DE3923238A1 - Feuerung mit einer einrichtung zum rueckfuehren von verbrennungsprodukten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten oder Abgasen in Feuerungsanlagen zur Verbrennung von fließfähigen und gasförmigen Brennstoffen mit einer in einem Brennerrohr angeordneten Brennerdüse für die Zufuhr von Brennstoff, mit einer Einrichtung für die Zufuhr von Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer und mit einer Einrichtung zur Rückführung von Verbrennungs­ produkten oder Abgasen in die Verbrennungszone.

Feuerungsanlagen mit Einrichtungen zum Rückführen oder Führen im Kreislauf von Verbrennungsprodukten oder Abgasen dienen dem Zweck, eine möglichst vollständige Verbrennung zu erzielen. Ein weiterer Zweck ist darin zu sehen, die Temperatur im Feuerraum zu erniedrigen, um die Wände zu schützen. Darüber hinaus wird seit einiger Zeit besonderer Wert auf eine Verringerung der Emission von Stickoxiden gelegt. Der zu etwa 78% in der Verbrennungsluft enthalte­ ne Stickstoff oxidiert bei Temperaturen über ca. 1400°C teilweise zu Stickoxiden. Das heißt, will man eine über­ mäßige Produkten von Stickoxiden vermeiden, so sollte die Temperatur in der Verbrennungszone nicht über ca. 1370°C ansteigen. Die entsprechenden Zusammenhänge sind seit län­ gerer Zeit bekannt. Man versucht, die genannten Ziele durch Abgasrückführung zu erreichen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 20 14 248 wird eine Feuerungsanlage mit Abgasrückführung und zwei Verbrennungs­ zonen beschrieben. In die erste Verbrennungszone wird ein Gemisch aus Brennstoff und Luft zugeführt. Dabei ist der mit der Verbrennungsluft eingebrachte Sauerstoffanteil ge­ ringer als es für eine vollständige Verbrennung erforder­ lich wäre. Durch die Zufuhr von Stickoxid enthaltenden Ab­ gasen und durch Zufuhr eines Kühlmittels wird die Flammen­ temperatur in dieser Verbrennungszone unter 1390°C gehal­ ten. Dabei erscheint es offensichtlich, daß die Zugabe ei­ nes Kühlmittels nicht nur mit beträchtlichem zusätzlichem Aufwand verbunden ist, sondern darüber hinaus ergibt sich somit auch ein recht ungünstiger Wirkungsgrad, was dazu geführt hat, daß sich dieses Verfahren, insbesondere in Anbetracht knapper und teurer werdender Brennstoffvorräte, nicht durchsetzen konnte.

Das April-Heft 1973 der Zeitschrift "Energie" beschreibt auf der Seite 126 eine Feuerungsanlage mit zwei Verbren­ nungszonen, bei der auf die Zufuhr von Kühlmittel verzich­ tet wird. Wie bei der zuvor genannten Anlage erhält die erste Verbrennungszone ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit ei­ nem weniger als der stöchiometrischen Menge entsprechenden Sauerstoffanteil. Auch hierbei wird eine Rauchgasrückfüh­ rung in die Flammenzone vorgenommen. Die zweite Verbren­ nungszone zeichnet sich dadurch aus, daß hier der restli­ che Teil der für die vollständige Verbrennung erforderli­ chen Luft oberhalb des Brenners zugeführt wird. Bei dieser Konstruktion sind sowohl die Flammentemperatur als auch der Gehalt des Rauchgases an Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenstoff unbefriedigend. Eine Regelung zur Optimie­ rung dieser Parameter ist nicht vorhanden.

Diesen Mißstand versucht die deutsche Patentschrift 24 61 078 auszuräumen. Auch bei der darin beschriebenen Anlage erfolgt die Verbrennung in zwei unterschiedlichen Zonen, wobei die erste Zone ebenfalls eine für eine voll­ ständige Verbrennung zu geringe Sauerstoffmenge enthält. Die Rauchgasbeimischung erfolgt ebenfalls in dieser Ver­ brennungszone. Die Verbrennungszone 1 wird von einem Luft­ mantel umgeben und führt zur Verbrennungszone 2, wo die restliche Verbrennung erfolgen soll. Die Rauchgasrückfüh­ rung wird auf mehrfache Weise vorgenommen: Hauptsächlich wird aus dem Schlot Abgas entnommen und über ein Rohrsystem mittels einer Pumpe in die Verbrennungszone 1 befördert. Auch werden Verbrennungsprodukte auf zwei wei­ teren unterschiedlichen Wegen aus dem vorderen Flammenbe­ reich entnommen und in die Verbrennungszone 1 zurückge­ führt.

