DE10137683C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflus­ sung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen, bei dem elektrische Mittel zur Führung und/oder Änderung einer Flamme an einem Brenner eingesetzt werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens unter Verwendung von stabilisierenden und schadstoff­ mindernden Mitteln zur Beeinflussung der Flamme beim Verbren­ nungsvorgang.

Die vorteilhaften Einflüsse, die elektrische Felder auf Ver­ brennungsflammen haben können, sind im Grundsatz seit langem bekannt. Gemäß den Veröffentlichungen

• - Industrial and Engineering Chemistry 43 (1951), Seiten 2726 bis 2731,
• - 12^th Annual energy-sources technology conf. (1989), Seiten 25 bis 31 und
• - AIAA Journal 23 (1985), Seiten 1452 bis 1454 bestehen die Wirkungen des elektrischen Feldes in einer Ver­ besserung der Stabilität der Flamme. Gemäß
• - Combust. Flame 78 (1989), Seiten 357 bis 364 und
• - Combust. Flame 119 (1999), Seiten 356 bis 366 ist eine Verringerung der Rußemission und gemäß
• - Fossil Fuel Combustion, ASME 1991, Seiten 71 bis 75 und
• - Fluid Dynamics 30 (1995), Seiten 166 bis 174 eine Verminde­ rung der Emission von gasförmiger Schadstoffen gegeben.

Aus Combust. Flame 55 (1984), Seiten 53 bis 58 ist es auch bekannt, Verbrennungsvorgänge durch elektrische Entladungen, insbesondere Corona-Entladungen, zu beeinflussen. Auch hier soll eine Verbesserung der Flammenstabilität und eine Vermin­ derung der Schadstoffemission resultieren. Technische Anwen­ dungen der genannten Effekte werden in der WO 96/01394 A1, der US 3 416 870 A und der US 4 111 636 A beschrieben.

Allen dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren ist ge­ meinsam, dass die Elektroden, die benötigt werden, um das elektrische Feld oder eine Entladung in der Flamme zu erzeu­ gen, derart angeordnet sind, dass die Flamme sich entweder zwischen den felderzeugenden Elektroden befindet oder von ei­ ner Elektrode umschlossen wird. Diese Elektrode kann mit der Brennkammer identisch sein. Eine solche Anordnung wird anhand Fig. 1 der Beschreibung verdeutlicht. In jedem Fall ist es möglich, eine gerade Verbindungslinie zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität zu ziehen, derart, dass die Ver­ bindungslinie die zu beeinflussende Flamme durchsetzt.

In Fig. 1 ist die Ausbreitungsrichtung einer Flamme 2 oder die Strömungsrichtung der Abgase als z-Richtung bezeichnet. Die Stelle z = 0 ist bestimmt durch die Position, an der der feste, flüssige oder gasförmige Brennstoff in die Flamme übergeht. An Stellen z < 0 tritt keine nennenswerte, durch den Verbrennungsprozess verursachte Ionisation auf.

Anordnungen, die dem Stand der Technik entsprechen, sind aus­ nahmslos dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elek­ trode oder ein oder mehrere Teile einer solchen Elektrode sich ausschließlich oder überwiegend über Bereiche mit z < 0 erstrecken. Dabei kann auch die Brennkammer, die die Flamme umschließt, eine Elektrode oder Teil einer solchen sein. Im Extremfall ist die Anordnung derart gestaltet, dass Teilbe­ reiche der Flamme eine Elektrode berühren können. In jedem Fall ist es möglich, eine gerade Verbindungslinie so von ei­ ner Elektrode zu einer Elektrode entgegengesetzter Polarität zu ziehen, dass die Verbindungslinie die Flamme durchsetzt.

