BRENNERKOPF, BRENNERSYSTEM UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNERSYSTEMS

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf (2) zum Einsatz in einem Brennersystem (1), mit einer Mischeinrichtung (3) zur Zufuhr von Frischgasen, Brennstoff (12) und Oxidator (14), in einen Brennraum (4) unter Mischung zumindest der Frischgase, mit
- einem sich längs zu einer Mittellängsachse (M) erstreckenden Brennerrohr (8), umfassend einen Leitrohrabschnitt (22) und einen stromab des Leitrohrabschnitts (22) angeordneten Mischrohrabschnitt (66), wobei der Mischrohrabschnitt (66) einen Mischbereich (16) zur zumindest teilweisen Vormischung zumindest der Frischgase im Betrieb umlaufend umgrenzt,
- einer Zufuhranordnung (10) zur, insbesondere drallfreien, Zufuhr der Frischgase in den Mischbereich (16), umfassend
- zumindest eine Oxidator-Zufuhreinrichtung (18) aufweisend zumindest einen in dem Leitrohrabschnitt (22) angeordneten Zufuhrraum (20), und zumindest eine am stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts (22) angeordnete Oxidator-Austrittsöffnung (24) zur Zufuhr von Oxidator (14) in den Mischbereich (16), und
- zumindest eine Brennstoff-Zufuhreinrichtung (40) zur Zufuhr von Brennstoff (12) in den Mischbereich (16), die zumindest eine an ihrem stromabseitigen Ende angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnung (42) aufweist,


Ein sehr geringes Emissionsniveau wird mit vergleichsweise geringem Aufwand unter anderem dadurch erreicht, dass in dem Brennerrohr (8) zumindest eine Öffnungsanordnung (72) zum Einsaugen von innerhalb des Brennraums (4) rezirkuliertem Abgas in den Mischbereich (16) vorhanden ist

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf zum Einsatz in einem Brennersystem, mit einer Mischeinrichtung zur Zufuhr von Frischgasen, Brennstoff und Oxidator, in einen Brennraum unter Mischung zumindest der Frischgase, mit

• einem sich längs zu einer Mittellängsachse erstreckenden Brennerrohr, umfassend einen Leitrohrabschnitt und einen stromab des Leitrohrabschnitts angeordneten Mischrohrabschnitt, wobei der Mischrohrabschnitt einen Mischbereich zur zumindest teilweisen Vormischung zumindest der Frischgase im Betrieb umlaufend umgrenzt,
• einer Zufuhranordnung zur, insbesondere drallfreien, Zufuhr der Frischgase in den Mischbereich, umfassend
  • zumindest eine Oxidator-Zufuhreinrichtung aufweisend zumindest einen in dem Leitrohrabschnitt angeordneten Zufuhrraum, und zumindest eine am stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts angeordnete Oxidator-Austrittsöffnung zur Zufuhr von Oxidator in den Mischbereich, und
  • zumindest eine Brennstoff-Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von Brennstoff in den Mischbereich, die zumindest eine an ihrem stromabseitigen Ende angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnung aufweist,

wobei in dem Brennerrohr zumindest eine Öffnungsanordnung zum Einsaugen von innerhalb des Brennraums rezirkuliertem Abgas in den Mischbereich vorhanden ist und wobei der Mischrohrabschnitt eine am stromabseitigen Ende angeordnete Brennermündung zur Mündung des Brennerkopfes in den Brennraum aufweist, der vorzugsweise eine, z. B. konisch ausgebildete, Einschnürung aufweist.

[0002] Ein derartiger Brennerkopf ist aus der KR 10 2 437 328 B1 bekannt. Bei dem Brennerkopf und dem darauf basierenden Brennersystem und Verfahren ist eine Mischeinrichtung zur Zufuhr von Brennstoff und Oxidator gezeigt, bei der in einem Brennerrohr eine Öffnungsanordnung zum Einsaugen von rezirkuliertem Abgas in einen Mischbereich vorhanden ist. In dem Mischbereich ist im Betrieb eine Flamme vorhanden. Eine Brennstoffleitung führt zentral in einen Injektionsblock und darin radial in radial beabstandete Injektionskanäle für den Oxidator stromauf der Oxidatoraustrittsöffnungen.

[0003] Ein weiterer, aus der DE 39 20 078 A1 bekannter Brennerkopf kommt beispielsweise in einem mündungsmischenden Gebläsebrenner unter Atmosphärendruck zum Einsatz. Bei dem bekannten Brennerkopf werden die Frischgase Brennstoff und Oxidator mittels der Zufuhranordnung in einen Mischbereich innerhalb eines Brennrohrs eingebracht. Stromab des Mischbereichs ist zwischen dem Brennrohr und einem stromab davon angeordneten Flammrohr eine radiale Öffnungsanordnung zur Ansaugung von in der Brennkammer rezirkuliertem Abgas vorhanden, welches in die vorgemischte Frischgasströmung eingesaugt wird.

[0004] Ein weiterer Brennerkopf eines Gebläsebrenners, umfassend eine drallerzeugende Stauscheibe, ist aus der DE 10 2016 125 526 B3 bekannt.

[0005] Die US 11 226 096 B2 zeigt einen Brenner mit einem zusammenhängenden Brennerrohr, welches in einen Brennraum mündet.

[0006] Eine weitere Brenneranordnung ist in der US 2012 / 0 183 914 A1 angegeben.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennerkopf, ein Brennersystem und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem ein sehr geringes Emissionsniveau mit vergleichsweise geringem Aufwand erreicht wird.

[0008] Für den Brennerkopf wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für das Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 18 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.

[0009] Bei dem Brennerkopf ist vorgesehen, dass die zumindest eine Brennstoff-Austrittsöffnung innerhalb des Mischrohrabschnitts stromab der zumindest einen Öffnungsanordnung, vorzugsweise stromab der Oxidator-Austrittsöffnung und/oder stromauf der Brennermündung, angeordnet ist.

[0010] Dabei ist die Öffnungsanordnung auf dem Umfang des Brennerrohres auf einer derartigen axialen Position positioniert, dass die Öffnungsanordnung bei montiertem Brennersystem innerhalb des Brennraums angeordnet ist.

