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Die
Erfindung betrifft eine Nachverbrennungseinrichtung mit einem Brenner
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Thermische
Nachverbrennungsvorrichtungen sollen mit einem möglichst guten Wirkungsgrad, also
mit einer möglichst
geringen Brennerleistung, die in der zu entsorgenden Abluft mitgeführten Verunreinigungen
möglichst
vollständig
verbrennen. Unter dem Gesichtpunkt der vollständigen Verbrennung wäre eine
verhältnismäßig hohe
Temperatur der von dem Brenner erzeugten Flamme günstig; allerdings wächst mit
zunehmender Temperatur die Bildung von unerwünschten Stickstoffoxiden.
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Bei
bekannten Nachverbrennungseinrichtungen der eingangs genannten Art,
wie sie derzeit auf dem Markt zu finden sind, besitzt der Grundkörper der
Brenndüse
des Brenners einen verhältnismäßig kleinen
Durchmesser; die Hauptausströmöffnungen für das Brenngas
befinden sich direkt in dem Mantel des Grundkörpers. Im Betrieb bildet sich
um den Endbereich der Brenndüse
ein einheitlicher Flammenball, der bei einer bestimmten Brennerleistung zumindest
im Inneren eine unerwünscht
hohe Temperatur besitzt. Die Folge ist die Bildung unerwünschter
Stickoxide.
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Die
DE 44 06 369 A1 zeigt
eine Einrichtung der eingangs genannten Art mit der Besonderheit, daß eine Vielzahl
von achsparallelen Einzelbrennereinheiten vorgesehen ist, an deren
Mündung
Brenngas durch radiale Bohrungen in den Verwirbelungsraum von Drallschaufeln
austritt und dort Flammen bildet. Durch den Verwirbelungseffekt
ergibt sich eine starke Durchmischung, so daß diese Einrichtung mit relativ
niedriger Flammentemperatur betrieben werden kann. Dadurch ist die
Bildung unerwünschter Stickoxide
reduziert. Durch die Vielzahl von Einzelbrennereinheiten ist der
konstruktive Auwand relativ hoch.
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Zwei
Reihen von sternförmig
angeordneten Brennerdüsen
offenbart eine aus der
DE
33 18 860 A1 vorbekannte Nachverbrennungseinrichtung. Dem Brenner
wird hier Frischluft zugeführt,
die sich an den Brennerdüsen
mit dem Brenngas mischt, so daß dort sofort
eine brennfähige
Flamme entsteht, welche die außen
vorbeistreichende Abluft verbrennt. Auch mit der hier zusätzlich erforderlichen
Frischluftzufuhr ist ein erhöhter
konstruktiver Aufwand verbunden.
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Das
Ziel, Flammen mit niedriger Flammtemperatur zur Reduzierung von
Stickoxiden darzustellen, ist auch aus der
EP 0 738 854 A2 sowie der
US 5 494 437 erkennbar.
Diese Druckschriften befassen sich mit Brennern zur Wärmeerzeugung,
nicht jedoch mit Nachverbrennungseinrichtungen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Nachverbrennungseinrichtung
mit einem Brenner der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ohne Einbuße an Brennerleistung
die Bildung von Stickoxiden reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Hauptausströmöffnungen
in einem solchen radialen Abstand von der Achse des Grundkörpers angeordnet
sind und einen solchen Querschnitt aufweisen, daß sich bei dem bestimmten Druck
des zugeführten
Brenngases an den Hauptausströmöffnungen
Einzelflammen bilden, die sich gegenseitig im wesentlichen nicht überlappen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Nachverbrennungseinrichtung
wird also der Flammenball, der sich bei den Brennern nach dem Stande
der Technik findet, aufgelöst
in eine Vielzahl von Einzelflammen, von denen jede mit einer erheblich
niedrigeren Temperatur brennt als der bekannte Flammenball. Beim Verbrennen
der in der Abluft enthaltenen Verunreinigungen entstehen somit deutlich
weniger Stickoxide, was aus Umweltschutzgründen sehr erwünscht ist.
