DE202014004013U1

DE202014004013U1 - Brenner

Info

Publication number: DE202014004013U1
Application number: DE202014004013.3U
Authority: DE
Original assignee: BRINKMANN IND FEUERUNGSSYSTEME GmbH; BRINKMANN INDUSTRIELLE FEUERUNGSSYSTEME GmbH
Current assignee: BRINKMANN IND FEUERUNGSSYSTEME GmbH; BRINKMANN INDUSTRIELLE FEUERUNGSSYSTEME GmbH
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2024-05-15

Abstract

Brenner zur Vermischung und Verbrennung von zumindest 2 Verbrennungsmedien, insbesondere von Luft und einem heißen Schwachgas als Brenngas, mit mindestens einer Brennerdüse (23, 24), die koaxial zueinander angeordnete Rohre (12, 13) zur Zufuhr der Verbrennungsmedien (14, 16) zu einem Verbrennungsraum (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse als Ansaugdüse konzipiert ist und ein Innenrohr (12) und ein Außenrohr (13) aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind und die einen Ringspalt bilden, dass die Austrittsöffnung des Innenrohres (12) innerhalb des Außenrohres (13) liegt und als Injektordüse (15) ausgebildet ist, dass das Außenrohr (13) in den Verbrennungsraum (10) mündet und dass das Außenrohr (13) im Bereich der Austrittsöffnung der Injektordüse (15) eine konische Querschnittsverengung (17) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Vermischung und Verbrennung von zumindest 2 Verbrennungsmedien, insbesondere von Luft und einem Schwachgas als Brenngas, mit mindestens einer Brennerdüse, die koaxial zueinander angeordnete Rohre zur Zufuhr der Verbrennungsmedien zu einem Verbrennungsraum aufweist.
Brenner dieser Art werden beispielsweise in der EP 0 907 868 B1 beschrieben.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Brenner, der zur Verarbeitung von heißen Brennstoffgemischen geeignet ist, die in Industrieprozessen wie zum Beispiel der Kohlemahltrocknung oder bei der Biomassevergasung anfallen. Vielfach sind solche Brennstoffgemische nieder- bis mittelkalorig, d. h. diese besitzen Heizwerte zwischen 1 und 5 kWh/Nm³. Nicht selten sind Brennstoffgemische dieser Art mit Bioölspuren (wie zum Beispiel Teer) und Feinstaub (wie zum Beispiel Biokohle) behaftet und unterliegen oft einem niedrigen bis negativen Druck (bis –20 mbar) und einer hohen Temperatur bis 1000°C. Eine Möglichkeit solche Brennstoffgemische zu einem Brenner zur Energiegewinnung zu führen besteht darin, hitzebeständige Druckerhöhungsgebläse oder Ventilatoren einzusetzen, was jedoch den Verbrennungsprozess häufig unwirtschaftlich macht. Vielfach werden geeignete Gebläse oder Ventilatoren erst gar nicht angeboten, so dass eine herkömmliche Nutzung der genannten Brennstoffgemische nicht effizient möglich erscheint.
Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass Brennstoffgemische mit hoher Temperatur zunächst gekühlt bzw. durch Beimischung von kaltem Medium ins Brennstoffgemisch transportfähig gemacht werden. Auch dieser Weg ist mit relativ hohen Kosten verbunden.
Ein weiteres Problem stellt sich bei der energetischen Verwertung von niederkalorigen, oft kontaminierten Brennstoffen dadurch, dass neben einer sicheren und stabilen Verbrennung ein schadstoffarmer Brennerbetrieb vorgeschrieben wird.
Soweit eine energieeffiziente Nutzung bei gleichzeitig schadstoffarmer Verbrennung nicht möglich ist, werden Brennstoffgemische abgefackelt bzw. in die Atmosphäre geleitet, womit deren Energie vergeudet wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Abhilfe der genannten Probleme zu schaffen und insbesondere einen Brenner für eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Verwertung von heißen, niederkalorigen Brennstoffgemischen zu benennen.
Diese Aufgabe wird durch einen Brenner nach Anspruch 1 gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ansaugdüse ein Innenrohr und ein Außenrohr aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind und einen Ringspalt bilden, dass die Austrittsöffnung des Innenrohres innerhalb des Außenrohres liegt und als Injektordüse ausgebildet ist, dass das Außenrohr in den Verbrennungsraum mündet und dass das Außenrohr im Bereich der Austrittsöffnung der Injektordüse eine konische Querschnittsverengung aufweist.