[0011] Die Öffnungsanordnung kann zumindest im Wesentlichen als genau eine ringförmig umlaufende Öffnung ausgebildet sein, wobei im Bereich der Öffnung, z. B. zwischen dem Leitrohrabschnitt und dem Mischrohrabschnitt, z. B. stegartig ausgebildeten Befestigungselemente angeordnet sind. Alternativ kann die Öffnungsanordnung mehrere, insbesondere äquivalent ausgebildete (axial und radial gleich positionierte und/oder mit gleicher Formgebung) und/oder in Umlaufrichtung äquidistant angeordnete Einzelöffnungen umfassen. Bei dem Vorhandensein mehrerer Einzelöffnungen sind diese vorzugsweise zumindest in Umlaufrichtung im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en angeordnet.

[0012] Der Leitrohrabschnitt endet an und/oder (unmittelbar) stromab an der Oxidator-Austrittsöffnung. Der Zufuhrraum der Oxidator-Zufuhreinrichtung ist vorzugsweise von dem Leitrohrabschnitt umlaufend umgrenzt, wobei der Leitrohrabschnitt die radial äußere Wandung des Zufuhrraums bildet. Der Leitrohrabschnitt und der Mischrohrabschnitt weisen beispielsweise den gleichen Durchmesser auf oder unterscheiden sich im Durchmesser geringfügig, z. B. um bis zu 20 %.

[0013] Der Mischbereich erstreckt sich innerhalb des Mischrohrabschnittes stromab der Oxidator-Austrittsöffnung bis zum brennkammerseitigen Ende des Mischrohrabschnittes bzw. Brennerrohres.

[0014] Der Oxidator weist vorzugsweise Luft auf oder ist daraus gebildet. Der Brennstoff umfasst vorzugsweise ein Brenngas oder wird daraus gebildet, beispielsweise Erdgas, Wasserstoff und/oder Synthesegas (ein Gasgemisch enthaltend insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid) oder ein Gasgemisch umfassend diese und/oder andere Komponenten. Das intern (innerhalb der Brennkammer) rezirkulierte Abgas kann Restsauerstoff als reaktive Komponente enthalten.

[0015] Durch die vorgeschlagene Ausbildung erfolgt eine verbesserte Mischung der Frischgase mit dem Abgas stromauf der Wärmefreisetzungszone. Auf diese Weise können auch ohne Einsatz z. B. einer aufwändigen externen Abgasrezirkulation äußerst geringe Sickoxid-(NO_x-)Emissionen erreicht werden. Zudem kann durch die vergleichsweise weit stromauf erfolgende Einmischung von Abgas in dem Brennerkopf eine im Vergleich zu üblichen Brennersystemen mit interner und/oder externer Abgas-Rezirkulation verkürzt Wärmefreisetzungszone erreicht werden. Damit wird die Ausbildung einer sehr langen Flamme vermieden, die im ungünstigsten Fall eine Rückwand eines Kessels bzw. Brennkammer thermisch überlassen kann.

[0016] Vorzugsweise ist die zumindest eine Öffnungsanordnung axial zwischen dem Leitrohrabschnitt und dem Mischrohrabschnitt oder in dem Mischrohrabschnitt, insbesondere im Bereich der Oxidator-Austrittsöffnung/en, angeordnet. "Im Bereich" bedeutet insbesondere, axial stromauf oder stromab angrenzend, überlappend oder leicht versetzt, beispielsweise bis zu einer halben axialen Ausdehnung der Öffnungsanordnung. Insbesondere bedeutet "im Bereich" derart, dass eine durch die Oxidatorströmung an der/den Oxidator-Austrittsöffnung/en erzeugte Ansaugwirkung (Sogwirkung durch einen Unterdruckbereich) auf die Öffnungsanordnung wirkt und auf diese Weise Abgas in das Brennerrohr eingesaugt wird. So kann vorteilhafterweise die Strömungsenergie des Oxidators zur Erzeugung der Ansaugwirkung nach Art einer Strahlpumpe benutzt werden.

[0017] In einer Ausbildungsvariante ist zweckmäßigerweise die zumindest eine Brennstoff-Austrittsöffnung derart stromab der Oxidator-Austrittsöffnung (und/oder der Öffnungsanordnung) angeordnet, dass im Betrieb stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung eine zumindest teilweise Vormischung von Oxidator und intern rezirkuliertem Abgas erfolgt. Die Position der Brennstoff-Austrittsöffnung stromab der Oxidator-Austrittsöffnung kann beispielsweise zwischen 0,02 und 0,5-mal einem Radius des Mischrohrabschnitts betragen. Auf diese Weise wird vorteilhaft der Brennstoff in die bereits mit Abgas angereicherte und/oder zumindest teilweise vermischte Oxidatorströmung zugegeben. Das Abgas reduziert den Sauerstoffgehalt stromauf der Wärmefreisetzungszone und bildet eine zusätzliche Wärmekapazität. Beide Effekte senken auch im Falle einer frühen Zündung des Brennstoffes, innerhalb des Mischbereiches, die Stickoxid-Emissionen.

[0018] Vorzugsweise umfasst die Brennstoff-Zufuhreinrichtung mehrere, z. B. lanzenartig ausgebildete (wesentlich, z. B. mehr als dreimal, länger als ihr Durchmesser), Brennstoffleitungen mit an ihren Enden angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen, die, vorzugsweise radial und/oder umlaufend äquidistant, um die Mittellängsachse angeordnet sind. So ergibt sich eine Anordnung der Brennstoffleitungen und/oder der Brennstoff-Austrittsöffnungen auf einem gedachten Ring um die Mittellängsachse des Brennerkopfes bzw. des Brennersystems. Vorzugsweise ist je Brennstoffleitung genau eine Brennstoff-Austrittsöffnung vorhanden, die beispielsweise senkrecht zu einer Mittelachse der jeweiligen Brennstoffleitung angeordnet ist. Die Brennstoffleitungen durchlaufen vorzugsweise zumindest teilweise den Zufuhrraum der Oxidator-Zufuhreinrichtung innerhalb des Leitrohrabschnitts.

