DE9321525U1 - Burners for the combustion of liquid or gaseous fuels in combustion plants - Google Patents
Burners for the combustion of liquid or gaseous fuels in combustion plantsInfo
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Description
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E1076002DEU00NS 30. Oktober 1998E1076002DEU00NS 30 October 1998
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ELCO Klöckner Heiztechnik GmbHELCO Klöckner Heating Technology GmbH
Heigerlocherstraße 42 72379 Hechingen, DEHeigerlocherstrasse 42 72379 Hechingen, DE
Brenner zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffen in FeuerungsanlagenBurners for the combustion of liquid or gaseous
Fuels in combustion plants
Die Erfindung befaßt sich mit einem Brenner zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in Feuerungsanlagen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a burner for the combustion of liquid or gaseous fuels in combustion plants according to the preamble of claim 1.
Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Feuerungsanlagen entstehen neben anderen Verbrennungsprodukten auch Stickstoffoxide NOx. Die Reaktionsmechanismen, die zu derartigen Stickoxiden führen, sind weitgehend bekannt und werden im allgemeinen als thermische und prompte NOx-BiI-dung, sowie als NOx-Bildung durch Oxidation des im Brennstoff chemisch gebundenen Stickstoffs beschrieben.When fossil fuels are burned in combustion plants, nitrogen oxides ( NOx) are formed alongside other combustion products. The reaction mechanisms that lead to such nitrogen oxides are widely known and are generally described as thermal and prompt NOx formation, as well as NOx formation through oxidation of the nitrogen chemically bound in the fuel.
Auch ist bekannt, daß die Rückführung eines Teiles der Abgase aus dem Brennraum des Heizkessels in den Verbrennungsprozeß eine Reduzierung der NOx-Emission, insbesondere der thermischen NOx-Bildung, bewirkt; jedenfalls dann, wenn hierdurch die Flammentemperatur, der Sauerstoffpartialdruck und die für die Umwandlung der Stickstoffverbindungen in Stickoxide verantwortlichen Radikale in der Verbrennungszone verringert werden. Hierzu führt man kühlere, nur noch einen geringen unverbrannten Anteil aufweisende Abgase intern aus dem Brennraum in eine stromab einer Stauscheibe befindliche Brennzone im Brennerrohr. Daneben ist auch eine externe Abgasrückführung gebräuchlich, d.h. mit einer außerhalb des Kesselraumes verlaufenden Abgasleitung und einem in dieser Leitung eingesetzten Rezirkulationsgebläse.It is also known that the recirculation of part of the exhaust gases from the combustion chamber of the boiler into the combustion process reduces NO x emissions, in particular the thermal formation of NO x ; at least if this reduces the flame temperature, the oxygen partial pressure and the radicals responsible for the conversion of the nitrogen compounds into nitrogen oxides in the combustion zone. To do this, cooler exhaust gases, which only contain a small unburned portion, are led internally from the combustion chamber into a combustion zone in the burner tube downstream of a baffle plate. External exhaust gas recirculation is also common, ie with an exhaust gas line running outside the boiler room and a recirculation fan installed in this line.
Aus der EP O 3 78 517 A2 ist ein Verfahren sowie ein Brenner der eingangs genannten Art bekannt. Der bekannte Zweistoffbrenner zur Verbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen umfaßt ein Brennerrohr, in dem ein Mischkopf geordnet ist. Eine Brennstoffdüse zur Ölzuführung ist radial nach außen auf die Brennerrohrwand gerichtet, um den Brennstoff besser zu zerstäuben bzw. zu verdampfen. Ferner ist der Mischkopf unmittelbar stromab der Stauscheibe in Umfangsrichtung offen, so daß am Ausgang des Brennerrohres austretende, durch den Mischkopf abgelenkte noch heiße Abgase intern zurück in das Brennerrohr zirkulieren.A method and a burner of the type mentioned above are known from EP O 3 78 517 A2. The known dual-fuel burner for the combustion of liquid and/or gaseous fuels comprises a burner tube in which a mixing head is arranged. A fuel nozzle for supplying oil is directed radially outwards towards the burner tube wall in order to better atomize or vaporize the fuel. Furthermore, the mixing head is open in the circumferential direction immediately downstream of the baffle plate, so that still hot exhaust gases emerging at the outlet of the burner tube and deflected by the mixing head circulate internally back into the burner tube.