Ein Nachteil des vorbeschriebenen Standes der Technik besteht darin, dass das mittels der Elektroden erzeugte elektrische Feld einen großen Bereich der Flamme durchsetzt, während die eigentliche Wirkung des elektrischen Feldes in der so genann­ ten Flammenfront auftritt. Die Flammenfront ist ein im Ver­ gleich zu den Dimensionen der Flamme enger Bereich zwischen dem kaltem Brennstoff und der Flamme, in dem die chemischen Reaktionen stattfinden, die zur Bildung der Flamme führen. Da die Flamme durch die in ihr enthaltenen Ladungsträger eine nicht vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit besitzt, führt die Tatsache, dass das elektrische Feld weite Bereiche der Flamme durchsetzt, dazu, dass im gesamten von den Elekt­ roden eingeschlossenen Flammenbereich ein elektrischer Strom fließt, der einen erhöhten Energieverbrauch verursacht, ohne zur erwünschten Wirkung innerhalb der Flammenfront beizutra­ gen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn elektrisch leitfähige Bereiche der Flamme oder ihrer Umgebung in unmit­ telbarem Kontakt mit den Elektroden stehen.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit de­ nen in einfacher und wirtschaftlicher Weise die Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen verbessert wird. Als Brennstoffe sollen insbesondere, aber nicht ausschließ­ lich Gase, vorzugsweise in vorgemischter Form, verwendet wer­ den.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist Ge­ genstand des Patentanspruches 4. Weiterbildungen des Verfah­ rens und/oder der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprü­ chen angegeben.

Bei der Erfindung wird die Flamme durch felderzeugende Elektroden der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausge­ setzt, wobei die felderzeugenden Elektroden auf der der Flam­ me abgewandten Seite der Brenneröffnung derart angeordnet, dass es zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität keine gerade Verbindungslinie gibt, die die Flamme durchsetzt. Da­ durch wird das elektrische Feld so gestaltet wird, dass es nur solche Bereiche der Flamme durchsetzt, in denen es eine stabilisierende und schadstoffmindernde Wirkung entfaltet.

Bei der zugehörigen Vorrichtung sind für diesen Zweck Elek­ troden so angeordnet und mit einer Spannung beaufschlagt, dass ein elektrisches Feld bevorzugt jene Bereiche der Flamme durchsetzt, in denen es seine stabilisierende und schadstoff­ mindernde Wirkung entfaltet. Dies wird dadurch realisiert, dass alle felderzeugenden Elektroden in Bereichen angeordnet werden, in denen keine oder keine nennenswerte durch den Verbrennungsprozess bewirkte Ionisation auftritt. Diese Be­ dingung ist dann erfüllt, wenn die Elektroden auf der der Flamme abgewandten Seite der Brenneröffnung derart angeordnet werden, dass es keine gerade Verbindungslinie zwischen Elek­ troden entgegengesetzter Polarität gibt, welche die Flamme durchsetzt.

Besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich dann, wenn dem System Sensoren und Regelvorrichtungen zugeordnet werden, die die an den Elektroden anliegende Spannung so steuern, dass der Verbrennungsprozess in gewünschter Weise beeinflusst wird. Vorteilhafterweise sind Sensoren vorhanden, von denen einer die Frequenz etwa vorhandener Verbrennungsschwingungen und ein anderer die Schadstoffkonzentration im Abgas misst. Die Sensoren liefern das Eingangssignal zu einer Regelungs­ einheit, die Frequenz, Amplitude und Phase der an die Elek­ troden angelegten Spannung so steuert, dass die Verbrennungs­ schwingungen bzw. die Schadstoffkonzentration minimiert wer­ den.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan­ sprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Schnittdarstel­ lung

Fig. 1 eine Anordnung des Standes der Technik, auf die ein­ gangs bereits eingegangen wurde, die

Fig. 2 und 3 zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 4 und 5 eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 6 eine Anwendung der Erfindung bei der Anwendung zur Verbrennung von festen Stoffen.

Bei den einzelnen Ausführungsbeispielen haben gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Die Ausführungsformen werden teilweise gemeinsam beschrieben.

