DE3916142A1 - Verfahren zum verbrennen eines brennstoff-primaerluft-gemisches sowie gasbrenner und gliederkessel zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Primärluft-Gemisches und erstreckt sich damit im Zusammenhang auch auf zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Gasbrenner und Gliederkessel.

Bekanntlich kann mit einer stufenweisen Verbrennung eines Brennstoff-Primärluft-Gemisches eine erhebliche Verringerung des Stickoxid-Anteiles in den Abgasen einer solchen Verbrennung erzielt werden. Eine solche stufenweise Verbrennung erfolgt beispielsweise dadurch, daß man in einer ersten Stufe nur eine unvollkommene Verbrennung durchführt und erst in einer folgenden Stufe eine vollständige Verbrennung eintreten läßt, die dann auch die in der ersten Stufe unverbrannten, nicht oxidierten Bestandteile umfaßt. Dieser Nachverbrennung wird Sekundärluft zugeführt, um eine vollständige Oxidation zu erreichen.

Allerdings hat diese Vorgangsweise den Nachteil, daß jene Leitwände, die der Sekundärluft den Zutritt zur ersten Ver­ brennungsstufe sperren und diese Sekundärluft der zweiten Verbrennungsstufe zuleiten sollen, einer erheblichen Erhitzung unterliegen, wobei durch diese Erhitzung neuerlich die Gefahr einer Schadstoffentwicklung, insbesondere der Entwicklung von NO _x , verursacht wird.

Außerdem tritt der Nachteil ein, daß sich durch Zufuhr heißer Sekundärluft die Flammen der Verbrennung verlängern, so daß die Abmessungen der für eine solche Verbrennung vorgesehenen üblichen Brennräume nicht ausreichen.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile zunächst verfahrensmäßig dadurch vermieden, daß einem oberhalb der Flammenwurzeln gelegenen Bereich der Verbrennung gekühlte Sekundärluft zu­ geführt wird.

Eine solche Kühlung des Nachverbrennungsbereiches trägt zu einer erheblichen Verringerung der bei der Verbrennung ent­ stehenden Schadstoffe bei, indem sie einerseits die Temperatur im Flammenbereich selbst verringert, anderseits aber auch die Temperatur der dem stufenweise gegliederten Verbrennungsvor­ gang zugeführten Sekundärluft. Durch den letztgenannten Effekt ergibt sich eine vorteilhafte Verkürzung der Brenner­ flammen und damit wird in weiterer Folge die Möglichkeit er­ schlossen, die Stufenverbrennung innerhalb eines Brennraumes mit üblichen Abmessungen durchführen zu können.

Aus der US-PS 10 79 826 ist bereits ein plattenförmiger, gas­ beheizter Wasserheizer bekannt, dessen Gasaustrittsöffnungen von der Plattenunterseite her über Gaszufuhrleitungen mit Brenngas versorgt werden und der an seiner Oberseite ein System wasserführender Kanäle trägt, das die Gasaustritts- Öffnungen beidseitig flankierende Wandungen bildet, zwischen denen die Gasaustrittsöffnungen scharenweise münden. Die als Wände mit Rechteckquerschnitt gestalteten, wasserführenden Wandungen dieses Kanalsystems sind jedoch ihrer Form und Anordnung nach für eine gezielte Zufuhr von Sekundärluft in den Flammenbereich dieses Heizgerätes ungeeignet, sie bilden vielmehr enge und schmale Vertiefungen, in denen die Brennerflammen gewissermaßen "versenkt" angeordnet sind, so daß nicht einmal ihre Versorgung mit Primärluft gewähr­ leistet erscheint, zumal der Brenner mit purem Brenngas betrieben werden soll.

Demgegenüber sind bei einem zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens geeigneten atmosphärischen Gasbrenner mit einer mit einem Gas-Primärluft-Gemisch gespeisten Brenner­ kammer, deren Wandung an ihrer Oberseite von Gemischaustritts­ öffnungen durchsetzt ist, an denen die Brennerflammen mit einem unteren Bereich ansetzen, in den oberen Bereich dieser Brennerflammen gerichtete, kühlmittelführende Hohlräume ein­ schließende Sekundärluftführungen für diesem Bereich zu­ zuführende Sekundärluft vorgesehen.

