DE4111915C2 - Heizkessel für die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel für die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe mit einer zur Brennerdüse hin offenen, topfartigen Brennkammer, in der die Brennerdüse mit einem Brennerflammrohr und ein die Flamme umgebender Brennkammereinsatz zur Abgasrückführung angeord­ net sind.

Bei einem bekannten Heizkessel der genannten Art ist die von dem Brenner ausgehende Flamme in eine nach hinten topfartig geschlossene Brennkammer gerichtet, wird dort umgelenkt und strömt als heißes Rauchgas im Gegenstrom zu dem Flammenkern zurück, bis es im vorderen Teil des Brennraumes in eine als Rippenprofil ausgebildete Nachschaltheizfläche eintritt. Ein Teil der durch die Verbrennung frei werdenden Wärme wird bereits im vorderen Teil des Feuerraumes als Strahlung an den den Brennraum konzentrisch umschließenden Wassermantel­ raum abgeführt. Anschließend treten die Rauchgase mit einer Temperatur von etwa 600 bis 700°C in eine Konvektionsheiz­ fläche ein und geben dort weitere Wärme an den Wassermantel­ raum ab, bis sie in eine Abgassammelkammer strömen und über den Rauchrohr-Anschlußstutzen aus dem Heizkessel austreten.

Die Konzeption der "heißen Brennkammer" hat den Vorteil einer vollständigen, nahezu rußfreien Verbrennung mit hohen CO₂-Werten, und hieraus resultierend mit hohen feuerungstechnischen Wirkungsgraden. Diese Vorteile werden jedoch erkauft durch die aus den hohen Verbrennungstemperaturen resultierenden relativ hohen Stickoxidgehalte der Abgase.

Eine weitere bekannte Lösung, die das eingangs beschriebene Verbrennungsprinzip weiter ausgestaltet, beschreibt die DE 35 02 662 C2. Danach ist die Brennkammer des Heizkessels mit einer topfförmigen Auskleidung aus Keramikfasern versehen, die am Boden dicker als an der Seitenwandung ausgebildet ist und wobei der zum Brenner gerichtete, freie Innenraum der Auskleidung ab der Öffnung nach innen trichterförmig ausgebildet ist. Um zu gewährleisten, daß auch bei kleiner Flamme infolge Verwendung einer Düse mit entsprechend kleinerer Stundenleistung eine hohe Wirtschaftlichkeit des Heizkessels bei geringer Geräuschbildung und hohem CO₂-Gehalt erreicht wird, weist die Auskleidung eine Länge von etwa der halben Brennkammerlänge auf und ist axial absatzweise beziehungsweise kontinuierlich verschiebbar angeordnet. Die in Abhängigkeit vom Auslastungsgrad der Heizkesselleistung axial verstellbare Auskleidung des Brennraumes bewirkt dann die größtmögliche Abminderung der Temperatur der Rauchgase und damit die nach dieser Lösung größte mögliche Senkung der Stickoxidwerte, wenn die Flamme am kleinsten ist. Das bedeutet aber, daß die Auskleidung mit ihrem vorderen Rand bis zur Eintrittsöffnung der topfförmigen Brennkammer vorgeschoben und der Heizkessel bis zu seiner minimalen Grenze herunterbelastet werden muß.

Für Kessel im Leistungsbereich über 100 KW wird zur Senkung der Stickoxide das Prinzip der externen Abgasrückführung praktisch angewendet. Dabei wird am Rauchrohrende des Kessels ein Abgasteilstrom abgezweigt und der vom Brenner angesaugten Verbrennungsluft beigemischt. Ein anderes bekanntes Verfahren sieht vor, die vom Abgasstrom abgezweigte Teilstrommenge nochmals aufzuteilen und über ein zusätzliches Gebläse, wie vorgenannt, einmal der Verbrennungsluft beizumischen und zusätzlich einen zweiten Teilstrom auf der Brennerdruckseite, kurz vor der Flammenwurzel, einzuspeisen. Das Prinzip der Stickoxid-Reduzierung durch Abgasrückführung basiert in erster Linie auf einer Reduzierung der Flammentemperatur.

