DE3830038A1

DE3830038A1 - Brenner und verfahren zu seinem betreiben

Info

Publication number: DE3830038A1
Application number: DE3830038A
Authority: DE
Inventors: Karl Herbert Dipl Ing Klug
Original assignee: GASWAERME INST EV
Current assignee: GASWAERME INST EV
Priority date: 1988-09-03
Filing date: 1988-09-03
Publication date: 1990-03-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bren ners, bei dem Brennstoff und Verbrennungsluft einem Flammen halter zugeführt werden. Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechenden Brenner.

Bekanntlich besteht ein ursächlicher Zusammenhang zwischen der NO_x-Bildung und der Verbrennungstemperatur. Um die NO_x- Emissionen zu reduzieren, ist man daher bestrebt, die Ver brennungstemperatur herabzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbrennungstem peratur niedrig zu halten und damit die NO_x-Bildung zu ver mindern.

Hierzu ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekenn zeichnet, daß dem Flammenhalter ein Primäranteil des Brenn stoffs zur überstöchiometrischen Verbrennung zugeführt wird und daß der Rest des Brennstoffs zur Eigenkarburierung erwärmt und als Sekundäranteil in mindestens einer Stufe stromab des Flammenhalters in die Flamme eingegeben wird.

Erfindungsgemäß wird also mit einer Stufenverbrennung gearbei tet. Die erste Stufe bildet die Verbrennung am Flammenhalter. Diese Verbrennung ist stark überstöchiometrisch und läuft daher bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ab. Hieran schließt sich mindestens eine zweite Stufe an. Der für eine bestimmte Luftzahl erforderliche Brennstoff kann jedoch auch in einer größeren Anzahl von Stufen zugegeben werden. Zwischen den einzelnen Zugabestufen legen die Flammengase einen be stimmten Weg zurück und erhalten hierbei die Möglichkeit, Wärme nach außen hin abzugeben. Die Verbrennungstemperatur jeder Stufe liegt daher unterhalb desjenigen Wertes, der sich bei der Zugabe des Brennstoffs in einer einzigen Stufe ein stellen würde. Die Reaktionswärme wird gezielt freigesetzt, was zu einer exakten Einhaltung der gewünschten Heizflächenbe lastung führt.

Von wesentlicher Bedeutung ist ferner der Effekt der Eigenkar burierung, der sich durch die Erwärmung des Sekundäranteils des Brennstoffes ergibt. Der Brennstoff wird aufgespalten, wobei unter anderem Ruß entsteht. Dadurch wird der Strahlungs emissionsgrad der Flamme deutlich erhöht, was wiederum zu einer Absenkung der Flammentemperatur führt. Außerdem erhält der Brennstoff die Fähigkeit, das in der vorhergehenden Ver brennungsstufe gebildete NO_x teilweise wieder zu reduzie ren.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich grundsätzlich auf beliebige Brennstoffe anwenden. Besondere Vorteile, insbeson dere im Hinblick auf den Effekt der Eigenkarburierung, ergeben sich bei der Verbrennung von Erdgas. Die Spaltung tritt bei Temperaturen von 600 bis 650°C auf, und es wurde beobachtet, daß die an sich blaue Flamme unter Verbesserung der Strah lungseigenschaften eine intensive gelbe Färbung annimmt.

Eine bevorzugte Verfahrensführung ergibt sich dadurch, daß der Sekundäranteil des Brennstoffs von der Flamme erwärmt wird. Die Aufbereitung des Sekundäranteils des Brennstoffs erfolgt also durch die Verbrennung des Primäranteils.

Erfindungsgemäß kann der Sekundäranteil des Brennstoffs radial in die Flamme eingegeben werden. Dies ist von außen her mög lich. Vorteilhafter hingegen ist es, wenn der Sekundäranteil des Brennstoffs zentral in die Flamme eingegeben wird. Man erzielt dadurch eine sehr gut Durchmischung und gleichmäßige Verteilung.

Um den letztgenannten Effekt zu steigern, kann in der Flamme eine Drallströmung erzeugt werden.

Auch der Primäranteil des Brennstoffs kann erfindungsgemäß radial in die Verbrennungsluft eingegeben werden. Dies ist wiederum von außen her möglich. Vorteilhafter ist es jedoch auch hier, daß der Primäranteil des Brennstoffs zentral in die Verbrennungsluft eingegeben wird.

