DE102007009922A1

DE102007009922A1 - Hohlflamme

Info

Publication number: DE102007009922A1
Application number: DE200710009922
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dreizler; Daniel Dreizler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Also published as: EP2126471A2; WO2008104158A3; EP2126471B1; WO2008104158A2

Abstract

Es wird ein Verfahren bzw. eine Brennereinrichtung zur Verbrennung von Öl und/oder Gas als Brennstoff vorgeschlagen, bei dem über Einzelflammen 16.1 und 16.2 eine Gesamtflamme 16.3 erzeugt wird, innerhalb der stromab eines Flammrohres 1, aber stromauf der Verbrennung innerhalb der Gesamtflamme eine Hohlflamme gebildet wird. Nach für sich geltend gemachter Ausgestaltung kann innerhalb dieser Hohlflamme eine Abgasrezirkulation stattfinden. Ein wichtiges konstruktives Element zur Bildung der Hohlflamme ist eine im Luftstrom angeordnete Stauscheibe 3.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, bzw. einer Brennereinrichtung insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. des Anspruchs 15.
Ein zunehmendes Problem bei Feuerungsanlagen besteht in dem verhältnismäßig großen Wärmebedarf und den dabei einzuhaltenden Grenzwerten des Giftanteils im Abgas. Hier spielt besonders das die Umwelt belastende NO_x eine große Rolle, dessen Anteil bekanntlich mit zunehmender Temperatur des Verbrennungsvorgangs (Flamme) ebenfalls zunimmt.
Ein zweites nicht unerhebliches Problem besteht bei den zunehmenden Brennstoffpreisen in der Umsetzung der im Brennstoff vorhandenen potentiellen Energie in Wärme und deren Übergang an den Wärmeträger, beispielsweise Wasser in einer Heizungsanlage, wobei natürlich mit möglichst geringem Aufwand ein günstiger diesbezüglicher Wirkungsgrad angestrebt wird.
Bekanntlich ist die direkte Konvektion einer heißen Flamme an der Kesselwand für einen Wärmeübergang zum Wärmeträgermaterial hin besonders günstig. Allerdings erzeugt eine solche besonders heiße Flamme viel NO_x im Abgas. Für den Wärmeübergang ist natürlich auch die Strahlung einer Flamme von Bedeutung, aber weniger bedeutsam als deren Konvektionswirkung und abhängig von einer Reihe sonstiger Faktoren, wie z. B. der Absorption und Reflektion durch die Kesselwand.
Dieses Problem des Wärmeübergangs betrifft die Form und Gestaltung der Flamme bei der Feuerung und ist insoweit unabhängig von der Art des Brennstoffs zu sehen, beispielsweise ob es sich um eine Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe handelt.
Bei bekannten gattungsgemäßen Verfahren und Brennereinrichtungen ( EP 0 347 834 , Dreizler und EP 0 857 915 , Elco) ist eine zentrale Brennstoffdüse vorhanden, deren Dauerbetrieb durch die Nachzündmöglichkeit der anderen Düsen einen sicheren Verbrennungsablauf bei den anderen Düsen bewirkt. Außerdem sind Strömungswiderstände im Flammraum vorhanden, die eine Rezirkulation von Abgas im äußeren Flammbereich bewirken, wodurch eine Verringerung der Verbrennungstemperatur bei damit gegebener Abnahme des NO_x erfolgt, ohne dass deshalb die ebenfalls für den Wärmeübergang wichtige Strahlungstemperatur der Flamme zurückgeht. Jede der Einzelflammen hat bei Abreißen der zentral gebildeten Gesamtflamme eine außerordentliche Bedeutung zum laufenden Wiederentzünden des Brennstoff-Luft-Gemisches, was für einen guten Wirkungsgrad von maßgebender Bedeutung ist.
Bei einer anderen bekannten Brennereinrichtung ( EP 0 478 305 , Hitachi), die in erster Linie als Vormischbrenner für Gasturbinen dient, sind zentralsymmetrisch Gasdüsen angeordnet und es ist in dem Gemischstrom aus Verbrennungsluft und Brenngas in der Flamme ein Strömungswiderstand angeordnet, um dadurch „Verbrennungsgas im wesentlichen stromabwärts des Zentrums des Wirbelstroms" rezirkulieren zu lassen. Im Grunde handelt es sich um Freiflammen, welche durch Außendüsen gebildet werden, die auf einer Zentralflamme reiten. Zwar wird hierdurch eine Kühlung des Zentrums der Flamme und damit eine Herabsetzung des NO_x-Anteils erzielt, allerdings ohne Hilfe von rezirkulierendem Abgas sowie auf Kosten eines großen Aufwandes bezgl. Gestaltung und Anordnung dieses zentral in der Flamme angeordneten Strömungswiderstands. Außerdem muss dieser in der Flamme angeordnete Strömungswiderstand entsprechend hitzebeständig sein. Nicht zuletzt bestehen aufgrund der Strömungsdynamik am und um den Strömungswiderstand erhebliche Zweifel an der Flammenstabilität dieser Brennereinrichtung.