[0019] Eine besonders effektive Anreicherung der Brennstoff-Strömung mit Abgas im Betrieb ist dadurch erreichbar, dass die Öffnungsanordnung in Umlaufrichtung zumindest im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en angeordnet ist. Bei Vorhandensein mehrerer Einzelöffnungen ist vorzugsweise jeweils eine Einzelöffnung im Bereich einer Brennstoff-Austrittsöffnung angeordnet.

[0020] Vorzugsweise ist die Brennstoff-Zufuhreinrichtung zur axialen und/oder radialen Zufuhr von Brennstoff, mit axialer und/oder radialer Richtungskomponente (drallfrei, ohne tangentiale Richtungskomponente), in den Mischbereich und/oder in den Brennraum ausgebildet, wobei zur Zugabe mit radialer Richtungskomponente die Brennstoff-Austrittsöffnung radial nach innen weisend angeordnet ist, insbesondere mit einem radial nach innen geneigten Endabschnitt der, ggf. jeweiligen, Brennstoffleitung/en. Dabei ist vorzugsweise die axiale Richtungskomponente größer als die radiale Richtungskomponente. Die Zugabe erfolgt vorzugsweise mit hoher axialer oder axial-radialer Geschwindigkeit, von z. B. zwischen 120 m/s und 300 m/s m/s, wobei insbesondere Brennstoffe mit geringer Dichte, z. B. Wasserstoff, mit vergleichsweise sehr hoher Geschwindigkeit eingebracht werden. Auf diese Weise wird auch durch den Brennstoffstrahl eine Ansaugwirkung auf das Abgas und/oder den Oxidator und die lokale Mischung verbessert.

[0021] In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist die Oxidator-Austrittsöffnung als einzelne, ringförmig um die Mittellängsachse umlaufende Ringöffnung ausgebildet, wobei eine umlaufende Außenkante von dem stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts, insbesondere dem konischen Abschnitt und/oder dem Querschnittsreduktionsabschnitt, gebildet ist. Die radial innere Begrenzung bzw. die Innenwand bzw. -kante der Oxidator-Austrittsöffnung wird z. B. durch eine Brennkammerwand einer zentral angeordneten Pilotstufe gebildet.

[0022] Alternativ oder zusätzlich umfasst die Oxidator-Austrittsöffnung mehrere, zu einem Ring um die Mittellängsachse angeordnete, Einzelöffnungen, die z. B. an dem stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts, z. B. in dem konischen Abschnitt und/oder in dem oder den Querschnittsreduktionsabschnitt/en, angeordnet sind. Bei Vorhandensein mehrerer Einzelöffnungen sind diese vorzugsweise äquivalent ausgebildet (axial und radial gleich positioniert und/oder mit gleicher Formgebung) und/oder in Umlaufrichtung äquidistant angeordnet.

[0023] Vorzugsweise ist/sind die Oxidator-Austrittsöffnung/en zumindest im umlaufenden Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en radial weiter innen liegend angeordnet als die Brennstoff-Austrittsöffnung/en, wobei ein radialer Abstand einer radialen Außenkante der Oxidator-Austrittsöffnung/en von der Mittellängsachse gleich oder weniger weit beabstandet ist als ein kleinster radialer Abstand der Brennstoff-Austrittsöffnung/en. Auf diese Weise werden im Betrieb Brennstoff und Oxidator radial versetzt zueinander in den Mischbereich eingebracht. So kann zunächst eine Vormischung der beiden Frischgase mit durch die Öffnungsanordnung intern rezirkuliertem, in den Mischbereich eingesaugtem Abgas verstärkt werden.

[0024] Insbesondere im Zusammenhang mit der erstrebten Ansaugwirkung ist vorzugsweise die Oxidator-Austrittsöffnung zur drallfreien, axialen Zufuhr von Oxidator in den Mischbereich ausgebildet. Eine radiale Richtungskomponente (geringer als die axiale Richtungskomponente) kann vorhanden sein. So wird eine Jet-stabilisierte Konfiguration erreicht, wobei die Oxidator-Austrittsöffnung vorzugsweise derart ausgelegt ist, dass die Oxidatorströmung mit hoher axialer Geschwindigkeit, beispielsweise von bis zu 150 m/s, z. B. zwischen 80 m/s und 120 m/s, aus der Oxidator-Austrittsöffnung ausströmt.

[0025] Die Ansaugwirkung durch die Oxidatorströmung auf das Abgas kann vorteilhafterweise dadurch verstärkt werden, dass die Oxidator-Zufuhreinrichtung an der Oxidator-Austrittsöffnung, an dem stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts, einen engsten Strömungsquerschnitt aufweist. Auf diese Weise nutzt die Mischeinrichtung die hohe Geschwindigkeit des Oxidators an der Oxidator-Austrittsöffnung mit dem engsten Strömungsquerschnitt zur Erzeugung eines Unterdruckbereichs nach Art einer Strompumpe, welches die Ansaugwirkung induziert.

[0026] In einer besonders strömungsgünstigen Ausbildungsvariante läuft der Leitrohrabschnitt zu dem engsten Strömungsquerschnitt hin über einen axialen Abschnitt sich radial verjüngend zu, insbesondere mittels eines umlaufenden konischen Abschnitts.

[0027] Der engste Strömungsquerschnitt kann umlaufend zumindest abschnittsweise dadurch weiter verjüngt werden, dass der Leitrohrabschnitt an dem engsten Strömungsquerschnitt zumindest in Umlaufrichtung im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en, insbesondere axial anschließend an den konischen Abschnitt, zumindest einen Querschnittsreduktionsabschnitt aufweist. Der oder die Querschnittsreduktionsabschnitt/e können insbesondere steiler als der konische Abschnitt ausgebildet sein, z. B. im Winkel von 90° zu der Mittellängsachse ausgerichtet sein. Auf diese Weise kann zumindest abschnittsweise umlaufend im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnungen die Geschwindigkeit des Oxidators besonders stark erhöht und somit die Ansaugwirkung forciert werden. Zugleich kann zugunsten eines nicht übermäßigen Druckverlustes der gesamte Strömungsquerschnitt der Oxidator-Austrittsöffnung ausreichend groß ausgelegt sein.

[0028] Besonders vorteilhaft kann zur Verstellung des engsten Strömungsquerschnittes eine Verstelleinrichtung vorhanden sein, die insbesondere auch im Betrieb verstellbar ist.

[0029] Dies ermöglicht eine Verstellung des engsten Strömungsquerschnittes, wobei die vorteilhaft hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Oxidator-Austrittsöffnung verbunden mit der Ansaugwirkung auf das intern rezirkulierte Abgas auch im Teillastbereich aufrechterhalten werden können. Vorzugsweise wird eine üblicherweise bei Gebläsebrennern stromauf des Brennerkopfes vorhandene Luftklappe zur Regelung bzw. Drosselung des Oxidatorstromes durch die Verstelleinrichtung ersetzt. Somit wird der durch diese Luftklappe erzeugte Druckverlust insbesondere im Klein-/Teillastbereich und im Mittellastbereich verhindert und örtlich an den engsten Strömungsquerschnitt verlagert, wobei die Strömungsenergie nicht verloren geht, sondern effektiv zur Erzeugung des Ansaugeffekts auf die Abgasströmung genutzt wird.

[0030] Zweckmäßigerweise kann die Verstelleinrichtung zur Verstellung des engsten Strömungsquerschnittes mittels axialer Verschiebung zumindest eines Verstellkörpers ausgebildet sein. Bei Ausbildung der Oxidator-Austrittsöffnung als eine einzige, umlaufende Öffnung kann der Verstellkörper z. B. als zusammenhängender, umlaufender Ring ausgebildet sein. Bei Vorhandensein mehrerer einzelner Oxidator-Austrittsöffnungen ist beispielsweise pro Oxidator-Austrittsöffnung ein entsprechend geformter Verstellkörper vorhanden. Als Antriebsquelle kann z. B. ein Stellmotor dienen, der außerhalb des Brennersystems angeordnet ist und welcher eine Verstellbewegung mittels zumindest einer Kraftübertragungsvorrichtung auf den oder die Verstellkörper überträgt.

[0031] Zugunsten einer kontinuierlichen Querschnittsveränderung weist der Verstellkörper vorzugsweise einen kontinuierlichen Querschnittsänderungsabschnitt, z. B. einen Keilabschnitt, auf, der in den engsten Strömungsquerschnitt einschiebbar ist.

[0032] In einer günstigen Ausbildungsvariante ist eine zentral auf der Mittellängsachse angeordnete Pilotstufe vorhanden, die von der Zufuhranordnung (als Hauptstufe) radial umgeben ist. Die Pilotstufe kann zum Betrieb mit drallfreier oder drallbehafteter Strömung ausgebildet sein. Um die Oxidator-Aufteilung zwischen der Hauptstufe und der Pilotstufe zu regulieren, kann auch die Pilotstufe eine Verstelleinrichtung aufweisen.

[0033] In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Pilotstufe zugunsten geringer NO_x-Emissionen magerer betrieben als die Hauptstufe, beispielsweise mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1,5. Die Hauptstufe, d. h. die Zufuhranordnung, wird weniger mager betrieben, beispielsweise mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ < 1,2, wobei geringe NO_x-Emissionen insbesondere mittels der Abgasbeimischung stromauf der Wärmefreisetzungszone erreicht werden. Vorzugsweise ist das kombinierte Verbrennungsluftverhältnis im Betrieb, über den gesamten Brennerkopf, zur Minimierung von Abgasverlusten nahezu stöchiometrisch oder mager (λ > 1).

[0034] In einer bevorzugten Ausbildungsvariante mündet die Pilotstufe mit einer Mündung in den Mischbereich, wobei die Mündung axial stromab der Oxidator-Austrittsöffnung und/oder stromauf der Brennermündung, insbesondere der Einschnürung, und vorzugsweise stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung, angeordnet ist. Durch eine derart vergleichsweise axial zurück versetzte Anordnung der Pilotstufe kann die Pilotstufe im Betrieb das Abgas-Frischgas-Gemisch der Hauptstufe zünden. Besonders vorteilhaft kann eine derartige Ausbildung in Zusammenhang mit einer radial nach innen gerichteten Brennstoffleitung und/oder der Einschnürung am stromabseitigen Ende des Mischrohrabschnittes sein, sodass die Strömung radial in Richtung Strömung aus der Pilotstufe gelenkt wird.

[0035] In einer hinsichtlich der Brennstoff-Einmischung besonders günstigen Ausbildungsvariante ist die Brennstoff-Austrittsöffnung als um eine Mittelachse der Brennstoffleitung/en teilumlaufender Spalt ausgebildet, wobei zwischen zwei Spaltenden (in Umlaufrichtung) eine geschlossene Seite, ohne Spalt, vorhanden ist und wobei der teilumlaufende Spalt und eine die Spaltenden über die geschlossene Seite virtuell verbindende Verbindungslinie eine Innenfläche einschließen.

[0036] Der Spalt weist eine wesentlich größere (vorzugsweise mehr als die doppelte) Längenausdehnung als die ggf. maximale Spalthöhe auf. Die Spalthöhe kann über die Längenausdehnung des Spalts konstant sein oder variieren.

[0037] Die Innenfläche ist vorzugsweise senkrecht zu der Mittellängsachse des Brennersystems ausgerichtet.

[0038] Durch die Ausbildung als teilumlaufender Spalt mit der geschlossenen Seite wird in dem aus der Austrittsöffnung austretenden Brennstoffstrahl ein teiloffener Raum gebildet. Durch einen mittels hoher axialer Geschwindigkeit induzierten Unterdruckbereich wird Gas, z. B. intern rezirkuliertes Abgas und/oder Oxidator, insbesondere aus Richtung der geschlossenen Seite in den teiloffenen Raum, gleichsam in die Strahlmitte, eingesaugt, was in Kombination mit der großen Oberfläche des Brennstoffstrahls eine gute Mischung bewirkt.

[0039] Dabei ist vorzugsweise der teilumlaufende Spalt bezüglich einer Symmetrieebene der Brennstoff-Austrittsöffnung symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch ausgebildet.

[0040] Zweckmäßigerweise kann der teilumlaufende Spalt gerundet, z. B. teilkreisbogenförmig und/oder U-förmig, ausgebildet ist. Möglich ist auch eine Ausbildung des teilumlaufenden Spalts in teil-polygonaler Form (umfassend mehrere Seiten eines Polygons, beispielsweise drei Seiten eines Vierecks).

