dem Brennkopf erzeugt. Des weiteren wird vorteilhaft eine Herabsetzung der Flammentemperatur bewirkt und somit die NOx-Bildung stark vermindert. Insbesondere bei dem Verbrennen von flüssigen Brennstoffen kommt es zu einer vergrößerten Einmischfläche von Abgasen in den Ölnebel sowie zu einer verstärkten Vorverdampfung des Ölnebels.

Mit diesem Brennkopf wird es möglich, in dem Brennkopf eine Drallströmung zu erzeugen sowie in den Brennkopf Abgas zurückzuführen, so dass eine bessere Vermischung von Luft, Brennstoff und Abgas möglich wird. Des weiteren wird es möglich, eine stabile Flammenfront vor dem Brennkopf zu erzeugen. Der Abstand zwischen Flammenfront und Brenner ist gekennzeichnet durch eine Mischzone aus Abgasen, Verbrennungsluft und Brennstoffen, die wesentlich geringere Temperaturen aufweist als die brennende Flamme. Mittels dieses Brennkopfes kann der NOx-Gehalt der Abgase aus mit diesem Brennkopf ausgerüsteten Gas-, Heizöl- oder Mehrstofffeuerungen, und somit die Umweitbelastung, gesenkt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist ein Drallkörper vorgesehen, der axial verschiebbar sein kann. Damit wird eine Optimierung der Drallströmung erreicht.

Eine bevorzugte Ausführung ist auch die Anordnung von Durchlässen in dem Drallkörper, durch die die Luft axial zugeführt werden kann, die den Abstand der Flammenfront vom Brennkopf positiv beeinflusst.

An dem Flammrohr sind bevorzugt die Leiteinrichtungen in dreieckiger Form ausgebildet und in Richtung der vor dem Brennraum befindlichen Mischzone ausgerichtet. Diese Form von Leiteinrichtungen führt zu einer wirkungsvollen und effektiven Ausbildung von Wirbelzöpfen, die die Durchmischung der Abgase, Verbrennungsluft und des Brennstoffes fördern. Als besonders effektiver Winkel zwischen den Leiteinrichtungen und dem Flammrohr hat sich ein Winkel zwischen 30 und 40 Grad ergeben.

Bei der Verwendung von Gasdüsen, welche im Flammrohr angeordnet sind, hat es sich als für die Vermischung ebenfalls positiv herausgestellt, dass die Gasdüsenöffnungen zu der Wandung des Flammrohrs ausgerichtet ist.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der beiden Zeichnungen erläutert. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Brennkopf, 2 die schematische Ausbildung einer Flamme durch den erfindungsgemäßen Brennkopf hervorgerufen.
In 1 ist ein Brennkopf zur Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen dargestellt. Der Brennkopf ist an Brennern der unterschiedlichsten Bauart einsetzbar. Ein derartiger Brenner kann beispielsweise Bestandteil von Feuerungsanlagen für Warmwasserkessel, Dampferzeuger, Thermalölerhitzer, Heisgaserzeuger oder anderer Wärmeerzeuger sein. Der in den Brennraum 17 hereinragende Brennkopf besteht aus einem Flammrohr, das sich aus zwei zylindrischen Abschnitten 3 sowie einem sich verjüngenden Abschnitt 8 zusammensetzt. Kurz vor oder in dem Abschnitt 8 ist in axialer Richtung ein verschiebbarer Drallkörper 6 angeordnet. Der dem Brennraum 17 am nächsten gelegene zylindrische Abschnitt des Flammrohres 3 ist mit in das Innere des Flammrohres 3 hineinragenden Körpern oder Leiteinrichtungen 4, die vorzugsweise als dreieckige Flügel ausgebildet sind, sowie Aussparungen oder Durchbrechnungen 5 versehen. Die Zuführung der Brennstoffe erfolgt durch die Leitung 13 sowie die Zerstäubungsdüse 1 bei flüssigen bzw. durch die Zuführung 12 sowie die Gasdüsen 2 bei gasförmigen Brennstoffen.
Mit dem Drallkörper 6 wird eine innere Drallströmung erzeugt. Durch die achsiale Einstellung des Drallkörpers kann ein optimiertes Verhältnis von Axialluft-Impuls zu Drall-Impuls erzeugt werden. Bei der Anströmung der Flügel 4 durch die Verbrennungsluft 11 wird ein Unterdruck erzeugt, der zur Ansaugung von Abgasen aus dem Feuerraum bzw. Brennraum 17 durch die Öffnungen 5 führt. Die Flügel 4 im Luftstrom bzw. Luftgasstrom wirken als Wirbelgeneratoren. Dadurch bilden sich stromab hinter jedem Flügel zwei gegenläufige Wirbelzöpfe aus.
Der oder die Drallkörper 6 sind an einer oder mehreren verschiebbaren Halterungen 10 befestigt.
In 2 ist schematisch die Ausbildung der Mischzone 16 bzw. der Flamme 18 dargestellt. Der Brennkopf wird durch die Wand des Feuerraumes mittels einer Brennermuffel 9 geführt. Die Abgasrezirkulation wird bewirkt durch das Einströmen von Gas durch die Öffnungen 5 einerseits wie auch durch das Einsaugen von Abgas (durch die Pfeile 14 dargestellt) in die nicht brennende Verdampfungs- bzw. Vermischungszone 16. Die Herausbildung einer Flammenfront 15 erfolgt erst in gewissem Abstand vom Brennkopf im Brennraum 17. Die heiße Flamme 18 bildet sich erst ab dieser Flammenfront 15 aus und verbrennt das Abgas-, Verbrennungsluft- und Brennstoffgemisch. Erreicht wird dies durch die kombinierte Wirkung von innerem Drallimpulsstrom, Axialluftstrom und der intensiven Turbulenz der Wirbelzöpfe. Eine örtliche Stabilisierung kann unterstützt werden durch einen Pilotbrenner oder Stützbrenner 7 (in 2 nicht dargestellt). Die Ausbildung der Flammenfront 15 vor dem Brennkopf führt in Verbindung mit der Abgaseinsaugung durch die Öffnungen 5 im Flammrohr und der Erhöhung der Mischintensität durch die Wirbelgeneratoren zur Herabsetzung der Flammentemperatur und damit zu stark verminderter NO_x-Bildung.