Ein von der Reduzierung des NO_x-Anteils im Abgas völlig unabhängiges Problem besteht in der Sonderverbrennung von Sonderstoffen wie regenerativen Stoffen oder Additiven, die entweder von Hause aus nicht alleine brennen oder bei der Verbrennung eine Herabsetzung des giftigen Bestandteils im Abgas bewirken. So bewirkt beispielsweise Harnstoffzuführung eine Verringerung des NO_x-Anteils oder das bei der Herstellung von Biodiesel anfallende Glycerin kann durch eine chemische Umwandlung durch Nachverbrennung entgiftet werden. Zu den schwierig zu entsorgenden Stoffen gehören u. a. auch Schweröle, Frittierfette udgl. Die Entsorgung dieser Stoffe durch Verbrennung erfolgt bekanntlich in sehr aufwendigen Verfahren und Vorrichtungen.
Bisher geht der Stand der Technik von zentraler Flammenbildung und Brennstoffeindüsung aus, die stets einherging mit der Problematik der sich mischenden Stoffströme mit den Additiven/Sonderbrennstoffen in der Zerstäubungsphase mit dem stetigen Risiko unvollständiger Verbrennung und Giftemission im Abgas, dem nur mit hohem Luftüberschuss und schlechterem Wirkungsgrad begegnet werden konnte.
Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren, bzw. eine Brennereinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu entwickeln, mit dem bzw. mit der eine Kühlung der aus Einzelflammen sowie daraus gebildeten Gesamtflamme mit insgesamt gegebener Reduzierung des NO_x gegeben ist, ohne eine in der Flamme angeordnete Vorrichtung und auch mit der Möglichkeit, ohne Nachteil für eine Entgiftung der Abgase die gegebene Brennerleistung auf der Brennstoffseite problemlos zu ändern. Der Erfindung liegt zudem auch die Aufgabe zugrunde eine vereinfachte Lösung zur Sonderverbrennung von insbesondere von alleine nicht brennenden Stoffen zu erzielen, ohne dass deshalb eine Verschlechterung des Abgases eintritt.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Vorteilhaft bei dem erfinderischen Verfahren ist gegenüber den bekannten Verfahren, dass die rezirkulierenden Abgase auch dem Inneren der Gesamtflamme zugeführt werden, um die gewünschte NO_x-Entgiftung im angestrebten Umfang zu erzielen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bzw. die erfindungsgemäße Brennereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1, 10 und 15 hat gegenüber den bekannten Verfahren und Brennereinrichtungen den Vorteil, dass die dort übliche zentrale Flamme, bzw. Kernflamme wegfällt und stattdessen die Einzelflammen eine innen hohle stabile Gesamtflamme bilden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für die Steuerung der Verbrennungsluft diese zumindest teilweise zum Zentrum der Gesamtflamme geleitet wird, wobei hierbei ein Stau bzw. ein Unterdruck im Flammzentrum gebildet wird, so dass diese Hohlflamme eine interne, innerhalb der Höhlung stattfindende Rezirkulation von Abgasen aufweist.
Eine solche entgegen dem Luftstrom offene Hohlflamme weist in sich eine zentrale Abgasrezirkulation auf, wobei durch die zentrale Stauscheibenöffnung sich innerhalb der Höhlung keine Verbrennung bildet. Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann problemlos eine Änderung der Wärmeleistung über die Flammen vorgenommen werden und es erfolgt eine für die Entgiftung (NO_x) der Flammen oder Flamme wichtige zentrale Rezirkulation von Abgas.
Nach einer vorteilhaften auch für sich geltend gemachten Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Einzelflammen bzw. Düsen aus Grundflammen bzw. Grunddüsen und Zusatzflammen bzw. Zusatzdüsen, von denen die Grundflammen der Zündung und Kontrolle der Verbrennung dienen. Den beispielsweise weiter außen angeordneten Grundflammen ist je eine Zusatzflamme zugeordnet, die von der Grundflamme kontrolliert und entzündet wird, wobei die endgültige aus Grundflamme als auch in Kombination mit der Zusatzflamme ausgebildete Gesamtflamme eine Hohlflamme ist. Um dies zu erreichen ist erfindungsgemäß eine entsprechende Steuerung der Verbrennungsluft erforderlich, beispielsweise in Form einer Stauscheibe mit zentraler Öffnung, so dass im Inneren dieser aufgrund der im Luftstrom angeordneten Stauscheibe und in Verbindung mit den mit Abstand vom Zentrum angeordneten Einzeldüsen (Einzelflammen) gebildeten hohlförmigen Gesamtflamme eine zentrale Rezirkulation von Abgas bewirkt wird. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Zusatzflamme der Grundflamme überlagert werden kann mit entsprechender Zunahme der Leistung oder aber abgeschaltet werden kann, ohne dass deshalb die Abgas entgiftenden Kriterien, wie die interne Rezirkulation von Abgas, verschlechtert werden. Während sich in der Hohlflamme die Rezirkulation der Abgase automatisch mit der Größe der Flamme ändert, kann die Rezirkulation auf der Außenseite der Flamme ohnehin durch die durch den Stand der Technik bekannten Mittel erfolgen.
Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass diese Art der Feuerungseinrichtung mit Grunddüse und Zusatzdüse besonders günstig herstellbar ist und vor allem auch leicht kontrollierbar ist. Dieser Vorteil bezieht sich vor allem auf die Möglichkeit bei einer solchen Feuerungseinrichtung innerhalb des rohrförmigen Brennkopfzentrums, neben Düsen für einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise leichtes Heizöl, Düsen für einen gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, anzuordnen.
Vorteilhafterweise sind erfindungsgemäß die Grundflammen, bzw. die Grunddüsen eher mehr außen, also vom Zentrum des Verbrennungsbereichs weiter weg, angeordnet, wobei eine Grundflamme mehrere Zusatzflammen kontrollieren kann. So können in Ausgestaltung der Erfindung die Düsen der Einzelflammen, also von Grundflamme und Zusatzflamme, auch nebeneinander auf einem Kreis angeordnet sein, mit dem Vorteil, dass die Hohlform der vor allem durch die Zusatzflammen gebildeten Gesamtflamme günstig gestaltet ist und eine gleichmäßige interne Rezirkulation bewirkt, unabhängig davon, ob nur die Grundflammen oder auch die Zusatzflammen in Betrieb sind.
Erfindungsgemäß können die Einzelflammen, beispielsweise Grundflamme oder Zusatzflamme, auch alternativ in Betrieb sein. So kann z. b. eine 3-Stufen-Leistung erzielbar sein. Hierbei könnte die erste Stufe durch die Grundflamme, die Zweite alternativ durch die Zusatzflamme und die dritte Stufe durch die Addition von Grundflamme und Zusatzflamme erzielt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuerung der Flammen über die Steuerung des Rückflusses des Brennstoffes in einem Rücklauf desselben erfolgen. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Leistung der Flamme über die von den Düsen gegebenen Rückströmmenge gesteuert wird, so dass eine stufenlose Steuerung möglich ist.
Während sich in der Flamme die Rezirkulation der Abgase automatisch mit der Größe der Flamme ändert, wird die Rezirkulation auf der Außenseite der Flamme ohnehin durch die durch den Stand der Technik bekannten Mittel gesteuert.
So wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch eine Rezirkulation von Abgas auf der Außenseite der Flammen erzielt durch im Luftstrom angeordnete Mittel. Eine solche Rezirkulation der Abgase durch in den Verbrennungsluftstrom ragende Stege ist bekannt ( EP 0 347 834 B1 , Dreizler). Hierdurch wird erreicht, dass die Flammen auf der Außenseite aufgrund der Abgasrezirkulation gekühlt werden, um eine Reduzierung des NO_x zu erreichen, ohne dass deshalb tatsächliche Leistungsverluste bei der Konvektion zwischen Flamme und Wärmeträger entstehen. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kombination der äußeren Rezirkulation mit der Hohlflamme bzw. mit der Rezirkulation von Abgas im Zentrum der Flammen, wobei die Gesamtflamme erfindungsgemäß insgesamt eine Hohlflamme bildet. Die je nach Steuerung aus Einzelflammen, Grundflammen und Zusatzflammen gebildeten Gesamtflamme weist diese in ihrem zentralen hohlförmigen Bereich durch die dort stattfindende Rezirkulation eine verhältnismäßig niedere Temperatur aber mit wenig, dort ohnehin unwirksamer, Strahlungsintensität auf. Die Brennstoffenergie wird somit in erster Linie an dem äußeren Bereich dieser hohlförmigen Gesamtflamme umgesetzt und auf das Wärmeträgermaterial übertragen, beispielsweise auf Wasser neben einer Kesselwand, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Flammrohres.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann abgesehen von der Möglichkeit der Steuerung der Einzelflammen bzw. von Grundflamme und Zusatzflamme auch die jeweils zugeführte Brennstoffmenge gesteuert werden. Eine solche Mengensteuerung kann an einer der Flammenarten (Einzelflamme, Grundflamme, Zusatzflamme) erfolgen, aber auch bei der Verwendung von unterschiedlichen Brennstoffen in der beanspruchten Brennereinrichtung an einem dieser verschiedenen Brennstoffe, was natürlich dann nur in den Zuleitungen zu den jeweilig anderen Düsen und Steuermitteln erfolgen kann. Als Einrichtung zur Steuerung der Brennstoffleitungen kann erfindungsgemäß ein elektrisch betätigtes Ventil oder ein elektrisch betätigter Schieber verwendet werden. Auf diese Weise kann die Feuerungsleistung in bekannter Weise gesteuert werden. Es kann aber auch für die Steuerung der zugeführten Brennstoffmenge in mindestens einer der Brennstoffleitungen ein Mengensteuerventil angeordnet sein, auch zusätzlich zu einer lediglich die Zufuhr von Brennstoff freigebenden oder sperrenden Einrichtung.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung können die jeweiligen Flammen oder Düsen mit eigenen Zündeinrichtungen versehen sein, da im Unterschied zur bekannten Feuerungseinrichtung eine zentrale Zünd- und Kontrolleinrichtung fehlt. Obwohl derartige Einzeleinrichtungen einen zusätzlichen Aufwand zur Folge hätten, wären sie in Bezug auf die Gesamteinrichtung günstiger als eine zentrale Kontrollflamme, insbesondere auch was den Verbrauch an Brennstoffen betrifft, welcher aufgrund der zunehmenden Preise ebenfalls an Bedeutung zunimmt.
Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Brennereinrichtung zweigen die Brennstoffleitungen zu den Einzeldüsen wie zu den Grunddüsen und/oder Zusatzdüsen von jeweils einer mit der Brennstoffquelle verbundenen Zentralleitung ab, in welchen jeweils eine Steuereinrichtung für die Mengensteuerung des Brennstoffes angeordnet ist. Hierdurch kann in einfacher Weise die gewünschte Zuschaltung, Abschaltung oder Alternativschaltung des Brennstoffes zu den Düsen erzielt werden. Auch hier sei darauf hingewiesen, dass es sich um unterschiedliche Brennstoffe handeln kann, dass beispielsweise die Grundflamme die eines Ölbrenners ist, hingegen die Zusatzflamme durch eine Gasflamme gebildet wird.
Insbesondere dann, wenn es sich um den gleichen Brennstoff handelt, kann nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung den zu Grunddüse und Zusatzdüse führenden Leitungen eine Hauptleitung vorgeschaltet sein, welche diese Leitungen miteinander verbindet und für sich steuerbar mit Brennstoff versorgt wird.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften, auch für sich geltend gemachten Ausgestaltung der Erfindung sind die Grunddüse und die Zusatzdüse koaxial zueinander angeordnet, beispielsweise eine zentrale Ölbrennerdüse innerhalb einer koaxial um diese angeordneten Gasdüse. Dadurch wird der Durchtrittsquerschnitt für die Verbrennungsluft nicht unnötig eingeschränkt. Man kann dadurch dieses Verfahren auch bei kleineren Brennerköpfen baulich unterbringen und anwenden.
Nach einer zusätzlichen, auch für sich geltend gemachten Ausgestaltung der Erfindung findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Brennereinrichtung innerhalb der Hohlflamme eine Sonderverbrennung von nicht für die eigenständige Flammerzeugung geeigneten Sonderstoffen statt, indem diese in den dort vorhandenen Hohlraum geleitet werden, insbesondere bei der Brennereinrichtung durch Verwenden einer speziellen Sonderdüse, welche zentral zu den die Hohlflamme bildenden Düsen angeordnet ist. Bei diesen Sonderstoffen handelt es sich einerseits um Additive, die den Hauptbrennstoff durch katalytische Reaktion in der Hohlflamme entgiften oder um brennbare flüssige oder gasförmige Abfallstoffe, die nun hier kalorisch sinnvoll einer Energieverwertung und -ausnützung kostengünstig zugeführt werden können.
Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren als auch die Brennereinrichtung vorteilhafterweise ergänzt durch den Einsatz einer Additivzerstäubung, wobei die Additive erfindungsgemäß dem Zentrum der Hohlflamme zugeleitet werden, was insbesondere über eine zentral eingeführte, hydraulisch gesteuerte Lanze erfolgt. So kann beispielsweise die Additivwirkung der Abgasentgiftung entlang dem ganzen Hohlflamme bildenden Raum seine Wirkung entfalten, ohne den Verbrennungsprozess zu beeinträchtigen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen stark vereinfacht:
1 einen Längsschnitt mit Funktionssymbolen;
2 eine Ansicht von der Stirnseite der Ölbrennereinrichtung aus 1;
3 einen hydraulischen Schaltplan für eine Ölbrennereinrichtung;
4 einen hydraulischen Schaltplan für eine Ölbrennereinrichtung mit Grund- und Zusatzdüse;
5 stirnseitige Ansicht einer Ölbrennereinrichtung zu 4 mit Kreisanordnung der Düsen;
6 Längsschnitt mit Funktionssymbolen mit Anordnung der Düsenpaare radial zueinander;
7 Längsschnitt mit Funktionssymbolen für eine Gasbrennereinrichtung;
8 Längsschnitt und Stirnseitenansicht von einem Kombibrenner für Öl und Gas;
9 stirnseitige Ansicht für einen Kombibrenner mit jeweils zwei parallelen Ölbrennerdüsen;
10 Längsschnitt durch einen Kombibrenner mit koaxialer Anordnung von Öl und Gasdüse;
11 einen hydraulischen Schaltplan für einen Ölbrenner, kombiniert mit einer Düse für Sonderverbrennung;
12 die stirnseitige Ansicht des Ölbrenners mit Sonderverbrennung nach 11;
13 einen hydraulischen Schaltplan für eine Ölbrennereinrichtung mit Grund- und Zusatzdüse sowie zwei Düsen für Sonderverbrennung;
14 eine stirnseitige Ansicht des Ölbrenners mit Sonderverbrennung aus 13;
