Heizkesselanlage mit externer Abgasrückführung

Abstract

 Heizkesselanlage, die mit einem Gebläsebrenner (9) und einer Abgasrückführung arbeitet, wobei die Abgasrückführleitung (32a) stromauf des Verbrennungsluftgebläses (12) in den Unterdruckbereich desselben mündet oder stromab des Verbrennungsluftgebläses (12) in das Ventilationsgehäuse (10) desselben einmündet, so daß an der Mündung ein Unterdruck bewirk wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung dient zur Reduzierung von NO_x bei gas-und ölbefeuer­ten Heizgeräten, die mit Gebläsebrenner ausgerüstet sind. Beim Gegen­stand der Erfindung wird eine neuartige Abgasrückführung verwendet, die ohne zusätzliche Fördereinrichtungen die Abgasrückführung einer Teilabgasmenge vom Kesselbereich zurück zum Gebläsebrenner ermöglicht und damit unter bisher nicht bekannten wirtschaftlichen Bedingungen eine ausreichende Reduzierung des NO_x-Anteils in den Abgasen herbeiführt.

[0002] Es ist bekannt, daß durch eine Abgasrückführung oder Abgasrezirkula­tion bei Feuerstätten eine NO_x-Reduzierung erzielt werden kann. Bekannt sind dabei Ausführungen, bei denen eine "innere" Abgasrezir­kulation vom Feuerraum zum Brennerkopf zurück erfolgt. Die Injek­torwirkung der Brennstoffdüse und/oder die Injektorwirkung der über Gebläse bis in den Mischraum geführten Verbrennungsluft dienen dabei als "Antrieb" für die Rezirkulation der Flammengase. Dadurch wird die Flammentemperatur von bspw. 1600°C auf 1500°C reduziert, was zwar zu einer Verminderung der NO_x-Bildung um 10-15% führt, aber immer noch mit über 100 ppm weit über dem angestrebten, möglichst unter 50 ppm liegenden Grenzwert NO_x liegt. Der auch bei "heißer" innerer Abgasrezirkulation etwas absinkende Partialdruck des Sauerstoff-An­teiles in der Verbrennungs- d.h. Flammenzone reicht ebenfalls nicht zur ausreichenden NO_x-Absenkung aus.

[0003] Bekanntgeworden sind auch Abgasrückführungen bei Großanlagen von Kraft­werken, bei denen Abgasteilmengen bis zu 25% über spezielle Abgasförder­gebläse über außen liegende (externe)Abgasrückführleitungen zurück zum Brennerkopf des Gebläsebrenners geführt werden. Es hat sich gezeigt, daß unter diesen Betriebsbedingungen die gewünschte NO_x-Absenkung unter 50 ppm möglich ist. Als nachteilig erweist sich dabei, daß ein zusätzlicher Anschaffungs-und Überwachungsaufwand für das (oder die) Abgasgebläse und ständige zusätzliche Betriebskosten für die elektrische Antriebsenergie und den Wartungsaufwand erforderlich sind.

[0004] Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht dagegen den Verzicht auf Abgasgebläse durch andere geeignete Maßnahmen zur Förderung der Abgas­teilmenge. Dabei wird mittels der Saugwirkung des Verbrennungsluft­gebläses die Abgasteilmenge in ausreichender Menge zurückgeführt. Neben den eingesparten zusätzlichen Kosten für das Abgasgebläse wer­den auch zusätzliche Betriebsgeräusche vermieden, die den Einsatz im Industrie-, Gewerbe-und Haushaltssektor belasten könnten.

