Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Brenner zum Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen unter verminderter Bildung von NOx mit den Merkmalen des ersten Teiles des Anspruches 1 oder 8.
Mit einem solchen Brenner läßt sich die Verbrennungsluft in Teilströmen aufgeben, wobei die Verbrennung in einer ersten Verbrennungszone reduzierend erfolgt. Bei einem bekannten Brenner (US-A-4 004 875) werden die Teilströme der Verbrennungsluft in Abständen längs der Brennerachse zugeführt. Dabei ist der Anteil der Primärluft geringer als der Anteil der Sekundärluft, so daß sich eine Anfangsflamme mit nicht ausreichender UV-Strahlung einstellen kann. Bei diesem Brenner wird weiterhin ein Teil der in der Primärbrennzone entstehenden, unvollständig verbrannten Reaktionsprodukte rückgesaugt und der Primärbrennzone erneut zugeführt. Diese unvollständig verbrannten Gase führen infolge Abkühlung und durch strömungsbedingte Ablagerungen zu Koksanbackungen und Verschmutzungen innerhalb des Brenners. Der bekannte Brenner ist daher insbesondere für die Verbrennung von schwerem Heizöl nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Brenner für die Verbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen zu schaffen, mit deren Hilfe die Bildung von NOx bei der Verbrennung wirksam unterdrückt werden kann bei einer einwandfreien Flammenüberwachung und ohne Verschmutzung des Brenners.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Bei diesem Verfahren bzw. bei diesem Brenner wird die Verbrennungsluft zwei- oder mehrstufig über konzentrische Kanäle zugeführt, deren Öffnungen in Abständen längs der Brennerachse folgen. Hierdurch wird eine gestufte Vermischung der Verbrennungsluft mit der ÖI- oder Gasflamme erreicht, so daß eine verzögerte Verbrennung mit abgesenkter Flammentemperatur erzielt wird, durch die die Bildung von NOx wirksam unterdrückt wird.
Zur weiteren Unterdrückung der NOx Bildung dient die Rückführung von Rauchgas über eine Injektoransaugung mittels des Primärluftstromes. Dabei wird das Rauchgas dem Feuerraum entnommen, wo es weitgehend ausgebrannt ist, so daß Koksanbackungen und Verschmutzungen vermieden werden. Der hohe Anteil an Primärluft erzeugt eine Anfangsflamme mit einer ausreichenden UV-Strahlung, durch die eine einwandfreie Flammenüberwachung durch eine UV-Fotozelle sicherzustellen ist. Außerdem ist durch den großen Primärluftanteil der rückgesaugte Rauchgasanteil größer. Dabei bleiben die wesentlichen Konstruktionselemente der Öl- und Gasbrenner erhalten, die sich im Betrieb bewährt haben. So ist die Ölflamme in dem Potentialwirbel hinter einem ausreichend großen Impeller zu stabilisieren, und die Öldüsen und Gaslanzen können so angeordnet werden, daß eine stabile durchgezündete Anfangsflamme entsteht.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen :
Die Brenneranordnung besteht aus einem Luftkasten 1, durch den eine Brennerlanze 2 für Öl und mehrere Brennerlanzen für Gas hindurchgeführt sind. Die Gasbrennerlanzen 3 sind um die Ölbrennerlanze 2 angeordnet. Auf der Ölbrennerlanze 2 ist ein Impeller 4 befestigt.
Die Brennerlanze 2, 3 sind von einem ersten Führungsrohr 5 umgeben, dessen Eintrittsöffnung 6 innerhalb des Luftkastens 1 und dessen Austrittsöffnung 7 innerhalb der Brennermündung liegt, die durch die Brennerkehle 8 dargestellt ist. An die Brennerkehle 8 schließt sich ein Feuerraum 9 an. Der Luftkasten 1 ist von der Brennerkehle 8 durch eine Deckplatte 10 getrennt, durch die das erste Führungsrohr 5 hindurchragt.
In rückwärtiger Verlängerung des ersten Führungsrohres 5 ist vor dessen Eintrittsöffnung 6 eine Dralleinrichtung 11 und ein Luftleitrohr 12 vorgesehen. Das Luftleitrohr 12 ist über ein nach außen geführtes Gestänge 13 axial verstellbar. In der einen Endstellung überdeckt das Luftleitrohr 12 den Lufteintrittsquerschnitt an der Dralleinrichtung 11. In der anderen Endstellung des Luftleitrohres 12 ist der Lufteintrittsquerschnitt an der Dralleinrichtung 11 freigegeben und der übrige Eintrittsquerschnitt zu dem ersten Führungsrohr 5 überdeckt. Die zuerst genannte Stellung des Luftleitrohres 12 ist in dem oberen Teil und die andere Stellung ist in dem unteren Teil der Figur 1 gezeigt. Dabei sind auch Zwischenstellungen zwischen den beiden Endstellungen möglich.
Innerhalb der Brennerkehle 8 ist in der Längsachse des Brenners in einem axialen Abstand von der Austrittsöffnung 7 des ersten Führungsrohres 5 und der Deckplatte 10 des Luftkastens 1 ein zweites Führungsrohr 14 angeordnet. Das zweite Führungsrohr 14 besteht vorzugsweise aus einem sich konisch erweiternden Abschnitt, an den sich ein zylindrischer Abschnitt anschließt.
Das zweite Führungsrohr 14 ist innerhalb der Brennerkehle 8 in einem Abstand unter Bildung eines Ringkanales 15 von einem dritten Führungsrohr 16 umgeben. Dieses dritte Führungsrohr 16 kann ebenso wie die beiden anderen Führungsrohre 5, 14 metallisch sein. Je nach den zu erwartenden Temperaturen kann das dritte Führungsrohr 16 auch aus einem feuerfesten keramischen Werkstoff bestehen. Das dritte Führungsrohr 16 kann nach Fig. 1 bis in den Übergang der Brennerkehle 8 in den Feuerraum 9 reichen oder nach Figur 2 auch kurz vor dem Übergang enden. Der Austrittsquerschnitt des dritten Führungsrohres 16 liegt dem Feuerraum 9 näher als der Austrittsquerschnitt des zweiten Führungsrohres 14.
Nach Figur 4 ragt das zweite Führungsrohr 14 weiter in die Brennerkehle 8 hinein als das dritte Führungsrohr 16. Dabei enthält das zweite Führungsrohr 14 eine nach außen weisende Ablenkkante 28.
Das zweite Führungsrohr 14 kann mit seitlichen Bohrungen 17 versehen sein, durch die eine Verbindung zwischen dem Ringkanal 15 zwischen den Führungsrohren 14, 16 und dem Innenraum des zweiten Führungsrohres 14 hergestellt ist.
Das zweite Führungsrohr 14 kann auch durch einen Rohrabschnitt 18 verlängert sein, der innerhalb des dritten Führungsrohres 16 das zweite Führungsrohr 14 teilweise umgibt. In Richtung auf den Feuerraum 9 liegt die Eintrittsöffnung dieses Rohrabschnittes 18 vor und dessen Austrittsöffnung hinter der Austrittsöffnung des zweiten Führungsrohres 14. Damit hat der Ringkanal 15 zwei hintereinanderliegende Austrittsquerschnitte erhalten.
Der Ringkanal 15 ist an seinem dem Luftkasten 1 zugewandten Ende geschlossen und über Verbindungsrohre 19 mit dem Luftkasten 1 verbunden. Dabei können die Verbindungsrohre 19 in eine Lufteintrittskammer 20 münden, die innerhalb des Luftkastens 1 gebildet ist und die über eine Eintrittsöffnung zum Luftkasten 1 offen ist. Die Eintrittsöffnung der Lufteintrittskammer 20 ist über einen Trommelschieber 21 einstellbar, der mit Hilfe eines Gestänges 22 axial verschiebbar ist. In dem oberen Teil der Figur 1 hat der Trommelschieber 21 die Eintrittsöffnung der Lufteintrittskammer 20 freigegeben, während im unteren Teil der Figur 1 diese Eintrittsöffnung verschlossen ist.
In einer vereinfachten Ausführungsform münden die Verbindungsrohre direkt in den Luftkasten. Die Lufteintrittskammer 20 mit der über den Trommelschieber 21 einstellbaren Öffnung ist dann nicht vorhanden.
Das dritte Führungsrohr 16 ist mit einem radialen Abstand von der Wandung 23 der Brennerkehle 8 und mit einem axialen Abstand von der Deckplatte 10 des Luftkastens 1 angeordnet. Auf diese Weise ist ein ringförmiger Verbindungskanal 24 geschaffen, über den der Feuerraum 9 mit dem Innenraum des zweiten Führungsrohres 14 verbunden ist.
Die Wandung 23 der Brennerkehle 8 kann durch Kühlrohre gebildet (Fig. 2) oder feuerfest ausgekleidet sein (Fig. 3). Die Ausbildung mit Kühlrohren empfiehlt sich, wenn der. Brenner an einen im Zwangsdurchlauf betriebenen Dampferzeuger angeschlossen ist.
Nach Figur 1 ist die Wandung 23 der Brennerkehle 8 von einer Ringkammer 25 umgeben. Die Ringkammer 25 ist mit einem Luftanschluß 26 versehen, durch den mit Hilfe eines Druckerhöhungsgebläses Luft in die Ringkammer 25 gefördert wird. Die Ringkammer 25 ist mit dem Luftkasten 1 verbunden. Dabei dient ein gewinkeltes Leitblech 27, das die Ringkammer 25 seitlich begrenzt und in einem Abstand von der Wandung 23 der Brennerkehle 8 angeordnet ist, der Führung des die Wandung 23 kühlenden Luftstromes.
In der Nähe der Deckplatte 10 ist nach Figur 4 entsprechend einer weiteren möglichen Zusatzausrüstung in dem ringförmigen Verbindungskanal 24 eine Ringleitung 29 verlegt, die an eine Zuführungsleitung für Wasser angeschlossen ist. Die Ringleitung 29 ist mit Düsen versehen, durch die Wasser in den Verbindungskanal 24 eingesprüht wird.
Um die Führungsrohre 5. 14, 16 und den Rohrabschnitt 18 bei abgeschaltetem Brenner vor einer Wärmeabstrahlung aus dem Feuerraum 9 zu schützen, wird bei Brennerstillstand Kühlluft durch den Ringkanal 15 geblasen. Zu diesem Zweck ist in dem Luftkasten 1 eine Kühlluftleitung 30 untergebracht, die von außerhalb des Luftkastens 1 mit Kühlluft versorgt wird. Die Kühlluftleitung kann auch als Verteilkasten ausgebildet sein, der an die in Fig. 1 dargestellte Ringkammer 25 zur Kühlung der Wandung 23 der Brennerkehle 8 angeschlossen ist. Die Kühlluftleitung 30 ist mit Rohrstutzen 31 versehen, die in die Verbindungsrohre 19 hineinragen. Die Kühlluftleitung 30 wird nur bei Brennerstillstand mit Kühlluft beaufschlagt.
Die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform kann sowohl mit Luft als Verbrennungsmedium unter Anwendung der Ansaugung von Verbrennungsgas aus dem Feuerraum 9 als auch mit Abgas einer Gasturbine als Verbrennungsmedium betrieben werden. Die Luft bzw. das Abgas werden wahlweise dem Luftkasten 1 zugeführt. In dem Luftkasten 1 ist ein Trommelschieber 32 angeordnet, der in Längsrichtung des Brenners verschiebbar ist. Die Deckplatte 10, die den Luftkasten 1 zur Brennerkehle 8 hin verschließt, ist mit einer ringförmigen Öffnung 33 versehen. Diese Öffnung 33 ist in Verlängerung des Verbindungskanals 24 vorgesehen.
Die im unteren Teil der Figur 5 dargestellte Stellung des Trommelschiebers 32 ist für den Betrieb des Brenners mit Luft als Verbrennungsmedium gewählt. In dieser Stellung verschließt der Trommelschieber 32 die Öffnung 33, wodurch in der bisher beschriebenen Weise durch die Injektorwirkung der Primärluft Verbrennungsgase aus dem Feuerraum 9 durch den Verbindungskanal 24 angesaugt werden.
Bei dem Betrieb mit Abgas einer Gasturbine wird der Trommelschieber 32 in die im oberen Teil der Fig. 5 gezeigte Stellung gebracht. Der Trommelschieber 32 gibt jetzt die Öffnung 33 frei, so daß das Abgas außer durch das erste Führungsrohr 5 und den Ringkanal 15 auch durch den Verbindungskanal 24 strömen kann. Auf diese Weise wird dem Abgas ein genügend großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung gestellt.
Mit dem beschriebenen Brenner läßt sich das nachfolgend erläuterte Verfahren durchführen. Dem Luftkasten 1 wird eine vorgegebene, auf die Brennstoffmenge abgestimmte Luftmenge zugegeben. Die Regelung der Luftmenge erfolgt über ein in der Zuleitung angeordnetes Regelorgan. In dem Luftkasten 1 wird die Verbrennungsluft in einen Primärluftanteil und einen Sekundärluftanteil aufgeteilt. Die Primärluft durchströmt das innere Führungsrohr 5 und verbrennt den aus der Ölbrennerlanze 2 oder den Gaslanzen 3 austretenden Brennstoff in einer Flamme unter unterstöchiometrischen Bedingungen. Die Sekundärluft tritt über die Verbindungsrohre 19 in den Ringkanal 15 zwischen dem ersten und dem zweiten Führungsrohr 14, 16 ein. Über die Austrittsöffnung des zweiten Führungsrohres 14 wird die Sekundärluft in einem axialen Abstand hinter der Primärluft aufgegeben. Durch die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen des zweiten Führungsrohres 14 wird die Sekundärluft noch einmal aufgeteilt und in zwei hintereinanderliegenden Stufen der Flamme zugegeben.
Nach Figur 4 wird die aus dem Ringkanal 15 austretende Sekundärluft durch die Ablenkkante 28 nach außen, d. h. von der Flamme weg abgelenkt. Auf diese Weise wird die Vermischung der Sekundärluft mit den Flammengasen weiter verzögert.
Der Anteil der Primärluft an der gesamten Verbrennungsluft ist größer als der Sekundärluftanteil und beträgt zwischen 60 und 80 %, vorzugsweise etwa 70 %. Die mengenmäßige Aufteilung der Verbrennungsluft erfolgt über den Trommelschiebers 21 oder durch eine der Aufteilung entsprechende Bemessung der Durchströmquerschnitte.
Die Primärluft wird je nach der Stellung des Luftleitrohres 12 ausschließlich verdrallt oder ausschließlich achsparallel oder teils verdrallt und teils achsparallel der Brennermündung zugeführt. Fest angestellte Dralleinrichtungen sind in dem Weg der Sekundärluft ebenfalls möglich, so daß Sekundärluft in achsparalleler Anströmung oder auch verdrallt zugeführt werden kann.
Durch die Injektorwirkung, die von der aus dem ersten Führungsrohr 5 ausströmenden Primärluft ausgeübt wird, werden ausgebrannte Rauchgase aus dem Feuerraum 9 angesaugt. Diese Rauchgase werden durch den Verbindungskanal 24 und den Zwischenraum zwischen der Eintrittsöffnung des zweiten Führungsrohres 14 und der Deckplatte 10 des Luftkastens 1 in den Innenraum des zweiten Führungsrohres 14 geführt. Dabei gelangen sie an den Flammenanfang zwischen der Primärluftaufgabe und der Sekundärluftaufgabe, Die angesaugten Rauchgase können vor ihrer Vermischung mit den Flammengasen in dem Innenraum des zweiten Führungsrohres 14 gekühlt werden. Das Abkühlen erfolgt durch Eindüsen von Wasser aus der Ringleitung 29 in die Strömung der angesaugten Rauchgase. Diese Abkühlung läßt die Flammentemperatur weniger stark ansteigen und trägt damit zu einer weiteren Verminderung der Bildung von NOx bei.