15 Längsschnitt durch eine fremdgesteuerte Lanze.
In 1 und 2 ist ein Ölbrenner im Längsschnitt, bzw. mit Ansicht von der Stirnseite her dargestellt, bei dem in einem Brennerrohr 1 Öldüsen 2 kreisförmig um eine Stauscheibe 3 angeordnet sind, die eine zentrale Öffnung 4 aufweist. Das Brennerrohr 1 weist auf seinem der Stauscheibe 3 zugewandten Ende einen nach innen gerichteten Konus 5 auf, der mit der Außenkante der Stauscheibe 3 eine ringförmige Durchgangsöffnung 6 bildet. Der flüssige Brennstoff gelangt aus einem Brennstofftank 7 über eine Leitung 8 mit Hilfe einer Pumpe 9 den Öldüsen 2 zugeführt, wobei in der Leitung 8 zu deren Steuerung ein Magnetventil 10 angeordnet ist. Zur Verteilung zu den einzelnen Öldüsen 2 ist in der Leitung 8 eine Abzweigung 11 zu Einzelleitungen 12 vorgesehen.
Die Verbrennungsluft wird durch nicht dargestellte bekannte Mittel, wie beispielsweise ein Radialgebläse auf der Rückseite 13 des Brennerrohrs 1, in dieses in Strömungsrichtung 14 eingeführt, sobald die Feuerung in Betrieb geht. Dieser Luftstrom trifft auf die Stauscheibe 3 und wird über die kreisförmige Durchgangsöffnung sowie die zentrale Öffnung in den Brennraum 15 geleitet. Über das Magnetventil 10 wird der Ölstrom zu den Öldüsen 2 verzögert durchgelassen und nach dem Austritt aus den Düsen 2 zerstäubt und gezündet. Hierbei entstehen die Einzelflammen 16.1 und 16.2. In der Stauscheibe sind außerdem radial verlaufende Dralllamellen 17 vorgesehen, durch die die Verbrennungsluft beim Austritt aus dem Brennerrohr 1 in den Brennraum 15 verdrallt wird, um eine gute Vermischung mit dem über die Öldüsen 2 zerstäubten Brennstoff zu erzielen. Außerdem wird durch den Konus 5 am Brennerrohr 1 eine Rezirkulation 18 von Abgas auf der Außenseite zu der durch die Einzelflammen 16.1 und 16.2 gebildeten Gesamtflamme 16.3 erzielt.
Am Fuß der durch die Einzelflammen 16.1 und .2 gebildeten Gesamtflamme 16.3 und stromab der zentralen Öffnung 4 der Stauscheibe 3 bildet sich erfindungsgemäß ein Hohlraum 19, der zur zentralen Öffnung 4 hin offen ist und abseits derselben durch die Gesamtflamme 16.3 bis zum Flammenende offen sein kann und eine zentrale flammenfreie Zone ermöglicht, wobei in diesem Hohlraum 19 aufgrund der Stauwirkung Mangel an Verbrennungsluft, bzw. Sauerstoffmangel herrscht. Dieser Sauerstoffmangel führt zu CO-Bildung. Aufgrund der Gestaltung der zentralen Öffnung 4 wird allerdings erreicht, dass innerhalb des Hohlraums 19 eine Rezirkulation von Abgas erfolgt mit der Folge der Entgiftung des NO_x-Anteils während des Verbrennungsverfahrens durch den hohen inneren CO Anteil, der anschließend stromab vollständig im Flammenraum 15 schadstofffrei ausbrennt. Die sehr niedrigen Temperaturen im zentralen Bereich der Gesamtflamme 16.3 führen dazu, dass sich erst gar kein schädlicher NO_x-Anteil bilden kann.
Bei dem in 3 gezeigten hydraulischen Schaltplan für einen Ölbrenner mit vier jeweils Einzelflammen 16.1 und .2 erzeugenden Öldüsen 2 sind an den Düsenstöcken 20 unter Druck öffnende Steuerköpfe 21 angeordnet, die in eine gemeinsame druckführende Steuerleitung 23 münden. Diese Steuerleitung 23 kommt von der Druckseite der Pumpe 9 und dient der Versorgung der Einzeldüsen 2. Die Steuerköpfe 21 (15) öffnen über einen federbetätigten Hilfszylinder die Nadelventile 43 wirksam erst ab einem definierten Druck in der Zuleitung 22 von der Steuerleitung 23 her zu den Düsen und ermöglichen bei Druckabfall den automatischen Düsenverschluss, der ein Auslaufen des Brennstoffes im Stillstand verhindert. Von den Steuerköpfen 21 geht jeweils eine Rücklaufleitung 12 aus, die in eine Rücklaufsammelleitung 8 mündet mit nachgeschaltetem Drucksteuerteil 26 für die Leistungsregulierung. In der Rücklaufleitung 8 können zusätzliche Steuerventile 10 angeordnet sein, die unabhängig von der Mengensteuerung arbeiten. Diese vorteilhafte Anordnung lässt es zu, den Zerstäubungsdruck an den Düsen 2 stufenlos über das Drucksteuerteil 26 zu regulieren.