Bei allen Beispielen ist der Brenner jeweils mit 1 und die Flamme mit 2 bezeichnet. Der Brenner 1 hat eine Gaszuführung 3. Weiterhin ist wenigstens eine Elektrode 6 in der Anordnung vorhanden, mit der die Flamme mit elektrischen Feldern beauf­ schlagt werden kann. Die Flamme wird entlang der Z-Koordinate skaliert.

Auf Fig. 1 wurde eingangs bereits mit entsprechenden Ausfüh­ rungen zum Stand der Technik eingegangen, worauf im Einzelnen verwiesen wird. Im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2 wird die vom Brenner 1 für gasförmige, flüssige oder in Gasen oder Flüssigkeiten transportierte, pulverförmig aufbereitete feste Brennstoffe erzeugte Flamme 2 gezeigt. Der Brennstoff wird durch den Brennstoffeintritt 3 durch den Brenner 1 in einen Brennraum 4 hinein geführt. Der Brenner 1 kann aus elektrisch leitfähigem oder nicht leitfähigem Mate­ rial bestehen. Im ersten Fall dient der Brenner als Elektro­ de, im zweiten Fall wird eine in diesem Beispiel ringförmige, den Brenner 1 eng umschließende Elektrode 5 angebracht. Eine weitere Elektrode 6 wird so angeordnet, dass sie vollständig in dem durch z ≦ 0 gekennzeichneten Bereich liegt. Die Elek­ troden werden mit dem Netzteil 7 elektrisch verbunden.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist eine Stabelektrode 6a koaxial innerhalb des Brenners angeordnet, derart, dass sie sich vollständig in einem Bereich befindet, in dem keine durch den Verbrennungsprozess bewirkte Ionisation auftritt, d. h. dass sie allenfalls unwesentlich in den Bereich z < 0 hinein ragt. Ein elektrisches Feld im Sinne der Erfindung entsteht zwischen der Elektrode 6a einerseits und dem Brenner 1 andererseits, falls dieser aus elektrisch leitfähigem Ma­ terial besteht, oder einer weiteren Elektrode 5, die in die­ sem speziellen Fall den als nicht leitfähig angenommenen Brenner formschlüssig umgibt. In erfindungsgemäßer Abwandlung kann die innerhalb des Brenners liegende Stabelektrode 6a durch ein Rohr oder eine Düse oder mehrere Rohre und Düsen ersetzt werden, die von brennbaren oder nicht brennbaren Ga­ sen oder Gasgemischen werden. Durch den im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Fig. 1 kleinen Elektrodenabstand ist die Erzeugung eines elektrischen Feldes bereits mit entspre­ chend niedrigeren Spannungen möglich.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe beschränkt. In Fig. 6 ist eine Brennkammer 8 angedeutet, in der auf einem durch nicht leitende Stützelemente 9 gegen die Brennkammer elekt­ risch isolierten Rost 10 ein Haufwerk 11 aus einem festem Brennstoff, beispielsweise Kohle, brennt. Die Ebene z = 0 ist durch die Oberkante des Rostes 10, oder falls es sich um ei­ nen elektrisch leitenden Brennstoff handelt, durch die obere Abgrenzung des Haufwerks 11 definiert. Eine Ringelektrode 12 ist so angeordnet, dass sie nicht wesentlich in den Bereich z < 0 hinein ragt.

Die Erfindung beschränkt sich weder auf Systeme, die ledig­ lich zwei Elektroden umfassen, deren eine der Brenner sein kann, noch auf Elektroden, die rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Brenners, also insbesondere ringförmig, toroi­ dal oder zylindrisch sind. Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Stabelektroden 13a, 13b, 13c, 13d radial in Bezug auf einen Brenner 1 angeordnet sind.