Unverständlicherweise wird eine gründlichere Durchmischung des Luft-Brennstoff-Rauchgasgemisches erst hinter der Ver­ brennungszone 1 vorgenommen. Hier soll über ein querge­ stelltes gitterförmiges Rohrsystem eine Verwirbelung er­ folgen und weiterer Sauerstoff zugeführt werden. Die große Anzahl unterschiedlicher Maßnahmen legt die Vermutung nahe, daß sich mit geringerem Aufwand der gewünschte Er­ folg nicht einstellen würde.

Die stickoxidhaltigen Verbrennungsprodukte ergeben sich nicht nur durch Oxidation des Luftstickstoffs, sondern auch aus der Verbrennung z.B. staubförmiger Brennstoffe. Die deutsche Patentschrift 29 08 427 hat sich zur Aufgabe gemacht, die Bildung von Stickoxiden insbesondere aus der Verbrennung staubförmiger fester Brennstoffe zu verringern. Auch hierbei wird zwischen zwei Verbrennungszonen unter­ schieden, wobei in die Primärzone außer Brennstoff eine im Verhältnis 0,5-0,9 unterstöchiometrische Menge Verbren­ nungsluft eingeführt wird. Die zur vollständigeren Ver­ brennung erforderliche Restluft wird erst in einer Nach­ verbrennungszone, die sich etwa ein bis zwei Mantelrohr­ durchmesser stromab entfernt befindet, in die Flamme ge­ lenkt. Für die Abgasrückführung sind keine besonderen Vor­ kehrungen getroffen: Es heißt, daß eine Rauchgasrückfüh­ rung durch den Impuls der Flamme erfolgen soll. Wie das im einzelnen geschehen könnte, und ob das überhaupt geschieht, wird nicht näher erläutert.

Hier greift nun die Erfindung ein. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Abgasrückführung zu beschrei­ ben, die bei aller Einfachheit derartig regelbar ist, daß sich bei optimalem Wirkungsgrad eine Minimierung der Schadstoffemission ergibt.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der besondere Wert der Erfindung ist in einer weitgehenden Verhinderung von Schadstoffen aller Art zu sehen. Sowohl Stickoxide als auch Kohlenmonoxid und Kohlenstoff sind nur noch in vernachlässigbaren Größenordnungen im Abgas ent­ halten. In Verbindung mit einer weitgehend vollständigen Verbrennung konnte der Wirkungsgrad optimiert werden.

Zunächst wurde durch die teilweise Rückführung der Abgase in die Verbrennungszone die Flammentemperatur soweit ver­ ringert, daß eine Oxidation von molekularem Luftstickstoff praktisch unterbunden wurde. Aus der Verbrennungszone er­ folgt die Wärmeabgabe in Form von Wärmestrahlung. Hinter der Verbrennungszone werden die noch heißen Abgase an den Wänden der Verbrennungskammer entlang bis an den Brenner­ kopf zurückgeführt, wobei sie weitere Wärmeenergie durch Konvektion abgeben. Auf diese Weise wird nicht nur eine Abgasrückführung, sondern auch ein optimaler Wärmetransfer an den Heizkessel erreicht. Die rückgeführten Abgase kom­ men, außer mit den Wänden der Verbrennungskammer, nur mit dem Brennerkopf in Berührung. Da zusätzliche Aggregate, wie z.B. Rückführleitungen, Abgaspumpen und dergleichen, nicht vorhanden sind, ist ein Verrußen bzw. eine Korrosion derartiger Einrichtungen von vornherein ausgeschlossen.

Trotz der einfachen Bauweise sind die Parameter der Ver­ brennung reproduzierbar und zuverlässig durch Verschieben der Stauscheibe einstellbar.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brennerkopf,

Fig. 2 den Ausschnitt 2 aus Fig. 1 im Maßstab 2 : 1 ver­ größert,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Brennerrohr (und durch das Führungsrohr) im Bereich der Abgasinjektionsöffnun­ gen,

Fig. 4 den Anschnitt 4-4 aus der Fig. 1 mit der ringförmi­ gen Scheibe zwischen Brennerrohr und Mischkanälen mit vier Durchlaßöffnungen für Primärluft,

Fig. 5 und Fig. 6 verschiedene Ausführungsbeispiele eines Kreisseg­ ments der Ansicht 5 aus der Fig. 1 im Maßstab 2 : 1 vergrößert.

Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfin­ dung zeigt einen Brennerkopf 10 mit einem Brennerrohr 12 und vier koaxial darin befindlichen Mischkanälen 14, die beide mittels ringförmigen Platten 16 miteinander verbun­ den sind. Das Brennerrohr 12 weist zwei konische Verengun­ gen 12a und 12b auf. Für die Zerstäubung des Brennstoffs befindet sich mittig innerhalb der Mischkanäle 14 die Brennstoffdüse 18.

Am vorderen Ende der Mischkanäle 14 ist vor der Brennstoff­ düse 18 eine axial verschiebbare Stauscheibe 20 angebracht. Die Stauscheibe 20 hat einen zylindrischen Rand 20a als Sitz zur Verstellung der Stauscheibe 20 innerhalb der Mischkanalmündung 14. Der axiale Stellweg 22 der Stau­ scheibe 20 ist in Fig. 2 angegeben. In der Mitte weist die Stauscheibe 20 vorzugsweise eine sternförmige Öffnung auf, durch die der aus der Brennstoffdüse 18 austretende Brenn­ stoff 19 in die Verbrennungskammer 44 gelangt. Die Stau­ scheibe 20 bildet eine Einheit mit dem Zündelektrodenpaar und ist auf dem axial verstellbaren Düsenstock mit der Öl­ druckzerstäubungsdüse oder der Gasdosierdüse 18 fest ver­ schraubt.

Zwischen der sternförmigen Öffnung und dem Rand 20a der Stauscheibe 20, wie sie aus der DE-PS 35 42 174 bekannt geworden ist, sind Schlitze angeordnet, deren Ränder über einen Anstellwinkel verfügen. Wird nun Verbrennungsluft, sogenannte Primärluft 32, in Richtung auf die Verbrennungs­ kammer 44 getrieben, so muß die Verbrennungsluft 32 durch die Schlitze der Stauscheibe 20 hindurchströmen. Dabei er­ gibt sich durch die angestellten Kanten der Schlitze eine starke Verwirbelung der hindurchtretenden Verbrennungsluft 32, wodurch eine kräftige Durchmischung mit den einge­ spritzten Brennstoffpartikeln 19 erfolgt. Hier, in der Durchmischungszone Öl/Luft 40, beginnt auch die Verbren­ nungszone 44. Eine unterstöchiometrische Dosierung der zu­ geführten Verbrennungsluft 32 bewirkt, daß der Luftsauer­ stoff so knapp bemessen ist, daß eine Verbrennung der Stickstoffmoleküle der Luft zu Stickoxiden nahezu vermie­ den wird.

Der für eine vollständige Verbrennung erforderliche Luft­ sauerstoff wird über ringförmig angeordnete Luftbeschleu­ nigungs-Düsen 30, die in der ringförmigen Platte 16 zwi­ schen Brennerrohr 12 und Mischkanal 14 eingelassen sind, am peripheren Rand in die Verbrennungszone 44 befördert. Diese Düsen 30 sind in vier Segmenten zu jeweils fünf Dü­ sen zusammengefaßt. Korrespondierend zu den Düsen 30 be­ finden sich im sich verjüngenden Teil des Brennerrohres 12 ringförmig angeordnet mehrere Öffnungen, sogenannte Abgas­ injektionsöffnungen 26, die ebenfalls zu vier Segmenten mit jeweils vier Öffnungen zusammengefaßt sind. Diese der Abgasinjektion dienenden Öffnungen 26 befinden sich je­ weils zwischen zwei Düsen 30 als Bohrungen, vorzugsweise in dem Erweiterungsbereich des Brennerrohres 12. Mittels der durch die Düsen 30 eingeführten ( sekundären) Verbren­ nungsluft entsteht hinter den Düsen 30 ein Niederdruck 36, der bewirkt, daß Abgas 46 aus der Verbrennungszone 44 in­ nerhalb der Verbrennungskammer 42 außen am Brennerrohr 12 entlang zurückgeführt wird und sich mit der sekundär zuge­ führten Verbrennungsluft vermischt, d.h. eine abgasange­ reicherte Sekundärluft 38 ergibt, die durch den Mischkanal 14 nach vorne und weiter durch den ringförmigen Spalt 24 zwischen dem Brennerrohr 12 und zylindrischem Rand 20a der Stauscheibe 20 in die Verbrennungszone 44 gelangt, wo nun­ mehr eine vollständige Verbrennung der restlichen unver­ brannten Kohlenstoffpartikel und Kohlenmonoxidbestandteile zu Kohlendioxid erfolgt. Wegen der Verdünnung der Verbren­ nungsgase durch einen Abgasanteil wird eine Überhitzung der Flamme vermieden. Da sich Stickoxide aus molekularem (Luft-) Stickstoff erst bei höherer Temperatur (über 1370°C) bildet, wird auf diese Weise die Entstehung von nennenswerten Mengen an Stickoxiden unterdrückt. Zur Mini­ mierung der Schadstoffemission kann die Beimengung der mit Abgas 46 angereicherten Sekundärluft mittels des verschiebbaren Randes 20a der Stauscheibe 20 eingestellt werden, denn die axial verschiebbare Stauscheibe 20 regu­ liert den freien Querschnitt des Ringspalts 24 zwischen Brennerrohr 12 und Mischkanal 14. Gleichzeitig steuert die Stauscheibe 20 den Querschnitt der unverdünnten ( Primär-)Luftzuführung 32 im Bereich der mischkanalfreien Ringspaltzone, so daß das Verhältnis zur abgasangereicher­ ten Sekundärluft 38 über den gesamten Leistungsbereich des Ölbrenners konstant bleibt.

