EP0876570B1 - Brenneroberfläche - Google Patents

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Publication number
EP0876570B1
EP0876570B1 EP97900010A EP97900010A EP0876570B1 EP 0876570 B1 EP0876570 B1 EP 0876570B1 EP 97900010 A EP97900010 A EP 97900010A EP 97900010 A EP97900010 A EP 97900010A EP 0876570 B1 EP0876570 B1 EP 0876570B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
flame
process according
bores
burner pipe
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97900010A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0876570A1 (de
Inventor
Horst Dreher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ygnis AG
Original Assignee
YGNIS HOLDING SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by YGNIS HOLDING SA filed Critical YGNIS HOLDING SA
Publication of EP0876570A1 publication Critical patent/EP0876570A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0876570B1 publication Critical patent/EP0876570B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/60—Devices for simultaneous control of gas and combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration

Definitions

  • the present invention relates to a procedure to reduce nitrogen oxides when burning gaseous or gaseous fuels a burner to carry out the process.
  • Firing systems for gaseous fuels or gas / liquid fuel mixtures are criteria such as economy, such as optimal efficiency and especially reduction the emissions of pollutants, such as nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons basically too fulfilling demands.
  • US 3 061 001 describes a burner for gaseous Fuels arranged in the burner surface Flame holes, with at least a part of the holes in Shape of equilateral triangles is arranged.
  • the task in of said US patent is that To prevent the flames from kicking back into the holes which is achieved on the one hand by the bores are largely filled with fuel mixture and on the other hand, by the burner surface by appropriate constructive measures is cooled. A reducing the Pollutants in the exhaust gases are not under discussion.
  • a burner surface is proposed in US Pat. No. 3,936,003. in which the individual flame holes are so apart spaced that between the flames Exhaust gases or flue gases are sucked in by the flame root become.
  • WO95 / 23315 also proposes the flame bores to be arranged in such a way that between the Flame exhaust gases or flue gases are sucked back to the flame roots become.
  • special Conditions assumed by the ones proposed therein Process especially for highly reactive combustion gases suitable, such as for hydrogen / methane mixtures, containing more than 90% hydrogen.
  • fuel mixtures are usually burned of conventional fuels in combustion plants.
  • the object is achieved by means of a Method according to the wording of claim 1 solved.
  • the burner surface can be selected appropriately fundamentally determine the flame formation in all details. This applies in particular to the phenomena of flame stability, Carbon monoxide and nitrogen oxide emissions.
  • a fluid jet such as a gas / air mixture it comes from an opening like a pipe or hole to form a free jet. This sucks surrounding medium and mixes with it as below with reference shown in Figure 1.
  • parallel free jets each other and it comes depending on the characteristic sizes of the beam, to a changed Characteristics of the suction.
  • the basic idea of the present invention is therefore Mixing exhaust gas into the fuel / air mixture from the environment, resulting in a drastic reduction in education of nitrogen oxides. This eliminates the need by means of pipes, control mechanisms and Exhaust gases from a combustion chamber and the fuel gas or gas mixture before this above the burner surface is burned.
  • trained method is a burner tube operated longitudinally displaceable.
  • a burner comprises a burner tube, which is slidably mounted in its longitudinal direction.
  • reaction kinetic Effects such as flame stability, pollutant formation, etc. consider.
  • a system is understood as optimization by suitable variation of operating parameters and Bring geometry into a desired state. Since the Operating parameters largely due to the requirements the geometry must be varied.
  • this object is achieved by means of the special Further development of the method according to the wording according to claim 4 solved.
  • a burner tube which is longitudinally displaceable in the axial direction and is arranged from a combustion chamber, it is proposed that terminate in or on the cylindrical burner tube Cylinder base, axially and concentrically from this protruding, another burner tube with a smaller diameter is arranged is on the surface of the hole pattern according to the invention is arranged.
  • Further preferred design variants of the The inventive method are in the dependent claims 5-9 characterized.
  • the proposed method according to the invention or the Suitable burners are suitable for carrying out the method especially for surface burners.