Bei einem zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Glieder­ kessel, der aus Kesselgliedern mit einem den Brennraum unter­ seitig begrenzenden wasserführenden Teil besteht, kann dieser Teil die Kühlmittelführung und eine durch eine von Gemisch­ austrittsöffnungen durchsetzte Brennerplatte begrenzte Brennerkammer einschließen, wobei diese Brennerplatte den Boden eines Troges bildet, der von aufwärtsragenden Seiten­ wänden begrenzt ist, die sich bis in den Bereich der Brenner­ flammen erstrecken und dadurch erfindungsgemäß gestaltete Sekundärluftführungen verkörpern.

Zahlreiche weitere Erfindungsmerkmale sind nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert und bilden Gegenstände der Unteransprüche. In diesen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten atmosphärischen Gasbrenner und die

Fig. 3 bis 6 verschiedenerlei Ausführungsformen solcher Gasbrenner gleichfalls in Querschnitten.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen Teil eines solchen Gasbrenners.

Fig. 8 stellt einen solchen Gasbrenner schaubildlich dar und

Fig. 9 ist ein Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8.

Fig. 10 ist die Seitenansicht des Kesselgliedes eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeigneten Gliederkessels und

Fig. 11 ist ein Querschnitt durch dessen unteren Teil nach der Linie XI-XI der Fig. 10.

Bei allen dargestellten Gasbrennern ist die eine Brennerplatte 1 bildende Wandung der Brennerkammer 2 von Gemischaustritts­ öffnungen 3 durchsetzt, an denen die mit dem Gas-Luft-Gemisch gespeisten Brennerflammen 4 ansetzen.

Beidseits dieser, meist ebenen, Brennerplatte 1 sind nun die beispielsweise gemäß Fig. 1 und 2 aus flankierenden Wülsten od.dgl. Erhebungen bestehenden Sekundärluftführungen 6 ange­ ordnet, deren Querschnittskontur so gewählt und gestaltet ist, daß sie die Sekundärluftströme 5 in den oberen Bereich B, der Brennerflammen 4 leiten, also in einen Bereich, in dem eine Nachverbrennung der bei der Verbrennung im Flammenbereich A unverbrannt gebliebenen Brennstoffes erfolgt und der etwa oberhalb der Flammenkerne liegt. Dadurch wird im Sinne der Erfindung die Schadstoffemission wesentlich verringert, weil der Nachverbrennung gekühlte Sekundärluft zuströmt.

Die Höhe der Sekundärluftführungen 6 gegenüber der Brenner­ platte 1 kann so bemessen sein, daß die über diese ziel­ führend profilierten Führungen 6 einwärts gegen die Brenner­ flammen 4 einströmenden Sekundärluftströme 5 exakt in jenen Bereich B zielen, indem die Nachverbrennung mit dem gewünschten Resultat stattfinden soll und optimale Wirkung zeitigt.

Die Sekundärluftführungen 6 sind hohl und führen in ihren Hohl­ räumen ein Kühlmittel, vorzugsweise ein zu beheizendes Wasser, dessen Wärme sich in Wärmetauschern für beliebige Zwecke verwerten läßt.

Die Verbrennung des der Brennerkammer 2 zugeführten Gas-Primär­ luft-Gemisches erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Prinzip insofern zweistufig, als unmittelbar oberhalb der Gemisch­ austrittsöffnungen 3 im Bereich A zunächst in einer ersten Stufe nur eine unvollständige Verbrennung des Vorgemisches erfolgt, das eine Luftzahl unterhalb 1 aufweisen kann. Die Abgase bzw. unverbrannten Bestandteile dieser unvollkommenen Verbrennung gelangen dann in den höhergelegenen Flammenbereich B, dem die Sekundärluft zugeführt wird, und dieses Gemisch mit einer erhöhten, oberhalb 1 liegenden Luftzahl kann dann in diesem höheren Bereich B in der zweiten Stufe einer voll­ ständigen und dementsprechend schadstoffarmen Nachverbrennung unterzogen werden.