In Fig. 4 sind vier Mischkanäle 28 zu sehen, die jeweils mit fünf Luftbeschleunigungsdüsen 30 bestückt sind (Fig. 5). Die vier Mischkanalsegmente 28 dienen gleichzeitig zur zentrischen Halterung der Stauscheibe 20.

Jeweils auf Lücke zwischen den Beschleunigungsdüsen 30 be­ finden sich die Abgasinjektionsöffnungen 26 (Fig. 3, Fig. 5). Eine andere Ausführungsform der erfinderischen Luftbe­ schleunigungsdüsen 30 zeigt Fig. 6, wo mehrere Einzeldüsen zu einer Breitbanddüse zusammengefaßt sind. Diese Form ist für den Kleinleistungsbereich bis ca. 50 kW angezeigt, weil ein Austrittsdruckmesser von unter 5 mm wegen der größeren Reibungsverluste die Abgasinjektionsrate verrin­ gern würde und somit ein Ausgleich nur durch erhöhten Luftstaudruck möglich wäre, was zu einer Überdimensionie­ rung des Luftventilators führen müßte.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten oder Abgasen in Feuerungsanlagen zur Verbrennung von fließfähigen und gasförmigen Brennstoff

• - mit einer in einem Brennerrohr angeordneten Brenner­ düse für die Zufuhr von Brennstoff,
• - mit einer Einrichtung für die Zufuhr von Verbrennungs­ luft in die Verbrennungskammer
• - und mit einer Einrichtung zur Rückführung von Verbren­ nungsprodukten oder Abgasen in die Verbrennungszone,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß sich an der Innenseite des Brennerrohres (12) Dü­ sen (30) befinden (zur Beschleunigung eines Teiles der Verbrennungsluft (32), und zur Erzeugung eines Niederdrucks (36) hinter diesen Düsen (30)),
• - und daß in der Wandung des Brennerrohres (12) im Be­ reich der Austrittsöffnungen der Düsen (30) Öffnungen (26) zur Injektion von Verbrennungsprodukten (46) in den Niederdruckbereich (36) und zur Weiterbeförderung über einen zwischen dem Brennerrohr (12) und dem äußeren Rand (20a) einer Stauscheibe (20) befindli­ chen Ringspalt (24) in die Verbrennungszone (44) an­ geordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Ringspalts (24) zwischen der koni­ schen Mündung des Brennerrohrs (12) und der Stauscheibe (20) durch axiales Verschieben (22) der Stauscheibe (20) veränderbar ist, so daß das Verhältnis zwischen abgasangereicherter Sekundärluft (38) und Primärluft (32) regelbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Brennerrohr (12) vier koaxiale Mischkanäle (14) befinden, welche gleichzeitig die zentrische Führung der Stauscheibe (20) bewirken, mittels ringförmiger Platten (16) befestigt sind und je vier Mischkanalseg­ mente (28) ausbilden.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der Beschleunigungsdüsen (30) je Mischkanalsegment (28) vorzugsweise 2 bis 5 beträgt und in einem Winkelsegment von maximal 65° unterge­ bracht ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bohrungen der Abgasinjektionsöffnungen (26) jeweils zwischen zwei Düsen (30) befinden, und zwar insbesondere im Erweiterungsbereich (12a) des Brenner­ rohres (12).

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Düsen (30) zu einer Breitbanddüse zusammengefaßt sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasbeimischungsgrad 10-30 Vol.-% beträgt und für den jeweils einregulierten Betriebszustand konstant bleibt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (12), sowie die Mischkanäle (28) und die Stauscheibe (20) die Flammenhaltungsvorrichtung darstellen und aus Chrom/Nickelstahl bestehen.