  • Figure 1 shows schematically two parallel free jets 5, at which are, for example, two ignited fluid jets can act. These are generated by a gaseous Fuel through flame holes 3 on a burner surface 1 entered into a combustion chamber 2 for combustion become. In particular at the flame root 7 by the gas flowing into the combustion chamber 2 ambient gases into the The fuel-gas mixture is sucked in and mixed with it. So that the mixing of the exhaust gases from the environment according to the invention done in the best possible way, a Burner surface preferably shown according to a hole pattern in Fig. 2, formed.
  • Figure 2 shows a burner surface 1, comprising a plurality of flame holes or individual holes 3, which so are arranged so that each hole is direct to each of its Neighbor holes an identical, preferably corresponding an equilateral triangle, or approximately the same distance has.
  • the distance between the holes is designated “a” in FIG. 2, the diameter of the holes with "D”.
  • u speed of the flowing out of the hole
  • ⁇ kinematic Viscosity of the medium.
  • the present invention only uses the optimal design of the burner surface (hole arrangement) for exhaust gas circulation, as already mentioned at the beginning.
  • the following equilateral triangles or similar patterns with the following parameters have proven to be advantageous for the optimal configuration of the hole pattern arrangement of the burner surface of a low-radiation surface burner: 1.5 ⁇ a / D ⁇ 6 [-] 3 ⁇ D ⁇ 10 [mm]
  • Preferred parameter values are the values a / D of 2 up to 4 resp. from 2.2 to 3.5, while the value for Diameter D depends on the performance of the burner.
  • a burner tube 4 is shown in section, comprising on the one hand a burner surface 1 with the inventive proposed hole pattern, as well as with an additional Arrangement for the design of a so-called base load level.
  • the burner tube 4 designed according to the invention can be moved in the axial direction (arrow) on the Combustion chamber wall 21 into the combustion chamber or out of the combustion chamber 2 are moved.
  • the power modulation range thus generated leads to a combustion chamber, which in extreme cases by one Order of magnitude is oversized. Especially in that Case where the burner tube is largely out of the combustion chamber 2 is withdrawn, this leads to a flame design, which is far from the optimum because the flame does not experience any stabilizing effects from the combustion chamber. For this reason, a so-called.
  • Base load level suggested which of the flame is the one at their Stabilization provides the necessary "combustion chamber” and so the Enables combustion optimization.
  • proposed combustion chamber of the flames in the small power range is arranged on the front of the burner tube 4 and with designated by the reference numeral 18.
  • This combustion chamber 18 of the Base load level is formed by an additional one Another burner tube arranged on the front of the burner tube 4 24, on its burner surface 26 in turn flame bores or perforations 28 according to the proposed inventive Hole patterns are arranged.
  • These holes 28 preferably have a smaller diameter D. than the diameter of the holes 3 in the surface 1 of the Burner tube 4.
  • a lower axial limit 25 is proposed, which is advantageously made of a material which glows.
  • the upper material is preferably made of the same material ring-shaped boundary 31 made which is ring-shaped axially around the further burner tube 24, the front Covering the surface of the cylinder bottom of the burner tube 4, is arranged.
  • the power range is located on the burner tube 4 and is moved. So there is no relative movement of Burner and combustion chamber in the smallest output range.
  • the Size of the base load level can vary from approx. 5-30% of the full load extend, preferably 5-10%.
  • the formation of the burner surface the further burner tube 24 or the so-called.
  • Base load level is done using the same as described above Pattern, which is also used for the main burner surface 1 becomes.
  • the parameter selection of the pattern a / D, D can for base load and main burner surface are different.
  • the upper and lower limits of the base load level advantageously consists of a glowable material, is achieved at all times, even if the Flame extinguished locally or transiently (typical phenomenon turbulent flames), the gas flowing past is heated and is ignited again. This enables approximately one of Carbon monoxide free operation, even with base load.