Die DE 82 21 304 Ul beschreibt ebenfalls einen Brenner mit interner Rückführung von Abgasen in Unterdruckgebiete, die sich stromab einer Stauscheibe aufbauen. Die noch heißen Abgase strömen dabei durch Zuführkanale in der Brennerrohrwand zurück in das Brennstoff-Luft-Gemisch im Brennerrohr. Dabei werden die Abgase aus dem Brennraum hauptsächlich in den äußeren Bereich der Flamme rückgeführt. Eine Injektion 0 derartiger Abgase in die heißen Zonen im Innern der Flamme - dort, wo am meisten NOx produziert wird - findet nicht statt.DE 82 21 304 Ul also describes a burner with internal recirculation of exhaust gases into low-pressure areas that build up downstream of a baffle plate. The still hot exhaust gases flow through feed channels in the burner tube wall back into the fuel-air mixture in the burner tube. The exhaust gases from the combustion chamber are mainly recirculated into the outer area of the flame. An injection of such exhaust gases into the hot zones inside the flame - where the most NO x is produced - does not take place.
Ferner ist aus der EP 0 347 834 A2 ein Gebläsegasbrenner mit interner Abgasrezirkulation bekannt, bei welchem ein zwischen einem Brenner- und einem Flammrohr sitzender Stegring mit radial nach innen ragenden Stegen oder Blechlappen die Abgasrezirkulation bewirkt. Hierdurch erreicht jedoch das Abgas die NOx-bildenden Flammbereiche nur teilweise, da 0 eine Konzentration des Brennstoffes in dem Randbereich des Brennrohres nicht vorliegt.Furthermore, EP 0 347 834 A2 discloses a forced air gas burner with internal exhaust gas recirculation, in which a web ring with radially inwardly projecting webs or sheet metal tabs located between a burner and a flame tube causes the exhaust gas recirculation. However, this means that the exhaust gas only partially reaches the NO x -forming flame areas, since there is no concentration of fuel in the edge area of the combustion tube.
Die DE 40 09 222 Al beschreibt einen Brenner für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff mit einem Brennerrohr, das in dem der Stauscheibe zugekehrten Bereich mit Schlitzen versehen ist, durch welche Abgase in die Brennzone des Brenn-DE 40 09 222 A1 describes a burner for liquid or gaseous fuel with a burner tube which is provided with slots in the area facing the baffle plate through which exhaust gases enter the combustion zone of the combustion chamber.
errohrs eingesogen werden, ohne jedoch die Bereiche größter NOx-Produkt ion zu erreichen.pipe, but without reaching the areas of greatest NO x production.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen Brenner zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen zu Verfügung zu stellen, welcher die NOx-Emission, insbesondere die thermische NOx-Bildung, noch effektiver reduziert.The invention aims to provide a burner for the combustion of liquid or gaseous fuels which reduces NO x emissions, in particular thermal NO x formation, even more effectively.
Dieses Ziel wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by the subject matter of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.
Nach der Erfindung wird eine beachtliche Brennstoffkonzentration in einem von der Stauscheibe stromabwärts verlagerten, an die Brennerrohrwand angrenzenden Bereich aufgebaut. Dabei bildet sich stromab der Stauscheibe und an die Brennerrohrwand anliegend eine Art Brennstoffmantel aus. Demzufolge sind auch heiße Zonen der Flamme und damit Bereiche größter NOx-Produktion von der Stauscheibe stromabwärts und 0 vom Zentrum des Brennerrohrs radial nach außen verlagert. Hierdurch erfolgt insgesamt eine Aufweitung der Flamme, so daß die über die Leiteinrichtungen aus dem Brennraum rückgeführten Abgase direkt in die heißen Zonen der Flamme eindringen. Hierdurch werden die Flammentemperatur und der Sauerstoff-Partialdruck effektiv besonders dort gesenkt, wo die NOx-Bildung am größten ist. Mit anderen Worten: die Flammenbereiche mit der größten NOx-Bildungsgefahr werden dorthin verlagert, wo sie bequem mit solchem Abgas beaufschlagbar sind, das bereits kühler ist und nur noch eine geringen unverbrannten Anteil hat. Im übrigen zeichnet sich der erfindungsgemäße Brenner auch durch eine nahezu vollständige Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches aus, sodaß neben den NOx-Werten auch die anderen Schadstoffemissionswerte in erheblichem Maße reduziert werden. Der hierfür erforderliche Konstruktionsaufwand ist gering, da sich Brennstoffzuführung sowie Leiteinrichtungen kostengünstig realisieren lassen.According to the invention, a considerable fuel concentration is built up in an area downstream from the baffle plate and adjacent to the burner tube wall. A type of fuel jacket is formed downstream of the baffle plate and adjacent to the burner tube wall. As a result, hot zones of the flame and thus areas of greatest NO x production are also shifted downstream from the baffle plate and radially outwards from the center of the burner tube. This causes the flame to expand overall, so that the exhaust gases returned from the combustion chamber via the guide devices penetrate directly into the hot zones of the flame. This effectively reduces the flame temperature and the oxygen partial pressure, particularly where NO x formation is greatest. In other words: the flame areas with the greatest risk of NO x formation are shifted to where they can be conveniently exposed to exhaust gases that are already cooler and have only a small unburned portion. Furthermore, the burner according to the invention is also characterized by almost complete combustion of the fuel-air mixture, so that in addition to the NO x values, the other pollutant emission values are also reduced to a considerable extent. The construction effort required for this is low, since the fuel supply and control devices can be implemented inexpensively.