Unterschiedliche Maßnahmen der internen Abgasrückführung mit Hilfe von in den Brennraum integrierten Injektoreinsätzen werden in der DE 36 28 293 A1 beschrieben. Die hierin dargestellten Maßnahmen zur Senkung der Stickoxide beruhen auf dem Prinzip der Flammenkühlung durch interne Abgaszirkulation. Mit entsprechender Gestaltung dieser Injektoreinsätze könnten die Stickoxid-Werte der Heizkessel gegenüber den Ausgangswerten (ohne Injektor) bis etwa 30% gesenkt werden.

Eine weitere im Interesse des Umweltschutzes liegende Senkung der Stickoxid-Werte ist mit diesen Maßnahmen nicht zu erreichen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel für die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe zu schaffen, mit dem ohne erheblichen Aufwand eine weitere deutliche Verringerung des Stickoxid-Gehaltes im Abgas erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Austrittsquerschnitt des Brennerflammrohres am Umfang durch eine in die Strömung hineinragende Strömungsabrißkante verengt ist.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird am Ausgang des Brennerflammrohres ein Aufreißen und eine damit verbundene starke Verwirbelung der Strömung im Randbereich erreicht. Dadurch werden die an der Außenseite des Brennkammerein­ satzes zurückströmenden kühleren Abgase verstärkt in das Zentrum der im Flammwurzelbereich befindlichen Hauptreak­ tionszone zugeführt.

Die Verwirbelung bewirkt eine intensivere Einmischung der Abgase bis in den Kern der Flammwurzel und eine damit verbundene starke Kühlung. Das führt zu einer Homogenisie­ rung der Temperatur und insbesondere zu einem weiteren Abbau der Temperaturspitzen in der Flamme.

Darüber hinaus wird durch die Verwirbelung ein homogenes Luft-/Brennstoff-Gemisch geschaffen. Die Folge ist eine deutliche Reduzierung der Entstehung von thermischen Stick­ oxiden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Strömungs­ abrißkante auf besonders einfache Weise als Bördelkante am Austrittsquerschnitt des Brennerflammrohres ausgeführt wer­ den.

Andere Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, die Strömungsabrißkante als Sicke im Brennerflammrohr auszufüh­ ren oder daß in den Austrittsquerschnitt des Brennerflamm­ rohres eine kreisringförmige Blende eingesetzt ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Strömungsabrißkante durch in den Austrittsquerschnitt einge­ lötete oder eingeschweißte Drähte oder Stäbe gebildet, wobei diese insbesondere einen runden, rechteckigen oder dreiecki­ gen Querschnitt aufweisen können.

In einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist die Länge des Spaltes zwischen dem Brennerflammrohr und dem die Flamme umgebenden Brennkammereinsatz kleiner als der Durchmesser der Austrittsöffnung des Brennerflammrohres. Dadurch ent­ steht eine erhöhte Sogwirkung auf die rezirkulierenden Abgase mit einer dadurch bewirkten stärkeren Kühlung der Flamme.

Um eine gute Durchmischung des Luft-/Brennstoff-Gemisches und der Flamme mit den rezirkulierenden Abgasen zu errei­ chen, sollte der Brennkammereinsatz länger als die Flamme sein und nahe der die Brennkammer begrenzenden Prallplatte enden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung des Heizkessels,

Fig. 2 den vergrößerten Ausschnitt X nach Fig. 1, in dem die prinzipielle Wirkungsweise der Strömungsabriß­ kante schematisch dargestellt ist, und

Fig. 3a-c Ausführungsformen der Strömungsabrißkante des Brennerflammrohres.

