DE8909288U1

DE8909288U1 - Feuerung mit einer Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten

Info

Publication number: DE8909288U1
Application number: DE8909288U
Authority: DE
Original assignee: Electro-Oil 2057 Reinbek De GmbH
Current assignee: Electro-Oil 2057 Reinbek De GmbH
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1989-11-30
Anticipated expiration: 1999-07-15

Description

Feuerung mit einer Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten

IMe 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 Verbrennungsprodukten oder Abgasen in die Verbrennungszone.

Feuerungsanlagen mit Einrichtungen zum Rückführen oder Führen im Kreislauf von Verbrennungsprodukten oder Abgasen

...12

Patentanwälte: European Patent Attorneys zugelassene Vertreter beim Buropatschen Patentamt Rechtsanwalt! lugelassen bei den Hamburger Gerichten

Deutsche Bank AG Hamhurg, Nr. 05/2MP7 BLZ 200 70Q 00) · Postgiro Hamburg 28 42*206 Dresdner',Bopk AfcsHajntijV&Njr. $8s'/)$tt( (BLZ 200 800 00)

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 wixu seit einiger Zeit besonderer

iWert auf eine Verringerung der Emission von Stickoxiden gelegt. Der zu etwa 78 % in der Verbrennungsluft enthaltene Stickstoff oxidiert bei Temperaturen über ca. 1.400⁰C

teilweise zu Stickoxiden. Das heißt, will man eine über- &idiagr; mäßige Produkten von Stickoxiden vermeiden, so sollte die

Temperatur in der Verbrennungszone nicht über ca. 1.370⁰C ansteigen. Die entsprechenden Zusammenhänge sind seit längerer 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 Verbrennungszonen beschrieben. In die erste Verbrennungs zone v.-ird ein Gemisch auu Brennstoff und Luft zugeführt. Dabei ist der mit dor Verbrennungsluft eingebrachte Sauerstoffanteil ge-

/, ringer als es für eine vollständige Verbrennung erforder

lieh wäre. Durch die Zufuhr von Stickoxid enthaltenden Ab

gasen und durch Zufuhr eines Kühlmittels wird die Flaitimentemperatur in dieser Verbrennungszone unter 1.390⁰C gehalten. Dabei erscheint es offensichtJxch, daß die Zugabe eines 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 Verbrennungszonen, bei der auf die Zufuhr von Kühlmittel verzichtet wird. Wie bei der zuvor g&rtdnnten Anlage erhält die erste Verbrennungszone ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit einem weniger als der stöchiometrischen Menge entsprechenden Sauerstoffanteil. Auch hierbei wird eine Rauchgasrückführung in die Flammenzone vorgenommen. Die zweite Verbrennungszone zeichnet sich dadurch aus, daß hier der restliche Teil der für die vollständige Verbrennung erforderlichen 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 Optimierung dieser Parameter ist nicht vorhanden.

Diesen Mißstand versucht die deutsche Patentschrift ä 24 61 078 auszuräumen. Auch bei der darin beschriebenen ä

Anlage erfolgt die Verbrennung in zwei unterschiedlichen

Zonen, wobei die erste Zone ebenfalls eine für eine vollständige Verbrennung zu geringe Sauerstoffmenge enthält. Die Rauchgasbeimischung erfolgt ebenfalls in dieser Verbrennungszone. Die Verbrennungszone 1 wird von einem Luftmantel umgeben und führt zur Verbrennungszone 2, wo die restliche Verbrennung erfolgen soll. Die Rauchgasrückführung 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 weiteren unterschiedlichen Wegen aus dem vorderen Flammenbereich entnommen und in die Verbrennungszone 1 zurückgeführt.

Unverständlicherweise wird eine gründlichere Durchmischung des Luft-Brennstoff-Rauchgasgemisches erst hinter der Verbrennungszone 1 vorgenommen. Hier soll über ein quergestelltes gitterförmiges Rohrsystem eine Verwirbelung erfolgen und weiterer Sauerstoff zug€!führt werden. Die große Anzahl unterschiedlicher Maßnahmen legt die Vermutung nahe, daß sich mit geringerem Aufwand der gewünschte Erfolg nicht einstellen würde.