Bevorzugt sind die Leiteinrichtungen als Stau- und/oder Drallflächen ausgebildet, wobei sich stromauf dieser Stauflächen Überdruckzonen und stromab davon Unterdruckzonen ausbilden, wobei letztere sowohl eine Flammenstabilisierung aufgrund heißer Rückstromzonen, als auch eine verstärkte Injektion durch Ansaugung der Abgase aus der Brennkammer bewirken. Werden Drallflächen verwendet, wo wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in eine Drallbewegung versetzt. Dies hat eine verbesserte Durchmischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft und damit eine weitgehend vollständige Verbrennung des Brennstoffs zur Folge.The guide devices are preferably designed as stagnation and/or swirl surfaces, with overpressure zones forming upstream of these stagnation surfaces and underpressure zones forming downstream of them, the latter causing both flame stabilization due to hot backflow zones and increased injection by sucking in the exhaust gases from the combustion chamber. If swirl surfaces are used, the fuel-air mixture is set into a swirl motion. This results in improved mixing of the fuel with the combustion air and thus largely complete combustion of the fuel.
Durch die Ausbildung gemäß den Ansprüchen 2 und 3 läßt sich der Brennstoff-, insbesondere Brenngastransport, in einen stromab der Stauscheibe befindlichen und an die Brennerrohrwand angrenzenden Bereich besonders einfach realisieren. The design according to claims 2 and 3 makes it particularly easy to transport fuel, in particular fuel gas, into an area located downstream of the baffle plate and adjacent to the burner tube wall.
Die bevorzugte Anordnung der Leiteinrichtungen nach Anspruch 4 ermöglicht eine besonders effektive Abgasinjektion in die Flamme infolge der sich hinter derartigen Stauflächen ausbildenden Unterdruckzonen. Derartige Unterdruckzonen bwirken, daß aus dem Brennraum rückgeführte Abgase in turbulenter Strömung zur Flammenwurzel hin injiziert wer-5 den.The preferred arrangement of the guide devices according to claim 4 enables a particularly effective exhaust gas injection into the flame as a result of the negative pressure zones that form behind such stagnation surfaces. Such negative pressure zones have the effect that exhaust gases returned from the combustion chamber are injected in turbulent flow towards the flame root.
Die bevorzugte Ausgestaltung der Leiteinrichtungen als Rohrstücke gemäß Anspruch 5 ist technisch besonders einfach realisierbar. Im übrigen können derartige Rohrstücke mit 0 ihrer Mündung in stromab der Stauscheibe befindliche Unterdruckgebiete hineinragen und die Stauwirkung derartiger Unterdruckgebiete, beispielsweise im Strömungsschatten unmittelbar hinter der Stauscheibe, für die Abgasrückführung ausnützen. Zusätzlich erfahren die kühlen Abgase in den durch die Flamme erhitzten Rohrstücken eine Erwärmung, die deren Strömungsgeschwindigkeit erhöht.The preferred design of the guide devices as pipe sections according to claim 5 is technically particularly easy to implement. Moreover, such pipe sections can extend with their mouth into negative pressure areas downstream of the baffle plate and use the damming effect of such negative pressure areas, for example in the flow shadow immediately behind the baffle plate, for the exhaust gas recirculation. In addition, the cool exhaust gases in the pipe sections heated by the flame are heated, which increases their flow speed.
Wenn die Rohrstücke bis in einen stromab der Stauscheibe liegenden, an die Brennerrohrwand angrenzenden Strömungsbereich des Brennstoff-Luft-Gemischs hineinragen, werden Abgase durch das an der Rohrstückmündung mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmende Brennstoff-Luft-Gemisch (in der Art einer Wasser- bzw. Dampfstrahlpumpe) "mitgerissen", so daß ständig Abgase aus dem Brennraum in die Brennzone des Brennerrohrs gesaugt werden. Dieser Effekt wird durch die Anordnung der Rohrstücke gemäß Anspruch 6 noch erhöht.If the pipe sections extend into a flow area of the fuel-air mixture downstream of the baffle plate and adjacent to the burner tube wall, exhaust gases are "entrained" by the fuel-air mixture flowing past the pipe section mouth at high speed (in the manner of a water or steam jet pump), so that exhaust gases are constantly sucked from the combustion chamber into the combustion zone of the burner tube. This effect is further increased by the arrangement of the pipe sections according to claim 6.