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Grundsätzlich könnte das
Ziel, statt eines zusammenhängenden
Flammenballs eine Vielzahl von Einzelflammen zu erzeugen, dadurch
erreicht werden, daß dem
Endbereich des Grundkörpers,
in dem die Hauptausströmöffnungen
vorgesehen sind, ein entsprechend großer Radius gegeben wird und
die Flächen
der Hauptausströmöffnungen
mit dem Gasdruck so abgestimmt werden, daß die unerwünschte Überlappung der Einzelflammen
vermieden wird. Allerdings ist die Zufuhr der zu entsorgenden Abluft
zu den Flammen bei dieser Ausgestaltung noch nicht optimal.
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Bevorzugt
wird daher eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher sich die
Hauptausströmöffnungen
an den Enden von Ausströmrohren
befinden, die von dem Grundkörper
sternförmig
nach außen
ragen. Die Abluft kann auf diese Weise durch die Zwischenräume zwischen
den Ausströmrohren
zu den Einzelflammen zuströmen.
Außerdem
können
die Zwischenräume
für die
Sichtüberwachung
der Flamme genutzt werden.
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Zweckmäßig ist
ferner, wenn in dem Deckel und/oder in dem deckelnahen Bereich des
Grundkörpers
mindestens eine kleinflächige
Durchtrittsöffnung vorgesehen
ist, wobei die Gesamtfläche
aller kleinflächiger
Durchtrittsöffnungen
im Deckel und/oder dem Grundkörper
kleiner als die Gesamtfläche
aller Hauptausströmöffnungen
ist. Durch diese Maßnahme
wird neben den die eigentliche Brennerleistung liefernden Einzelflammen,
die im wesentlichen radial gerichtet sind, eine etwa axial gerichtete
Zentralflamme erzeugt. Diese wird hauptsächlich im Zusammenwirken mit
einem Flammendetektor, beispielsweise einer UV-Diode oder einem
Ionisationsdetektor, dazu eingesetzt, die Flamme zu überwachen.
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Vorteilhaft
ist weiter, wenn in mindestens einem Ausströmrohr eine kleinflächige Durchtrittsöffnung für eine Zündflamme
bildendes Brenngas vorgesehen ist. Das aus dieser kleinflächigen Durchtrittsöffnung ausströmende Brenngas
wird bei Inbetriebnahme des Brenners einer geeigneten Zündvorrichtung
zugeführt.
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Der
erfindungsgemäße Effekt,
durch eine Verlagerung der Hauptausströmöffnungen für das Brenngas radial nach
außen
statt eines einzigen Feuerballes eine Mehrzahl von Einzelflammen
zu erzeugen, läßt sich
noch weiter dadurch verstärken,
daß eine
Verwirbelungseinrichtung vorgesehen ist, welche die die Brenndüse umströmende, schadstoffhaltige
Abluft in eine Wirbelströmung
versetzt. Die von dieser Wirbelströmung hervorgerufene Zentrifugalkraft
drängt
die Einzelflammen noch weiter nach außen; hierdurch erhöht sich
der Abstand zwischen den Einzelflammen und die mittlere Temperatur
sinkt weiter. Das Ergebnis ist ein noch geringerer Gehalt an Stickstoffoxiden
in der behandelten Abluft.
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Die
Verwirbelungseinrichtung umfaßt
zweckmäßigerweise
mindestens einen Satz von sich speichenartig radial nach außen erstreckenden
Schaufeln.
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Eine
noch bessere Wirkung wird erreicht, wenn die Verwirbelungseinrichtung
einen ersten Satz von Schaufeln, die sich zwischen einem die Brenndüse koaxial
umgebenden Brenndüsengehäuse und
einem Zwischenring erstrecken, und einen zweiten Satz von Schaufeln,
die sich zwischen dem Zwischenring und einem Außenring erstrecken, umfasst.
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Dabei
kann zumindest ein Teil der Schaufeln eine in sich tordierte Form
aufweisen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutort; es
zeigen
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1 schematisch
einen Brenner für
eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung;
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2 die
Draufsicht auf eine Verwirbelungseinrichtung, die bei dem Brenner
der 1 Verwendung findet;
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3 einen
Axialschnitt durch eine Brenndüse
für eine
thermische Nachverbrennungsvorrichtung;
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4 die
Draufsicht auf den Endbereich der Brenndüse von 1;
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5 die
Seitenansicht einer Schaufel einer in dem Brenner der 1 und 2 enthaltenen Verwirbelungseinrichtung.