Die stickoxidhaltigen Verbrennungsprodukte ergeben sich nicht nur durch Oxidation des Duftstickstoffs, 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-

__u: i__ ..~l~_; ;_ j; &ldquor; r»_i —«—_™~ ....n — — n«.■—-t.&ldquor;ff ~;—&ldquor; : ™

OUI1J.CUCI1 f fiuu?;i .lh uj.c; &ggr; j. .Lina j. civ/jic uuijoj. ui.citiiat.ui.1. cxnu ! mi

Verhältnis 0,5 - 0,9 unterstöchiometrische Menge Verbrennungsluft eincfeführt wird. Die zur vollständigeren Verbrennung erforderliche Restluft wird erst in einer Nachverbrennungszone, die sich etwa ein bis zwei Mantelrohrdurchmesser stromab entfernt befindet, in die Flamme gelenkt. Für die Abgasrückführung sind keine besonderen Vorkehrungen getroffen: Es heißt, daß eine Rauchgasrückführung 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 beschreiben, 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 Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Er-

f.

findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der besondere Wert der Erfindung ist in einer weitgehenden Verhinderung von Schadstoffen aller Art zu sohen. Sowohl Stickoxide al·; auch Kohlenmonoxid und Kohlenstoff sind nur — noch in vernachläsiiigbarcn Größenordnungen im Abgsf; ent

halten. In Verbindung mit einer weitgehend vollständigen Verbrennung konnte der Wirkungsgrad optimiert werden.

A/ Zunächst wurde durch die teilweise Rückführung der Abgase

in die Vexbrennungszone die Flammentemperatur soweit verringert, daß eine Oxidation von molekularem Luftstickstoff praktisch unterbunden wurde. Aus der Verbrennungszone erfolgt die Wärmeabgabe in Form von Wärmestrahlung. Hinter der Verbrennungszone werden die noch heißen Abgase an den wänden der Verbrennungskammer entlang bis an den Brennerkopf 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-

&phgr; men, außer mit den Wänden der Verbrennungskammer, nur mit

dem Brennerkopf in Berührung. Da zusätzliche Aggregate,

._; wie z.B. Rückführ leitungen, Abgaspumpen und dergleichen,

nicht vorhanden sind, ist ein Verrußen bzw. eine Korrosion

derartiger Einrichtungen von vornherein ausgeschlossen.

ig

ü J/

Trotz der einfachen Bauweise sind die Parameter der Verbrennung reproduzierbar und zuverlässig durch Verschieben der Stauscheibe einstellbar. i

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher &phgr; beschrieben. Es zeigt: 3

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brennerkopf, H

Fig. 2 den Ausschnitt Y aus Fig. 1 im Maßstab 2 : 1 ver- $i größert,

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

Fig. 4 den Schnitt A-B aus der Fig. 1 mit der ringförmigen Scheibe zwischen Brennerrohr und Mischkanälen mit vier Durchlaßöffnungen für Primärluft,

Fig. 5 und

Fig. 6 verschieden« AusfUhrungsbeispiöle eines Kreissegrnens der Aneicht X aus der Fig. 1 im Maßstab 2 t 1 vergrößert .

Die in der Fiq. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt einen Brennerkopf 10 mit einem Brennerrohr 12 avid vier koaxial darin befindlichen Mischkanelen 14, die beide mittels ringförmigen Platten 16 miteinander verbinden bind. Das Brennerrohr 12 .weist swei konische Verengungen 12a und 12b auf. Für die Zerstäubung des Brennstoffs befindet eich jnittig innerhalb der Mischkanäle 14 die Brennstoffdüse 18 .

Am vorderen Ende der Mischkanäle 14 ist vor der Brennstoffdüse 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 Stauscheibe 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 Brennstoff 19 in die Verbrennungskammer 44 gelangt. Die Stauscheibe 20 bildet eine Einheit mit dem Zündelekörodenpaar und ist auf dem axial verstellbaren Düsenstock mit der Öldruckzerstäubungsdüse oder der GaedosierdUse 18 fest verschraubt .

Zwischen der sternförmigen öffnung und dem Rand 20a der Stauscheibe 20, wie sie aus der DE-PS 35 42 174 bekannt

&igr; . t (

geworden ist, sind Schlitze angeordnet, deren Ränder über einen Anstellwinkel verfügen. Wird nun Verbrennungsluft, sogenannte Primärluft 32, in Sichtung auf die Verbrennungskammer 44 getrieben, so mu-ii di© Verbrennungsluft 32 durch diß Schlitze der Stauscheibe 20 hindurcfcstrossen. Dabei ergibt sich durch die angestellten Kanten der Schlitze eine starke Verwirbelung der hindurchtretenden Verbrennungsluft 32, wodurch eine kcä;,ige Durebmischung mit dia eingespritzten iirennstoffpartikeln Ij erfolgt. Hier, in der Durchmi schlinge zone -öl/La ft 40,. beginnt auch die Verbrennv'igszone 44. Eine unterstöchiometrische Dosierung der zugeführten Verbrennungsluft 32 bewirkt, daß der Luftsauerstoff so knapp bemessen ist, daß eine Verbrennung der Stickstoffmoleküle der Luft zu Stickoxiden nahezu vermieden wird.

Der für eine vollständige Verbrennung erforderliche Luftsauerstoff wird über ringförmig angeordnete Luftbeschleunigungs-Düsen 30, die in der ringförmigen Platte 16 zwischen 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 Düsen zusammengefaßt. Korrespondierend zu den Düoen 30 befinden eich im sich verjüngenden Teil des Brennerrohres 12 ringförmig angeordnet mehrere öffnungen, sogenannte Abgas-

/1 &Lgr;

• · · r &lgr;. &ngr;

: J « j : · j : ⁴⁴J

- 10 -

injektionsöffnungen 26, die ebenfalls zu vier Segmenten mit jeweils vier Öffnungen zusammengefaßt sind. Diese der Abgasinjektion dienenden öffnungen 26 befinden sich jeweils zwischen zwei Düsen 30 als Bohrungen, vorzugsweise in dem Erweiterungsbereich des Brennerrohres 12. Mittels der durch die Düsen 30 eingeführten (sekundären) Verbrennungsluft entsteht hinter den Düsen 30 ein Niederdruck 36, der bewirkt, daß Abgas 46 aus der Verbrennungszone 44 innerhalb der Verbrennungskammer 42 außen am Brennerrohr 12 &igr;

entlang zurückgeführt wird und sich mit der sekundär zugeführten Verbrennungsluft vermischt, d.h. eine abgasangereicherte 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 nunmehr eine vollständige Verbrennung der restlichen unverbrannten Kohlenstoffpartikel und Kohlenmonoxidbeetandteile zu Kohlendioxid erfolgt. Wegen der Verdünnung der Verbrennungegase durch einen Abgasanteil wird eine Überhitzung der Flamme vermieden. Da sich Stickoxide aus molekularem (Luft-)Stickstoff erst bfci höherer Temperatur (über 1.370⁰C) bildet, wird auf diese Weise die Entstehung von nennenswerten Mengen an Stickoxiden unterdrückt. Zur Min.imierung der Schadstoffemission kann die Beimengung <1er mit Abgas 46 angereicherten Sekundärluft mittels des

- 11 -

verschiebbaren Randes 20a der Stauscheibe 20 eingestellt werden, denn die axial verschiebbare Stauscheibe 20 reguliert 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 abgasangereicherten 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 befinden sich die Abgasinjektionsöffnungen 26 (Fig. 3, Fig. 5). Eine andere Ausführungsform der erfinderischen Luftbeschleunigungsdüsen 30 zeigt Fig. 6, wo mehrere Einzeldüsen zu feiner 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 verringern würde und somit ein Ausgleich nur durch erhöhten Luftstaudruck möglich wäre, was zu einer Überdiraensionie-

niijaivr5 &khgr;&Igr;&iacgr;&igr;&igr;1&Ggr;37&idiagr; Hiüjju€

.../12

Claims

!ist· - 12 Ansprüche

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

- 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 Verbrennungsprodukten oder Abgasen in die Verbrennungszone, dadurch gekennzeichnet,

- daß sich an der Innenseite des Brennerrohres (12) Düsen (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 Bereich 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 Randes (20a) einer Stauscheibe (20) befindlichen Ringspalt (24) in die Verbrennungszone (44) angeordnet sind.

.../13

- &igr;3 -

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Ringspalts (24) zwischen der konischen Mündung des Breimerrohrs (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. Einrjchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Brennerrohr (12) vier koöixiale Mischkanäle (14) befinden, welche gleichzeitig die zentrische Führung der Stauscheibe (20) bewirken, mittels ringförmiger Platten (16) befestigt sind und je vier Mischkanalsegmente (28) ausbilden.

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

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

.../14

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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 (&iacgr; das Brennerrohr (12), sowie die Mischkanäle (28) und

die Stauscheibe (20) die Flammenhaltungsvorrichtung &psgr;

darstellen und aus Chrom/Nickelstahl bestehen. ää