Bei einer alternativen Ausbildung der Leiteinrichtungen nach Anspruch 7 baut sich an den Leitplatten anströmseitig ein Staugebiet und abströmseitig ein Unterdruckgebiet auf, was sich - wie vorstehend beschrieben - bei entsprechendem Anstellwinkel günstig auf die Abgasrezirkulation auswirkt. Eine derartige Ausgestaltung der Leitplatten ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen. Die Leitplatten üben bei entsprechender Formgebung und/oder Schrägstellung gegen die Brennerrohrachse zusätzlich eine Drallwirkung auf das Brenngas-Luft-Gemisch aus. Die Ansaugung der Abgase aus dem Brennraum wird auch hier durch die an der Brennrohrwand entlanglaufende Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs erhöht. In an alternative design of the guide devices according to claim 7, a stagnation area is built up on the guide plates on the upstream side and a negative pressure area on the downstream side, which - as described above - has a positive effect on the exhaust gas recirculation at the appropriate angle of attack. Such a design of the guide plates is particularly simple and inexpensive to produce. The guide plates also exert a swirling effect on the fuel gas-air mixture when shaped accordingly and/or inclined against the burner tube axis. The intake of the exhaust gases from the combustion chamber is also increased here by the flow of the fuel-air mixture running along the burner tube wall.
Anhand der bevorzugten Ausgestaltung der Leitplatten nach Anspruch 8 können in der Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisch Wirbel unterschiedlichster Geometrie erzeugt werden. Im Zusammenwirken mit der Stabilisierung der Flamme an derartigen Leitplatten wird hierdurch im Bereich der Flammenwurzel ein besonders homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch erzielt, so daß eine nahezu vollständige Verbrennung bei weitgehend homogener Temperaturverteilung entsteht.Using the preferred design of the guide plates according to claim 8, vortices of the most varied geometries can be generated in the flow of the fuel-air mixture. In conjunction with the stabilization of the flame on such guide plates, a particularly homogeneous fuel-air mixture is achieved in the area of the flame root, so that almost complete combustion occurs with a largely homogeneous temperature distribution.
Die bevorzugten Rücksaugabweiser nach Anspruch 9 verhindern eine Rezirkulation von Abgasen mit zu hohem unverbranntem Anteil durch die Abgasrückführöffnungen. Derartige Abgase führen zu keiner effektiven Kühlung der Flamme, höchstensThe preferred backflow deflectors according to claim 9 prevent recirculation of exhaust gases with too high an unburned proportion through the exhaust gas recirculation openings. Such exhaust gases do not lead to effective cooling of the flame, at most
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dienen sie unter Umständen der Verbesserung einer Flammenstabilität. Deshalb ist es vorteilhaft, eine Rezirkulationsströmung der aus dem Brennerrohr austretenden Abgase mit zu hohem unverbranntem Anteil durch entsprechende Rücksaugabweiser an der Außenwandung des Brennerrohrs zu verhindern. they may be used to improve flame stability. It is therefore advantageous to prevent recirculation of the exhaust gases exiting the burner tube with too high an unburned portion by using appropriate suction deflectors on the outer wall of the burner tube.
Die bevorzugten Strömungsleitungen nach Anspruch 10 dienen dazu, daß Abgase aus vorgegebenen Stellen des Brennraumes rezirkulierbar sind. Dies hat den Vorteil, daß kühlere Abgase mit einem besonders geringen unverbrannten Anteil gezielt aus bestimmten Stellen des Brennraumes abgesaugt und zu den NOx-Produktions-gefährdeten Stellen rückgeführt werden können. Bei sog. Flammenumkehrkessel besteht insbesondere die Möglichkeit, daß Abgase aus der innerhalb des Brennraumes befindlichen Abgasumkehrströmung über derartige Strömungsleitungen in das Brennerrohr gesaugt und zur Flamme rückgeführt werden.The preferred flow lines according to claim 10 serve to recirculate exhaust gases from predetermined locations in the combustion chamber. This has the advantage that cooler exhaust gases with a particularly low unburned portion can be specifically extracted from certain locations in the combustion chamber and returned to the locations at risk of NO x production. In the case of so-called flame reversal boilers, it is particularly possible for exhaust gases from the exhaust gas reversal flow within the combustion chamber to be sucked into the burner tube via such flow lines and returned to the flame.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die schematische Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments, with reference to the schematic drawing. The drawing shows:
Fig. 1 einen Brenner im Längsschnitt;
25Fig. 1 a burner in longitudinal section;
25
Fig. 2a, b einen Längs- und einen Querschnitt durch den mit Leiteinrichtungen einer ersten Ausführungsform
bestückten Abschnitt des Brennerrohres ;
30Fig. 2a, b a longitudinal and a cross-section through the section of the burner tube equipped with guide devices of a first embodiment;
30
Fig. 3a,b einen Längs- und einen Querschnitt durch den
mit Leiteinrichtungen einer zweiten Ausführungsform bestückten Abschnitt des Brennerrohres;
und
35Fig. 3a,b a longitudinal and a cross-section through the section of the burner tube equipped with guide devices of a second embodiment; and
35
Fig. 4a-f jeweils einen Ausschnitt aus einer Abwicklung des mit unterschiedlichen Leiteinrichtungen bestückten Brennerrohrabschnittes.Fig. 4a-f each show a section of a development of the burner tube section equipped with different guide devices.