Der Heizkessel nach Fig. 1 besteht aus einem Brenner 1 für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, der mit seinem Brennerflammrohr 14 in einer als Brennerhalterung 5 ausge­ bildeten Feuerraumtür befestigt ist, die in eine Brennkammer 3 hineinragt. Die Brennkammer 3 ist mit einer Prallplatte 17 aus einem hitze- und feuchtigkeitsbeständigen Material einseitig verschlossen und wird durch eine Nachschaltheiz­ fläche 4, die mit einem Rippenprofil versehen ist, umgeben. Die Nachschaltheizfläche 4 ist ausgangsseitig mit einer Abgassammelkammer 7 verbunden, die ihrerseits in einen Rauchrohranschlußstutzen 8 mündet. Den äußeren Mantel des Heizkessels bildet ein Wassermantelraum 6.

Innerhalb der Brennkammer 3 ist ein die Flamme 2 des Brenners 1 umgebender Brennkammereinsatz 9 in geringem Abstand zum Brennerflammrohr 14 befestigt.

Das Brennerflammrohr 14 ist im vorderen Bereich konisch ausgeführt und besitzt am Ende eine nach innen abgewinkelte Strömungsabrißkante 15, die als Bördelkante ausgeführt sein kann (Fig. 2).

Andere Ausführungen der Strömungsabrißkante 15 sind aus den Fig. 3a, b, c ersichtlich. Gemäß Fig. 3a ist die Strömungsabrißkante 15 als Sicke ausgeführt, oder es können, wie in Fig. 3b dargestellt, runde, rechteckige oder drei­ eckige Drähte oder Stäbe eingelötet bzw. eingeschweißt werden. Gleichermaßen ist es möglich, in den Austrittsquer­ schnitt des Brennerflammrohres 14 eine kreisringförmige Blende einzusetzen.

Innerhalb des Brennerflammrohres 14 befindet sich in einem Abstand zur Austrittsöffnung eine Brennerdüse 10, der eine mit Schlitzen versehene Stauscheibe 11 vorgeordnet ist, die zur Drallerzeugung des ausströmenden Luft-/Brennstoffge­ misches dient.

Von besonderer Bedeutung für die Stickoxid-Reduzierung ist die Gestaltung der Strömungsabrißkante, wie sie aus den Fig. 3a, b, c ersichtlich ist. Diese bewirkt, wie in Abb. 2 prinzipiell dargestellt, im engsten Querschnitt des als Düse ausgebildeten Brennerflammrohres 14 ein Abreißen der Strömung mit anschließender Wirbelbildung. Als Folge dieser Wirbel 18 entsteht innerhalb der besonders heißen Reaktionszone im Flammwurzelbereich für das ausströmende, brennende Luft-/Brennstoffgemisch eine intensive turbulente Vermischungszone. Durch diese damit bewirkte intensive, homogene Durchmischung von Luft und Brennstoff insbesondere innerhalb dieser Hauptreaktionszone wird der Bildung von Stickoxiden entgegengewirkt. Gleichzeitig wird diesem Brenn­ stoffgemisch rezirkulierendes Abgas, welches infolge der Injektorwirkung des Brennkammereinsatzes und der durch die Strömungsabrißkante 14 verursachten Verwirbelung in den Bereich der Flammwurzel bzw. der Brennermündung gelangt, mit beigemischt. Dieses rückgeführte, beigemischte, kühlere Abgas bewirkt eine Kühlung der heißen Flammwurzel bei gleichzeitiger Verringerung des Sauerstoff-Partialdruckes innerhalb der heißen Reaktionszone.

Der Brennkammereinsatz 9 bewirkt eine innere Rezirkulation der Verbrennungsgase. Als wesentliche Ergänzung hierzu wirkt dieser Einsatz zusätzlich als Strahlungsreflektor zur Homogenisierung und zum Abbau von Temperaturspitzen, wie sie üblicherweise bei der Tropfennebelverbrennung in Ölflammen bevorzugt auftreten. Die Gründe für diese zum Teil sehr hohen Flammenspitzentemperaturen liegen in der zum Teil unvollständigen Verbrennung einzelner, bevorzugt größerer, Öltropfen und deren Aufcracken zu höher molekularen Struk­ turen, die ihrerseits zur vollständigen Verbrennung höhere Temperaturen erfordern, als der Ausgangsbrennstoff Öl.