[0005] In den Bildern 1-5 sind Ausführungsbeispiele über den erfindungs­gemäßen Aufbau des Gebläsebrenners mit externer Abgasrückführung -nachfolgend auch abgekürzt ARF genannt- zum Zwecke der NO_x-Redu­zierung auf < 50 ppm dargestellt. Die Bilder zeigen einen Einzug-­Kessel 1 mit "heißer" Brennkammer 2, Abgasumlenkung 3, Abgasstutzen 4 und Abgasrohr 5. Jeder handelsübliche Kessel anderer Bauart, bspw. mit 2 oder 3 Kesselzügen, kann mit dem erfindungsgemäßen Gebläse­brenner ebenfalls zur wirksamen NO_x-Reduzierung betrieben werden. In der mit 6 bezeichneten Feuerraum brennt die Brennerflamme 7 des Gebläsebrenners 9, der vom Ventilationsgehäuse 10 mit Motor 11 und Verbrennungsluft-Gebläserad 12, dem Brennergehäuse 13 mit Brenner­kopf 14 und Brennstoffzufuhr 15, sowie mit Magnetventil 16, Gasre­gelklappe 17 und anderen Gassicherheitsarmaturen, ferner dem Brenner­flammrohr 18 in seinen Hauptbestandteilen gebildet wird. In an sich weiterhin bekannter Weise ist ein Luftansaugkasten 19 oder alternativ ein Luftansaugstutzen 20 am Eingang der Ansaugöffnung 21 des Ventilge­häuses 10 dicht befestigt. Der Luftansaugkasten 19 -oder alternativ der Luftansaugstutzen 20 - weist stromaufwärts einen gegenüber der Atmosphäre offenen Verbrennungsluftquerschnitt 22a auf. Insoweit han­delt es sich bei den in den Bildern dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen um an sich bekannte Kessel-und Gebläsebrenner-­Ausführungen, die, wie nachfolgend beschrieben, mit weiteren erfinderi­schen Merkmalen ausgerüstet sind.

[0006] Bild 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gebläsebrenner mit stufenlos modulierend arbeitender Betriebsweise in einer Ansicht von oben, wobei der Kessel in Brenner-und Abgasstutzenebene im Schnitt A-B ge­zeichnet ist. Der Gasgebläsebrenner zeigt dabei einen Teilschnitt durch die Ebene der Luftansaugöffnung 21 des Ventilatorgehäuses 10.

[0007] Bild 2 zeigt eine Seitenansicht dieses erfindungsgemäßen Gasgebläse­brenner von außen mit Teilansicht vom Kessel. Wie aus Bild 1 her­vorgeht, ist der Luftansaugkasten 19 vor der Ansaugöffnung 21 am Ventilationsgehäuse 10 fest und dicht angebaut; er weist in einem rechten Winkel rechts seitlich zur Ansaugöffnung 21 ein zur Atmosphäre hin offendes Ende 22a auf, das durch die bewegliche, mit Stellmotor 36 verstellbare Luftregelklappe 23a je nach modulierender Brennereinstel­lung in seinem Luftdurchlassquerschnitt in allgemein bekannter Weise verändert werden kann. Durch die zwischen Luftregelklappe 23a und Gebläserad 12 vor der Luftansaugöffnung 21 verstellbar angeordnete Luftdrosselscheibe 24a wird erfindungsgemäß die Abgasrückführungs-­Leitung (ARF-Leitung) 32a von außen her durch die Wand 25 des Luft­ansaugkasten 19 und weiter durch die Luftdrosselscheibe 24a so weit nach innen geführt, daß das offene Ende in die Ebene des Gebläserades 12 hereinragt. An dieser Stelle besteht ein weitgehend gleichmäßiger, bei jeder Stellung der Luftregelklappe 23a und/oder der Luftdrossel­scheibe 24a optimaler Unterdruck zur Förderung der extern in noch zu beschreibender Weise herangeführten Abgasteilmenge in der ARF-Leitung 35, wobei es im Bereich des Gebläserades 12 zu einer gleichmäßigen Vertei­lung und Vermischung mit der Verbrennungsluft kommt. Auf diese Weise kann auf eine mechanische Förderung mittels besonderer Abgasgebläse verzichtet werden, das ausschlaggebende Merkmal vorliegender Erfindung.