Bei dem in 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Ölbrenner, bei dem jeweils dicht nebeneinander und auf einem Kreis zwei Öldüsen 27 und 28 paarweise angeordnet sind, die jeweils Einzelflammen 16.1 u 16.2 erzeugen und von denen die eine Düse 27 als Grunddüse dient, während die daneben liegende zweite Düse 28 als Zusatzdüse vorgesehen ist, wobei die Grunddüse eine Grundflamme 16.1 und die Zusatzdüse eine Zusatzflamme 16.2 erzeugt. Die Grundflammen und Zusatzflammen bewirken die Gesamtflamme 16.3, wobei zur Justierung, bzw. Abstimmung der einzelnen Düsen zueinander der Durchgang durch die Einzelleitungen 12 justiert werden kann. Grundsätzlich sind die Ölleitungen wie bei den vorherigen Beispielen ausgebildet, nämlich mit einer Leitung 8, in der ein Magnetventil 10 angeordnet ist, die zu einer Abzweigung 11 führt, von der die Einzelleitungen 12 abzweigen, die zu den Öldüsen führen. Die Ölversorgung erfolgt über eine Pumpe 9 zu einem Verteiler 29 hin, von dem die zwei Leitungen 8 zu den Abzweigungen 11 führen.
Der Arbeitsdruck im Verteiler 29 wird durch zwei Druckmeter 30 kontrolliert. Erfindungsgemäß kann statt dieser Doppeldüsenanordnung auch eine Einzeldüse jeweils vorgesehen sein, bei der der Vorlauf, wie bei diesem Ausführungsbeispiel aber auch dem Ausführungsbeispiel nach 1, gezeigt ist. Es kann aber auch der Rücklauf gesteuert sein von einem oder beiden dieser die Gesamtflamme 16.3 bildenden Grunddüse oder Zusatzdüse. Der besondere Vorteil der Doppeldüsenanordnung besteht darin, dass eine der Düsen kontinuierlich arbeitet, so dass deren Flamme, Grundflamme 16.1 oder Zusatzflamme 16.2, die anderen Flammen kontrolliert. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine mehrstufige Regulierung der Gesamtflamme 16.3 störungsfrei in einfacher Weise geschaltet werden kann zur Brennerleistungsregulierung.
Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel weist wie in 1 ein Brennerrohr 1 auf, allerdings mit unabhängig von der Art des Brennstoffes paarweise und radial zueinander angeordneten Düsen 31 und 32, deren Versorgungsleitungen 33 und 34 entsprechend der Unterschiedlichen Art des Brennstoffes über jeweils ein Ventil 35 und 36 gesteuert werden. Auch hier wird der Hohlraum 19 vor allem durch die zentrale Öffnung 4 und zwischen den Einzelflammen 16.1 und 16.2, sowie der Gesamtflamme 16.3 gebildet, die über die Düsen 32 erzeugt werden. Die Flammen, die über die Düsen 31 bewirkt werden, sind die Grundflammen 16.1, die ergänzt durch Zuschalten der Düsen 32 mit Zusatzflammen 16.2 in der Summe die Gesamtflamme 16.3 als Hohlflamme ausbilden.
In 7 ist ein Gasbrenner im Längsschnitt vereinfacht dargestellt, der grundsätzlich im Aufbau dem Beispiels aus 1 entspricht mit dem Unterschied, dass statt vier Ölbrennerdüsen vier Gasdüsen 37 verwendet werden. Der Gasstrom in der Zuleitung 38 wird durch einen Gasschieber 39 gesteuert. Auch hier bildet sich erfindungsgemäß mit Hilfe der Stauscheibe 3 der Hohlraum 19 innerhalb der aus den Einzelflammen 16.1 gebildeten Gesamtflamme 16.3.
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in zwei das brennerseitige Ende dargestellten Teilschnitten und einer stirnseitigen Ansicht eines kombinierten Öl-/Gasbrenners dargestellt, bei dem auf einem Kreis angeordnet entsprechend dem Beispiel aus 2 vier Ölbrennerdüsen vorgesehen sind und entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 7 jedoch acht zusätzliche Gasbrennerdüsen 37 vorgesehen sind. Hierbei kann sowohl die Gesamtflamm 16.3 aus den Düsen 2 und/oder aus den Düsen 37 gebildet werden.
In 9 ist über die stirnseitige Ansicht eines Öl-/Gasbrenners beispielhaft gezeigt, wie ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach 5 Öldüsen paarweise angeordnet sind und wiederum entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 8 mit Gasdüsen 37 kombiniert sind, wobei jeweils alle Düsen auf einem Kreis angeordnet sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 handelt es sich ebenfalls um einen Öl-/Gasbrenner, bei dem allerdings die Ölleitungen 41 und die Gasleitungen 42 abschnittsweise achsgleich angeordnet sind, so dass die Öldüsen 2 und die Gasdüsen 37 koaxial zueinander angeordnet sind.