Bei diesem Brenner wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass mittels einer Injektordüse eine Unterdruckzone erzeugt werden kann, die umgebende Medien ansaugt. Die Ansaugdüse besitzt zwei koaxial zueinander gebaute Rohre mit einem definierten Ringspalt. Das Außenrohr ist an der Austrittsseite länger als das Innenrohr, das eine Austrittsöffnung aufweist, die als Injektordüse ausgebildet ist, wodurch ein hoher Austrittsimpuls geliefert wird. Das Außenrohr besitzt im Bereich der Austrittsöffnung der Injektordüse eine konische Querschnittsverengung, an welche sich in Richtung des Verbrennungsraums eine Querschnittserweiterung anschließt. Vorzugsweise weist die Querschnittsverengung des Außenrohres einen Konuswinkel von 10° bis 15° auf. An diese Verengung schließt sich eine Querschnittserweiterung an, die vorzugsweise konisch ausgestaltet ist und einen Konuswinkel zwischen 4° und 7°, vorzugsweise von 5° besitzt. Die Austrittsöffnung des Außenrohrs mündet unmittelbar in den Brennerraum.
Weiterhin vorzugsweise liegt die Austrittsöffnung der Injektordüse im Bereich der Querschnittsverengung des Außenrohres.
Fakultativ kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine weitere ringförmige äußere Gaszufuhr vorgesehen sein, die sich um das Außenrohr herum erstreckt und die vorzugsweise im Mündungsbereich zum Verbrennungsraum Drallkörper besitzt, die ein einströmendes Fluid verdrallt in den Verbrennungsraum führt.
Alternativ zu der vorgeschriebenen Ausbildung kann auch auf der Zentralachse des Verbrennungsraumes ein in den Verbrennungsraum einragender Verteilerkörper, angeordnet sein, das über eine separate Zufuhr beschickbar ist, innen hohl ist, einen geschlossenen Kopf aufweist und Öffnungen auf seiner Kontur für eine radiale und/oder tangentiale Fluidausströmung Kontur besitzt.
Um einen Ansaugeffekt für ein Brenngas, das über den Ringspalt zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr zugeführt wird, zu schaffen, ist vorzugsweise das Innenrohr der Ansaugdüse mit einer Treibmediumquelle verbunden, über die ein Treibmedium unter Druck zugeführt wird. Dieses Treibmedium kann gasförmig oder flüssig sein. Beispielsweise kann Treibluft mittels eines Radialventilators eingeblasen werden, womit beim Austritt des Treibmediums aus der Injektordüse ein statischer Unterdruck im umgebenden Außenrohr hervorgerufen wird. Durch eine gezielte Regelung des Druckes und der Menge des Treibmediums im Innenrohr kann der Unterdruck im Außenrohr beeinflusst werden, so dass er unter dem Druckniveau des an das Außenrohr angeschlossenen Mediums liegt. Mit dieser Maßnahme wird ein Ansaugen des Mediums zum Außenrohr, beispielsweise des Schwachgases ohne Verwendung eines hitzebeständigen Druckerhöhungsgebläses möglich. Das über den Ringspalt zwischen Innenrohr und Außenrohr angesaugte Medium vermischt sich mit dem Treibmedium des Innenrohres. Das derart entstandene Gemisch erfährt vor der engsten Stelle des Außenrohres einen höheren statischen Druck und wird durch die nachfolgende Querschnittserweiterung mit hoher Ausströmgeschwindigkeit in den Brennraum geleitet, wo es gezündet und verbrannt wird. Die genauen Mengen und Drücke des Treibmediums im Innenrohr, die für die Ansaugung definierter Mengen des Gasgemisches, das über das Außenrohr gefördert werden soll, erforderlich sind, können empirisch oder halbempirisch bestimmt werden. Über die Fördermengen, die Fördergeschwindigkeit sowie die Drücke des Treibmittels lassen sich die entsprechend notwendigen Unterdrucke im Außenrohr erzeugen. Abhängig von der erforderlichen Brennerleistung und der anzusaugenden Gasgemischmenge kann der Brenner eine einzige Ansaugdüse oder mehrere Ansaugdüsen besitzen, die prinzipiell identisch aufgebaut sind.