[0041] Eine vorteilhafte Ansaugwirkung auf die umgebende Gasströmung und/oder eine große Kontaktfläche zwischen der Brennstoffströmung und der Gasströmung mit gleichzeitig guten Einströmmöglichkeiten des Gases in die Brennstoffströmung ist erreichbar, wenn der teilumlaufende Spalt umlaufend zwischen 180° und 330°, vorzugsweise zwischen 180° und 270°, um die Mittelachse ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der übrige umlaufende Abschnitt von der geschlossenen Seite (im Bereich der Verbindungslinie) gebildet ist.

[0042] Vorzugsweise ist die geschlossene Seite in Richtung einer im Betrieb bevorzugt anzusaugenden Strömung ausgerichtet. Auf diese Weise wird zunächst eine Vormischung von Brennstoff mit der entsprechenden Strömungskomponente forciert.

[0043] Vorteilhafte Ausführungsmöglichkeiten des Verfahrens sind vorstehend in Zusammenhang mit dem Brennerkopf sinngemäß beschrieben.

[0044] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein Brennersystem mit einem Brennerkopf in schematischer Darstellung in seitlicher Ansicht,

Fig. 2

den Brennerkopf gemäß Fig. 1 in Teildarstellung im Längsschnitt,

Fig. 3

den Brennerkopf gemäß Fig. 1 im Querschnitt mit Blickrichtung aus dem Brennraum ohne Darstellung eines Mischrohrabschnitts,

Fig. 4 A, B

einen Endabschnitt einer Brennstoffleitung zur axialen Zufuhr (Fig. 4A) und zur axial-radialen Zufuhr (Fig. 4B) von Brennstoff im Längsschnitt,

Fig. 5 A, B

eine Brennstoff-Austrittsöffnung in Ausbildung als teilumlaufender Spalt in unterschiedlichen Ausrichtungen in Draufsicht aus Richtung des Brennraums und

Fig. 6

den Brennerkopf gemäß Fig. 2 mit zusätzlich dargestelltem Verstellkörper einer Verstelleinrichtung.

[0045] Fig. 1 zeigt Teile eines sich entlang einer Mittellängsachse M erstreckenden Brennersystems 1, das insbesondere der Gruppe der mündungsmischenden Gebläsebrenner zuzuordnen ist, welche in der Regel unter Atmosphärendruck betrieben werden. Das Brennersystem weist eine Brennkammer 5 und einen eingangsseitig der Brennkammer 5 angeordneten Brennerkopf 2 umfassend eine Mischeinrichtung 3 auf. Die Brennkammer 5 und der Brennerkopf 2 mit der Mischeinrichtung 3 sind insbesondere rotationssymmetrisch zu der Mittellängsachse M ausgebildet.

[0046] Die Brennkammer 5 umgibt einen Brennraum 4, innerhalb dessen sich im Betrieb eine Flamme mit einer zentralen Wärmefreisetzungszone 6 ausbildet. Zudem bildet sich im Betrieb insbesondere im radialen Außenbereich der Wärmefreisetzungszone 6 eine Rezirkulationsströmung 7 mit Abgas 80 aus, die eine interne, d. h. innerhalb des Brennraums 4 ausgebildete, Abgasrezirkulation bewirkt.

[0047] Die Mischeinrichtung 3 dient zur Zugabe von Frischgasen (Brennstoff 12 und Oxidator 14) in den Brennraum 4 unter Erzeugung einer Strömungsverteilung zur Mischung der unterschiedlichen, am Verbrennungsprozess (inert und/oder reaktiv) teilnehmenden Fluide in einem Mischbereich 16, insbesondere der Frischgase und vorzugsweise intern rezirkuliertes Abgas 80.

[0048] Vorliegend ist die Mischeinrichtung 3 so ausgebildet, dass sich der Mischbereich 16 (zumindest großteils) stromauf des Brennraums 4 ausbildet. Möglich wäre auch eine Ausbildung derart, dass sich der Mischbereich 16 zumindest teilweise innerhalb des Brennraums 4 ausbildet.

[0049] Der Aufbau des Brennerkopfes 2 mit der Mischeinrichtung 3 ist teilweise aus Fig. 1 und genauer aus den nachfolgenden Figuren, Fig. 2 bis Fig. 6, ersichtlich.

[0050] Wie Fig. 1 zeigt, umfasst der Brennerkopf 2 ein sich längs zu der Mittellängsachse M erstreckendes Brennerrohr 8, in dem der Mischbereich 16 angeordnet ist. Das Brennerrohr 8 ragt zumindest teilweise in den Brennraum 4 hinein und weist an seinem stromabseitigen Ende eine Brennermündung 70 des Brennerkopfes 2 in den Brennraum 4 auf.

[0051] Das Brennerrohr 8 weist einen Leitrohrabschnitt 22 und einen weiter stromab angeordneten Mischrohrabschnitt 66 auf. In dem Mischrohrabschnitt 66 ist zumindest teilweise der Mischbereich 16 angeordnet, der von dem Mischrohrabschnitt 66 zumindest abschnittsweise umlaufend umgrenzt ist.

[0052] Der Durchmesser des Mischrohrabschnitts 66 entspricht hier beispielhaft zumindest im Wesentlichen dem Durchmesser des Leitrohrabschnitts 22. Der Durchmesser kann auch unter Berücksichtigung der Strömungsverteilung, insbesondere bezüglich des rezirkulierenden Abgases 80, größer oder kleiner ausgebildet sein. Dabei sollte im radial äußeren Bereich ausreichend Raum zur Ausbildung der Rezirkulationsströmung 7 mit rezirkulierendem Abgas 80 verbleiben.

[0053] Am stromabseitigen Ende des Brennerrohres 8, an dem Mischrohrabschnitt 66, ist die, in Draufsicht mit Blickrichtung aus dem Brennraum 4 insbesondere kreisförmige, Brennermündung 70 des Brennerkopfes 2 in den Brennraum 4 gebildet.

[0054] Zwischen dem Leitrohrabschnitt 22 und dem Mischrohrabschnitt 66 ist eine in dem Brennraum 4 angeordnete Öffnungsanordnung 72 zum Ansaugen von intern rezirkuliertem Abgas 80 in den Mischbereich 16 vorhanden. Die Öffnungsanordnung 72 kann als genau eine ringförmig umlaufende Öffnungsanordnung 72 ausgebildet sein (mit dazwischen angeordneten, z. B. stegartig ausgebildeten Befestigungselementen zwischen dem Leitrohrabschnitt 22 und dem Mischrohrabschnitt 66) oder umfassend mehrere, insbesondere äquivalent ausgebildete (axial und radial gleich positioniert und mit gleicher Formgebung) und/oder äquidistant angeordnete Einzelöffnungen umfassen. Bei dem Vorhandensein mehrerer Einzelöffnungen sind diese vorzugsweise zumindest in Umlaufrichtung im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en 42 angeordnet. Durch die Öffnungsanordnung 72 kann im Betrieb intern rezirkuliertes Abgas angesaugt und in den Mischbereich 16 geleitet werden.

[0055] Fig. 2 zeigt einen Teil des Brennerkopfes 2 im Längsschnitt. Die Mischeinrichtung 3 weist eine Zufuhranordnung 10 mit einer Oxidator-Zufuhreinrichtung 18 auf. Die Oxidator-Zufuhreinrichtung 18 umfasst vorliegend beispielhaft genau einen Zufuhrraum 20, der von dem Leitrohrabschnitt 22 umlaufend umgrenzt ist. Der Leitrohrabschnitt 22 bildet dabei die radial äußere Wandung des Zufuhrraums 20. Am stromabseitigen Ende des Zufuhrraums 20, d. h. des Leitrohrabschnitts 22, umfasst die Oxidator-Zufuhreinrichtung 18 eine Oxidator-Austrittsöffnung 24, durch welche im Betrieb Oxidator 14 in den Mischbereich 16 zugegeben wird.

[0056] Der Mischrohranschnitt 66 erstreckt sich axial ausgehend von der Oxidator-Ausströmöffnung 24 bis an die Brennermündung 70.

[0057] Die Oxidator-Austrittsöffnung 24 bildet einen engsten Strömungsquerschnitt 26 der Oxidator-Zufuhreinrichtung 18, an dem die Oxidatorströmung im Betrieb auf hohe axiale Strömungsgeschwindigkeiten, von vorzugsweise bis zu 150 m/s, beispielsweise zwischen 80 m/s und 120 m/s, beschleunigt wird. Zur Bildung des engsten Strömungsquerschnitt 26 ist der Leitrohrabschnitt 22 ausgehend von einem hier beispielhaft zylindrischen Abschnitt 27 zum engsten Strömungsquerschnitt 26 hin mittels eines umlaufenden konischen Abschnitts 28 radial verjüngt, wodurch im Betrieb eine günstige Strömungsführung erreicht wird.

[0058] Wie Fig. 3 in einem Querschnitt eines Ausschnitts des Brennerkopfes 2 (dargestellt ohne den Mischrohrabschnitt 66) mit Blickrichtung aus dem Brennraum 4 zeigt, weist der Leitrohrabschnitt 22 an der Oxidator-Austrittsöffnung 24 mit dem engsten Strömungsquerschnitt 26 einen Querschnittsreduktionsabschnitt 30 auf. Der Querschnittsreduktionsabschnitt 30 ist hier beispielhaft lediglich in dem umlaufenden Bereich von Brennstoff-Austrittsöffnungen 42 und diese etwas, beispielsweise um bis zu einem Durchmesser der Brennstoff-Austrittsöffnungen 42 zu beiden Seiten hin, radial überlappend angeordnet. Eine Brennstoffleitung 44 einer Brennstoffzufuhreinrichtung 40 ragt durch den Querschnittsreduktionsabschnitt 30 axial hindurch. Möglich ist, z. B. je nach Druckverlust, auch eine Anordnung des Querschnittsreduktionsabschnitts 30 über den gesamten umlaufenden Umfang der Oxidator-Austrittsöffnung 24. Der Querschnittsreduktionsabschnitt 30 ist steiler bezüglich des zylindrischen Abschnitts 27 ausgerichtet als der konische Abschnitt 28, z. B. im Winkel von etwa 90°. Auf diese Weise wird in Umlaufrichtung im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnungen 42 gegenüber dem konischen Abschnitt 28 eine weitere Querschnittsreduktion und somit Beschleunigung der Oxidator-Strömung im Betrieb bewirkt. Aufgrund der Anordnung umlaufend lediglich etwa im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnungen 42 kann der gesamte Strömungsquerschnitt der Oxidator-Austrittsöffnung 24 zugunsten eines geringen Druckverlustes ausreichend groß ausgestaltet sein.

[0059] Die Oxidator-Austrittsöffnung 24 ist hier beispielhaft als einzelne, ringförmig um die Mittelachse M umlaufende Ringöffnung 19 ausgebildet. Möglich ist auch eine Ausbildung aus mehreren, auf einem Ring um die Mittellängsachse M angeordneten Einzelöffnungen.

[0060] Eine radial innere Begrenzung der Oxidator-Austrittsöffnung 24 wird vorliegend durch eine sich axial erstreckende, insbesondere zylindrisch ausgebildete Brennkammerwand 62 einer Pilotstufe 60 des Brennerkopfes 2 gebildet. Die Brennkammerwand 62 erstreckt sich axial von stromauf der Oxidator-Austrittsöffnung 24 bis stromab derselben in den Mischbereich 16 hinein.

[0061] Die Oxidator-Austrittsöffnung 24 ist zur drallfreien, axialen Zufuhr von Oxidator 14 in den Mischbereich 16 ausgebildet, vorzugsweise ohne radiale Richtungskomponente.

[0062] Weiterhin umfasst die Zufuhranordnung 10 die Brennstoff-Zufuhreinrichtung 40 zur Zugabe von Brennstoff 12 in den Mischbereich 16, an deren stromabseitigem Ende die zumindest eine Brennstoff-Austrittsöffnung 42 angeordnet ist.

[0063] Die Brennstoff-Zufuhreinrichtung 40 umfasst eine oder vorzugsweise mehrere, Brennstoffleitungen 44, an deren stromabseitigen Enden jeweils eine der Brennstoff-Austrittsöffnungen 42 angeordnet ist. Beim Vorhandensein mehrerer Brennstoffleitungen 44 sind diese vorzugsweise gleich ausgebildet und/oder drehsymmetrisch um die Mittellängsachse M angeordnet, wobei sie zumindest teilweise radial gleich beabstandet zur Mittellängsachse M und/oder umlaufend äquidistant zueinander angeordnet sind.

[0064] In Fig. 2 und Fig. 3 ist jeweils beispielhaft eine Brennstoffleitung 44 gezeigt. Die Brennstoffleitung 44 ist vorliegend lanzenartig, länglich mit bis zu der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 konstantem Strömungsquerschnitt, ausgebildet. Die Brennstoffleitung 44 durchläuft in dem Leitrohrabschnitt 22 den Zufuhrraum 20.

[0065] In den Bereichen der Brennstoff-Austrittsöffnungen 42 (bzgl. der Umlaufrichtung) ist die Oxidator-Austrittsöffnung 24 vorliegend radial näher an der Mittellängsachse M angeordnet als die jeweilige Brennstoff-Austrittsöffnung 42, wobei die Austrittsöffnungen 24, 42 im Bereich des Querschnittsreduktionsabschnitts 30 radial nicht überlappen (eine radiale Außenkante 25 der Oxidator-Austrittsöffnung 24, gebildet durch eine radiale Innenkante des Leitrohrabschnitts 22, ist gleich oder weiter beabstandet von der Mittellängsachse M als die radial innerste Position der Brennstoff-Austrittsöffnung 42). Zu diesem Zweck ist ein radialer Abstand r1 der Außenkante 25 der Oxidator-Austrittsöffnung 24, vorliegend an dem Querschnittsreduktionsabschnitt 30, gleich oder kleiner als ein geringster radialer Abstand r2 der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 (bezüglich deren Unterkante, die radial den geringsten Abstand der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 zur Mittellängsachse M aufweist) von der Mittellängsachse M. Auf diese Weise werden im Betrieb im Bereich des Querschnittsreduktionsabschnitts 30 Brennstoff 12 und Oxidator 14 radial versetzt zueinander in den Mischbereich 16 eingebracht. So kann zunächst eine Vormischung der beiden Frischgase mit durch die Öffnungsanordnung 72 intern rezirkuliertem, in den Mischbereich 16 eingesaugtem Abgas 80 erfolgen.

[0066] Bezüglich der axialen Richtung ist die Brennstoff-Austrittsöffnung 42 stromab der Öffnungsanordnung 72 und der Oxidator-Austrittsöffnung 24 innerhalb des Mischrohrabschnittes 66 angeordnet, stromauf der Brennermündung 70. Die Brennstoff-Austrittsöffnung 42 ist insbesondere derart stromab der Oxidator-Austrittsöffnung 24 angeordnet, dass im Betrieb stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 eine zumindest teilweise Vormischung von Oxidator 14 und dem intern rezirkulierten Abgas 80 erfolgt.

[0067] Zu diesem Zweck ist die Öffnungsanordnung 72 axial vorzugsweise im Bereich der Oxidator-Austrittsöffnung 24 angeordnet, insbesondere stromauf oder stromab angrenzend und/oder überlappend. Auch eine etwas stromauf oder stromab versetzte Anordnung ist möglich, vorzugsweise jedoch stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung 42, derart, dass im Betrieb das Abgas vorzugsweise stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 in den Mischbereich 16 eingesaugt wird.

[0068] Wie Fig. 4A und Fig. 4B zeigen, ist die Brennstoff-Zufuhreinrichtung 40 zur drallfreien, ausschließlich axialen Zufuhr (Fig. 4A) oder drallfreien axial-radialen Zufuhr (Fig. 4B) von Brennstoff 12 in den Mischbereich 16 ausgebildet. Bei Ausbildung zur axial-radialen Zufuhr (Fig. 4B) weist die Brennstoffleitung 44 insbesondere einen radial nach innen geneigten Endabschnitt 46 auf. Vorzugsweise ist die radiale Richtungskomponente der Neigung kleiner als die axiale Richtungskomponente, d. h. der Endabschnitt 46 ist um weniger als 45° gegenüber der axialen Richtung (Mittellängsachse M) geneigt.

[0069] Das Mischrohr 66 weist an seinem stromabseitigen Endbereich eine hier beispielhaft konische Einschnürung 68 auf, die im Betrieb eine Strömungsumlenkung nach innen bewirkt. Die Einschnürung 68 ist axial vorzugsweise zumindest teilweise stromab der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 angeordnet.

[0070] Der Brennerkopf 2 weist neben der Zufuhranordnung 10, die eine Hauptstufe des Brennersystems bildet, eine zentral auf der Mittellängsachse M angeordnete Pilotstufe 60 auf. Die Pilotstufe 60 ist unter Zwischenordnung der Brennkammerwand 62 der Pilotstufe 60 umlaufend von der Zufuhranordnung 10 umgeben. Die Pilotstufe 60 mündet mit einer Brennermündung 64 am stromabseitigen Ende der Brennkammerwand 62 axial vorzugsweise stromab der Oxidator-Austrittsöffnung 24 und stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung 42. Die Pilotstufe 60 kann zum Betrieb mit drallfreier Strömung, beispielsweise als Jet-stabilisierter Brenner, oder mit drall-behafteter Strömung ausgebildet sein.

[0071] Die Pilotstufe 60 ersetzt in ihrer zentralen Anordnung insbesondere eine drallerzeugende Stauscheibe, die bei aus dem Stand der Technik bekannten mündungsmischenden Gebläsebrennern häufig vorhanden ist.

[0072] Die axiale Positionierung der Strömungsöffnungen zur Zugabe der Fluide in den Mischbereich 16 beläuft sich zusammengefasst wie folgt: Die Öffnungsanordnung 72 zur Ansaugung von rezirkuliertem Abgas 80 ist vorliegend beispielhaft am weitesten stromauf positioniert. An der axialen Position ihres stromabseitigen axialen Endes befindet sich die Oxidator-Austrittsöffnung 24. Die Brennermündung 64 in der Pilotstufe 60 ist stromab der Oxidator-Austrittsöffnung 24 und stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 angeordnet. Die Brennstoff-Austrittsöffnung 42 ist stromauf der Brennermündung 70 und vorzugsweise stromauf, z. B. am stromaufseitigen Ende, der Einschnürung 68 angeordnet.