In 11 und 13 sind die hydraulischen Ergänzungspläne für die Steuerung der schwer- oder nichtbrennbaren Sonderbrennstoffe gezeigt, die in Kombination mit den hydraulischen Schaltplänen entsprechend 3 und 4 verwendet werden und gemäß denen Additive in die Hohlflamme über eine Zerstäuberdüse 40 eingeleitet werden. Die Funktion ist deckungsgleich zu der Steuerung der Brennstoffe nach 3 oder 4 und mit identischen oder ähnlichen Bauteilen realisiert.
12 und 14 zeigen die ergänzende Anordnung der schwer- oder nichtbrennbaren Sonderbrennstoffe oder auch Additive und deren Einleitungsgeometrie über die Zerstäuberdüse 40 zu den baugleichen Grundanordnungen gemäß 2 und 5 der Düsen für die Ausbildung der Hohlflamme.
15 zeigt die prinzipielle Ausbildung der Hydrauliksteuerung des Steuerkopfes 21. Die Steuerköpfe 21 öffnen über einen federbetätigten Hilfszylinder 25 ab einem definierten Druck in der Zuleitung 22 erst die Nadelventile 43 wirksam zu den Düsen und ermöglichen bei Druckabfall den automatischen Düsenverschluss, der ein Auslaufen des Brennstoffes im Stillstand verhindert.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

1: Flammrohr
2: Öldüsen
3: Stauscheibe
4: zentr. Öffnung
5: Konus
6: Durchgangsöffnung
7: Tank
8: Rücklauf Sammelleitung
9: Pumpe
10: Magnetventil
11: Abzweigung
12: Rücklaufleitung
13: Rückseite
14: Strömungsrichtung Luft
15: Brennraum
16.1: Grundflamme
16.2: Zusatzflamme
16.3: Gesamtflamme
17: Dralllamellen
18: Rezirkulation
19: Hohlraum
20: Düsenstock
21: Steuerkopf
22: Zuleitung
23: Steuerleitung
24: Magnetventil
25: Hilfszylinder
26: Drucksteuerteil
27: Öl Grunddüse
28: Öl Zusatzdüse
29: Verteiler
30: Druckmeter
31: Grunddüsen radial
32: Zusatzdüsen radial
33: Versorgungsleitung
34: Versorgungsleitung
35: Ventil
36: Ventil
37: Gasdüsen
38: Zuleitung
39: Gasschieber
40: Sonderbrennstoff-/Additivdüse
41: Ölleitung
42: Gasleitung
43: Nadelventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0347834 [0006]
- EP 0857915 [0006]
- EP 0478305 [0007]
- EP 0347834 B1 [0021]

Claims

Verfahren zum Verbrennen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen mit Verbrennungsluft in einem Brennraum (15) – mit oder ohne in die Flamme rückgeführten Abgasen, – mit mehreren über Einzeldüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37) des zugeführten Brennstoffes gebildeten Einzelflammen (16.1 und 16.2); – mit einer durch die Summe der Einzelflammen (16.1 und 16.2) gebildeten Gesamtflamme (16.3) und – mit Steuerung der Verbrennungsluft in Menge und/oder Form entsprechend dem Verfahrensbedarf, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelflammen (16.1 und 16.2) in Bezug auf das Zentrum der Gesamtflamme (16.3) derart beabstandet sind und derart von voneinander entfernt angeordnet sind, dass die Gesamtflamme (16.3) stromab zu einer Stauscheibe eine zum Luftstrom hin offene Hohlflamme mit entsprechendem Hohlraum (19) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für die Steuerung der Verbrennungsluft diese zumindest teilweise zum Zentrum der Gesamtflamme (16.3) geleitet wird, wobei hierbei ein Stau bzw. ein Unterdruck durch die Stauscheibe (3) im Hohlraum (19) gebildet wird, und dass die Hohlflamme eine interne, innerhalb ihrer Höhlung (19) stattfindende Rezirkulation von Abgasen aufweist.
Verfahren insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelflammen aus Grundflammen (16.1) und Zusatzflammen (16.2) bestehen, von denen die Grundflammen der Zündung und Kontrolle der Zusatzflammen und damit der Gesamtflamme (16.3) dienen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung mindestens mancher Flammen über die Steuerung des Rückflusses des Brennstoffes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr zu mindesten 3 Einzeldüsen unabhängig voneinander zu- und/oder abschaltbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des zu mindestens einer der Einzeldüsen zugeführten Brennstoffes änderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenänderung bis auf Null möglich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einzelflammen (Grundflamme und/oder Zusatzflamme) ihre eigene Zündeinrichtung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch im Strom der Verbrennungsluft zum äußeren Randbereich der Gesamtflamme hin angeordnete Mittel (3, 5) eine Rezirkulation (18) von Abgas auch auf der Außenseite der Flammen stattfindet.