Das Treibmedium, das gasförmig oder flüssig sein kann, dient in erster Linie dazu, das Schwachgas anzusaugen. Das zur Verbrennung notwendige Oxidationsmittel, das Luft, reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff eingereichter Luft sein kann, kann über das Außenrohr und/oder eine weitere ringförmige äußere Gaszufuhr und/oder über ein Verteilerrohr zugeführt werden. Eine weitere ringförmige äußere Gaszufuhr ist in das Außenrohr angeordnet und besitzt vorzugsweise im Mündungsbereich zum Verbrennungsraum Drallkörper, die eine Verdallung eines einströmenden Fluid in den Verbrennungsraum hervorrufen. Alternativ zu dieser ringförmigen äußeren Gaszufuhr oder zusätzlich kann eine weitere separate Zufuhr vorgesehen sein, die ein auf der Zentralachse des Verbrennungsraumes angeordneten Verteilerkörper speist, der in den Verbrennungsraum hineinragt, einen geschlossenen Kopf aufweist und Öffnungen auf seinen Kontur für eine radiale und/oder tangentiale Fluidausströmung besitzt. Vorzugsweise wird über die beiden letztgenannten Einrichtungen ein Oxidator zugefügt.
Das Oxidationsmittel kann komplett oder auch anteilig als Treibmedium in das Innenrohr der Ansaugdüse geführt werden oder alternativ separat in den Brennraum. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen
1 bis 3 jeweils Prinzipskizzen von erfindungsgemäßen Brennern in einer Querschnittsansicht.
Das in einem Verbrennungsraum 10 zu verbrennende Gasgemisch wird über mindestens eine Brennerdüse zugefügt. In den 1 und 2 ist jeweils nur eine Brennerdüse dargestellt, es können jedoch auch mehrere Brenner verwendet werden. Das Gasgemisch, welches das Schwachgas sowie einen Oxidator enthält, wird im Brennraum gezündet, was über nach dem Stand der Technik bekannte Zündeinrichtungen, die hier nicht näher beschrieben werden, durch Pfeil 11 angedeutet wird.
Die Brennerdüse oder Brennerdüsen münden in folgender Weise in den Verbrennungsraum 10. Wie in 1 dargestellt besitzt die Brennerdüse ein Innenrohr 12 sowie ein Außenrohr 13, die koaxial zueinander angeordnet sind. Das Innenrohr, über welches das Treibmedium (siehe Pfeil 14) zugeführt wird, besitzt am Austrittsende eine Injektordüse 15, die durch eine konische Querschnittsverjüngung gebildet wird. Das Außenrohr, über welches (siehe Pfeil 16) ein Gasgemisch, das das zu verbrennende Schwachgas enthält, sowie weitere Gase zugeführt werden, verjüngt sich venturidüsenartig, d. h. dass das Außenrohr eine Querschnittsverengung 17 besitzt, die über einen Konuswinkel von beispielsweise 13° gebildet wird. Hieran schließt sich eine Querschnittserweiterung 18 an, die durch einen Konuswinkel von beispielsweise 5° gebildet wird. Die Austrittsöffnung der Injektordüse 15 des Innenrohres 12 liegt bevorzugt im Bereich der Querschnittsverengung des Außenrohres 13. Die Öffnung des Außenrohres mündet unmittelbar in den Verbrennungsraum 10.
In 2 ist prinzipiell derselbe Aufbau vorgesehen, allerdings ist zusätzlich ein drittes Rohr 19 als weiteres Außenrohr vorgesehen, das eine äußeren Ringspalt 20 bildet, an dessen Austrittsende zum Verbrennungsraum 10 hin Drallelemente 21 vorgesehen sind, durch welche der über den Ringspalt 20 zugeführte Gasstrom (siehe Pfeil 27), der vorzugsweise ein Oxidationsmittel ist oder enthält, verdrallt in den Verbrennungsraum eingebracht wird. Auf diese Weise werden das Schwachgas, das über den Ringspalt zwischen Außenrohr 13 und Innenrohr 12 geführt wird, und das Oxidationsmittel homogen miteinander vermischt. Das Treibmedium dient im Wesentlichen dazu, das heiße Brenngas anzusaugen ohne dass zu dessen Vortrieb unmittelbar wirkende hochtemperaturbeständige Ventilatoren verwendet werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform nach 3 sind zwei Ansaugdüsen 23, 24 abgebildet, die einen Aufbau nach 1 oder 2 besitzen und eine Mehrzahl von Ansaugdüsen auf einem Kreisring um einen Verteilkörper 25 andeuten. Zusätzlich ist eine Oxidator-Zufuhr 28 vorgesehen, die in ein Verteilerkörper 25 mündet, der innen hohl ist, einen geschlossenen Kopf hat und auf seinem Außenmantel Austrittsöffnungen 26 besitzt, durch welche das Oxidationsmittel radial bzw. tangential in den Verbrennungsraum 10 strömt, wo es sich mit dem durch die Brennerdüsen 23 und 24 zugeführten Gasgemisch vermengt und verbrennt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0907868 B1 [0002]

