DE4134979A1 - Brenner mit reduzierter schadstoffemission - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur schadstoffarmen Verbrennung eines Brennstoffes mit einem Oxidationsgas mit einem Zuleitungskanal für den Brennstoff und mindestens einem Zuleitungskanal für das Oxidationsgas.

Brenner, die eine reduzierte Emission an Schadstoffen, insbesondere an den umweltschädlichen Stickoxiden, aufweisen sollen, müssen einer Verbrennungstechnik angepaßt sein, die die Entstehung solcher Schadstoffe herabzusetzen sucht.

Stickoxide entstehen beim Verbrennungsvorgang im wesentlichen aus dem in der Verbrennungsluft oder im Brennstoff (z. B. Erdgas) vorhandenen molekularen Stickstoff ("thermisches NO_x") und aus dem im Brennstoff (z. B. Kohle, Heizöl) gebundenen Stickstoff ("Brennstoff-NO_x"). Thermisches Stickoxid entsteht im Bereich der Flammenwurzel oder in heißen Flammenzonen bei Temperaturen oberhalb 1300°C aus dissoziierten Sauerstoff- und Stickstoff- Molekülen. Die thermische NO_x-Bildung ist von der Konzentration des molekularen Stickstoffs sowie des dissoziierten Sauerstoffs und stark von der Temperatur abhängig. Für die Brennstoff- NO_x-Bildung ist in erster Linie die Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft bzw. des Oxidationsgases maßgebend. Somit ist in beiden Fällen die Luftzahl λ eine Hauptein­ flußgröße bei der NO_x-Bildung.

Untersuchungen zeigen, daß die Konzentration der Stickoxide mit der Ofenraumtemperatur steigt sowie exponentiell mit der Verbrennungslufttemperatur, ein Maximum im nahstöchio­ metrischen Verbrennungsbereich (Luftzahl λ ungefähr 1,1) besitzt und zum unter- und überstöchiometrischen Bereich (λ=0,6 bzw. λ=1,6) hin stark absinkt. Die Konzen­ tration der Stickoxide kann durch Rezirkulation der Abgase gesenkt werden, wobei die NO_x-Minderung exponentiell mit der Menge des zurückgeführten Abgasstroms zusammenhängt (Gas Wärme International 38, (1989), Heft 10, Dezember).

In der Verbrennungstechnik werden zur Reduktion der Stickoxide eine Erniedrigung der Sauerstoff- und Stickstoff-Partialdrücke und der Verbrennungstemperatur angestrebt.

Als Oxidationsgas werden deshalb sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff verwendet, um das Angebot an Stickstoff zu minimieren. Dies hat jedoch höhere Flammen­ temperaturen und einen höheren Sauerstoff-Partialdruck zur Folge. Zur Senkung des Sauerstoffangebots macht man von der Rückführung ausgebrannter Abgase in die Verbrennungsluft bzw. das Oxidationsgas Gebrauch, wodurch einerseits der Sauerstoff­ gehalt durch Verdünnung reduziert wird, andererseits die Verbrennungstemperatur aufgrund des Abgasballastes abgesenkt wird, der der Flamme Wärme entzieht. Effizient ist hierbei die Zufuhr abgekühlter Abgase in den Bereich der Flammen­ wurzel.

Geeignet zum gleichen Zweck ist auch die Stufenverbrennung (Gas Wärme International, 39 (1990), Heft 6, Juni). Brenner zur Stufenverbrennung weisen stromabwärts, d. h. in Flammen­ richtung, gezogene Zuleitungskanäle für die Verbrennungsluft bzw. das Oxidationsgas auf, die durch Primärluftöffnungen im unteren brennernahen Teil den Zutritt einer nur geringen Sauerstoffmenge, im oberen Teil durch Sekundär- und Tertiärluftöffnungen den Zutritt der nahstöchiometrischen Verbrennung entsprechenden Sauerstoffmenge erlauben. Die Flammentemperatur bleibt dadurch weit unterhalb der bei einstufiger Verbrennung auftretenden.

Diese mit sogenannten "Sekundärluft-Hindernissen" in den Zufuhrkanal für die Verbrennungsluft verwirklichte Stufen­ verbrennung hat die Nachteile, daß diese Hindernisse, die den Brenner in Form einer Ummantelung umgeben, starker Hitze­ einwirkung ausgesetzt sind, da sie stromabwärts von der Brenngasöffnung liegen, und daß die Form der Ummantelung starken Einfluß auf die CO-Emission hat, die jeweils vor Einsatz des Brenners bestimmt werden muß und viele Ausführungsformen wegen zu hohen CO-Emissionen unbrauchbar macht.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es folglich, einen verbesserten Brenner zu entwickeln, der die geschilderten Möglichkeiten zur Reduktion von Schadstoffen optimal auszunutzen gestattet und die genannten Nachteile bekannter Brennerausführungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Brenner mit einem Zuleitungskanal für den Brennstoff und mindestens einem Zuleitungskanal für das Oxidationsgas die Austrittsöffnungen eines jeden Zuleitungskanals für das Oxidationsgas in ihrem Querschnitt länglich ausgebildet sind.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme werden sämtliche Möglichkeiten zur Schadstoffverringerung optimal genutzt. Die länglichen Öffnungsquerschnitte besitzen im Vergleich zu den bisherigen kreisförmigen einen größeren Umfang bei gleicher Querschnittsfläche und ermöglichen daher, eine größere Menge von Ofenabgasen in den Oxidationsgasstrahl zurückzuführen. Dieser in die Oxidationsgasstrahlen gesaugte inerte Abgasballast senkt die Flammentemperatur und den Sauerstoff­ partialdruck stärker als bisher und verhindert damit effektiv eine NO_x-Bildung.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners besteht darin, daß der Durchmesser des Brennerkopfes trotz der vergrößerten Ansaugfläche für Ofenabgase kleingehalten werden kann. Bisher mußten nämlich, um eine große Menge an Ofenabgasen zurückzusaugen, die Oxidationsgasöffnungen möglichst weit von der Brenngasöffnung entfernt sein, wodurch die Dimensionen des Brennerkopfes beträchtlich zunahmen. Zusätzlich waren dann noch schmale Zuleitungskanäle für Oxidationsgas in unmittelbarer Nähe der Brenngasöffnung notwendig, um die Flamme stabil am Brennermund zu halten und ein Abreißen der Flamme zu verhindern. Diese aufwendigen und umständlichen Maßnahmen werden beim erfindungsgemäßen Brenner überflüssig. Durch die erfindungsgemäße Geometrie der Querschnittsöffnungen für das Oxidationsgas kann sowohl eine große Menge Ofenabgase in die Flamme zurückgesaugt werden als auch die Flamme stabil am Brennermund gehalten werden, ohne daß der Durchmesser des Brennerkopfes nennenswert vergrößert werden muß.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Austrittsöffnungen eines jeden Zuleitungskanals für das Oxidationsgas in ihrem Querschnitt keilförmig ausgebildet sind. Damit läßt sich eine Stufenverbrennung realisieren, insbesondere dann, wenn die Austrittsöffnungen der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas konzentrisch um die Achse des Zuleitungskanals für den Brennstoff angeordnet sind und mit ihrer Längsachse in radialer Richtung auf diese Achse ausgerichtet sind.

Zeigen die Spitzen der keilförmigen Austrittsöffnungen für das Oxidationsgas auf die Achse des Zuleitungskanals für den Brennstoff, wird der dort austretende Brennstoff mit einer nur geringen Menge an Oxidationsgas gemischt, so daß die Flamme dort unterstöchiometrisch brennt und gleichzeitig stabil am Brennermund gehalten wird. Der sich radial nach außen verbreiternde keilförmige Querschnitt der Oxidations­ gasstrahlen bewirkt dann, daß erst mit wachsendem Abstand vom Brennermund das Brenngas mit einer der nahstöchiometrischen Verbrennung entsprechenden Oxidationsgasmenge verbrannt wird. Außerdem nimmt bei dieser Anordnung die zum Ansaugen von Ofenabgasen benötigte Fläche der Oxidationsgasstrahlen in radialer Richtung nach außen hin zu.

Die unterstöchiometrische Verbrennung im Bereich der Flammenwurzel mit der sich flammabwärts vervollständigenden Verbrennung trägt erheblich zur Senkung der Stickoxidwerte bei.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der innere Abstand zwischen der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals für den Brennstoff und den Austritts­ öffnungen der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas mindestens 20% des Durchmessers der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals für den Brennstoff beträgt. Meist ist es schon ausreichend, wenn dieser Abstand weniger als 50% des Durchmessers der Austrittsöffnung für den Brennstoff beträgt. Einerseits kann die Flamme dann stabil am Brennermund gehalten werden, andererseits entsteht eine genügend große Ansaugfläche für Ofenabgase, ohne den Brennermund über­ zudimensionieren.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel den erfindungs­ gemäßen Brenner näher erläutern und seine Vorteile beschreiben.

Die Zeichnung zeigt schematisch die Aufsicht auf den Brennermund 4 eines erfindungsgemäßen Brenners mit einem in der Mitte des Brennermundes 4 angeordneten Zuleitungskanal 2 für den Brennstoff Erdgas und um die Achse 3 dieses Zuleitungskanals 2 konzentrisch angeordneten Zuleitungs­ kanälen für das Oxidationsgas, als welches reiner Sauerstoff verwendet wird. Die Austrittsöffnung des Zuleitungskanals 2 für den Brennstoff ist in diesem Fall kreisförmig, wohingegen die Austrittsöffnungen 1 der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas erfindungsgemäß keilförmig ausgebildet sind. Die Längsachsen dieser keilförmigen Austrittsöffnungen 1 sind in radialer Richtung auf die Achse 3 des Zuleitungskanals 2 für den Brennstoff ausgerichtet.

Die Ausrichtung der keilförmigen Austrittsöffnungen 1 für das Oxidationsgas erlaubt den Zustrom einer von außen nach innen in radialer Richtung abnehmenden Sauerstoffmenge, so daß in der Nähe der Austrittsöffnungen des Zuleitungskanals 2 für das Erdgas dieses dort unterstöchiometrisch verbrannt wird, wobei gleichzeitig die Flamme stabil am Brennermund 4 gehalten werden kann. Die in radialer Richtung zunehmende aus den keilförmigen Austrittsöffnungen 1 ausströmende Sauerstoffmenge mischt sich erst weiter stromabwärts mit dem unvollständig verbrannten Erdgas und verbrennt dieses schließlich vollständig. Dadurch wird eine für die NO_x-Minderung sehr effektive Stufenverbrennung realisiert.

Öffnungswinkel und Querschnittsfläche der keilförmigen Austrittsöffnungen 1 für den Sauerstoff sowie die Anzahl der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas werden derart bemessen, daß die Flamme im Endbereich nahstöchiometrisch und an der Flammenwurzel unterstöchiometrisch brennt. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Zuleitungskanäle für den Sauerstoff sechs, die Querschnittsfläche einer jeden Austrittsöffnung 1 dieser Zuleitungskanäle etwa ein Drittel der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung für das Erdgas. Der Öffnungswinkel der keilförmigen Austrittsöffnungen 1 beträgt etwa 6°. Der innere Abstand zwischen den Austritts­ öffnungen 1 für den Sauerstoff und der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals 2 für das Erdgas beträgt 25% des Durch­ messers der Austrittsöffnung dieses Zuleitungskanals 2.

Die erfindungsgemäße geometrische Form der Austrittsöffnungen 1 für die Oxidation für die Sauerstoffstrahlen erlaubt das Ansaugen einer großen Menge von Ofenabgasen im Bereich der Flammenwurzel. Dadurch wird eine Abkühlung der Flamme und eine Herabsetzung des Sauerstoffpartialdruckes erzielt, ebenfalls zwei die NO_x-Bildung verhindernde Mechanismen.

Abgasmessungen beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brenners bei einer Feuerungsleistung von 0.8 MW ergeben rund 160 mg NO_x/Nm³ Abgas und etwa 120 mg CO bei einer Ofenraum­ temperatur von etwa 1350°C und einem Sauerstoffgehalt im Abgas von 4%. Eine deutliche Unterschreitung der entsprechenden TA-Luft-Grenzwerte ist hiermit gegeben.

Claims (4)

1. Brenner zur schadstoffarmen Verbrennung eines Brennstoffes mit einem Oxdationsgas mit einem Zuleitungskanal für den Brennstoff und mindestens einem Zuleitungskanal für das Oxidationsgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (1) eines jeden Zuleitungskanals für das Oxidationsgas in ihrem Querschnitt länglich ausgebildet sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (1) der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas in ihrem Querschnitt keilförmig ausgebildet sind.

3. Brenner nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (1) der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas konzentrisch um die Achse (3) des Zuleitungskanals (2) für den Brennstoff angeordnet sind und mit ihrer Längsachse in radialer Richtung auf diese Achse (3) ausgerichtet sind.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Abstand zwischen der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals (2) für den Brennstoff und den Austrittsöffnungen (1) der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas mindestens 20% des Durchmessers der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals (2) für den Brennstoff beträgt.