Claims

Verfahren zum Verbrennen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen mit einem in den Brennraum (17) eines Kessels ragenden Brennkopf eines Brenners, dessen Flammrohr (3) darin angeordnet wenigstens eine Zerstäuberdüse (1) für die Zufuhr von flüssigem Brennstoff und/oder wenigstens eine Gasdüse (2) für die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas (14) aus der Verbrennung in dem Brennraum (17) mit in den Brennraum (17) eintretendem, noch nicht entzündeten Brennstoff in einer Vermischungszone (16) vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Flammenfront in einem Abstand vor dem Brennkopf erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Abgas (14) mit dem noch nicht entzündeten Brennstoff in einem stromabwärts des Brennkopfs ausgebildeten Bereich der Vermischungszone (16) vermischt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem an einem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Flammrohres (3) durch Leiteinrichtungen (4) des Flammrohres (3) eine Verwirbelung erzeugt wird, um das Abgas (14) mit dem noch nicht entzündeten Brennstoff in dem stromabwärts des Brennkopfs ausgebildeten Bereich der Vermischungszone (16) zu vermischen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mittels der Leiteinrichtungen (4) jeweils zwei gegenläufige Wirbelzöpfe erzeugt werden, die das Abgas (14) in die Vermischungszone (16) einsaugen, wo es mit dem noch nicht entzündeten Brennstoff vermischt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem über Durchbrechungen (5) in einem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Flammrohres (3) Abgas (14) aus der Verbrennung in dem Brennraum (17) in einen im Flammrohr (3) ausgebildeten Bereich der Vermischungszone (16) eingesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das durch die Durchbrechungen (5) eingesaugte Abgas (14) mit dem Brennkopf zugeführter Verbrennungsluft vermischt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Teil eines Luftstroms von Verbrennungsluft durch einen in dem Flammrohr (3) angeordneten Drallkörper (6) geführt wird.
Brennkopf, mit: einem Flammrohr (3), wenigstens einer Zerstäuberdüse (1) für die Zufuhr von flüssigem Brennstoff und/oder wenigstens einer Gasdüse (2) für die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff, und nach innen ragenden, in einem stromab gelegenen Abschnitt des Flammrohres (3) angeordneten Leiteinrichtungen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtungen (4) so ausgeführt sind, dass sie als Wirbelgeneratoren wirken, um stromabwärts der Leiteinrichtungen (4) Abgas (14) aus einer Verbrennung in einem Brennraum mit in den Brennraum eintretendem, noch nicht entzündeten Brennstoff zu vermischen.
Brennkopf nach Anspruch 9, bei dem die Leiteinrichtungen (4) so ausgeführt sind, dass sich in einem Strom von dem Brennkopf zugeführter Verbrennungsluft stromabwärts der Leiteinrichtungen (4) Wirbelzöpfe ausbilden.
Brennkopf nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Flammrohr (3) einen in etwa zylindrischen Abschnitt (3) umfasst, der in einen sich verjüngenden Abschnitt (8) übergeht, an den sich stromabwärts ein weiterer, in etwa zylindrischer Abschnitt (3) anschließt, und die Leiteinrichtungen (4) in dem weiteren zylindrischen Abschnitt (3) angeordnet sind.
Brennkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Leiteinrichtungen (4) dreieckig und derart ausgebildet sind, dass sie bei Verwendung zum Brennraum ausgerichtet sind.
Brennkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der Winkel zwischen den Leiteinrichtung (4) und Flammrohr (3) 30° bis 40° beträgt.
Brennkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem Durchbrechungen (5) in dem Flammrohr (3) angeordnet sind, und die Leiteinrichtungen (4) so ausgeführt sind, dass bei Verwendung des Brennkopfs die Leiteinrichtungen (4) anströmende, dem Brennkopf zugeführte Verbrennungsluft einen Unterdruck zu erzeugen, der Abgas (14) aus der Verbrennung in dem Brennraum durch die Durchbrechungen (5) anzusaugen vermag.
Brennkopf nach Anspruch 14 soweit von Anspruch 10 abhängig, bei dem die Durchbrechungen (5) in dem weiteren zylindrischen Abschnitt (3) angeordnet sind.
Brennkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem in dem Flammrohr (3) mindestens ein Drallkörper (6) angeordnet ist.
Brennkopf nach Anspruch 16, bei dem der Drallkörper (6) axial verschiebbar ist.
Brennkopf nach Anspruch 16 oder 17, bei dem an dem Drallkörper (6) Durchlässe angeordnet sind.
Brennkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 18, bei dem Öffnungen der wenigstens einen Gasdüse (2) zu der Wandung des Flammrohres (3) ausgerichtet sind.
Brennkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 19, bei dem in dem Flammenrohr (3) ein Zündbrenner (7) angeordnet ist.