Der in Fig. 1 dargestellte Brenner ist für die schadstoffarme Verbrennung von Brenngas ausgelegt, ist jedoch auch für die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen geeignet.The burner shown in Fig. 1 is designed for the low-emission combustion of fuel gas, but is also suitable for the combustion of liquid fuels.
Der Brenner weist im wesentlichen ein Brennerrohr 1 auf, das in einen Brennraum 3 eines durch seine Wand angedeuteten Heizkessels 5 hineinragt. Die Verbrennungsluft wird dem Brennerrohr 1 in Richtung des Pfeiles I zugeführt, und zwar mit Hilfe eines Gebläses oder einer Saugvorrichtung. Der Brennstoff wird über eine - nicht dargestellte - Brenn-Stoffleitung im Brennerrohr 1 angeordneten Brennerlanzen 13 zugeführt, die in Brennstoffdüsen 15 münden.The burner essentially has a burner tube 1 that extends into a combustion chamber 3 of a boiler 5 indicated by its wall. The combustion air is fed to the burner tube 1 in the direction of arrow I, namely with the help of a fan or a suction device. The fuel is fed via a fuel line (not shown) to burner lances 13 arranged in the burner tube 1, which open into fuel nozzles 15.
Im Brennerrohr 1 ist stromab der Brennerstoffdüsen 15 eine Stauscheibe 17 angeordnet, die sich senkrecht zur Brennerrohr-Längsachse erstreckt und eine zentrale Öffnung 19 für den Durchlaß eines Teiles des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist. Zwischen der zentralen Öffnung 19 und der äußeren Begrenzungskante der Stauscheibe 17 können radial verlaufende Schlitze für die Zufuhr und Verwirbelung von Verbrennungsluft vorgesehen sein. Ein weiterer Anteil des Brennstoff -Luft -Gemischs strömt durch den Zwischenraum zwischen der Außenkante der Stauscheibe 17 und der Brennerrohrwand.In the burner tube 1, downstream of the fuel nozzles 15, a baffle plate 17 is arranged, which extends perpendicular to the longitudinal axis of the burner tube and has a central opening 19 for the passage of a portion of the fuel-air mixture. Between the central opening 19 and the outer boundary edge of the baffle plate 17, radially extending slots can be provided for the supply and swirling of combustion air. A further portion of the fuel-air mixture flows through the space between the outer edge of the baffle plate 17 and the burner tube wall.
Stromabwärts schließt sich an die Stauscheibe eine Brenn-0 zone 23 an, in der das eingebrachte Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. Die Flamme tritt dann aus dem stromabwärtigen Ende des Brennerrohres 1 in den Brennraum 3 des Kessels 5.Downstream of the baffle plate there is a combustion zone 23 in which the introduced fuel-air mixture is ignited. The flame then exits from the downstream end of the burner tube 1 into the combustion chamber 3 of the boiler 5.
Ein beachtlicher Teil des Brennstoffs wird einem stromab der Stauscheibe 17 an die Brennerrohrwand angrenzenden Bereich zugeführt. Demgemäß herrscht dort eine sehr hoheA considerable part of the fuel is fed to an area downstream of the baffle plate 17 adjacent to the burner tube wall. Accordingly, there is a very high
Brennstoffkonzentration. Hierzu sind mehrere Brennerlanzen 13 in Nähe der Brennerrohrwand koaxial zur Brennerrohrachse und gleichmäßig über den Brennerrohrumfang verteilt angeordnet. Deren Brennstoff düsen 15 sind stromauf der Stauscheibe 17 bis an die Brennerrohrwand geführt.Fuel concentration. For this purpose, several burner lances 13 are arranged near the burner tube wall, coaxial to the burner tube axis and evenly distributed over the burner tube circumference. Their fuel nozzles 15 are guided upstream of the baffle plate 17 to the burner tube wall.