Claims

Brenner zur Vermischung und Verbrennung von zumindest 2 Verbrennungsmedien, insbesondere von Luft und einem heißen Schwachgas als Brenngas, mit mindestens einer Brennerdüse (23, 24), die koaxial zueinander angeordnete Rohre (12, 13) zur Zufuhr der Verbrennungsmedien (14, 16) zu einem Verbrennungsraum (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse als Ansaugdüse konzipiert ist und ein Innenrohr (12) und ein Außenrohr (13) aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind und die einen Ringspalt bilden, dass die Austrittsöffnung des Innenrohres (12) innerhalb des Außenrohres (13) liegt und als Injektordüse (15) ausgebildet ist, dass das Außenrohr (13) in den Verbrennungsraum (10) mündet und dass das Außenrohr (13) im Bereich der Austrittsöffnung der Injektordüse (15) eine konische Querschnittsverengung (17) aufweist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung (17) des Außenrohres (13) einen Konuswinkel von 10° bis 15° aufweist und sich an diese Verengung (17) in Richtung zum Verbrennungsraum (10) eine Querschnittserweiterung (18) anschließt, die vorzugsweise konisch ausgebildet ist und einen Konuswinkel von 4° bis 7°, vorzugsweise von 5° besitzt.
Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Injektordüse (15) vorzugsweise im Bereich der Querschnittsverengung (17) des Außenrohres (13) liegt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine weitere ringförmige äußere Gaszufuhr (20), die um das Außenrohr (13) herum angeordnet ist und die vorzugsweise im Mündungsbereich zum Verbrennungsraum (10) Drallkörper (21) besitzt, die ein einströmendes Fluid verdrallt in den Verbrennungsraum (10) einbringen.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über eine separate Zufuhr ein auf der Zentralachse des Verbrennungsraumes (10) angeordneter Verteilerkörper (25) in den Verbrennungsraum (10) hineinragt, der innen hohl ist, einen geschlossenen Kopf aufweist und Öffnungen auf seiner Kontur für eine radiale und/oder tangentiale Fluidausströmung besitzt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (12) der Ansaugdüse mit eine Treibmediumquelle verbunden ist, über die ein Treibmedium unter Druck zugeführt wird.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (13) der Ansaugdüse mit einer Schwachgasquelle verbunden ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das für den Verbrennungsprozess notwendige Oxidationsmittel Luft, reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft ist, die über das Innenrohr (12) und/oder die weitere ringförmige äußere Gaszufuhr (20) und/oder über das Verteilerkörper (25) zugeführt wird.
Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Oxidationsmittel über das Innenrohr (12) zuführbar ist und als Treibmedium dient.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (12) mit flüssigem und/oder gasförmigem Treibmittel beschickbar ist.