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Der
in 1 dargestellte Brenner 10 ist so ausgebildet,
daß er
durch eine Öffnung
in dem isolierten Außengehäuse einer
thermischen Nachverbrennungsvorrichtung eingeführt werden kann. Er besitzt
hierzu ein Paßstück 11,
das selbst eine Isolierschicht enthalten kann und in montiertem
Zustand die Öffnung
in dem Außengehäuse der
thermischen Nachverbrennungsvorrichtung verschließt. Ein
zylindrisches Brennergehäuse 12 ragt
in den Innenraum der thermischen Nachverbrennungsvorrichtung hinein
und trägt
an seinem inneren Ende eine Verwirbelungseinrichtung, die insgesamt
das Bezugszeichen 13 trägt.
Einzelheiten dieser Verwirbelungseinrichtung 13 werden
weiter unten erläutert.
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In 1 ist
die Brennkammerwand 14 der thermischen Nachverbrennungsvorrichtung
im Bereich einer Öffnung 15 dargestellt,
in welcher ein zylindrisches Flammrohr 16 koaxial zum Brennergehäuse 12 befestigt
ist.
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Das
Brennergehäuse 12 wird
koaxial von einer Brenndüse 1 durchsetzt,
deren rechter Endbereich in den 3 und 4 in
größerem Maßstab dargestellt
ist. Dieser Endbereich ragt durch die Öffnung 15 der Brennkammerwand 14 in
die Brennkammer hinein. Die Brenndüse 1 wird von einer
außerhalb
des Paßstückes 11 angeordneten
Anschlußöffnung 17 mit
Brenngas versorgt.
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Die
Brenndüse 1 umfaßt einen
hohlzylindrischen Grundkörper 1a,
der an seinem der nicht dargestellten Brennkammer zugewandten Ende
durch einen Deckel 2 verschlossen ist. Der Deckel 2 wird von
drei kleinen Durchtrittsöffnungen 3,
die untereinander einen Winkelabstand von 120° aufweisen, durchstoßen.
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Auch
die Mantelfläche
des Grundkörpers 1a wird
von Durchtrittsöffnungen 4 durchsetzt,
die sich in einer einen verhältnismäßig geringen
Abstand von dem Deckel 2 besitzenden Ebene befinden. Wie
die 4 deutlich macht, besitzt die dargestellte Brenndüse 1 vier
derartige Durchtrittsöffnungen 4,
die voneinander einen Winkelabstand von jeweils 90° aufweisen.
Die Funktion der Durchtrittsöffnungen 3, 4 wird
weiter unten erläutert.
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In
größerem axialem
Abstand von dem Deckel 2 sind in den Mantel des Grundkörpers 1a insgesamt
8 Durchtrittsöffnungen 5 eingebracht,
die einen deutlich größeren Durchmesser
als die Durchtrittsöffnungen 3 und 4 besitzen.
Die Durchtrittsöffnungen 5 besitzen
voneinander einen Winkelabstand von jeweils 45°. Auf die Außenfläche des Grundkörpers 1 sind,
koaxial zu den Durchtrittsöffnungen 5,
acht Ausströmrohre 6 aufgesetzt,
die sternförmig
radial nach außen
ragen. Auch die Ausströmrohre 6 sind
an ihren radial außenliegenden
Enden jeweils durch einen Deckel 7 verschlossen, in dem
sich eine verhältnismäßig großflächige Hauptausströmöffnung 8 befindet.
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Das
in 3 rechte, offene Ende des Grundkörpers 1a der
Brenndüse 1 ist
mit einer Zuführleitung
für Brenngas
verbunden, in der sich vorzugsweise eine die Strömungsgeschwindigkeit erhöhende Venturidüse befindet,
wie dies an und für
sich bekannt ist.
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Die
auf dem innenliegenden Endbereich des Brennergehäuses 12 angebrachte
Verwirbelungseinrichtung 13 umfasst, wie insbesondere der 2 zu entnehmen
ist, einen ersten Satz von speichenartig auf der Außenmantelfläche des
Brennergehäuses 12 angebrachten,
sich radial ersteckenden Schaufeln 18, die mit ihren radial
außenliegenden
Enden an einem Zwischenring 19 befestigt sind. Zwischen
dem Zwischenring 19 und einem hierzu konzentrischen Außenring 20 erstreckt
sich ein weiterer Satz radial verlaufender Schaufeln 21,
deren Enden an dem Zwischenring 19 bzw. dem Außenring 20 festgelegt
sind.