Fig. 2 zeigt, wie sich ein Gasbrenner nach dem von Fig. 1 dar­ gestellten prinzipiellen Aufbau in der Praxis mit geringem Aufwand anfertigen läßt. Dieser Gasbrenner kann aus zwei vorgeformten Blechen 7 und 8 zusammengesetzt werden, wobei das von Gemischaustrittsöffnungen 3 durchsetzte Blech 7 die Oberseite der Brennerkammer 2, also die Brennerplatte 1, und die gewölbten Oberteile der beiden das Kühlmittel enthaltenden Sekundärluftführungen 6 verkörpert und das Blech 8 den gewölbten Unterteil der Brennerkammer 2 und die ebenen Unterseiten der beiden Sekundärluftführungen 6 bildet. Diese beiden Bleche 7 und 8 lassen sich problemlos durch längs­ verlaufende Schweißnähte 9 miteinander zu dem von Hohl­ räumen durchzogenen Gasbrenner verbinden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Gasbrenners, derzufolge die Brennerkammer 2 von der Wandung eines Brennerstabes mit kreisrundem Querschnitt gebildet wird und an die Flanken dieses Brennerstabes sichelförmig profilierte Sekundärluft­ führungen 6 ansetzen, die die abgeflachte, von den Gemisch­ austrittsöffnungen 3 durchsetzte Brennerplatte 1 der Brenner­ kammer 2 seitlich mit senkrechten Wandteilen 10 begrenzen.

Fig. 4 stellt eine Ausführungsform eines Gasbrenners dar, bei der beidseits der ebenen Brennerplatte 1 von den Seiten­ wänden 11 der Brennerkammer 2 verkleidete rohrförmige Kühl­ mittelleitungen verlaufen, die die Sekundärluftführungen 6 bilden.

Fig. 5 zeigt eine Brennerkammer 2 mit senkrecht und eben, zueinander parallel verlaufenden Seitenwänden 11, an denen kühlmittelführende Sekundärluftführungen 6 flächig anliegend befestigt sind.

Ähnlich ist die Ausführungsform des Gasbrenners nach Fig. 6, die sich bloß dadurch von jener nach Fig. 5 unterscheidet, daß die oberen und unteren Bereiche der Sekundärluftführungen 6 mit einem etwa halbkreisförmigen Profil ausgerundet sind, um die gezielten Sekundärluftströme 7 entstehen zu lassen. Ferner ist bei dieser Ausführungsform die Brennerplatte 1 der Brennerkammer 2 gewölbt profiliert, um auch dadurch die Sekundärluftströme 7 in den Bereich B der Brennerflammen 4 zu richten.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Brennerplatte 1 der von einer Gasdüse 13 über ein Mischrohr 12 mit dem Gas- Primärluft-Gemisch gespeisten Brennerkammer 2 in Abständen voneinander angeordnete Gruppen von Gemischaustrittsöffnungen 3 aufweist.

Bei einer solchen Gliederung der Gemischaustrittsöffnungen 3 können auch in den Abständen zwischen den einzelnen Gruppen der Gemischaustrittsöffnungen 3 kühlmittelführende Sekundär­ luftführungen 6 angeordnet und mit den längsverlaufenden Sekundärluftführungen 6 zu einem Umlaufsystem verbunden sein.

Die gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 als Stabbrenner ausgebildete Brennerkammer 2 wird von dem an eine ihrer beiden Stirnseiten ansetzenden Mischrohr 12 mit dem Brennstoff-Primärluft-Gemisch versorgt, das über die in der Brennerplatte 1 vorgesehenen Gemischaustrittsöffnungen 3 aus der Brennerkammer 2 austritt und, sobald es gezündet wurde, die Brennerflammen 4 nach Fig. 9 speist.

Dieser die Brennerkammer 2 bildende Stabbrenner befindet sich innerhalb eines Troges 14, dessen Seitenwände 15 sich gemäß Fig. 9 etwa bis in die Höhenmitte der Brennerflammen 4 er­ strecken, so daß die Sekundärluftströme 5 etwa in diesen Bereich B der Nachverbrennung geführt werden.