  • the advantage of the design of a burner according to the invention 3 lies in ensuring the optimization flame formation in all power modulation areas and thereby maintaining extremely small emissions of Carbon monoxide and nitrogen oxides. This also makes it possible a burner with a proposed according to the invention To provide burner surface and with different Operate performance without being more optimal for ensuring Emission values the size of the combustion chamber is considerable or that optimal emission values even with oversized Combustion chambers are possible.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Stickoxyde beim Verbrennen von gasförmigem oder gasflüssigen Brennstoffen einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Neuentwicklungen von Feuerungsanlagen, insbesondere von Feuerungsanlagen von gasförmigen Brennstoffen bzw. Gas/Flüssigbrennstoff-Gemischen sind Kriterien wie Wirtschaftlichkeit, wie optimaler Wirkungsgrad und insbesondere Verringerung der Emissionen von Schadstoffen, wie Stickoxyde, Kohlenmonoxyd und unverbrannte Kohlenwasserstoffe grundsätzlich zu erfüllende Forderungen.
Verwiesen sei insbesondere auf den Artikel "Entwicklung eines schadstoffarmen Vormischbrenners für den Einsatz in Haushaltsgasheizkesseln mit zylindrischen Brennkammern", Gaswärme International, Band 38 (1989), Heft 1, Seiten 28-34, der beiden Autoren H. Berg und Th. Janemann.
Weiter wird eine Vielzahl von technischen Lösungen für die Verringerung der Erzeugung von Stickoxyden vorgeschlagen, indem dem gasförmigen Brennstoff bzw. Brennstoff-Gemisch vor oder während der Verbrennung rezirkulierte Abgase bzw. Rauchgase zugemischt werden, um den Sauerstoffanteil zu verringern. Dadurch wird eine Temperaturreduktion in der bei der Verbrennung erzeugten Flamme erreicht, womit die Bildung von Stickoxyden verringert bzw. nahezu verhindert werden kann. Da insbesondere bei Brennern, wie beispielsweise in der EP-A-218 602 beschrieben, mit unterschiedlicher regulierbarer Brennerleistung auch die zudosierte Menge Abgas bzw. Rauchgas variiert bzw. gesteuert werden muss, stellt dies eine relativ aufwendige Steuerung voraus. Dies ist notwendig, da ansonsten die Flammentemperatur zu tief oder zu hoch ist, je nachdem, mit welcher Bennerleistung der Brenner betrieben wird.
Die US- 3 061 001 beschreibt einen Brenner für gasförmige Brennstoffe mit in der Brenneroberfläche angeordneten Flammenbohrungen, wobei wenigstens ein Teil der Bohrungen in Form gleichseitiger Dreiecke angeordnet ist. Die Aufgabe in der genannten US Patentschrift besteht darin, das Zurückschlagen der Flammen in die Bohrungen zu verhindern, was einerseits dadurch erreicht wird, dass die Bohrungen weitgehendst mit Brennstoffgemisch ausgefüllt sind und andererseits, indem die Brenneroberfläche durch entsprechende konstruktive Massnahmen gekühlt wird. Ein Reduzieren der Schadstoffe in den Abgasen steht nicht zur Diskussion.
In der US-3 936 003 wird eine Brenneroberfläche vorgeschlagen, bei welcher die einzelnen Flammenbohrungen derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass zwischen den Flammen Abgase bzw. Rauchgase von der Flammenwurzel angesogen werden. Dabei wird allerdings vorgeschlagen, heisse Abgase zu rezyklieren, wodurch die Flamme in der Flammenwurzel nicht abgekühlt, sondern eher noch weiter erhitzt wird. Wohl wird damit möglicherweise eine Flammenstabilität erreicht, jedoch wird gleichzeitig der Anteil Stickoxid in den Abgasen weiter erhöht, was unerwünscht ist.
In der WO95/23315 wird ebenfalls vorgeschlagen, die Flammenbohrungen derart zueinander anzuordnen, dass zwischen den Flammen Abgase bzw. Rauchgase zu den Flammenwurzeln zurückgesogen werden. Allerdings wird in dieser Publikation von speziellen Verhältnissen ausgegangen, indem sich die darin vorgeschlagenen Verfahren insbesondere für hochreaktive Verbrennungsgase eignen, wie beispielsweise für Wasserstoff/Methan-Mischungen, enthaltend mehr als 90% Wasserstoff. Derartige Brennstoffgemische liegen aber in der Regel beim Verbrennen von herkömmlichen Brennstoffen in Feuerungsanlagen nicht vor.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. einen dazu geeigneten Brenner vorzuschlagen, bei welchem auf einfachste Art und Weise die Zudosierung bzw. das zumischen von Abgasen bzw. Rauchgasen erfolgen kann, gegebenenfalls auch bei unterschiedlich eingestellter Brennerleistung.
Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe mittels eines Verfahrens gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 gelöst.
Bekanntlich lässt sich durch geeignete Wahl der Brenneroberfläche die Flammenausbildung in allen Details fundamental bestimmen. Dies betrifft insbesondere die Phänomene Flammenstabilität, Kohlenmonoxyd und Stickoxyd-Emission. Beim Austritt eines Fluidstrahles, wie beispielsweise eines Gas/Luftgemisches aus einer Oeffnung wie einem Rohr oder Loch, kommt es zur Ausbildung eines Freistrahls. Dieser saugt Umgebungsmedium an und mischt sich mit diesem, wie nachfolgend unter bezug auf Figur 1 dargestellt. Bei parallelen Freistrahlen beeinflussen sich diese gegenseitig und es kommt, abhängig von den charakteristischen Grössen des Strahlenbündels, zu einer veränderten Ausprägung der Ansaugung.
Werden nun, wie im Falle von Brennstoffen, diese Fluidstrahlen entzündet, so kommt es zur Ausbildung von parallelen Einzelflammen. Da auch diesen Flammen einzelne Fluidstrahlen zugrunde liegen, wird nun Umgebungsmedium in die Flammen gesaugt. Das ursprünglich reine Brennstoff/Luftgemisch vermischt sich, ab dem Bereich der Flammenwurzel an der Brenneroberfläche, mit dem Umgebungsmedium. Da in der Umgebung der Flammen ausschliesslich Abgas vorhanden ist, kommt es zur Einmischung des weitgehend sauerstoff-freien Mediums (Sauerstoffkonzentration im Abgas nur ca. 1-6%).
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, Abgas in das Brennstoff/Luftgemisch aus der Umgebung einzumischen, wodurch sich eine drastische Reduktion der Bildung von Stickoxyden erreichen lässt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, mittels Rohrleitungen, Steuerungsmechanismen und dgl. Abgase aus einer Brennkammer abzusaugen und dem Brennstoffgas- bzw. Gasgemisch zuzuführen, bevor dieses oberhalb der Brenneroberfläche verbrannt wird.
Insbesondere bei Oberflächenbrennern wird eine grössere Anzahl von oben erwähnten ähnlichen, wenigstens nahezu parallelen Einzelflammen erzeugt. Bekanntlich besteht die Brenneroberfläche aus einzelnen Löchern, und erstaunlicherweise konnte nun erfindungsgemäss gefunden werden, dass durch Wahl einer geeigneten Geometrie sowohl in bezug auf die einzelnen Löcher wie auch in bezug zueinander die genaue Einstellung einer Flammenstruktur möglich wird, mittels welcher die Emissionen von Kohlenmonoxyd und Stickoxyden minimiert werden können. Es sind also keinerlei weitere Zusatzaggregate, Rauchgasleitungen usw, notwendig, sondern lediglich durch geeignete Ausgestaltung der Brenneroberfläche wird es möglich, die erfindungsgemässe, oben erwähnte Grundidee umzusetzen. Dabei hat es sich gezeigt, dass bevorzugt ein dreieckförmiges Lochmuster gewählt wird, wobei die Flammenbohrungen vorzugsweise in Form wenigstens nahezu gleichseitiger Dreiecke angeordnet werden. Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. der Brenneroberfläche sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäss ausgebildeten Verfahrens wird ein Brennerrohr in Axialrichtung längsverschieblich betrieben. In diesem Zusammenhang sei erneut auf die EP-A-218 602 verwiesen, in welcher ein Brenner ein Brennerrohr umfasst, das in seiner Längsrichtung verschieblich gelagert ist. Bekanntlich erfordert die Realisierung einer Verbrennung mit niedrigen Emissionen die Optimierung des Verbrennungsprozesses. Für einen stationären Prozess spielt dabei die Zu- und Abfuhr von Stoffen, Energie und Impuls eine grundlegende Rolle. Gleichzeitig sind reaktionskinetische Effekte, wie Flammenstabilität, Schadstoffbildung, etc. zu berücksichtigen. Als Optimierung wird verstanden, ein System durch geeignete Variation von Betriebsparametern und Geometrie in einen gewünschten Zustand zu bringen. Da die Betriebsparameter durch die gestellten Anforderungen weitgehend vorgegeben sind, muss die Geometrie variiert werden. Dies wird bei einem Brenner durch die Ausbildung der Brenneroberfläche in der oben beschriebenen Form erreicht, sowie durch die axiale Längsbewegung desselben, wie bekannt aus der EP-A-218 602. Dabei ist aber zu bedenken, dass der Verbrennungsraum bzw. der Heizkessel nicht variiert wird. Bei einer hohen Leistungsmodulationsbreite, wie z.B. 1:10, führt dies zu einer Brennkammer, welche im Extremfall um eine Grössenordnung überdimensioniert ist. Aus Wärmetauscher-technischer Sicht ist dies sicher ein Vorteil, da die Abgasverluste minimiert werden. Verbrennungstechnisch hingegen führt dies jedoch zu einer Flammengestaltung, welche weit vom Optimum entfernt liegen muss, da die Flamme keinerlei stabilisierende Effekte durch die Brennkammer erfährt.