[0008] Aus Bild 1 geht die weitere Ausbildung der Luftdrosselscheibe 24a her­vor, die über einem mit ihr verbundenen Bügel 39 zweifach auf der ARF-Leitung 32a gelagert und über die Gewindespindel 26 und den Ver­stellknopf 27 verschieblich angeordnet ist, um die Luftansaugöffnung 21 voreinstellen zu können. Die Luftregelklappe 23a dient zur eigentlichen Anpassung der momentanen Brennereinstellung bei über eine elektronische Brennerregelung geregelter Betriebsweise des modulierenden Gebläsebren­ners. Auf die gleichzeitige Regelung der Brennstoffzufuhr 15 über das Verbundgestänge braucht hier nicht eingegangen zu werden. Mit der Luft­regelklappe 23a verbunden über das Verbundgestänge 28a ist die ebenfalls erfindungsgemäß in die ARF-Leitung 35 stromaufwärts außerhalb des An­saugkasten 19 eingebaute Abgasregelklappe 29, die bewirkt, daß die Ab­gasteilmenge gemäß der modulierenden Brennereinstellung zugeordneten Luftdurchsatz angepaßt wird. Bei größerer Brenner- und damit Luftein­stellung wird die Abgasregelklappe 29 sinngemäß ebenfalls weiter geöffnet, um in dieser Betriebsstellung eine größere Abgasteilmenge einströmen zu lassen und einen ausreichenden Abgasanteil in der Ver­brennungsluft zur angestrebten NO_x-Absenkung zu gewährleisten.

[0009] Andererseits bewirkt die Abgasregelklappe 29 über ihr Verbundge­ stänge 28a bei kleiner Leistung und geringem Luftbedarf eine Drosselung der Abgasteilmenge, um dem höheren Förderdruck ent­gegenzuwirken, der sich bei mehr geschlossener Luftregelklappe 23a am offenen Ende der ARF-Leitung 32a im Bereich des Gebläse­rades 12 einstellt.

[0010] Die ARF-Leitung 32a ist mit dem Flansch 33 an der Wand 25 des Luftansaugkastens 19 befestigt.

[0011] Die Abgasdrosselklappe 30 ist von Hand zu verstellen und strom­aufwärts zur Abgasregelklappe 29 in die externe (äußere) ARF-Lei­tung 35 eingebaut. Sie ermöglicht eine Vordrosselung der Abgasteil­menge unabhängig zur Stellung der Abgasregelklappe 29.

[0012] Die ARF-Leitung 35 ist außerhalb des Kessels 1 herumgeführt und mündet in das Abgasrohr 5 hinter dem Abgasstutzen 4 des Kessels 1 ein, wobei sie am Abgasrohr mit einem Flansch 38 befestigt ist und winkel-oder alternative dazu bogenförmig mit stromaufwärts gerichtetem offenen Ende 37 einmündet. Damit soll ein zusätzlicher Abgasstau den Förderdruck erhöhen. Die ARF-Leitung 35 wird ganz oder teilweise in fester oder flexibler Rohrausführung ausgeführt.

[0013] Alternativ dazu kann die ARF-Leitung mit ihrem offenen Ende 37 durch den wasserführenden Teil des Kessels hindurch in dessen hinteren Abgasweg verlegt sein, was durch eine herstellerseitige Abstimmung des Kessels zu erfolgen hat. Diese Variante führt zu noch stärker abgekühlten Temperaturen der Abgasteilmenge und ermög­licht eine geringere thermische Belastung der von ihr beaufschlagten Brennerteile.