Schließlich läßt sich die Verbrennungstemperatur erfindungsge mäß dadurch weiter absenken, daß stromab des Flammenhalters Inertgas in die Flamme eingesaugt wird. Das Inertgas wirkt als Kühlgas.

Die Erfindung schafft ferner einen insbesondere nach dem vor stehenden Verfahren betreibbaren Brenner mit einem Flammenhal ter, einem den Flammenhalter umgebenden Gehäuse, daß stromauf des Flammenhalters eine Luftführung aufweist, und einer Zufüh rungseinrichtung für Brennstoff, die im Bereich des Flammen halters mit mindestens einer Austrittsöffnung versehen ist, wobei dieser Brenner erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zuführungseinrichtung für Brennstoff stromabwärts über den Flammenhalter hinaus verlängert ist und in dem ver längerten Bereich mindestens eine Austrittsöffnung aufweist. Die Zuführungseinrichtung teilt den Brennstoff in einen Pri märanteil, der am Flammenhalter mit der Verbrennungsluft über stöchiometrisch verbrennt, und einen Sekundäranteil, der sich auf seinem Weg durch den verlängerten Bereich der Zuführungs einrichtung bis zur Eigenkarburierung erwärmt und in gespalte nem Zustand in die Flamme eintritt. Zwischen dem Flammenhalter und der Eintrittsstelle des Sekundäranteils hat die Flamme bereits Wärme an die Umgebung abgegeben. Die Temperatur liegt also vergleichsweise niedrig. Sie erhöht sich auch nicht unzu lässig, da der karburierte Brennstoff die Strahlungseigen schaften der Flamme verbessert. Erfindungsgemäß kann mit einer beliebigen Anzahl von Stufen gearbeitet werden.

Vorzugsweise ist die Zuführungseinrichtung für Brennstoff als durch den Flammenhalter hindurchgehende Lanze ausgebildet. Sie durchsetzt die heißen Flammenbereiche und führt ganz natürlich zu einer Aufheizung des Sekundäranteils des Brennstoffs.

Erfindungsgemäß kann das stromab gelegene Ende der Lanze eine axiale Austrittsöffnung auweisen. Alternativ oder zusätzlich schlägt die Erfindung vor, daß die Lanze in ihrem stromabwärts über den Flammenhalter hinaus verlängerten Bereich mindestens einen Ring radialer Austrittsöffnungen aufweist. Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal weist die Lanze auch im Bereich des Flammenhalters mindestens einen Ring radialer Austritts öffnungen auf. In jedem Falle wird für eine gleichmäßige Ver teilung und gute Durchmischung gesorgt. Die Abmaße der Aus trittsöffnungen der Lanze sind so aufeinander abgestimmt, daß sich in den einzelnen Stufen der Verbrennung die jeweils ge wünschten Luftzahlen einstellen.

Eine vorgegebene Unterteilung in den Primäranteil und Sekun däranteil ergibt sich erfindungsgemäß auch dadurch, daß der stromauf gelegene Bereich der Lanze von einem Hüllrohr umgeben ist, welches im Bereich des Flammenhalters endet und die hier vorgesehene Austrittsöffnung für Brennstoff aufweist. Das Hüllrohr wird mit dem Primäranteil beaufschlagt, während die Lanze lediglich den Sekundäranteil führt.

Das Hüllrohr kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung an seinem stromab gelegenen Ende offen sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Hüllrohr mindestens einen Ring radialer Öffnungen aufweisen.

Aus verbrennungstechnischen Gründen, insbesondere aus Gründen der Flammenstabilität, wird man den Primäranteil des Brenn stoffs stromauf des Flammenhalters in die Verbrennungsluft einleiten. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die ent sprechenden Austrittsöffnungen geringfügig stromab des Flam menhalters vorzusehen. Letzterer arbeitet dann im wesentlichen nur noch als Stauscheibe.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Brenner dadurch gekenn zeichnet, daß das den Flammenhalter umgebende Gehäuse stromab des Flammenhalters eine Flammenführung bildet, die sich min destens über einen Teil der Länge der Zuführungseinrichtung für Brennstoff erstreckt. Im Falle eines Impulsbrenners wird man die gesamte Brennstoffzufuhr in das innere der Flammenfüh rung legen. Bei Deckenstrahlern hingegen besteht durchaus die Möglichkeit, die Lanze aus der Flammenführung herausragen zu lassen. Vorteilhafterweise ist die Lanze dabei hinter dem Ende der Flammenführung zu einer trichterförmigen Austrittsöffnung erweitert.