Insbesondere durch die Ausgestaltung der Brenneroberfläche und der damit sich einstellenden Einmischung von Abgasen führt dies zu Problemen im Bereich der Flammenstabilität mit der Folge von erhöhten Emissionen von Kohlenmonoxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Es ist daher eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Berücksichtigung der erfindungsgemässen Grundidee und der vorgeschlagenen Ausgestaltung der Brenneroberfläche mit dem erwähnten Lochmuster und bei einer hohen Leistungsmodulationsbreite, beispielsweise erzeugt durch axiales Verschieben des Brenners in und aus dem Brennraum, eine Lösung vorzuschlagen, welche auch bei niedriger Brennerleistung die Emissionen von Kohlenmonoxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen niedrig hält. Es besteht also eine Optimierungsaufgabe bei niedriger Brennleistung eine Lösung zu finden, bei welcher auch die Brennkammer miteinbezogen werden muss.
Erfindungsgemäss wird Diese gestellte Aufgabe wird mittels der besonderen Weiterbildung des Verfahrens gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 4 gelöst. Vorgeschlagen wird, dass am Brenner ein zusätzlicher Oberflächenbereich mit dem erfindungsgemäss vorgeschlagenen Lochmuster ausgebildet wird, wobei aber die geometrischen Verhältnisse unterschiedlich gewählt werden. Insbesondere an einem Brennerrohr, welches in axialer Richtung längsverschieblich in und aus einem Brennraum angeordnet ist, wird vorgeschlagen, dass im bzw. am das zylindrische Brennerrohr abschliessenden Zylinderboden, axial und konzentrisch von diesem vorstehend, ein weiteres Brennerrohr mit kleinerem Durchmesser angeordnet ist, auf dessen Oberfläche das erfindungsgemässe Lochmuster angeordnet ist. Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 5-9 charakterisiert.
Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren bzw. der zur Durchführung des Verfahrens geeignete Brenner eignen sich insbesondere für Oberflächenbrenner.
Die Erfindung wird nun anschliessend beispielsweise und unter bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1
schematisch im Schnitt parallele Freistrahlen, wie sie in der Regel bei der Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen ausgebildet sind,
Fig. 2
ein vorgeschlagenes Lochmuster an einer Brenneroberfläche, und
Fig. 3
im Schnitt eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Brennerrohres, umfassend ein Zusatzbrennerrohr für das Betreiben einer sog. Grundlaststufe.
Figur 1 zeigt schematisch zwei parallele Freistrahlen 5, bei welchen es sich beispielsweise um zwei entzündete Fluidstrahlen handeln kann. Diese werden erzeugt, indem ein gasförmiger Brennstoff durch Flammenbohrungen 3 an einer Brenneroberfläche 1 in eine Brennkammer 2 für die Verbrennung eingegeben werden. Insbesondere an der Flammenwurzel 7 werden durch das in die Brennkammer 2 einströmende Gas Umgebungsgase in das Brennstoff-Gasgemisch eingesaugt und mit diesem vermischt. Damit nun die Einmischung der Abgase aus der Umgebung erfindungsgemäss auf optimale Art und Weise erfolgt, wird eine Brenneroberfläche bevorzugt gemäss einem Lochmuster, dargestellt in Fig. 2, ausgebildet.