Verfahren insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einleiten von schwer- und/oder nicht brennbaren Stoffen (Ölen, Additiven, Harnstoff odgl.) in die Höhlung (19) der Hohlflamme eine Sonderverbrennung oder Entgiftungsreaktion stattfindet von nicht für die Flammenerzeugung vorgesehenen Sonderstoffen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffe für die Sonderverbrennung ins Zentrum des Hohlraumes (19) der Hohlflamme geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sonderverbrennung für sich nicht selbständig brennbare, für die Flammenerzeugung geeignete Stoffe (Glycerin, Schwachgase usw.) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Flammenentgiftung Additive (Harnstoffe, Wasser-Dampf odgl.) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonderverbrennung in Art einer Nachbrennung nach Abschalten der Gesamtflamme oder Einzelflamme stattfindet.
Brennereinrichtung für Öl und/oder Gas als Brennstoff zur Bildung von Einzelflammen (16.1 und 16.2) oder einer Gesamtflamme (16.3), – mit einem in Strömungsrichtung (14) zur Flamme hin offenen Flammrohr (1), – mit mit Abstand zueinander sowie zum Zentrum des Flammrohres (1) innerhalb desselben und eines Konus (5) angeordneten Einzeldüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37) für die Einspritzung, Zerstäubung bzw. Einleitung des Brennstoffes, – mit Brennstoffleitungen (8, 12, 22, 23, 38, 41, 42) zu den Einzeldüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37), – mit Steuereinrichtungen (10, 24, 35, 26, 35, 36, 39) in den Brennstoffleitungen (8, 12, 22, 23, 38, 41, 42) für die Steuerung des Brennstoffes, – mit einer der Förderung der Verbrennungsluft dienenden Luftgebläseeinrichtung und – mit einem im Strom der Verbrennungsluft vorhandenen, die Strömung der Luft steuernden Strömungssteuermittel (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungssteuermittel eine Stauscheibe (3) jeweils zentral zum Luftstrom und zu den Einzeldüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37), angeordnet ist, wodurch ein Unterdruck im zentralen Bereich der Gesamtflamme zur Erzeugung eines Flammenhohlraumes gebildet wird.
Brennereinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauscheibe (3) eine zentrale Öffnung (4) aufweist, die zentral zum Luftstrom und zu den Einzeldüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37), angeordnet ist.
Brennereinrichtung insbesondere nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein rohrförmiges, für die Brennstoffdüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37) gemeinsames Flammrohr (1) stromauf des Flammbereichs vorgesehen ist und dass in diesem gemeinsamen Flammrohr (1) neben den Einzeldüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37) mehrere Zusatzdüsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37) mit Abstand zueinander und mit Abstand von der zentralen Achse des Flammrohres (1) angeordnet sind.
Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuereinrichtung in mindestens einer der Brennstoffleitungen (8, 12, 22, 23, 38, 41, 42) ein elektrisch betätigtes Ventil oder betätigter Schieber (10, 24, 35, 26, 35, 36, 39) angeordnet ist.
Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der zu den Düsen zugeführten Brennstoffmenge in mindestens einer der Brennstoffleitungen ein Mengensteuerventil angeordnet ist.
Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Brennstoffdüsen außer der Zuleitung (22, 23) eine Rückleitung (8, 12) für den Brennstoff aufweist, in welcher eine Steuereinrichtung (26) für eine Rückströmmenge an Brennstoff angeordnet ist.
Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Düsen (Einzeldüse, Grunddüse, Zusatzdüse 2, 27, 28, 31, 32 und 37) unabhängig vom Brennstoff auf mindestens einem Kreis nebeneinander angeordnet sind, dessen Mittelpunkt weitgehend im Zentrum der Stauscheibe (3) liegt.
Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitungen (8, 12, 22, 23, 38, 41, 42) zu den Grunddüsen (27, 31) und/oder Zusatzdüsen (28, 32) von jeweils einer mit der Brennstoffquelle verbundenen, für sich steuerbaren Zentralleitung abzweigen und dass in den Abzweigleitungen jeweils eine Steuereinrichtung für die Mengensteuerung des Brennstoffes (35, 36, 10) angeordnet ist.
Brennstoffeinrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine kombinierte Anordnung von Öldüsen (2, 27, 28) und Gasdüsen (31, 32, 37) vorgesehen ist und dass die Grunddüse und die Zusatzdüse als Öldüse bzw. Gasdüse dient.
Brennstoffeinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Öldüse koaxial innerhalb der Gasdüse angeordnet ist.
Brennereinrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zentral zu den die Hohlflamme bildenden Düsen (2, 27, 28, 31, 32 und 37) im Flammrohr (1) eine Sonderdüse (40) angeordnet ist, zur Einleitung nichtbrennbarer Additive oder zur Sonderverbrennung von schwerbrennbaren Sonderbrennstoffen.
Brennereinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonderdüse (40) eine in den hohlen Bereich der Flamme hereinragende Lanze aufweist zur Zuführung der Nichtbrennstoffe in die eine Rezirkulation der Abgase aufweisende Hohlflamme.
Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonderdüse (40) einen Vorlauf sowie einen Rücklauf für den Nichtbrennstoff aufweist.
Brennereinrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonderdüse (40) hydraulisch betätigbar ist.