Um die Möglichkeit zu bieten, daß Kühlgas in die Flamme einge saugt wird, kann das Gehäuse erfindungsgemäß im Bereich der Flammenführung Injektordüsen aufweisen.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß der Flammenhalter als Drallscheibe ausgebildet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Zusammen hang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 2 die Einzelheit A aus Fig. 1, jedoch in abgewandel ter Ausführungsform;

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 4 den Brenner nach Fig. 3 in leicht abgewandelter Form;

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners.

Nach Fig. 1 umfaßt der Brenner ein Gehäuse 1, in welchem ein Flammenhalter 2 angeordnet ist. Stromauf des Flammenhalters bildet das Gehäuse 1 eine Luftführung 3 und stromab des Flam menhalters eine Flammenführung 4. Durch den Flammenhalter 2 hindurch erstreckt sich eine Zuführungseinrichtung für Brenn gas in Form einer Lanze 5.

Die Lanze 5 ist stromauf des Flammenhalters 2 mit Austritts öffnungen 6 für einen Primäranteil des Brenngases versehen. Dieser Primäranteil wird auf dem Flammenhalter 2 stark über stöchiometrisch verbrannt.

Im Abstand stromab des Flammenhalters 2 weist die an ihrem Ende geschlossene Lanze 5 weitere Austrittsöffnungen 7 auf, und zwar für einen Sekundäranteil des Brenngases. Bevor die Flammengase vom Flammenhalter zu den Austrittsöffnungen 7 gelangen, haben sie bereits Wärme abgegeben und dementspre chend ihre Temperatur vermindert. Wird nun der Sekundäranteil des Brenngases durch die Öffnungen 7 in die Flammengase einge führt, so bleibt die Verbrennungstemperatur niedrig im Ver gleich zu einer Verbrennung, bei der das gesamte Brenngas an einer einzigen Stelle in die Verbrennungsluft eingetragen wird. Über der Länge der Lanze 5 können beliebig viele Stufen für das Einbringen des Sekundäranteils des Brenngases in die Flammengase vorgesehen sein.

Der Sekundäranteil des Brenngases wird auf seinem Weg durch die Lanze 5 von dem Flammenhalter 2 zu den Austrittsöffnungen 7 so stark erwärmt, daß eine Eigenkarburierung auftritt. Das Brenngas wird aufgespalten, und es entsteht unter anderem Ruß. Dadurch verbessern sich die Strahlungseigenschaften der Flam mengase. Ferner kommt es zu einer Teilreduktion des bei der vorangegangenen Verbrennungsstufe gebildeten NO_x.

Außerdem weist das Gehäuse 1 im Bereich der Flammenführung 4 Injektordüsen 8 auf, durch die Inertgas in die Flamme einge saugt wird, was zu einer Flammenkühlung und dementsprechend zu einer weiteren Verminderung der NO_x-Bildung führt.

Das Brenngas wird durch die Austrittsöffnung 6 und 7 zentral und radial von der Lanze 5 abgegeben. Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 2 sind die radialen Austrittsöffnun gen 7 ersetzt durch eine axiale Austrittsöffnung 9, die sich in dem im übrigen geschlossen, stromab gelegenen Ende der Lanze 5 befindet. Die Abmaße der Austrittsöffnungen sind so aufeinander abgestimmt, daß jede Stufe der Verbrennung die vorgesehene Brenngasmenge erhält.

Gemäß Fig. 3 werden Primär- und Sekundäranteil des Brenngases getrennt zugeführt. Der Sekundäranteil gelangt in die Lanze 5 und wird unter entsprechender Erwärmung zu den Austrittsöff nungen 7 transportiert. Für den Primäranteil ist ein Hüllrohr 10 vorgesehen, welches die Lanze 5 stromauf des Flammenhalters 2 umgibt. Im vorliegenden Fall sind die Austrittsöffnungen 6 für den Primäranteil des Brenngases im Hüllrohr 10 direkt stromauf des Flammenhalters 2 angeordnet.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich nur gering fügig von der nach Fig. 3. Anstelle der Austrittsöffnungen 6 ist das Hüllrohr 10 am stromab gelegenen Ende offen, so daß also der Primäranteil des Brenngases aus dem Ringraum zwischen Hüllrohr 10 und Lanze 5 auftritt, und zwar stromab des Flam menhalters 2. Ferner ist auch die Lanze 5 an ihrem stromab gelegenen Ende offen.

