KESSELANLAGE UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON WÄRME DURCH VERBRENNUNG WENIGSTENS EINES BRENNSTOFFES

Abstract

 Die Kesselanlage dient zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes und umfasst einen Brennerkorb (20) zur Aufnahme eines Brenners (30), mit dem eine Flamme (40) erzeugbar ist, wobei die Kesselanlage dazu eingerichtet ist, eine Rückführung von bei der Verbrennung erzeugten Abgases (50) in die Flamme (40) zu realisieren. Im Bereich der Abgas-Rückführung (51) ist eine Kühleinrichtung (60) angeordnet, mit der Wärme von rückgeführtem Abgas (50) aufnehmbar und ableitbar ist, wobei die Kühleinrichtung (60) wenigstens ein Kühlelement aufweist, in welchem ein Kühlmedium (61) aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei das Kühlelement von rückgeführtem Abgas (50) umströmbar ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kesselanlage sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes.

[0002] An Wärmeerzeugern wie zum Beispiel Kesseln bzw. Kesselanlagen mit Rohr-Steg-RohrWänden bzw. Flossenwänden als Umfassungsflächen des Feuerraumes, allgemein als Wasserrohrkessel bezeichnet, werden Brenner-Öffnungen in den Wänden durch Ausbiegung von Rohren realisiert. Diese auskragenden Rohre werden auch als Brennerkorb bezeichnet. Dabei sind die Rohre nach außen gebogen und mit Feuerfestmaterial abgedichtet und überdeckt. Um den Brennerkorb herum wird auf der Außenseite der Kesselwandung gasdicht ein Brennerkasten aufgeschweißt, welcher die ausgebogenen Rohre überdeckt und isoliert. An dem Brennerkasten wird der Brenner montiert, dessen Brennermund in den Feuerraum des Kessels führt.
Die Summe der gestreckten Rohrlänge aller Rohre eines Brennerkorbes hängt vom erforderlichen lichten Einbaudurchmesser des Brenners ab. Bei Low-NOx-Brennern mit Luft- und/ oder Brennstoffstufung ist dieser Einbaudurchmesser größer als bei Standardbrennern ohne Stufung.
Bei Flammrohrkesseln werden die Brenner typischerweise an der Stirnwand
bzw. Frontwand des Flammrohres montiert. Üblich ist die Zustellung der dem Feuerraum zugewandten Seite dieser Frontwand mit Feuerfestmaterial als Isolierung oder seltener auch als glatte Stahlwand mit Wasserkühlung.

[0003] Es ist bekannt, dass die NOx-Bildung auf thermischen Bildungsweg bei der Verbrennung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen durch Abgasrezirkulation wirksam reduziert werden kann. Es wird dabei zwischen externer und feuerrauminterner Abgasrezirkulation unterschieden.
Bei der externen Abgasrezirkulation wird dem Abgasstrom nach
Verlassen des Feuerraumes ein Teilstrom entnommen und zum Brenner bzw. in den Feuerraum zurückgeführt. Häufig wird dieser Teilstrom der Verbrennungsluft beigemischt, um den Sauerstoffpartialdruck des Oxidationsmittels zu senken.
Bei der feuerrauminternen Abgasrezirkulation dagegen wirkt der Brenner als Injektor, welcher direkt am Strahlrand des Luftaustritts Abgas aus der äußeren Rezirkulationszone ansaugt. Bei Brennern mit überkritischem Drall wird Abgas auch auf der Flammenachse bzw. im Unterdruckgebiet im Kern der Flammenwurzel rezirkuliert.

[0004] Die Effizienz der feuerrauminternen Abgasrezirkulation wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel der Größe des Treibimpulsstroms der aus dem Brenner austretenden Luftströmung, der Brennstoffströmung bzw. Luftbrennstoffgemisch-Strömung, gegebenenfalls in Mischung mit extern rezirkuliertem Abgas; der Düsenbauform des Brenners und der Intensität der Vermischung von Treibstrahl und intern angesaugtem Abgasstrom. Bei der Düsenbauform spielt insbesondere eine Rolle, ob der Querschnitt der Düse einen zylindrischen Austritt, eine konische Erweiterung oder eine konische Verjüngung aufweist.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kesselanlage und ein Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie unter Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage zur Verfügung zu stellen, mit denen in effizienter und energiesparender Weise eine Minderung des Schadstoffausstoßes, insbesondere von NOx-Emissionen, realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kesselanlage nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie unter Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Kesselanlage sind in den Unteransprüchen 2-11 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Wärmeenergie sind in den Unteransprüchen 13-15 angegeben.

[0006] Die erfindungsgemäße Kesselanlage dient zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes und umfasst einen Brennerkorb zur Aufnahme eines Brenners, mit dem eine Flamme erzeugbar ist, wobei die Kesselanlage dazu eingerichtet ist, eine Rückführung von bei der Verbrennung erzeugten Abgases in die Flamme zu realisieren. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
im Bereich der Abgas-Rückführung eine Kühleinrichtung angeordnet ist, mit der Wärme von rückgeführtem Abgas aufnehmbar und ableitbar ist, und dass die Kühleinrichtung wenigstens ein Kühlelement aufweist, in welchem ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei das Kühlelement von rückgeführtem Abgas umströmbar ist.
Das bedeutet, dass die Kühleinrichtung dort angeordnet ist, wo Rückführung von im Feuerraum rezirkulierten Abgasen vorzugsweise direkt zum Brenneraustritt in den Verbrennungsprozess stattfindet, wobei
im Betrieb der Kesselanlage ein kühlmediumführendes Kühlelement derart weit in den Brennraum hineinragt bzw. in einem derartigen Abstand von einer Kesselwand, an der der Brenner angeordnet ist, positioniert ist, dass das Kühlelement von rückgeführtem Rauchgas umströmbar ist. Dies kann derart realisiert sein, dass zwischen dem Kühlelement und der betreffenden Kesselwand ein Zwischenraum ausgebildet ist, durch den rezirkulierendes Rauchgas strömen kann und derart Wärme auf das vollständig umströmte Kühlelement übertragen kann.
Mit der Kühleinrichtung ist Wärme von der Stelle der Wärme-Aufnahme weg transportierbar. Dabei ist die Kühleinrichtung nicht durch die Kesselwand selbst ausgebildet, sondern zusätzlich zur Kesselwand ist eine Anordnung vorhanden, mit der Wärme aus dem rückgeführten Abgas aufnehmbar und ableitbar ist. Die Ausrichtung und Form des Brennermunds definiert dabei die Ausrichtung und Position des einzusetzenden Brenners, der die Flamme erzeugt. Die Kesselanlage kann dabei auch den Brenner selbst umfassen. Durch die Abkühlung des rückgeführten Abgases lässt sich eine Erhöhung des intern rezirkulierten Abgasmassenstromes zum jeweiligen Brenner erreichen.

[0007] Dies beruht im Wesentlichen darauf, dass die Temperatur des angesaugten Abgasstromes aus dem Feuerraum am Einsaugort am Brenneraustritt gemindert wird. Der Brenner arbeitet vorzugsweise als Injektor und saugt einen intern rezirkulierten Volumenstrom an. Der rezirkulierte Massenstrom ist direkt von der Temperatur des Rezirkulats abhängig.
Durch die Kühleinrichtung realisierte niedrigere Temperaturen des Rezirkulats führen zu einer höheren feuerraumintern rezirkulierten Abgasmasse.
Zudem begünstigt die niedrigere Temperatur des rückgeführten Abgases - insbesondere bei ausreichender Durchmischung mit der Verbrennungsluft - eine Senkung des O2-Partialdruckes im Oxidationsmittel mit Verringerung der
Reaktionsgeschwindigkeit. Weitere positive Folgen der Temperatur-Minderung sind eine Senkung der Verbrennungstemperatur durch sogenannten thermischen Ballast, nämlich Inertbestandteile im Rezirkulat, welche in der Flamme mit auf Verbrennungstemperatur erhitzt werden; sowie eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofils und somit eine Verminderung bzw. Eliminierung von Temperaturgradienten in der Verbrennungszone und dementsprechende Vermeidung von sogenannten "Hot Spots" in der Flamme.
Dabei kann die Zuführung von gekühltem Rezirkulat auch einen Beitrag zur Durchmischung liefern.

[0008] Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung derart dicht an einer Einsaugstelle angeordnet, dass Abkühlung des rückgeführten Abgases im Bereich der Einsaugstelle an einem Brennermund des Brenners realisiert ist. Der Brenneraustritt in Richtung Feuerraum wird wandbündig oder vorzugsweise mit einem Überstand in den Feuerraum - hier als Eintauchtiefe T bezeichnet, hinein angeordnet. Der Brenner besitzt einen charakteristischen Durchmesser C, in welchem die Verbrennungsluft bzw. das Gemisch aus Verbrennungsluft und extern rezirkuliertem Abgas sowie der Brennstoff in den Feuerraum eingebracht werden. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um eine oder mehrere Luft- bzw. Brennstoffdüsen pro Brenner handelt. Der Brennerdurchmesser C umschließt alle zum Brenner gehörenden Luft- und Brennstoffauslässe. Der charakteristische Durchmesser C des Brenners bestimmt die notwendige Ausbiegung der Rohre in der Wand des Wärmeerzeugers. Das Verhältnis aus Eintauchtiefe T zum charakteristischen Brennerdurchmesser C beträgt T/C 0,2 ... 1,0. Besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis T/C von 0,55 ...0,75.
Die Einbautiefe der Kühleinrichtung bzw. das Maß der Auskragung " in den Feuerraum hinein kann ebenfalls ins Verhältnis zum charakteristischen Brennerdurchmesser C gestellt werden und beträgt X/C = 0,7 ...1,4. Besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis von X/C = 1,1 ... 1,2.
Das Kühlelement sollte dabei durch wenigstens ein Rohr ausgebildet sein, in welchem ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist. Dieses Kühlmedium kann durch das Rohr vom Brennermund weg geleitet werden und in einer gewissen Entfernung von Brennermund im Kühlmedium aufgenommene Wärme abgeben. In einfacher, alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung dazu eingerichtet ist, mittels Wärmeleitung Wärme aus dem rückgeführten Abgas vom Brennermund weg zu transportieren und an geeigneter Stelle an die Umgebung oder ein weiteres Medium abzugeben. Zur Verbesserung des konvektiven Wärmeüberganges des Abgases an die Oberfläche der Rohre der Kühleinrichtung können diese mit zusätzlichen Kühlrippen oder Pins auf der Außenseite, die mit dem Abgas in Kontakt steht, ausgerüstet sein.

[0009] Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kesselanlage eine Brennkammerwand aufweist, die wenigstens ein Leitungselement umfasst, in welchem ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei das Rohr der Kühleinrichtung strömungstechnisch mit dem Leitungselement verbunden ist. Vorzugsweise sind mehrere Leitungselemente, insbesondere ebenfalls als Rohre ausgestaltet, in einer Kesselwand, wie zu Beispiel der Stirnwand vorgesehen, an denen strömungstechnisch mehrere im Bereich des Brennermundes verlaufende Rohre jeweils angeschlossen sind. Dadurch wird eine effektive Ableitung von Wärme aus dem Bereich des Brennermundes in das Medium in der Kesselwand realisiert, von wo die Wärme abgeleitet werden kann. Dabei ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt, sondern es kann auch vorgesehen sein, dass das Kühlmedium nicht aus dem in der Kesselwandung vorhandenen Medium bereitgestellt wird, sondern der Kühleinrichtung extra zu- und abgeleitet wird.

[0010] In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Rohr in einen von der Kesselanlage ausgebildeten Feuerraum hineinragt. Dies kann insbesondere dadurch ausgeführt sein, dass das Rohr bzw. mehrere Rohre, die die Kühleinrichtung ausbilden, von einer Kesselwand in den Feuerraum eingestülpt sind. Es lässt sich somit die Rohrausbiegung in Kesselwänden für die Einbringung eines Brenners oder mehrerer Brenner für die aktive Kühlung der feuerrauminternen Abgasrezirkulation verwenden. Dabei erstreckt sich die Kühleinrichtung bis zum Maß X in den Feuerraum hinein, wobei das Maß der Auskragung X in Bezug zum charakteristischen Durchmesser des Brenners C in folgendem Verhältnis steht:

Die Länge der Kühleinrichtung, welche um den Brenneraustritt angeordnet ist, kann sich vom Maß X bis zur Kesselwand erstrecken. In alternativer Ausgestaltung kann die Kesselanlage auch derart ausgebildet sein, dass der Brennermund im Wesentlichen mit einer Brennkammer-Wand abschließt und um den Brennermund herum die Kühleinrichtung zwecks Abkühlung des Rezirkulats angeordnet ist.

[0011] Vorzugsweise umfasst die Kühleinrichtung als Kühlelemente mehrere Rohre, in welchen ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei der Abstand zwischen benachbarten Rohren mindestens so groß ist, dass der durch die Abkühlungswirkung der die Kühleinrichtung ausbildenden Rohre bewirkte Abgas-Massestrom des rückgeführten Abgases, welcher zwischen den Rohren hindurch bzw. um den Umfang der Rohre herum strömt, größer ist als bei einer bis auf die erfindungsgemäße Kühleinrichtung identischen Ausführungsform der Kesselanlage. Das bedeutet, dass die Rohre wenigstens so weit voneinander beabstandet sein müssen, dass sie einen Abkühlungseffekt auf das rückgeführte Abgas bewirken, sodass der Abgas-Massestrom des rückgeführten Abgases größer ist als bei herkömmlichen Ausführungsformen, die keine erfindungsgemäße Kühleinrichtung am Brennermund aufweisen.
Vorzugsweise sollte durch die Rohre, die die Kühleinrichtung ausbilden, sowie das darin befindliche Kühlmedium eine Temperaturminderung des rückgeführten und eingesaugten Abgases um wenigstens 50 K realisierbar sein.
In besonderer Ausgestaltung haben die Rohre einen minimalen Abstand von 30 mm zueinander.
Diese mehreren Rohre bilden zusammen die Kühleinrichtung aus, in die der Brenner einzusetzen oder eingesetzt ist.
Die Kühlfläche der Wände des Wärmeerzeugers wird dabei um die Summe aller Rohroberflächen eines Brennerkorbes vergrößert, welcher in herkömmlichen Ausführungsformen durch Abdeckung mit Isoliermaterial nicht am Wärmeaustausch teilnehmen konnte. Gegenüber den herkömmlichen Ausführungsformen ist somit kein zusätzlicher Materialeinsatz notwendig, da lediglich die in herkömmlicher Weise nach außen ausgeführten Ausstülpungen der Rohre erfindungsgemäß nun auf der Innenseite des Feuerraums so angeordnet werden, daß der gesamte Umfang dieser Rohre Wärme aus dem Feuerraum aufnehmen kann. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Ausführungsformen steht hierbei nunmehr im Bereich der Ausstülpung der gesamte Umfang der Rohre zur Wärmeaufnahme zur Verfügung. Je nach Brenneranzahl und Einbaudurchmesser sowie vorhandener Wandoberfläche ist eine Zunahme der zur Verfügung stehenden Kühlfläche um 5-9 % gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen zu erwarten. Dies führt unter anderem auch zu dem positiven Effekt der insgesamten Verringerung der Feuerraumtemperatur, was sich ebenfalls mindernd auf die NOx-Emissionen auswirkt.

[0012] In besonderer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kesselanlage ist vorgesehen, dass das mediumdurchströmte Rohr bzw. mediumdurchströmbare Rohre um eine Achse rotierbar angeordnet ist. Vorzugsweise ist diese Achse die Längsachse der vom Brenner erzeugten Flamme. Bei Ausgestaltung der Kühleinrichtung mit mehreren Rohren sind demzufolge auch die mehreren Rohre um die Längsachse der Flamme rotierbar angeordnet. Zur Zu- und Ableitung des Kühlmediums in das Rohr bzw. die Rohre kann das Rohr bzw. die Rohre mit entsprechenden Drehdurchführungen an ein Reservoir bzw. an Rohre in der Brennkammerwand angeschlossen sein. Diese Ausgestaltung bewirkt eine zusätzliche Effizienz-Erhöhung in der Kühlwirkung des rückgeführten Abgases.

[0013] Weiterhin kann die Kesselanlage eine Eindüseeinrichtung aufweisen, mit der ein Fluid (z.B. Speisewasser) in den Bereich der Rückführung von Abgas in den Feuerraum einspritzbar ist. Dadurch kann ein weiterer Abkühlungseffekt des Rezirkulats bewirkt werden. In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Spritzeinrichtung derart ausgestaltet, dass von ihr ausgebrachtes Fluid auf die Kühleinrichtung gelangt, sodass gegebenenfalls beim Einspritzen nicht verdampftes Fluid einen zusätzlichen Kühlungseffekt auf der Kühleinrichtung bewirkt. Ein Reservoir für das einzuspritzende Fluid kann dabei strömungstechnisch mit dem Rohr bzw. den Rohren der Kühleinrichtung gekoppelt sein.

[0014] Die Kesselanlage kann weiterhin wenigstens einen in jeweils einem Brennerkorb aufgenommenen Brenner aufweisen, zur Erzeugung einer in den Feuerraum der Kesselanlage gerichteten Flamme entlang einer Längsachse. Die Kühlungseinrichtung ist dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass sie zumindest abschnittsweise die Längsachse radial umgibt.

[0015] Dabei kann die Kühlungseinrichtung in unterschiedlichen, axialen Positionen in Bezug zum Brenner bzw. den Brennermund angeordnet sein. Zum Beispiel kann ausgehend von der Kesselwand, in oder an der der Brenner angeordnet ist, in axialer Richtung demzufolge entlang der Längsachse einer vom Brenner erzeugten Flamme die Kühleinrichtung vor der Brennermündung enden, oder aber sie kann erst hinter der Brennermündung beginnen oder es kann eine axial überlappende Anordnung von Kühleinrichtung und Brennermündung realisiert sein.

[0016] In einer ersten Ausführungsform umfasst die Kühleinrichtung als Kühlelemente mehrere Rohre, in welchen ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei die Kesselanlage eine Brennkammerwand aufweist, von der ausgehend die Rohre sich ins Innere des Feuerraums erstrecken, und wobei zumindest einige dieser Rohre zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende erste Abschnitte aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse und winklig, insbesondere senkrecht zur Brennkammerwand angeordnet sind.
Daran anschließend sind zwei im Wesentlichen winklig, insbesondere senkrecht zur Längsachse und im Wesentlichen parallel zur Brennkammerwand verlaufende zweite Abschnitte angeordnet, und wiederum daran wenigstens ein dritter Abschnitt angeordnet, der im Wesentlichen parallel zur Brennerwand und winklig, insbesondere senkrecht zur Längsachse sowie dem zweiten Abschnitten verläuft. Dadurch ergibt sich jeweils ein U-förmiger Verlauf eines derartigen Rohres, wobei das U aus dem zweidimensionalen Bereich in Richtung der dritten Raumkoordinate umgebogen ist. Der Abstand der Rohre des zweiten und dritten Abschnittes zueinander soll 30 ... 90 mm betragen. Besonders vorteilhaft ist ein Abstand der Rohre zueinander von 45 ...70 mm. Der zu wählende Abstand der Rohre hängt unter anderem von der Temperatur des rezirkulierten Abgases in der äußeren Rezirkulationszone vor Durchtritt durch die Kühleinrichtung ab.
In einer zweiten Ausgestaltung der Kühleinrichtung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als Kühlelemente mehrere Rohre umfasst, in welchen ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei die Kesselanlage eine Brennkammerwand aufweist, von der ausgehend die Rohre sich ins Innere des Feuerraums erstrecken, und wobei zumindest einige dieser Rohre jeweils einen ersten Abschnitt aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse und winklig, insbesondere senkrecht zur Brennkammerwand angeordnet ist. Die ersten Abschnitte der Rohre sind strömungstechnisch mit einem ringförmigen Verteiler verbunden, der im Wesentlichen parallel zur Brennkammerwand winklig, insbesondere senkrecht, zur Längsachse angeordnet ist. Insbesondere kann der ringförmige Verteiler eine Kreisform aufweisen und koaxial zur Längsachse angeordnet sein. Dadurch kann Kühlmedium aus einem jeweiligen Rohr in den Verteiler gelangen und von diesem verteilt bzw. anderen Rohren zugeleitet werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der erste Abschnitt der Rohre nicht parallel zur Brennerachse ausgeführt, sondern weist auf einem größeren Teilkreis Rohre, welche aus der Brennkammerwand ausgebogen sind, im Vergleich zum ringförmigen Verteiler auf.
In einer dritten Ausführungsform der Kühleinrichtung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als Kühlelement wenigstens ein Rohr umfasst, welches schraubengangförmig um die Längsachse angeordnet ist. Dieses schraubengangförmige Rohr kann strömungstechnisch mit Leitungselementen in der Brennkammerwand gekoppelt sein.
Des Weiteren kann das schraubengangförmige Rohr einen ersten Windungsbereich und einen zweiten Windungsbereich umfassen, wobei der erste Windungsbereich koaxial in Bezug zum zweiten Windungsbereich und zumindest abschnittsweise radial innerhalb des zweiten Windungsbereiches angeordnet ist. Die beiden Windungsbereiche sind dabei vorzugsweise durch lediglich ein Rohr ausgebildet, so dass dieses eine Rohr in einem axial endseitigen Bereich vom ersten Windungsbereich in den zweiten Windungsbereich übergeht. Dafür bietet es sich an, dass der erste Windungsbereich und der zweite Windungsbereich entgegengesetzte Steigungen aufweisen, sodass in einfacher Weise der Übergang zwischen dem ersten Windungsbereich und dem zweiten Windungsbereich realisierbar ist.

[0017] Die Kühleinrichtung kann eine rotationssymmetrische, insbesondere eine konische Ausgestaltung aufweisen, mit einer im Wesentlichen parallelen, insbesondere koaxialen Ausrichtung zur Längsachse. Das bedeutet, dass das Kühlelement bzw. mehrere Kühlelemente der Kühleinrichtung derart angeordnet sind, dass sie die Mantelfläche eines rotationssymmetrischen Körpers ausbilden. Insbesondere kann die Kühleinrichtung insbesondere derart ausgeführt sein, dass sich die Konus-Form in Richtung auf den Feuerraum öffnet, d.h., dass der geringere Durchmesser an der Seite der Anordnung des Brenners an der Kesselwand ausgebildet ist, und der größere Durchmesser an der gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil der teilweisen Abschirmung der Kesselwand vor Strahlungswärme, so dass diese bereichsweise eine geringere Temperatur aufweist und dicht an ihr rückgeführte Abgase weniger stark aufheizt. Dabei sollen jedoch auch eine umgekehrte Ausrichtung des Konus bzw. eine Zylinderform der Kühleinrichtung nicht ausgeschlossen sein.
Das bedeutet, dass in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kühleinrichtung die sich in den Feuerraum hinein erstreckenden Rohre einen unterschiedlichen Abstand zum Durchmesser C des Brenners aufweisen. Dabei sollen die Rohre, welche am nächsten zur Brennkammerwand platziert sind, den kleinsten Abstand zum Brenneraußendurchmesser aufweisen und die weiteren Rohre, welche tiefer in den Feuerraum hinein reichen mit zunehmendem Abstand zum Brennerdurchmesser C angeordnet werden. Damit ergibt sich konische Erweiterung der Kühleinrichtung, welche den kleinsten Durchmesser am Beginn der Kühleinrichtung nahe der Brennkammerwand ausbildet und am Ende der Kühleinrichtung in Richtung Feuerraum - am Maß X - den größten Durchmesser besitzt. Der sich ergebende Winkel der konischen Erweiterung soll zwischen 10 und 30 ° betragen. Besonders vorteilhaft sind 15 ...20 °.

[0018] Weiterhin kann die Kesselanlage eine Fluid-Zuführungseinrichtung aufweisen, mit der radial in Richtung auf die Längsachse gerichtet ein Fluid, wie z.B. Brennstoff, Luft und/ oder rückgeführtes Abgas, durch die Kühleinrichtung hindurch ausgebbar ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine ringförmige Fluid-Zuführungseinrichtung. Mit der Fluid-Zuführungseinrichtung wird erreicht, dass durch Mitnahme von Rauchgas durch das ausgegebene bzw. ausströmende Fluid mehr Rauchgas an die Kühleinrichtung herangeführt wird und demzufolge je Zeiteinheit mehr Rauchgas abkühlbar ist.
Dabei ist vorgesehen, dass das Rauchgas bzw. rückgeführte Abgas zwischen Kühlelementen bzw. Abschnitten eines Kühlelements der Kühleinrichtung hindurch strömt.

[0019] Bei Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kesselanlage als Flammrohrkessel ist die Kühlanlage vorzugsweise an einer Stirnseite des Flammenrohrs angeordnet, an der sich auch der Brenner bzw. Brennermund befindet. Dabei kann die Stirnfläche bis auf die Kühleinrichtung mit Feuerfestmaterial ausgekleidet sein, wobei die Rohre der Kühleinrichtung durch das Feuerfestmaterial hindurch führen. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist bei gleichen Brennstoffeigenschaften und Einsatz identischer Brenner eine Senkung der NOx-Emissionen um etwa 10-15 % zu erwarten. Ein solcher Flammenrohrkessel kann durch zusätzliche konvektive Heizflächen, vorzugsweise in Rohren, um den Brennerkopf bzw. die Kühleinrichtung herum ergänzt werden, wodurch sich die Wirkung der Kühlung der Abgasrezirkulation weiter erhöht. Bei Flammrohrkesseln mit wassergekühlter Front können die Rohre der Kühleinrichtung aus dieser wassergekühlten Front gespeist werden und das erwärmte Fluid kann der wassergekühlten Front wieder zugeführt werden.

[0020] Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie unter Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage zur Verfügung gestellt, bei dem in einem Feuerraum der Kesselanlage eine Flamme erzeugt wird und dabei entstehendes Abgas zur Flamme zurückgeführt wird, wobei mittels der Kühleinrichtung der Kesselanlage Wärme vom rückgeführten Abgas aufgenommen und abgeleitet wird. Dadurch ergeben sich in beschriebener Weise die Möglichkeit der Intensivierung der feuerrauminternen Abgasrezirkulation und eine Minderung der NOx-Emissionen.

[0021] Zudem wird durch die Temperaturminderung des rückgeführten Abgasen eine Mitnahme dieses Abgases begünstigt, da Dichte und Viskosität von im Verbrennungsprozess im selben Zeitfenster entstehenden Abgases und in diesem Zeitfenster zurückgeführten Rezirkulats aneinander angeglichen werden.
Vorzugsweise wird dabei das Abgas im Bereich des Brennermundes dem Verbrennungsprozess zugeführt und abgekühlt.
Dabei kann die Kühleinrichtung der Kesselanlage bei Kühlung des rückgeführten Abgases rotieren.
Zusätzlich zur mit der Kühlungseinrichtung bewirkten Kühlung kann mittels einer Eindüseeinrichtung Fluid in den Bereich der Rückführung von Abgas in den Feuerraum eingespritzt werden.

[0022] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen

Figur 1: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer ersten Ausführungsform im Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 2 angedeuteten Schnittes C-C,

Figur 2: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer ersten Ausführungsform im Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 1 angedeuteten Schnittes A-A,

Figur 3: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer ersten Ausführungsformim Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 1 angedeuteten Schnittes B-B,

Figur 4: die in Figur 2 dargestellte Schnittansicht mit aufgenommenem Brenner und Flamme sowie Abgas-Rückführung,

Figur 5: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer zweiten Ausführungsform im Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 6 angedeuteten Schnittes C-C,

Figur 6: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer zweiten Ausführungsformim Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 5 angedeuteten Schnittes A-A,

Figur 7: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer zweiten Ausführungsformim Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 5 angedeuteten Schnittes B-B,

Figur 8: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer dritten Ausführungsform im Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 9 angedeuteten Schnittes C-C,

Figur 9: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer dritten Ausführungsform im Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 8 angedeuteten Schnittes A-A,

Figur 10: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kesselanlage einer dritten Ausführungsform im Bereich der Brenneraufnahme entlang des in Figur 8 angedeuteten Schnittes B-B,

Figur 11: ein den Zusammenhang zwischen der Temperatur und der NOx- Konzentration darstellendes Diagramm, und

Fig. 12: eine Prinzip-Darstellung zwei unterschiedlicher Alternativen der Ausgestaltung der Kühleinrichtung im Schnitt.

[0023] Zunächst wird die erfindungsgemäße Kesselanlage anhand der in den Figuren 1-3 dargestellten ersten Ausführungsform erläutert.
Die erfindungsgemäße Kesselanlage umfasst eine Brennkammerwand 10, die hier als Stirnwand und demzufolge auch als Kesselwand ausgeführt ist. Sie definiert die Stirnseite 11 des Feuerraums der Kesselanlage. Die Brennkammerwand 10 umfasst mehrere parallel zueinander verlaufende Leitungselemente 12, vorzugsweise in Rohrform, die hier eine sogenannte Flossenwand ausbilden.
Über strömungstechnische Verbindungen 13 sind diese Leitungselemente 12 mit einzelnen Rohren 70 eines Brennerkorbs 20 verbunden. Dieser Brennerkorb 20 bildet eine Kühleinrichtung 60 aus, nämlich dadurch, dass die Rohre 70 von einem Kühlmedium 61 durchströmbar bzw. durchströmt sind.
Radial innerhalb des Brennerkorbs 20 ist ein Brenner 30 angeordnet, zur Ausbildung einer Flamme im Feuerraum.
Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, sind die Rohre 70 der Kühleinrichtung 60 in besonderer Weise geformt. Sie umfassen 2 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende erste Abschnitte 71, die sich aus der Ebene der Brennkammerwand 10 heraus erstrecken. Daran schließt sich jeweils ein zweiter Abschnitt an, der Wesentlichen senkrecht zum ersten Abschnitt verläuft demzufolge im Wesentlichen parallel zur Brennkammerwand angeordnet ist. Ein dritter Abschnitt 73 verbindet die beiden zweiten Abschnitte 72 miteinander, sodass die in Figur 2 ersichtlich U-Form realisiert ist.

[0024] Zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kesselanlage in dieser Ausgestaltung wird Bezug genommen auf Figur 4. Hier ist dargestellt, dass sich ein Brenner 30 im Inneren des Brennerkorbs 20 befindet. Aus dem Brennermund 31 bzw. Brenneraustritt tritt die Flamme 40 entlang ihrer Längsachse 41 aus, die sich in den Feuerraum 1 der Kesselanlage erstreckt. Die Kesselanlage ist dabei derart konzipiert, dass entstehendes Abgas 50 in einer Abgas-Rückführung 51 in einer Einsaugstelle 52 wieder dem Verbrennungsprozess bzw. der Flamme zugeführt wird, wie zum Beispiel durch eine hier nicht dargestellte, dem Brenner 30 gegenüberliegende Kesselwand, an der die Rauchgase umgelenkt und derart zurück in Richtung auf den Brenner 30 gelenkt werden, wie es durch die Strömungspfeile der Abgas-Rückführung 51 angedeutet ist. Dabei tritt das Rauchgas zumindest teilweise zwischen den Rohren 70 der Kühleinrichtung 60 hindurch und/oder um strömt diese.

[0025] Durch den kurzen Abstand zwischen der Kühleinrichtung 60 und dem Brenner 30 bzw. der Einsaugstelle 52 erfolgt die Zuführung von Abgas 50 über die Abgas-Rückführung 51 somit auch in den Kühlbereich der Kühleinrichtung 60.

[0026] Durch die Abkühlung des rückgeführten Abgases 50 mittels der Kühleinrichtung 60 wird eine Minderung der Temperatur des Abgases 50 bewirkt, sodass der Abgas-Massestrom erhöht werden kann und demzufolge je Zeiteinheit mehr Abgas 50 in den Verbrennungsprozess rezirkuliert werden kann als bei herkömmlichen Einrichtungen. Gleichzeitig wird dadurch die Temperatur des Verbrennungsprozesses gesenkt. Wie bereits beschrieben lassen sich durch diese Auswirkungen die NOx- Emissionen deutlich verringern.

[0027] Eine weitere Minderung der Temperatur lässt sich durch den Einsatz der dargestellten Eindüseeinrichtung 80 bewirken, mit der gespritztes Fluid 81 in den Verbrennungsprozess bzw. in dessen Nähe ausbringbar ist.
Die Rohre 70 sollten dabei einen derartigen Abstand A, wie in Figur 1 angedeutet, aufweisen, der eine ausreichende Wärmeabgabe vom Abgas 50 auf die Kühleinrichtung 60 ermöglicht.
Aus Figur 4 ist weiterhin ersichtlich, dass der maximale Abstand D der Kühleinrichtung 60 in Bezug auf den Brennermund 31 im Vergleich zur entlang der Längsachse 41 der Flamme 40 zu messenden Länge L des gesamten Strömungspfades des Abgases 50 sehr gering ist. Daraus ist ersichtlich, dass die Wirkung der Kühleinrichtung im Wesentlichen in dem Bereich erzeugt wird, in dem auch die Flamme 40 aus dem Brenner 30 austritt und in dem auch das Abgas 50 wieder dem Verbrennungsprozess zugeführt wird.
Des Weiteren ist erkennbar, dass die Kühleinrichtung 60 mit einem Maß X in den Feuerraum 1 auskragt. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kesselanlage wesentlich von der herkömmlicher Kesselanlagen, wo eine Ausstülpung bzw. Auskragung von um den Brenner herum angeordneten Rohren üblicherweise auf die Außenseite der Kesselanlage geführt ist.

[0028] Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kesselanlage sind in den Figuren 5-7 und 8-10 ersichtlich.
In der in den Figuren 5-7 dargestellten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung 60 ebenfalls durch einen Brennerkorb 20 gebildet, der durch mehrere, parallel zueinander verlaufende ersten Abschnitte 71 von Rohren 70 realisiert ist. Diese Rohre 70 sind auch hier strömungstechnisch mit Leitungselementen 12 der Brennkammerwand 10 verbunden. Diese ersten Abschnitte 71 der Rohre 70 sind alle mit einem ringförmigen Verteiler 74 strömungstechnisch verbunden, der es ermöglicht, dass von den Rohren sich geführte Kühlmedium 61 in den Rohren 70 zu verteilen und weiterzuleiten.

[0029] In der in den Figuren 8-10 dargestellten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung 60 ebenfalls durch einen Brennerkorb 20 gebildet, der hier jedoch einen ersten Windungsbereich 75 eines Rohres 70 sowie einen zweiten Windungsbereich 76 des Rohres 70 umfasst, wobei der erste Windungsbereich 75 radial innerhalb des zweiten Windungsbereiches 76 angeordnet ist.
Diese Ausführungsform ließe sich auch mit lediglich einem Windungsbereich realisieren.
Die beiden Windungsbereiche 75, 76 sind mittels eines Übergangs 77 Strömung technisch miteinander verbunden. Des Weiteren sind sie über strömungstechnische Verbindungen 13 mit den Leitungselementen 12 der Brennkammerwand 10 verbunden.

[0030] Figur 11 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Temperatur des Verbrennungsprozesses und der NOx- Konzentration des Abgases. Es ist ersichtlich, dass bei Senkung der Temperatur eine entsprechend deutliche Verringerung der NOx-Konzentration im Abgas zu verzeichnen ist, welche mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung realisierbar ist.

[0031] Figur 12 zeigt im Schnitt 2 unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Kühleinrichtung 60. Beide Varianten sind dabei derart ausgestaltet, dass die einzelnen Rohre 60 bzw. Abschnitte des Rohres 60 radial außerhalb des Brenners 30 angeordnet sind und dessen Brennermund 31 axial überlagern. In der oberhalb der Längsachse 41 dargestellten Ausführungsvariante sind die Rohre 60 im Wesentlichen derart angeordnet, dass sie zusammen eine Zylinderform ausbilden.
In der unterhalb der Längsachse 41 dargestellten Ausführungsvariante sind die Rohre 60 derart angeordnet, dass sie eine konische Form definieren, wobei der Bereich der Kühleinrichtung 60, der der Stirnseite 11 zugewandt ist, einen geringeren Durchmesser aufweist als die Seite der Kühleinrichtung 60, die davon abgewandt ist und demzufolge an der Seite des Brennermundes 31 angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform ist auch gezeigt, dass die Abgas-Rückführung 51 zwischen den Rohren 60 hindurch verläuft, sodass Wärme vom Abgas in das Kühlmedium in den Rohren 60 übertragen werden kann.
Die konische Ausgestaltung der Kühleinrichtung 60 hat insbesondere den Vorteil, dass dadurch zumindest teilweise die stirnseitige Brennkammerwand 10 vor Strahlungswärme geschützt ist, so dass dieser Bereich eine geringere Temperatur hat und dadurch der Kühlungseffekt verstärkt wird.