Die in den Brennkammereinsatz 9 eingewalzten Sicken 16 unterstützen insbesondere im vorderen Flammwurzelbereich, in dem die Hauptreaktionen ablaufen, die vorgenannte Verwirbe­ lung und Vermischung der heißen Verbrennungsgase und ebenfalls einen damit verbundenen Abbau partieller Tempera­ turspitzen. Die Brennkammer 3 mit dem Brennkammereinsatz 9 bewirkt eine Trennung der Gasströmungen in eine heiße Kernströmung 12 und eine im Gegenstrom dazu verlaufende kühlere Mantelströmung 13. Die Eingrenzung des Strömungs­ querschnittes der Kernströmung 12 bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit eine Verkürzung der Verweilzeit der Reaktionspartner innerhalb der heißen Temperaturzonen. Dieser Effekt wird noch unterstützt durch die aus der mechanischen Trennung resultierenden geringeren Verwirbelungs- und Reibungsverluste zwischen Kern- und Mantelströmung. Die oben beschriebenen Effekte der direkten Strahlungskühlung der Flamme in Verbindung mit der Verkür­ zung der Reaktionsverweilzeiten machen es notwendig, daß im Vergleich zu anderen Lösungen der Brennkammereinsatz 9 gegenüber dem alleinigen Effekt der Abgasrückführung länger ausgeführt werden muß.

Die zusätzliche Anordnung der Strömungsabrißkante 15 im Brennerflammrohr 14 führt in Verbindung mit der damit erzeugten Verwirbelung zu einer zusätzlichen Absenkung der Stickoxidwerte um ca. 20%, so daß die erreichten Emissions­ werte bei ca. 100 mg/KWh liegen. Gegenüber den Ausgangswer­ ten im Stand der Technik von ca. 200 mg/KWh bedeutet dies eine Halbierung der Stickoxidemission.

Liste der Bezugszeichen

 1 Brenner
 2 Flamme
 3 Brennkammer
 4 Nachschaltheizfläche
 5 Brennerhalterung
 6 Wassermantelraum
 7 Abgassammelkammer
 8 Rauchrohr-Anschlußstutzen
 9 Brennkammereinsatz
10 Brennerdüse
11 Stauscheibe
12 Kernströmung
13 Mantelströmung
14 Brennerflammrohr
15 Strömungsabrißkante
16 Sicke
17 Prallplatte
18 Wirbel

Claims (9)

1. Heizkessel für die Verbrennung flüssiger oder gasförmi­ ger Brennstoffe mit einer zur Brennerdüse hin offenen, topfartigen Brennkammer, in der die Brennerdüse mit einem Brennerflammrohr und ein die Flamme umgebender Brennkammereinsatz zur Abgasrückführung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt des Brennerflammrohres (14) an seinem Umfang durch eine in die Strömung hineinragende Strömungsabrißkante (15) verengt ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsabrißkante (15) als Bördelkante ausgeführt ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsabrißkante (15) in Form einer Sicke im Brennerflammrohr (14) ausgeführt ist.

4. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Austrittsquerschnitt des Brennerflammrohres (14) eine kreisringförmige Blende eingesetzt ist.

5. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsabrißkante 15 aus eingelöteten oder eingeschweißten Drähten oder Stäben besteht.

6. Heizkessel nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drähte oder Stäbe insbeson­ dere einen runden, rechteckigen oder dreieckigen Quer­ schnitt aufweisen.

7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Spaltes zwischen dem Brennerflammrohr (14) und dem die Flamme (2) umgebenden Brennkammereinsatz (9) kleiner ist als der Durchmesser der Austrittsöffnung des Brennerflamm­ rohres (14).

8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der als Rohr ausge­ führte Brennkammereinsatz (9) länger ist als die Flamme (2).

9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer­ einsatz (9) nahe der Prallplatte (17) endet.