Fig. 1 illustriert unterschiedliche Ausrichtungen der Brennstoffdüsen 15. Bevorzugt sind die Brennstoffdüsen 15 so ausgerichtet, daß sie den Brennstoff in axialer Richtung entlang der Brennerrohrwand blasen (durchgezogene Linie). Alternativ blasen sie den Brennstoff radial gegen die Brennerrohrwand (gestrichelte Linie) oder mit einer axialen und einer radialen Koraponenete. Hierdurch wird der Brennstoff zusammen mit der von hinten anströmenden Verbrennungsluft in den erwünschten Bereich transportiert. Man erhält eine Art Strömungsmantel des Brennstoff-Luft-Gemischs, dessen Schichtdicke stromab nahe der Stauscheibe eine Größenordnung von 3 0 mm hat. Dabei ist ein Großteil des Brennstoffs innerhalb einer an die Brennerrohrwand angrenzenden, ca. 10 mm starken Mantelschicht angereichtert. Eine weitere, zentral angeordnete Brennerlanze 13' verläuft längs der Brennerrohrachse und bläst mit ihrer Brennstoffdüse 15' einen vergleichsweise geringen Brennstoffanteil durch die zentrale Öffnung 19 der Stauscheibe 17 in die Brennzone 23 des Brennerrohrs 1.Fig. 1 illustrates different orientations of the fuel nozzles 15. The fuel nozzles 15 are preferably aligned so that they blow the fuel in an axial direction along the burner tube wall (solid line). Alternatively, they blow the fuel radially against the burner tube wall (dashed line) or with an axial and a radial coraponenet. This transports the fuel together with the combustion air flowing in from behind into the desired area. A kind of flow jacket of the fuel-air mixture is obtained, the layer thickness of which downstream near the baffle plate is on the order of 30 mm. A large part of the fuel is enriched within a jacket layer approx. 10 mm thick adjacent to the burner tube wall. Another centrally arranged burner lance 13' runs along the burner tube axis and blows with its fuel nozzle 15' a comparatively small amount of fuel through the central opening 19 of the baffle plate 17 into the combustion zone 23 of the burner tube 1.
Dadurch sind heiße Zonen der Flamme und damit die Flammenbereiche mit der größten NOx-Produktion von der Stauscheibe 17 stromabwärts und radial nach außen in Richtung der Bren-0 nerrohrwand verlagert. Dort sind sie vergleichsweise einfach durch interne Abgasrückführung mit kühlem Abgas beaufschlagbar. Hierzu sind stromab der Stauscheibe 17 (in einem Abstand von ca. 4 0 mm) in der Brennerrohrwand - gleichmäßig über den Umfang des Brennerrohres 1 verteilt - Durchbrechungen 25 als Abgasrückführöffnungen eingebracht. Von der stromaufwärtigen Begrenzungskante dieser Öffnungen 25 ragt jeweils eine Leitplatte 27 in die Brennzone 23 des Brenn-As a result, hot zones of the flame and thus the flame areas with the greatest NOx production are shifted from the baffle plate 17 downstream and radially outwards towards the burner tube wall. There they can be supplied with cool exhaust gas relatively easily by internal exhaust gas recirculation. For this purpose, openings 25 are made as exhaust gas recirculation openings downstream of the baffle plate 17 (at a distance of approx. 4 0 mm) in the burner tube wall - evenly distributed over the circumference of the burner tube 1. A guide plate 27 protrudes from the upstream boundary edge of these openings 25 into the combustion zone 23 of the burner tube.
errohres 1. Die Leitplatten 27 können die Form eines Deltaflügels nach Fig. 2a, b oder eine sonstige Strömungsform haben, etwa eine der in Fig. 4a, c, d, e und/oder f dargestellten Formen. Sie bestehen aus einem aus der Brennerrohrwand freigeschnittenen und danach nach innen gebogenen Brennerrohrwandabschnitt.burner tube 1. The guide plates 27 can have the shape of a delta wing according to Fig. 2a, b or another flow shape, such as one of the shapes shown in Fig. 4a, c, d, e and/or f. They consist of a burner tube wall section cut free from the burner tube wall and then bent inwards.
Jede Leitplatte 27 bewirkt vor sich, d.h. stromaufwärts, einen Stau und hinter sich, d.h. stromab, eine Unterdruckzone in dem an die Brennerrohrwand angrenzenden Brennstoff-Verbrennungsluft-Strömungsmantel. Diese Unterdruckzonen saugen die Abgase aus der Brennkammer 3 an und führen somit zur Abgasrezirkulation. Die Formgebung in der Art eines Deltaflügels führt zu "stehenden Wirbeln" an den Leitplatten 27, die zur Flammenstabilisierung beitragen. Hierdurch wird eine Aufweitung der Flamme in Richtung der Brennerrohrwand und Verlagerung von Flammenwurzelbereichen zu den Leitplatten 27 hin erzielt. Demzufolge werden die rückgeführten Abgase in die heißen Zonen der Flamme und damit in 0 die Bereiche größter NOx-Produktion injiziert. Auch dieEach guide plate 27 causes a blockage in front of it, i.e. upstream, and a negative pressure zone behind it, i.e. downstream, in the fuel-combustion air flow jacket adjacent to the burner tube wall. These negative pressure zones suck in the exhaust gases from the combustion chamber 3 and thus lead to exhaust gas recirculation. The shape in the manner of a delta wing leads to "standing vortices" on the guide plates 27, which contribute to flame stabilization. This causes the flame to expand in the direction of the burner tube wall and shifts the flame root areas towards the guide plates 27. As a result, the recirculated exhaust gases are injected into the hot zones of the flame and thus into the areas of greatest NO x production. The
Unterdruckgebiete unmittelbar stromab der Stauscheibe 17, die sich infolge des Strömungsabrisses an den Begrenzungskanten
der Stauscheibe 17 ausbilden, tragen zur Verstärkung der Ansaugung der Abgase aus dem Brennraum 3 bei.