In der Höhenmitte jeder Seitenwand 15, also etwa im Höhen­ bereich der Flammenwurzeln und der Gemischaustrittsöffnungen 3 verläuft eine Kühlmittelführung 16.

Wie die Fig. 8 zeigt, können diese Kühlmittelführungen 16 der beiden Seitenwände 15 miteinander zu einem Umlaufsystem querverbunden sein, wobei die eine Führung als Vorlauf 17 und die andere als Rücklauf 18 dieses Systems dient.

Die Seitenwände halten die Sekundärluft von dem mit dem Gas- Primärluft-Gemisch gespeisten Bereich A fern und leiten sie dem Bereich B der Nachverbrennung gekühlt zu.

Das in den Fig. 10 und 11 dargestellte Kesselglied 19 eines aus solchen Kesselgliedern zusammensetzbaren Gliederkessels ist als dessen Mittelglied einsetzbar und weist einen Vorlauf­ anschluß 17 und einen Rücklaufanschluß 18 auf. Dieses Kesselglied 19 umschließt mit einer Kühlmittelführung 16 den Brennraum 20 des Gliederkessels und trägt in seinem Bodenbereich eine von Gemischaustrittsöffnungen 3 durchsetzte Brennerplatte 1, die eine Brennerkammer 2 begrenzt.

Diese Brennerplatte 1 bildet den Boden eines von aufwärts­ weisenden Seitenwänden 15 begrenzten Troges 14, wobei sich diese Seitenwände 15 bis in Bereich der Flammenkerne der Brennerflammen 4 erstrecken.

Der die Kühlmittelführung 16 und die Brennerkammer 2 enthaltende sowie den Trog 14 bildende untere Teil des Kesselgliedes 19 ist - wie die Fig. 11 zeigt - schmäler als das Kesselglied 19 selbst, so daß zwischen den unter­ seitigen Teilen benachbarter Kesselglieder 19 Führungen 6 für Sekundärluftströme 5 entstehen.

Der Brennerkammer 2 wird das Brennstoff-Primärluft-Gemisch über eine seitliche Öffnung 21 mittels einer im Abstand von deren Einlaß 22 angeordneten Gasdüse 13 zugeführt.

Claims (16)

1. Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Primärluft- Gemisches, dadurch gekennzeichnet, daß einem oberhalb des Bereiches (A) der Flammenwurzeln gelegenen Bereich (B) der Verbrennung gekühlte Sekundärluft zugeführt wird.

2. Atmosphärischer Gasbrenner zur Durchführung des Ver­ fahrens nach Anspruch 1 mit einer mit einem Gas-Primärluft- Gemisch gespeisten Brennerkammer, deren Brennerplatte von Gemischaustrittsöffnungen durchsetzt ist, an denen die Brennerflammen mit ihrem unteren Bereich (A) ansetzen, gekennzeichnet durch in den oberen Bereich (B) dieser Brennerflammen (4) gerichtete, kühlmittelführende Hohlräume einschließende Sekundärluftführungen (6) für diesem Bereich (B) zuzuführende Sekundärluft (Fig. 1 bis 11).

3. Gasbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Sekundärluftführungen (6) in den Bereich der Flammenkerne oder in einen oberhalb dieser Flammenkerne gelegenen Bereich gerichtet sind (Fig. 1 bis 11).

4. Gasbrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beidseits der von Gemischaustrittsöffnungen (3) durchsetzten Brennerplatte (1) der Brennerkammer (2) über das Niveau dieser Brennerplatte (1) ausragende Sekundärluft­ führungen (6) vorgesehen sind, die den Bereich der Brenner­ flammen (4) seitlich begrenzen (Fig. 1 bis 11).

5. Gasbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerkammer (2) von einer unterseitig an die von den Gemischaustrittsöffnungen (3) durchsetzte Brenner­ platte (1) anschließenden Schale gebildet ist, an die beid­ seits aus oberseitigen Schalen bestehende, kühlmittelführende Sekundärluftführungen (6) ansetzen (Fig. 1, 2).

6. Gasbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerkammer (2) und die beiden seitlichen Sekundär­ luftführungen (6) aus zwei vorgeformten Blechen (7, 8) zusammengesetzt sind, von denen ein Blech (7) die von den Gemischaustrittsöffnungen (3) durchsetzte Brennerplatte (1) der Brennerkammer (2) und die gewölbten Oberteile der beiden Sekundärluftführungen (6) und das andere Blech (8) den gewölbten Unterteil der Brennerkammer (2) und die ebenen Unterseiten der beiden Sekundärluftführungen (6) bildet (Fig. 2).

7. Gasbrenner nach Anspruch 2 oder 3 mit einer runden, vorzugsweise kreisrund profilierten Brennerkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die an deren Flanken flächig und konform ansetzenden, sichelförmig profilierten Sekundärluftführungen (6) die Brennerplatte (1) der Brennerkammer (2) mit senkrechten Wandteilen (10) beidseitig begrenzen (Fig. 3).

8. Gasbrenner nach Anspruch 2 oder 3 mit einer trog­ förmigen Brennerkammer, gekennzeichnet durch beidseits einer ebenen Brennerplatte (1) als Sekundärluftführungen (6) verlaufende, gegebenenfalls verkleidete Kühlmittelleitungen, z.B. Kühlrohre (Fig. 4).

9. Gasbrenner nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch polygonal, vorzugsweise rechteckig, profilierte, an ebenen Flanken der Brennerkammer (2) flächig anliegende und über deren Brennerplatte (1) ausragende, als Sekundärluft­ führungen (6) dienende Kühlmittelführungen (Fig. 5).

10. Gasbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der obere Bereich dieser Kühlmittelführungen (6) mit einem, z.B. halbkreisförmigen Profil, ausgerundet ist (Fig. 6).

11. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Brennerplatte (1), die mit Abständen voneinander in Gruppen angeordnete Gemischaustritts­ öffnungen (3) aufweist, innerhalb dieser Abstände querver­ laufende kühlmittelführende Sekundärluftführungen (6) ange­ ordnet sind, die die längsverlaufenden, flankierenden, kühlmittelführenden Sekundärluftführungen (6) miteinander zu einem Umlaufsystem verbinden (Fig. 7).

12. Gasbrenner nach Anspruch 2 mit einer als Stabbrenner ausgebildeten Brennerkammer, deren Oberseite von Gemisch­ austrittsöffnungen durchsetzt ist und die innerhalb eines Troges angeordnet ist, dessen Seitenwände sich aufwärts bis in den Bereich der Brennerflammen der Brennerkammer erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß diese Seitenwände (15) mit Kühlmittelführungen (16) ausgebildet sind (Fig. 8, 9).

13. Gasbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Seitenwand (15) zumindest eine Kühlmittel­ führung (16) ausgebildet ist, die etwa im Höhenbereich der Flammenwurzeln bzw. der Gemischaustrittsöffnungen (3) der Brennerplatte (1) verläuft (Fig. 8, 9).

14. Gasbrenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelführungen (16) der beiden Seitenwände (15) zu einem Umlaufsystem mit Vorlauf (17) und Rücklauf (18) miteinander quer verbunden sind (Fig. 8).

15. Gliederkessel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus Kesselgliedern mit einem den Brenn­ raum unterseitig begrenzenden wasserführenden Teil, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil außerdem eine durch eine Brennerplatte (1) begrenzte Brennerkammer (2) einschließt, wobei diese Brennerplatte (1) den Boden eines Troges (14) bildet, der von aufwärtsragenden Seitenwänden (15) begrenzt ist, die sich aufwärts bis in den Bereich der Brennerflammen (4) erstrecken (Fig. 11).

16. Gliederkessel nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die Wasserführung (16) enthaltende sowie die Brennerkammer (2) und den Trog (14) bildende untere Teil der Kesselglieder (19) eine geringere Breite aufweist als das Kesselglied (19) selbst, so daß zwischen diesen unterseitigen Teilen jeweils einander benachbarter, mit ihren Stirnseiten aneinanderliegender Kesselglieder (19) Führungen (6) für Sekundärluftströme (5) gebildet werden (Fig. 11).