Bei den anhand der Fig. 2 bis 6 beschriebenen Anordnungen wird die gewünschte Beeinflussung des Verbrennungsprozesses durch elektrische Felder erreicht, ohne dass das elektrische Feld weite Teile der Flamme durchsetzt, in denen es keine stabilisierende oder schadstoffmindernde Wirkung entfaltet. Die Berührung der Elektroden durch elektrisch leitfähige Be­ reiche der Flamme wird weitest gehend vermieden. Damit wird der durch das elektrische Feld induzierte Strom erheblich verringert und in dem selben Maße der Bedarf an elektrischer Leistung reduziert. Darüber hinaus nimmt die Wahrscheinlich­ keit von störenden elektrischen Durchschlägen stark ab. Der vergleichsweise geringe Elektrodenabstand führt zu einem im Vergleich zum Stand der Technik verringerten Spannungsbedarf bei gleicher elektrischer Feldstärke.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Beeinflussung von Flam­ men mit Hilfe elektrischer Mittel sind gleichermaßen zum Be­ trieb mit Gleichspannung, pulsierender oder getakteter Gleichspannung und Wechselspannung sowie Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung geeignet. Bei der Anwendung ei­ ner Gleichspannung ist die Polarität des Brenners vorzugs­ weise negativ.

Weiterhin lassen sich dem System Sensoren zuordnen: Ein ers­ ter Sensor erfasst die Frequenz etwaig vorhandener Verbren­ nungsschwingungen. Ein zweiter Sensor misst die Schadstoff­ konzentration im Abgasstrom der Flamme. Die Sensoren liefern Eingangssignale für eine nicht im einzelnen dargestellte Re­ gelungseinheit, welche die Frequenz, Amplitude und Phase der an die Elektroden angelegten Spannung derart steuert, dass die Verbrennungsschwingungen und die Schadstoffkonzentration minimal werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen, bei dem elektrische Mittel zur Führung und/oder Änderung einer Flamme eingesetzt werden, mit folgenden Maßnahmen:

• - Die Flamme wird der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt,
• - dabei werden die felderzeugenden Elektroden auf der der Flamme abgewandten Seite der Brenneröffnung derart angeordnet, dass es zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität keine gerade Verbindungslinie gibt, welche die Flamme durchsetzt,
• - wodurch das elektrische Feld nur solche Bereiche der Flamme durchsetzt, in denen es eine stabilisierende und schadstoffmindernde Wirkung entfaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass vorgemischte Gase verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass thermo­ akustische Emissionen vermindert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 oder 3, unter Verwendung von stabilisierenden und schadstoffmindernden Mitteln zur Beein­ flussung der Flamme bei einem Verbrennungsvorgang, wobei die Mittel durch Elektroden am Brenner gebildet werden, da­ durch gekennzeichnet, dass die Elek­ troden (5, 6) außerhalb des Bereiches der Flamme (2) und der der Flamme (2) abgewandten Seite der flammseitigen Öffnung des Brenners (1) angeordnet sind und dass es zwischen Elek­ troden (5, 6) entgegengesetzter Polarität keine gerade Ver­ bindungslinie gibt, die die Flamme (2) durchsetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass wenigstens eine ringförmige, den Brenner (1) weiträumig umschließende Elektrode (6) vor­ handen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass weiterhin eine ringförmige Elektrode (5) unmittelbar am Brenner (1) auf der der Flamme abgewandten Seite der Brenneröffnung vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Stab­ elektrode (6a) koaxial innerhalb des Brenners (1) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) von mehreren, auf dem Umfang um die Flamme (2) angeord­ neten Elektroden (12, 13) umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Elektroden (12, 13) symmetrisch um den Brenner (1) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9 da­ durch gekennzeichnet, dass die Elektro­ den zentrisch auf den Brenner (1) gerichtete Stabelektroden (13a bis 13d) sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, dass Sensoren für die Frequenz und Amplitude von Verbrennungsschwingungen und/ oder die Schadstoffkonzentration im Abgasstrom vorhanden sind, die durch wenigstens eine Steuer- und/oder Regelvor­ richtung Frequenz, Amplitude und Phase der angelegten Span­ nung so steuern, dass die Verbrennungsschwingungen bzw. die Schadstoffkonzentration im Abgas minimiert werden.