Figur 2 zeigt eine Brenneroberfläche 1, umfassend eine Vielzahl von Flammenbohrungen bzw. einzelner Löcher 3, welche so angeordnet sind, dass jedes Loch zu jedem seiner direkten Nachbarlöcher einen identischen, vorzugsweise entsprechend einem gleichseitigen Dreieck, oder annähernd gleichen Abstand besitzt. Der Abstand der Löcher wird in Fig. 2 mit "a" bezeichnet, der Durchmesser der Löcher mit "D".
Ausgehend von den Aehnlichkeitsgesetzen der Strömungslehre (II Theorem von Buckingham) lassen sich genau zwei dimensionslose Kennzahlen ableiten, welche für die durch die Einzelstrahlen angesaugte Menge von Umgebungsmedium relevant sind. Es sind dies die Reynold'sche Zahl Π1, sowie das dimensionslose Verhältnis Π2 von Abstand a zu Durchmesser D. I   Π1 = D * u ν II   Π2 = a D
Dabei bedeuten u = Geschwindigkeit des aus der Bohrung ausströmenden Mediums, beispielsweise Gas/Luft, und ν = kinematische Viskosität des Mediums.
Es ist seit langem bekannt, dass durch Rezirkulation von Abgas die Bildung von thermischem Stickoxyd sehr stark reduzierbar ist. Verwiesen sei in diesem Zusammenhang auf die Dissertation von H. Dreher, "Abgasrezirkulation zur Stickoxidminderung - Bestimmung der Rezirkulationsrate in Brenner/Kessel-Kombinationen mittels numerischer Simulation", ETH Zürich, 1994. Bisherige Verfahren verwenden, wie oben erwähnt, dazu entweder Rohrleitungen sowie ein Rauchgasgebläse, um das Abgas aus der Brennkammer oder dem Kamin dem Brenner erneut zuzuführen, oder aber eine Venturidüse, sodass mit dem Luftstrahl des Brenners das Abgas direkt aus der Brennkammer angesaugt wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet zur Abgaszirkulation lediglich die optimale Ausgestaltung der Brenneroberfläche (Lochanordnung) wie bereits eingangs erwähnt. Dabei haben sich für die optimale Ausgestaltung der Lochmusteranordnung der Brenneroberfläche eines wenig strahlenden Oberflächenbrenners die folgenden gleichseitigen Dreiecke oder ähnliche Muster mit den folgenden Parametern als vorteilhaft erwiesen: 1,5 ≺ a/D ≺ 6 [-] 3 ≺ D ≺ 10 [mm]
Bevorzugte Parameterwerte stellen dabei die Werte a/D von 2 bis 4 resp. von 2,2 bis 3,5 dar, währenddem der Wert für den Durchmesser D von der Leistung des Brenners abhängig ist.