[0014] Bild 3 zeigt in einer Ansicht von oben mit einem Schnitt in Höhe Abgasstutzenmitte durch den Kessel 1 und einem Teilschnitt durch den Gebläsebrenner 9 in der Ebene der Luftansaugöffnung 21 ein anderes Ausführungsbeispiel mit einem zylindrischen Luftansaugrohr 20, das vor der Ansaugöffnung 21 dicht am Ventilationsgehäuse 10 anliegt und dessen Zylinderachse etwa mittig zur Motor-und Gebläseradachse angeordnet ist und an seinem offenen Ende 22b eine fest einstellbare Lufdrosselscheibe 24b aufweist. In Richtung Luftansaugöffnung 21 -strom­abwärts- ist die für den modulierenden Gebläsebrenner erforderliche, vom Stellmotor 36 angetriebene Luftregelklappe 23b angebracht, die die ihrerseits die in der ARF-Leitung 35 montierte Abgasregel­klappe 29 über das Verbundgestänge 28a -wie bereits beschrieben- in gleicher Weise verstellt. Die am offenen Ende 22b angeordnete Luftdrosselscheibe 24b dient zur Voreinstellung eines auch bei ge­öffneter Stellung der Luftregelklappe 23b noch für die Förderung der Abgasteilmenge ausreichenden Förderdruckes an der seitlich in Nähe des Ventilatorgehäuses 10 in das Luftansaugrohr 20 eingeführ­ten und rechtwinklig zum Gebläserad hin abgebogenen ARF-Leitung 32b. Der Ort für die ARF-Leitungseinführung wird im Bereich des von der etwa 90°-schwenkenden Luftregelklappe 23b nicht erfaßten Quadranten 34 gewählt. Die Luftregelklappe 23b und die Luftdrosselscheibe 24b können mit ihren Achsabständen ebenfalls näher aneinander gerückt sein, wenn die für den Verstellbereich die vom Schwenkwinkel nicht er­faßten Quadranten 34 zur "Überlappung" gewählt werden.

[0015] In weiterer Ergänzung der externen ARF-Leitung 35 nach Bild 3 ist die Abgasdrosselklappe 30 stromaufwärts zur Abgasregelklappe 29 eingebaut.

[0016] Die Einführung der ARF-Leitung 32b in das Luftansaugrohr 20 kann von beiden Richtungen her (horizontal von vorne oder hinten, verti­kal von oben oder unten) erfolgen, wenn gleichzeitig die Achsrich­tungen der Luftregelklappe 23b und der Luftdrosselscheibe 24b mit­geschwenkt verlegt werden. Eine besonders raumsparende Anordnung der Bauteile innerhalb des Luftansaugrohres 32b ergibt sich also wie bereits beschrieben dadurch, daß sich die Luftdrosselscheibe und die Luftregelklappe im nicht bestrichenen Quadranten des Schwenkbereichs überlappen und die ARF-Leitung ebenfalls in einem solchen Quadranten 34 eingeführt wird.
Bild 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der ARF-Leitung 32b bei modulierendem Gebläsebrenner für die Anordnung im Luftansaugrohr 20b dar. Anstelle der Luftdrosselscheibe 24b wird die fest montierte Fest­drosselscheibe 31 eingesetzt.

[0017] Bild 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die einstufige Gebläse­brennerausführung.
Hier entfallen die Bauteile "Luftregelklappe" und Verbundgestänge" für eine stufenlose Regelung der Verbrennungsluft. Statt dessen wird in einem verkürzten Luftrohr 20c die Verbrennungsluft mittels der Luftdrosselscheibe 24b voreingestellt. In Ergänzung dazu weist die ARF-Leitung nur noch die Abgasdrosselklappe 30 auf.

Ansprüche

1. Verfahren zur Abgasentgiftung mit teilweiser Abgas­rückführung durch eine Abgasrückführleitung an einer Heizkesselanlage mit Heizkessel, Gebläsebrenner und Abgasrohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der rückzuführenden Gase ausschließlich durch den Unterdruck der Gebläseluft des Gebläse­brenners und den abgasseitigen Überdruck der Abgase bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseluftmenge und die rückgeführte Abgas­menge unabhängig voneinander steuerbar sind.

3. Heizkesselanlage
- mit einem Gebläsebrenner, der einen Antriebsmotor, ein Verbrennungsluftgebläse, ein Ventilationsgehäuse, einen Brennerkopf, ein Flammrohr und eine die maxi­male Luftmenge steuernde, insbesondere willkürlich einstellbare Luftdrosselscheibe aufweist,
- mit einem Heizkessel,
- mit einem Abgasrohr
- und mit einer externen Abgasrückführung mittels einer Abgasrückführleitung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführleitung (32a, 32b, 35) in den Unterdruckbereich des Ver­brennungsluftgebläses (12) mündet.

4. Heizkesselanlage nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Verbrennungsluftgebläse mit einem Gebläserad (12) (Tangentialgebläse) arbeitet und daß die Abgasrückführleitung (32a, 35) durch die Außenwand (25) eines Luftansaugkastens (19) in Richtung Motorachse bis zur Ebene des Gebläserades (12) geführt ist.

5. Heizkesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß auf dem im Ansaugkasten (19) angeord­neten Abschnitt der Abgasrückführleitung (32a) über einen Bügel (39) die Luftdrosselscheibe (24a) verschiebbar gelagert ist und daß deren Lage über eine von außerhalb des Ansaugkastens (19) zugängliche (27) Gewindespindel (26) änderbar ist.

6. Heizkesselanlage nach einem der Ansprüche 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebläsebrenner (9) einen modulierenden Brennerbetrieb aufweist mit einer Brennstoff-Luft-Verbundregelung, mit einem Brennstoffsteuerorgan (17), einer Luftregel­klappe (23b) und einem Verbundgestänge (28a, 28b) sowie einem Stellmotor (36) für eines dieser Steuer­organe (17, 23b).

7. Heizkesselanlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Luftdrosselscheibe und/oder die Luftregelklappe stromab des Gebläses angeordnet ist.

8. Heizkesselanlage nach einem der Ansprüche 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdrosselscheibe (24a, 24b) und/oder die Luftregelklappe (23a, 23b) stromauf des Gebläses (12) angeordnet sind und daß die Abgasrückführleitung (32b) vertikal zu der Achse und neben mindestens einem dieser Steuer­organe (23, 24) verläuft und zwar in dem von dessen Schwenkbereich nicht erfassten Quadranten (34).

9. Heizkesselanlage nach einem der Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrückführlei­tung (35) vorzugsweise außerhalb des Luftansaug­kastens (19) bzw. des Luftansaugrohrs (20) eine Abgasregelklappe (29) angeordnet ist, die über einen Stellmotor (36) in Abhängigkeit von Verbren­nungskenngrößen verstellbar ist.

10. Heizkesselanlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Abgasregelklappe (29) über ein Verbundgestänge (28b) mit der Luftregelklappe (23a, 23b) und/oder der Luftdrosselscheibe bzw. dem Brenn­stoffsteuerorgan (17) verbunden ist.

11. Heizkesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrück­führleitung (35, 38) im hinteren, inneren Kesselbe­reich durch einen wasserführenden Mantel hindurch­führbar ist und daß vorzugsweise der Eingang der Abgasrückführleitung (37) im Abgasweg innerhalb des Kessels angeordnet ist.

12. Heizkesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einmün­dung der Abgasrückführleitung (35) in das Abgasrohr (5) bzw. den Heizkessel (1) ein lösbarer Flansch (38) vorgesehen ist und daß dieser Flansch der äußeren Form der Verbindungsstelle (Wölbung des Abgasrohrs 5) angepasst ist.

13. Heizkesselanlage nach einem der Ansprüche 3 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführleitung (35) mit ihrem Anfang (37) in den Abgasstrom hinein­ragt und daß die Öffnung der Abgasrückführleitung (35) dem Abgasstrom entgegengerichtet ist.

14. Heizkesselanlage nach einem der Ansprüche 3 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführleitung (35) zumindest abschnittsweise flexibel ausgebildet ist und vorzugsweise aus biegsamem Edelstahlwellrohr besteht.

15. Heizkesselanlage nach einem der Ansprüche 3 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführleitung nach außen wärmeisoliert ist.

16. Heizkesselanlage nach einem der Ansprüche 3 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß an der tiefsten Stelle der Abgasrückführleitung eine Sammelstelle für Kondenswasser vorhanden ist, die vorzugsweise ent­leerbar ist.

Zeichnung