Die oben beschriebenen Ausführungsform stellen Impulsbrenner dar. Fig. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Deckenstrahler. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß die Lanze 5 über die Flammenführung 4 hinaus verlängert und zu einer trichterförmigen Austrittsöffnung 11 erweitert ist.

Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmöglich keiten gegeben. Dies gilt, wie bereits erwähnt, vor allem für die Anzahl der Verbrennungsstufen. Ferner können überall dort, wo in den Ausführungsbeispielen eine Lochreihe von Austritts öffnungen 6 oder 7 gezeigt ist, deren mehrere vorgesehen sein. Auch können axiale Austrittsöffnungen mit radialen Austritts öffnungen kombiniert werden. Der in der Zeichnung dargestellte Flammenhalter 2 ist vorzugsweise als Drallscheibe mit Tangen tialschlitzen ausgebildet. Es kommt jedoch auch jede andere Art von Flammenhaltern in Betracht.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kombina tionen der beanspruchten Merkmale, die von der beiliegenden Anspruchsfassung abweichen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners, wobei Brennstoff und Verbrennungsluft einem Flammenhalter zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flammenhalter ein Primäranteil des Brennstoffes zur überstöchiometrischen Verbrennung zugeführt wird und daß der Rest des Brennstoffs zur Eigenkarburierung erwärmt und als Sekundäranteil in mindestens einer Stufe stromab des Flammen halters in die Flamme eingegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundäranteil des Brennstoffs von der Flamme erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundäranteil des Brennstoffs radial in die Flamme eingegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sekundäranteil des Brennstoffs zentral in die Flamme eingegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Flamme eine Drallströmung erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Primäranteil des Brennstoffs radial in die Verbrennungsluft eingegeben wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Primäranteil des Brennstoffs zentral in die Verbrennungsluft eingegeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß stromab des Flammenhalters Inertgas in die Flamme eingesaugt wird.

9. Brenner mit einem Flammenhalter (2), einem den Flammen halter umgebenden Gehäuse (1), das stromauf des Flammenhalters eine Luftführung aufweist, und einer Zuführungseinrichtung für Brennstoff, die im Bereich des Flammenhalters mit mindestens einer Austrittsöffnung (6) versehen ist, dadurch gekennzeich net, daß die Zuführungseinrichtung für Brennstoff stromabwärts über den Flammenhalter (2) hinaus verlängert ist und in dem verlängerten Bereich mindestens eine Austrittsöffnung (7, 9, 11) aufweist.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungseinrichtung für Brennstoff als durch den Flammenhal ter (2) hindurchgehende Lanze (5) ausgebildet ist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das stromab gelegene Ende der Lanze (5) eine axiale Offnung (9) aufweist.

12. Brenner nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze (5) in ihrem strömabwärts über den Flammenhalter (2) hinaus verlängerten Bereich mindestens einen Ring radialer Austrittsöffnungen (7) aufweist.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lanze (5) im Bereich des Flammenhalters (2) mindestens einen Ring radialer Austrittsöffnungen (6) aufweist.

14. Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß der stromauf gelegene Bereich der Lanze (5) von einem Hüllrohr (10) umgeben ist, welches im Bereich des Flammenhalters (2) endet und die hier vorgesehene Austritts öffnung (6) für Brennstoff aufweist.

15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (10) an seinem stromab gelegenen Ende offene ist.

16. Brenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (10) mindestens einen Ring radialer Öffnungen aufweist.

17. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß das den Flammenhalter (2) umgebende Gehäuse (1) stromab des Flammenhalters eine Flammenführung (4) bildet, die sich mindestens über einen Teil der Länge der Zuführungs einrichtung für Brennstoff erstreckt.

18. Brenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze (5) hinter dem Ende der Flammenführung (4) zu einer trichterförmigen Austrittsöffnung (11) erweitert ist.

19. Brenner nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) im Bereich der Flammenfüh rung (4) Injektordüsen (8) aufweist.

20. Brenner nach Anspruch 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenhalter (2) als Drallscheibe ausgebildet ist.