25Negative pressure areas immediately downstream of the baffle plate 17, which form as a result of the flow separation at the boundary edges of the baffle plate 17, contribute to increasing the intake of the exhaust gases from the combustion chamber 3.
25
Ferner ist um die Außenwandung des Brennerrohres 1 herum stromab der Abgasrückführöffnungen 25 eine Ringblende als Rücksaugabweiser 28 angeordnet, um eine Rezirkulation von Abgasen mit zu hohem unverbranntem Anteil direkt aus der 0 Brennzone 23 zu verhindern.Furthermore, an annular aperture is arranged around the outer wall of the burner tube 1 downstream of the exhaust gas recirculation openings 25 as a backflow deflector 28 in order to prevent recirculation of exhaust gases with too high an unburned portion directly from the 0 combustion zone 23.
Bei der in den Fig. 2a und 2b dargestellten Ausführungsform sind mehrere - hier achtzehn - radial nach innen ragende Leitplatten 27 gleichmäßig über den Umfang des Brennerrohres 1 verteilt und haben jeweils etwa die Form eines Deltaflügels bzw. eines gleichseitigen oder nur gleichschenkeligen Dreiecks.In the embodiment shown in Fig. 2a and 2b, several - here eighteen - radially inwardly projecting guide plates 27 are evenly distributed over the circumference of the burner tube 1 and each have approximately the shape of a delta wing or an equilateral or only isosceles triangle.
In den Fig. 3a und 3b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Abgasleiteinrichtungen dargestellt. Dort sind diese als Rohrstücke 2 9 ausgebildet, welche die Brennerrohrwand stromab der Stauscheibe 17 durchbrechen und dabei derart geneigt sind, daß die Rohrstückmündung stromab vom Rohrstückeingang liegt. Die Rohrstückmündung ragt hier in den stromab der Stauscheibe 17 liegenden, an die Brennerrohrwand angrenzenden Strömungsmantel des Brennstoff-Luft-Gemischs. Das an den Rohrstückmündungen vorbeiströmende Gas-Luft-Gemisch reißt kühle Abgase aus dem Brennraum 3 des Kessels 5 mit (Bernoulli-Prinzip), was zur internen Abgasrezirkulation führt. Fig. 3a zeigt die gleichmäßige Verteilung der - hier achtzehn - Rohrstücke 2 9 über den Umfang der Brenner rohrwand.Another embodiment of the exhaust gas guide devices is shown in Fig. 3a and 3b. There, these are designed as pipe sections 2 9 which break through the burner tube wall downstream of the baffle plate 17 and are inclined in such a way that the pipe section opening is downstream of the pipe section inlet. The pipe section opening here protrudes into the flow jacket of the fuel-air mixture lying downstream of the baffle plate 17 and adjacent to the burner tube wall. The gas-air mixture flowing past the pipe section openings entrains cool exhaust gases from the combustion chamber 3 of the boiler 5 (Bernoulli principle), which leads to internal exhaust gas recirculation. Fig. 3a shows the even distribution of the - here eighteen - pipe sections 2 9 over the circumference of the burner tube wall.
Die Figuren 4a, b, c, d, e und f veranschaulichen unterschiedliche Ausgestaltungen der Leiteinrichtungen. Dabei stellt jede Figur schematisch einen Ausschnitt aus einer Abwicklung des mit den Leitplatten 27 oder Rohrstücken 29 bestückten Abschnittes des Brennerrohres 1 dar.Figures 4a, b, c, d, e and f illustrate different designs of the guide devices. Each figure schematically represents a section of a development of the section of the burner tube 1 equipped with the guide plates 27 or pipe sections 29.