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Die
Schaufeln 18 sind, wie insbesondere der 5 zu
entnehmen ist, in sich tordiert. Sie sind so zwischen dem Brennergehäuse 12 und
dem Zwischenring 19 bzw. zwischen dem Zwischenring 19 und
dem Außenring 20 angeordnet,
daß einer
ihrer längs
verlaufenden Ränder
(in Figur 5 der Rand 22) zur achsparallelen Richtung einen
Winkel von etwa 30° einschließt, während der
andere Rand (in 5 der Rand 22) mit
der achsparallelen Richtung einen Winkel von etwa 45° einschließt.
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Der
oben beschriebene Brenner arbeitet wie folgt:
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Das
Brenngas wird der Brenndüse 1 in 3 von
rechts her mit einem bestimmten Druck zugeführt. Es strömt dann hauptsächlich über die
verhältnismäßig großflächigen Durchtrittsöffnungen 5 im Mantel
des Grundkörpers 1a und über die
Ausströmrohre 6 zu
den Hauptausströmöffnungen 8.
Dort vermischt es sich mit der zu behandelnden, schadstoffhaltigen
Abluft, die in geeigneter Weise zugeführt wird, um eine Flamme zu
bilden. Der Druck des zuströmenden
Brenngases, der Radius, auf dem sich die Hauptausströmöffnungen 8 befinden,
sowie deren Größe sind
so aufeinander abgestimmt, daß sich an
den verschiedenen Hauptausströmöffnungen 8 jeweils
einzelne Flammen bilden, diese Flammen also nicht miteinander überlappen.
Jede dieser einzelnen Flammen bleibt auf diese Weise verhältnismäßig kühl. Durch
die keilförmigen
Zwischenräume
zwischen den Ausströmrohren 6 kann
die schadstoffhaltige Abluft günstig
herangeführt
werden.
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Die
Durchtrittsöffnungen 3 im
Deckel 2 und die diesen benachbarten Durchtrittsöffnungen 4 im Mantel
des Grundkörpers 1a erzeugen
eine Zentralflamme, über
welche jedoch verhältnismäßig wenig Brenngas
ausströmt.
Dies läßt sich
durch eine entsprechende Wahl der Querschnitte der Durchtrittsöffnungen 3, 4 im
Verhältnis
zum Querschnitt der Hauptausströmöffnungen 8 bestimmen.
Die Zentralflamme dient im wesentlichen nur der Flammenüberwachung;
sie wird hierzu von einem Flammensensor, beispielsweise einer W-Diode, "beobachtet".
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Wie 4 zeigt,
ist eines der Ausströmrohre 6 ebenfalls
mit einer kleinen Durchtrittsöffnung 9 versehen.
Das hier ausströmende
Brenngas wird bei Betriebsbeginn einer Zündvorrichtung zugeführt; die
so entstehende Flamme dient als Zündflamme für die radial gerichteten, aus
den Ausströmrohren 6 austretenden
Einzelflammen sowie die Zentralflamme.
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Die
Verwirbelungseinrichtung 13 versetzt die den Grundkörper 1a der
Brenndüse 1 umströmende, schadstoffhaltige
Abluft in eine Wirbelströmung.
Die durch diese Wirbelströmung
erzeugte Zentrifugalkraft sorgt dafür, daß die Flammen, die sich in
der Nähe
der Hauptausströmöffnungen 8 der
Ausströmrohre 6 bilden,
noch weiter radial nach außen
rücken und
auf diese Weise einen noch größeren Abstand voneinander
besitzen. Insgesamt brennt jede Einzelflamme der Brenndüse 1 bei
gleicher Gesamtleistung mit erheblich niedrigerer Temperatur als
der einheitliche Feuerball der bekannten Brenndüsen, in dem die aus den Durchtrittsöffnungen
der Mantelfläche
des Grundkörpers
ausströmenden
Abgase verbrannten. Die Verbrennungsgase enthalten daher sehr viel
weniger Stickstoffoxide als in bekannten thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen.