DE4111915C3 - 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-Wer­ ten, 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 ausge­ bildet ist. Um zu gewährleisten, daß auch bei kleiner Flamme infolge Verwendung einer Düse mit entsprechend kleinerer Stun­ denleistung eine hohe Wirtschaftlichkeit des Heizkessels bei geringer Geräuschbildung und hohem CO₂-Gehalt erreicht wird, weist die Auskleidung eine Länge von etwa der halben Brenn­ kammerlänge 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 Aus­ kleidung 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 prak­ tisch 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 noch­ mals aufzuteilen und über ein zusätzliches Gebläse, wie vor­ genannt, einmal der Verbrennungsluft beizumischen und zusätz­ lich einen zweiten Teilstrom auf der Brennerdruckseite, kurz vor der Flammenwurzel, einzuspeisen. Das Prinzip der Stick­ oxid-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 darge­ stellten 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 errei­ chen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Heiz­ kessel für die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brenn­ stoffe 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 Aus­ trittsquerschnitt des Brennerflammrohres an seinem Umfang durch eine in die Strömung hineinragende Strömungsabrißkante verengt ist, daß der Brennkammereinsatz mit Sicken versehen ist und in geringem Abstand zum Brennerflammrohr angeordnet ist, wobei die Länge des Spaltes zwischen dem Brennerflammrohr und dem Brennkammereinsatz kleiner ist als der Durchmesser der Austrittsöffnung des Brennerflammrohres und daß der Brenn­ kammereinsatz länger ist, als die Flamme.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird am Ausgang des Brennerflammrohres ein Aufreißen und damit verbundene starke Verwirbelung der Strömung im Randbereich erreicht, wobei durch die in den Brennkammereinsatz eingewalzten Sicken die Verwir­ belung und Vermischung der heißen Verbrennungsgase unterstützt und ein Abbau der partieller Temperaturspitzen erreicht wird. Außerdem werden dadurch die an der Außenseite des Brennkammer­ einsatzes zurückströmenden kühleren Abgase verstärkt in das Zentrum der im Flammwurzelbereich befindlichen Hauptreaktions­ zone zugeführt und im Bereich des Spaltes eine erhöhte Sog­ wirkung auf die rezirkulierenden Abgase mit einer dadurch bewirkten stärkeren Kühlung der Flamme erreicht.

Die Verwirbelung bewirkt eine intensivere Einmischung der Abgase bis in den Kern der Flammwurzel und eine damit verbun­ dene starke Kühlung, was zu einer Homogenisierung der Tempera­ tur in der Flamme führt.

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

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Strömungsabriß­ kante auf eine besonders einfache Weise als Bördelkante am Austrittsquerschnitt des Brennerflammrohres ausgeführt werden.

Andere Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, die Strömungsabrißkante als Sicke im Brennerflammrohr auszuführen oder daß in den Austrittsquerschnitt des Brennerflammrohres 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 dreieckigen Querschnitt aufweisen können.

Um eine besonders gute Durchmischung des Luft-/Brennstoff- Gemisches zu erreichen, sollte der Brennkammereinsatz 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 Strömungsabrißkante schematisch dargestellt ist, und

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

Der Heizkessel nach Fig. 1 besteht aus einem Bren­ ner 1 für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, der mit seinem Brennerflammrohr 14 in einer als Brennerhalte­ rung 5 ausgebildeten Feuerraumtür befestigt ist, die in eine Brennkammer 3 hineinragt. Die Brennkammer 3 ist mit einer Prallplatte 17 aus einem hitze- und feuchtig­ keitsbeständigen Material einseitig verschlossen und wird durch eine Nachschaltheizfläche 4, die mit einem Rippenprofil versehen ist, umgeben. Die Nachschalt­ heizfläche 4 ist ausgangsseitig mit einer Abgassammel­ kammer 7 verbunden, die ihrerseits in einen Rauchrohr­ anschlußstutzen 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 Bördel­ kante 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 dreieckige Drähte oder Stäbe eingelötet bzw. ein­ geschweißt werden. Gleichermaßen ist es möglich, in den Austrittsquerschnitt des Brennerflammrohres 14 ei­ ne kreisringförmige Blende einzusetzen.

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

Von besonderer Bedeutung für die Stickoxid-Redu­ zierung 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 Quer­ schnitt des als Düse ausgebildeten Brennerflammrohres 14 ein Abreißen der Strömung mit anschließender Wir­ belbildung. Als Folge dieser Wirbel 18 entsteht inner­ halb der besonders heißen Reaktionszone im Flamm­ wurzelbereich für das ausströmende, brennende Luft- /Brennstoffgemisch eine intensive turbulente Vermi­ schungszone. Durch diese damit bewirkte intensive, ho­ mogene Durchmischung von Luft und Brennstoff insbe­ sondere innerhalb dieser Hauptreaktionszone wird der Bildung von Stickoxiden entgegengewirkt. Gleichzeitig wird diesem Brennstoffgemisch rezirkulierendes Abgas, welches infolge der Injektorwirkung des Brennkammer­ einsatzes und der durch die Strömungsabrißkante 14 verursachten Verwirbelung in den Bereich der Flamm­ wurzel bzw. der Brennermündung gelangt, mit beige­ mischt. Dieses rückgeführte, beigemischte, kühlere Ab­ gas bewirkt eine Kühlung der heißen Flammwurzel bei gleichzeitiger Verringerung des Sauerstoff-Partialdruc­ kes innerhalb der heißen Reaktionszone.

Der Brennkammereinsatz 9 bewirkt eine innere Re­ zirkulation der Verbrennungsgase. Als wesentliche Er­ gänzung hierzu wirkt dieser Einsatz zusätzlich als Strah­ lungsreflektor zur Homogenisierung und zum Abbau von Temperaturspitzen, wie sie üblicherweise bei der Tropfennebelverbrennung in Ölflammen bevorzugt auf­ treten. Die Gründe für diese zum Teil sehr hohen Flam­ menspitzentemperaturen liegen in der zum Teil unvoll­ ständigen Verbrennung einzelner, bevorzugt größerer, Öltropfen und deren Aufcracken zu höher molekularen Strukturen, die ihrerseits zur vollständigen Verbren­ nung höhere Temperaturen erfordern, als der Aus­ gangsbrennstoff Öl.

Die in den Brennkammereinsatz 9 eingewalzten Sic­ ken 16 unterstützen insbesondere im vorderen Flamm­ wurzelbereich, in dem die Hauptreaktionen ablaufen, die vorgenannte Verwirbelung und Vermischung der heißen Verbrennungsgase und ebenfalls einen damit verbundenen Abbau partieller Temperaturspitzen. Die Brennkammer 3 mit dem Brennkammereinsatz 9 be­ wirkt eine Trennung der Gasströmungen in eine heiße Kernströmung 12 und eine im Gegenstrom dazu verlau­ fende kühlere Mantelströmung 13. Die Eingrenzung des Strömungsquerschnittes der Kernströmung 12 bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und da­ mit eine Verkürzung der Verweilzeit der Reaktionspart­ ner innerhalb der heißen Temperaturzonen. Dieser Ef­ fekt wird noch unterstützt durch die aus der mechani­ schen Trennung resultierenden geringeren Verwirbe­ lungs- und Reibungsverluste zwischen Kern- und Man­ telströmung. Die oben beschriebenen Effekte der direk­ ten Strahlungskühlung der Flamme in Verbindung mit der Verkürzung der Reaktionsverweilzeiten machen es notwendig, daß im Vergleich zu anderen Lösungen der Brennkammereinsatz 9 gegenüber dem alleinigen Ef­ fekt 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 Emissionswerte bei ca. 100 mg/KWh liegen. Gegenüber den Ausgangswerten im Stand der Technik von ca. 200 mg/KWh bedeutet dies eine Halbierung der Stickoxidemission.

Bezugszeichenliste

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 (7)

1. 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 Brenn­ kammereinsatz zur Abgasrückführung angeordnet sind, da­ durch gekennzeichnet, daß der Aus­ trittsquerschnitt des Brennerflammrohres (14) an seinem Umfang durch eine in die Strömung hineinragende Strömungs­ abrißkante (15) verengt ist, daß der Brennkammereinsatz (9) mit Sicken (16) versehen ist und in geringem Abstand zum Brennerflammrohr (14) angeordnet ist, wobei die Länge des Spaltes zwischen dem Brennerflammrohr (14) und dem Brennkammereinsatz (9) kleiner ist als der Durchmesser der Austrittsöffnung des Brennerflammrohres (14) und daß der Brennkammereinsatz (9) länger ist, als die Flamme (2).

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 Austrittquerschnitt des Brenner­ flammrohres (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 insbesondere einen runden, rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt aufweisen.

7. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammereinsatz (9) nahe der Prallplatte (17) endet.