In Figur 3 ist im Schnitt ein Brennerrohr 4 dargestellt, umfassend einerseits eine Brenneroberfläche 1 mit dem erfindungsgemäss vorgeschlagenen Lochmuster, sowie mit einer zusätzlichen Anordnung für die Ausgestaltung einer sog. Grundlaststufe. Das erfindungsgemäss ausgebildete Brennerrohr 4 kann in axialer Richtung längsverschieblich (Pfeil) an der Brennkammerwandung 21 in die Brennkammer oder aus der Brennkammer 2 bewegt werden. Je nach Stellung des Brennerrohres 4 ist eine Vielzahl der erfindungsgemäss angeordneten Lochungen 3 in der Brennkammer 2 freigelegt, oder aber verschlossen. Durch die Bewegung des Brennerrohres ist es möglich, die Betriebsparameter bzw. die Leistung des Brenners zu variieren. Gleichzeitig wird aber die Brennkammer bzw. der Heizkessel nicht variiert. Die so erzeugte Leistungsmodulationsbreite führt zu einer Brennkammer, welche im Extremfall um eine Grössenordnung überdimensioniert ist. Insbesondere in demjenigen Fall, wo das Brennerrohr weitgehendst aus der Brennkammer 2 zurückgezogen ist, führt dies zu einer Flammengestaltung, welche weit vom Optimum entfernt liegt, da die Flamme keinerlei stabilisierende Effekte durch die Brennkammer erfährt. Aus diesem Grunde wird nun erfindungsgemäss eine sog. Grundlaststufe vorgeschlagen, welche der Flamme die zu ihrer Stabilisierung nötige "Brennkammer" bereitstellt und so die Optimierung der Verbrennung ermöglicht. Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Brennkammer der Flammen im kleinen Leistungsbereich ist frontseitig am Brennerrohr 4 angeordnet und mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet. Diese Brennkammer 18 der Grundlaststufe wird gebildet einerseits durch ein zusätzlich frontseitig am Brennerrohr 4 angeordnetes weiteres Brennerrohr 24, auf dessen Brenneroberfläche 26 wiederum Flammenbohrungen bzw. Lochungen 28 gemäss dem vorgeschlagenen erfindungsgemässen Lochmuster angeordnet sind. Diese Bohrungen 28 weisen dabei vorzugsweise einen kleineren Durchmesser D auf als der Durchmesser der Bohrungen 3 in der Oberfläche 1 des Brennerrohres 4. Frontseitig an diesem weiteren Brennerrohr 24 ist eine untere axiale Begrenzung 25 vorgeschlagen, welche vorteilhafterweise aus einem Material gefertigt ist, welches glüht. Aus demselben Material ist vorzugsweise auch die obere ringförmig ausgebildete Begrenzung 31 gefertigt, welche ringförmig axial um das weitere Brennerrohr 24, die frontseitige Oberfläche des Zylinderbodens des Brennerrohres 4 abdeckend, angeordnet ist. Diese Brennkammer 18 der Flammen im kleinen Leistungsbereich befindet sich also am Brennerrohr 4 und wird mitbewegt. Es ergibt sich also keine Relativbewegung von Brenner und Brennkammer im kleinsten Leistungsbereich. Die Grösse der Grundlaststufe kann sich von ca. 5-30% der Volllast erstrecken, vorzugsweise 5-10%. Die Ausbildung der Brenneroberfläche des weiteren Brennerrohres 24 bzw. der sog. Grundlaststufe erfolgt mittels desselben oben beschriebenen Musters, das auch für die Hauptbrenneroberfläche 1 verwendet wird. Die Parameterwahl des Musters a/D, D kann für Grundlast und Hauptbrenner-Oberfläche unterschiedlich erfolgen. Dadurch, dass die obere und untere Begrenzung der Grundlastsstufe vorteilhafterweise aus einem glühbaren Material besteht, wird erreicht, dass zu jedem Zeitpunkt, auch wenn die Flamme lokal oder instationär erlöscht (typisches Phänomen turbulenter Flammen), das vorbeiströmende Gas erhitzt und erneut gezündet wird. Dies ermöglicht annähernd einen von Kohlenmonoxyd freien Betrieb, auch bei Grundlast.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Ausgestaltung eines Brenners gemäss Fig. 3 liegt in der Gewährleistung der Optimierung der Flammenausbildung in allen Leistungsmodulationsbereichen und dadurch den Erhalt extrem kleiner Emissionen von Kohlenmonoxyd und Stickoxyden. Dadurch wird es aber auch möglich, einen Brenner mit einer erfindungsgemäss vorgeschlagenen Brenneroberfläche zu versehen und mit unterschiedlicher Leistung zu betreiben, ohne dass für die Gewährleistung optimaler Emissionswerte die Grösse der Brennkammer erheblich ist bzw., dass optimale Emissionswerte auch bei überdimensionierten Brennkammern möglich sind.