In den Figuren 4a und c-f sind die Leitplatten 27 jeweils als ein aus der Brennerrohrwand freigeschnittener und danach, nach innen gebogener Wandabschnitt ausgebildet. Deren Biegekante 31 verläuft in den Figuren 4c-e rechtwinklig zur Längsachse des Brennerrohres 1, in den Figuren 4a und 4f hingegen jedoch schräg zur Brennerlängsachse. Durch unterschiedlich starkes Umbiegen der Leitplatten 27 um ihre Biegekante 31 läßt sich der Strömungs-Anstellwinkel der Leitplatten 27 verändern. Sind die Leitplatten 27 - in Strömungsrichtung gesehen - symmetrisch ausgestaltet und haben sie eine zur Brennerrohrlängsachse rechtwinklig verlaufende Biegekante 31, dann haben sie praktisch keine Drallwirkung auf das Brennstoff-Luft-Gemisch. Entsprechende Ausgestaltungen sind in den Figuren 4c, d und e dargestellt. Verlaufen hingegen die Biegekanten 31 schräg zur Brennerrohrlängsachse und/oder sind die Leitplatten 27 - inIn Figures 4a and c-f, the guide plates 27 are each designed as a wall section cut out of the burner tube wall and then bent inwards. Their bending edge 31 runs at right angles to the longitudinal axis of the burner tube 1 in Figures 4c-e, but at an angle to the longitudinal axis of the burner in Figures 4a and 4f. The flow angle of the guide plates 27 can be changed by bending the guide plates 27 around their bending edge 31 to different degrees. If the guide plates 27 are designed symmetrically - viewed in the direction of flow - and have a bending edge 31 running at right angles to the longitudinal axis of the burner tube, then they have practically no swirl effect on the fuel-air mixture. Corresponding designs are shown in Figures 4c, d and e. If, however, the bending edges 31 run obliquely to the burner tube longitudinal axis and/or the guide plates 27 - in
Strömungsrichtung gesehen - asymmetrisch ausgestaltet, dann üben die Leitplatten 27 auch einen Dralleffekt auf das Brennstoff-Luft-Gemisch aus. Entsprechende Ausgestaltungen sind in den Figuren 4a und 4f dargestellt. Schließlich läßt sich ein Dralleffekt auch dadurch auf das Strömungsgemisch ausüben, daß die Leitplatten in sich verdreht und/oder quer zur Brennerrohrlängsachse - eine unterschiedliche Krümmung haben.If the guide plates 27 are designed asymmetrically - as seen from the direction of flow - then the guide plates 27 also exert a swirl effect on the fuel-air mixture. Corresponding designs are shown in Figures 4a and 4f. Finally, a swirl effect can also be exerted on the flow mixture by twisting the guide plates and/or having a different curvature transverse to the burner tube longitudinal axis.
Gemäß Fig. 4a sind die Leitplatten 27 im wesentlichen in Form rechtwinkliger Lappen ausgebildet, jedoch mit schräg zur Brennerrohrlängsachse verlaufender Biegekante 31. Die Leitplatten 27 gemäß Fig. 4d stimmen im wesentlichen mit der Fig. 4a überein, haben jedoch eine rechtwinklig zur Brennerrohrlängsachse verlaufende Biegekante 31. In Fig. 4b sind Rohrstücke 29 dargestellt, die sich zum Brennerrohrinnern hin verjüngen. Fig. 4c veranschaulicht Leitplatten 27 in Form gleichschenkeliger Dreiecke mit stromaufwärts gelegener Basis bzw. Biegekante 31 und stromabwärts gerichteter Spitze.According to Fig. 4a, the guide plates 27 are essentially designed in the form of right-angled tabs, but with a bending edge 31 running obliquely to the burner tube longitudinal axis. The guide plates 27 according to Fig. 4d are essentially the same as Fig. 4a, but have a bending edge 31 running at right angles to the burner tube longitudinal axis. Fig. 4b shows pipe sections 29 that taper towards the inside of the burner tube. Fig. 4c illustrates guide plates 27 in the form of isosceles triangles with an upstream base or bending edge 31 and a downstream tip.
Fig. 4e veranschaulicht Leitplatten 2 7 in Form eines symmetrischen Trapezes, dessen schmale Seite die stromaufwärts gelegene Biegekante 31 ist. Diese Leitplatte 27 steht ebenfalls nach Art eines Deltaflügels gegen die Strömung an. In Fig. 4f haben die Leitplatten 27 die Form eines rechtwinkeligen Dreiecks, dessen rechtwinkelig zueinander liegende Kanten quer zur und in Richtung der Brennerrohrlängsachse liegen und dessen Basis schräg zur Brennerrohrachse ver-0 läuft.Fig. 4e illustrates guide plates 27 in the form of a symmetrical trapezoid, the narrow side of which is the upstream bending edge 31. This guide plate 27 also stands against the flow in the manner of a delta wing. In Fig. 4f, the guide plates 27 have the shape of a right-angled triangle, the edges of which are at right angles to one another and lie transversely to and in the direction of the burner tube longitudinal axis, and the base of which runs obliquely to the burner tube axis.
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