Bezugszeichenliste

[0032] 

1

Feuerraum

10

Brennkammerwand

11

Stirnseite

12

Leitungselement

13

Strömungstechnische Verbindung

20

Brennerkorb

30

Brenner

31

Brennermund

40

Flamme

41

Längsachse

50

Abgas

51

Abgas-Rückführung

52

Einsaugstelle

60

Kühleinrichtung

61

Kühlmedium

70

Rohr, Kühlelement

71

erster Abschnitt

72

zweiter Abschnitt

73

dritter Abschnitt

74

ringförmiger Verteiler

75

erster Windungsbereich

76

zweiter Windungsbereich

77

Übergang zwischen dem ersten Windungsbereich und dem zweiten Windungsbereich

80

Eindüseeinrichtung

81

Gespritztes Fluid

X

Maß der Auskragung

D

maximaler Abstand

L

Länge des gesamten Strömungspfades

A

Abstand

T

Eintauchtiefe

C

Durchmesser

Ansprüche

1. Kesselanlage zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes, umfassend einen Brennerkorb (20) zur Aufnahme eines Brenners (30), mit dem eine Flamme (40) erzeugbar ist, wobei die Kesselanlage dazu eingerichtet ist, eine Rückführung von bei der Verbrennung erzeugten Abgases (50) in die Flamme (40) zu realisieren, wobei
im Bereich der Abgas-Rückführung (51) eine Kühleinrichtung (60) angeordnet ist, mit der Wärme von rückgeführtem Abgas (50) aufnehmbar und ableitbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühleinrichtung (60) wenigstens ein Kühlelement aufweist, in welchem ein Kühlmedium (61) aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei das Kühlelement von rückgeführtem Abgas (50) umströmbar ist.

2. Kesselanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (60) derart dicht an einer Einsaugstelle (52) angeordnet ist, dass Abkühlung des rückgeführten Abgases (50) im Bereich der Einsaugstelle (52) an einem Brennermund (31) des Brenners (30) realisiert ist.

3. Kesselanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement durch wenigstens ein Rohr (70) ausgebildet ist..

4. Kesselanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselanlage eine Brennkammerwand (10) aufweist, die wenigstens ein Leitungselement (12) umfasst, in welchem ein Kühlmedium (61) aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei das Rohr (70) der Kühleinrichtung (60) strömungstechnisch mit dem Leitungselement (12) verbunden ist.

5. Kesselanlage nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mediumdurchströmte Rohr (70) bzw. mediumdurchströmbare Rohr (70) um eine Achse rotierbar angeordnet ist.

6. Kesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselanlage weiterhin eine Eindüseeinrichtung (80) aufweist, mit der ein Fluid (81) in den Bereich der Abgas-Rückführung (51) in den Feuerraum (1) einspritzbar ist.

7. Kesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselanlage wenigstens einen in jeweils einem Brennerkorb (20) aufgenommenen Brenner (30) aufweist, zur Erzeugung einer in den Feuerraum (1) der Kesselanlage gerichteten Flamme (40) entlang einer Längsachse (41).

8. Kesselanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (60) als Kühlelemente mehrere Rohre (70) umfasst, in welchen ein Kühlmedium (61) aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei die Kesselanlage eine Brennkammerwand (10) aufweist, von der ausgehend die Rohre (70) sich ins Innere des Feuerraums (1) erstrecken, und wobei zumindest einige dieser Rohre (70) zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende erste Abschnitte (71) aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse (41) und winklig, insbesondere senkrecht zur Brennkammerwand (10) angeordnet sind, daran anschließend zwei im Wesentlichen winklig, insbesondere senkrecht zur Längsachse (41) und im Wesentlichen parallel zur Brennkammerwand (10) verlaufende zweite Abschnitte (72) aufweisen, und daran angeordnet wenigstens einen dritten Abschnitt (73) aufweisen, der im Wesentlichen parallel zur Brennerwand (10) und winklig, insbesondere senkrecht zur Längsachse (41) sowie den zweiten Abschnitten (72) verläuft.

9. Kesselanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (60) als Kühlelemente mehrere Rohre (70) umfasst, in welchen ein Kühlmedium (61) aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei die Kesselanlage eine Brennkammerwand (10) aufweist, von der ausgehend die Rohre (70) sich ins Innere des Feuerraums (1) erstrecken, und wobei zumindest einige dieser Rohre (70) jeweils einen ersten Abschnitt (71) aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse (41) und winklig, insbesondere senkrecht zur Brennkammerwand (10) angeordnet sind, und die ersten Abschnitte (71) der Rohre (70) strömungstechnisch mit einem ringförmigen Verteiler (74) verbunden sind, der im Wesentlichen parallel zur Brennkammerwand (10) und winklig, insbesondere senkrecht, zur Längsachse (41) angeordnet ist.

10. Kesselanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung als Kühlelement wenigstens ein Rohr (70) umfasst, welches schraubengangförmig um die Längsachse (41) angeordnet ist.

11. Kesselanlage nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, die Kühleinrichtung (60) eine rotationssymmetrische, insbesondere eine konische Ausgestaltung aufweist, mit einer im Wesentlichen parallelen, insbesondere koaxialen Ausrichtung zur Längsachse (41).

12. Kesselanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fluid-Zuführungseinrichtung aufweist, mit der radial in Richtung auf die Längsachse gerichtet ein Fluid, wie z.B. Brennstoff, Luft und/ oder rückgeführtes Abgas (50), durch die Kühleinrichtung hindurch ausgebbar ist.

13. Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie unter Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels der Kesselanlage nach einem der Ansprüche 1-12, bei dem in einem Feuerraum (1) der Kesselanlage eine Flamme (40) erzeugt wird und dabei entstehendes Abgas (50) zur Flamme (40) zurückgeführt wird, wobei mittels der Kühleinrichtung (60) der Kesselanlage Wärme vom rückgeführten Abgas (50) aufgenommen und abgeleitet wird.

14. Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (60) der Kesselanlage bei Kühlung des rückgeführten Abgases (50) rotiert.

15. Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur mit der Kühlungseinrichtung (60) bewirkten Kühlung mittels einer Eindüseeinrichtung (80) Fluid (81) in den Bereich der Abgas-Rückführung (51) in den Feuerraum (1) eingespritzt wird.

Zeichnung