Für nicht kreisrunde Löcher ist mit dem aus der Lochfläche gebildeten Vergleichskreis-Durchmesser zu rechnen gemäss der Formel: Däq = 4 A 2 II
Däq =
äquivalenter (Vergleichs-)Durchmesser
A2 =
Querschnittsfläche des Einzellochs

Claims (11)

  1. Verfahren zum Reduzieren der Stickoxyde beim Verbrennen eines gasförmigen oder gasförmig/ flüssigen Brennstoffes bzw. Brennstoffgemisches an einer Brenndüse bzw. einem Brennerrohr mit Flammenbohrungen, wobei die entzündeten Fluidstrahlen derart zueinander beabstandet angeordnet sind, dass Umgebungsmedium, beinhaltend Abgase bzw. Rauchgase im Bereich der Flammenwurzel angesaugt wird, um die Temperatur der Flamme zu reduzieren, wobei wenigstens ein Teil der Flammenbohrungen in Form gleichseitiger Dreiecke angeordnet ist, der Durchmesser (D) der Flammenbohrungen in einem Wertebereich von 3-10mm liegt und das Verhältnis Abstand (a) der Bohrungen zueinander zum Bohrungsdurchmesser (D), d. h. das Verhältnis (a/D) in einem Bereich von 2 bis 4 liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen zylinderförmiges Brennerrohr betrieben wird, mit in der Zylinderwandung angeordneten Flammenbohrungen.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerrohr in Axialrichtung längsverschieblich betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerrohr als Hauptbrenner betrieben wird und dass in bzw. am das zylindrische Brennerrohr abschliessenden Zylinderboden von diesem vorstehend konzentrisch ein weiteres Brennerrohr mit kleinerem Durchmesser betrieben wird zur Bildung einer sog. Grundlaststufe.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (a/ D) der im weiteren Brennerrohr bzw. in der Grundlaststufe angeordneten Flammenbohrungen in demselben Wertebereich liegt, wie das Verhältnis (a/ D) der Hauptbrenneroberfläche bzw. der Oberfläche des Brennerrohres.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Bohrungen im weiteren Brennerrohr bzw. der Grundlaststufe kleiner ist als derjenige der Bohrungen in der Hauptbrenneroberfläche.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Brennerrohr bzw. die Grundlaststufe zylindrisch ausgebildet ist mit einem frontseitigen Abschlussboden bzw. einer frontseitigen Begrenzung, welche radial über die Zylinderwandung vorstehend ausgebildet ist, mit einem Durchmesser in etwa entsprechend dem Durchmesser des Brennerrohres bzw. des Hauptbrenners, und dass an der freien Oberfläche des Zylinderbodens des Hauptbrenners bzw. Brennerrohres, diese Oberfläche überdeckend eine ringförmige Wandung angeordnet ist, wobei Abschlussboden und ringförmige Wandung vorzugsweise aus einem Material gefertigt sind, das bei Brennerbetrieb glüht, wie beispielsweise Stahlblech Keramik und dgl.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass ursprünglich durch die Flammenbohrung gelangendes weitgehendst reines Brenngas/ Luftgemisch ab dem Bereich der Flammenwurzel mit weitgehendst Sauerstoff-freiem Medium vermischt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerrohr zum Steuern der aktiven Brennerfläche in axialer Richtung in oder aus einem Brennraum gekennzeichnet, dass das Brennerrohr zum Steuern der aktiven Brennerfläche in axialer Richtung in oder aus einem Brennraum bzw. Heizraum bewegt wird, wobei bei Grundlast das Brennerrohr bis maximal zum Zylinderabschlussboden aus dem Brenn- bzw. Heizraum bewegt wird, und im somit kleinsten Leistungsbereich die Verbrennung der Brennstoffe nur mittels des frontseitig vorstehenden weiteren Brennerrohres bzw. der Grundlaststufe erfolgt.
  10. Brenner für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-9, wobei wenigstens ein Teil der Flammenbohrungen in Form gleichseitiger Dreiecke angeordnet ist, das Verhältnis Abstand (a) der Bohrungen zueinander zum Bohrungsdurchmesser (D), d. h. das Verhältnis (a/D) einen Wert in einem Bereich von 2- 4 aufweist, und der Durchmesser (D) der Flammenbohrungen in einem Wertebereich von 3-10 mm liegt.
  11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 8 (a/ D) einen Wertebereich von 2,2-3,5 aufweist.
EP97900010A 1996-01-26 1997-01-07 Brenneroberfläche Expired - Lifetime EP0876570B1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH203/96 1996-01-26
CH20396 1996-01-26
CH20396 1996-01-26
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