[0073] Im Betrieb wird Oxidator 14 durch die Oxidator-Austrittsöffnung 24 axial in den Mischbereich 16 zugegeben. An dem engsten Strömungsquerschnitt 26 auf Höhe der Oxidator-Austrittsöffnung 24 wird die Oxidatorströmung auf die hohen axialen Strömungsgeschwindigkeiten beschleunigt. Durch die den hohen Strömungsgeschwindigkeiten innewohnende Strömungsenergie (dynamischer Druck) wird an der Oxidator-Austrittsöffnung 24 und/oder stromab derselben ein Unterdruckbereich 38 erzeugt. Durch die stromauf oder im Bereich des Unterdruckbereichs 38 vorhandene Öffnungsanordnung 72 wird intern rezirkulierendes Abgas 80 aus dem Außenbereich des Brennraums 4 in den Mischbereich 16 innerhalb des Brennerrohrs 8 angesaugt.

[0074] Aufgrund der Ausgestaltung des Brennerkopfes 2 wird zunächst eine zumindest teilweise Vormischung von Oxidator 14 und angesaugtem Abgas 80 erhalten. In dieses Oxidator-Abgas-Gemisch wird weiter stromab, jedoch stromauf der Brennermündung 70, Brennstoff 12 mit hohen Geschwindigkeiten (120 - 300 m/s, auch abhängig von der Dichte des Brennstoffs) parallel oder annähernd parallel zugegeben. So findet eine Vermischung von Oxidator 14 und Brennstoff 12 mit Abgas 80 deutlich stromauf der Brennermündung 70 der Mischeinrichtung 3 bzw. des Brennerkopfes 2 in den Brennraum 4 statt, wodurch eine Vormischung der Frischgase mit dem Abgas stromauf des Brennraums 4 erreicht wird.

[0075] Fig. 5A und Fig. 5B zeigen einer Ausbildungsvariante der Brennstoff-Austrittsöffnung 42, mittels der eine besonders günstige Einmischung von Brennstoff 12 innerhalb des Mischbereiches 16 bewirkt werden kann. Dabei ist die Brennstoff-Austrittsöffnung 42 als um eine Mittelachse M1 der Brennstoffleitung 44 teilumlaufender Spalt 48 ausgebildet. Zwischen zwei Spaltenden 50 des teilumlaufenden Spalts 48 ist eine geschlossene Seite 52, ohne Spalt, vorhanden. Mit einer die Spaltenden 50 über die geschlossene Seite 52 virtuell verbindenden Verbindungslinie 54 (welche den teilumlaufenden Spalt 48 nicht schneidet) schließt der teilumlaufende Spalt 48 eine Innenfläche 56 ein.

[0076] Durch die Ausbildung als teilumlaufender Spalt 48 wird insbesondere im radialen und umlaufenden Bereich der Innenfläche 56 ein Unterdruckbereich nach Art einer Strahlpumpe ausgebildet. Durch den Unterdruckbereich wird die umgebende Strömung insbesondere aus Richtung der geschlossenen Seite 52 gleichsam in den Brennstoffstrahl, in die Strahlmitte, eingesaugt. Auch stromab der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 wird eine Wirbelverteilung erreicht, die die Einmischung der umgebenden Strömung mit dem Brennstoffstrahl verstärkt.

[0077] Für eine günstige Mischung ist der teilumlaufende Spalt 48 bezüglich einer die Mittelachse M1 umfassenden Symmetrieebene S der Brennstoff-Austrittsöffnung 42 spiegelsymmetrisch und/oder gerundet, z. B. wie vorliegend teilkreisbogenförmig, und/oder U-förmig ausgebildet.

[0078] Der teilumlaufende Spalt 48 ist vorzugsweise umlaufend zwischen 180° und 330° um die Mittelachse M1 ausgebildet. Den übrigen umlaufenden Abschnitt nimmt die geschlossene Seite 52 ein.

[0079] Die geschlossene Seite 52 ist in Richtung einer im Betrieb bevorzugt anzusaugenden Strömung ausgerichtet. So kann die geschlossene Seite 52 beispielsweise radial nach innenweisend, in Richtung der Mittellängsachse M, ausgerichtet sein (vgl. Fig. 5A). Auf diese Weise wird die Einmischung von Oxidator 14 in den Brennstoffstrahl verstärkt.

[0080] Alternativ kann die geschlossene Seite 52 radial nach außen weisend, in Richtung Öffnungsanordnung 72, ausgerichtet sein (vgl. Fig. 5B). Auf diese Weise wird die Einmischung von Abgas 80 in den Brennstoffstrahl verstärkt.

[0081] Das in der Mischströmung vorhandene Abgas 80 reduziert den Sauerstoffgehalt in der Mischströmung und bildet eine Wärmekapazität, was die NO_x-Emissionen senkt. Auf diese Weise können äußerst vorteilhaft bei der Verbrennung freigesetzte Emissionen, insbesondere NO_x-Emissionen, auch ohne weitere Emission-Minderungsmaßnahmen, wie z. B. externer Abgas-Rezirkulation, minimiert werden. So kann der erfindungsgemäße Brennerkopf 2 ohne Änderung für unterschiedliche Brennstoffe 12, solche mit hoher oder mit vergleichsweise niedriger Reaktivität (z. B. Erdgas), d. h. brennstoffflexibel, genutzt werden.

[0082] Durch die Einschnürung 68 des Mischrohres 66 wird das innerhalb des Mischbereiches 16 gebildete Fluidgemisch aus Abgas 80, Oxidator 14 und Brennstoff 12 radial nach innen gelenkt, in die Abgas-Strömung stromab der Brennermündung 64 der Pilotstufe 60. Durch die Abgas-Strömung der Pilotstufe 60 erfolgt in diesem Bereich gezielt die Zündung des in der Hauptstufe, umfassend die Zufuhranordnung 10 und den Mischbereich 16, gebildeten Fluidgemisches, mittels der Pilotstufe 60.

[0083] In einer vorteilhaft aufeinander abgestimmten Betriebsweise wird die Pilotstufe 60 mit höherem Verbrennungsluftverhältnis (z. B. λ > 1,5) als die Hauptstufe betrieben, die vorzugsweise mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ < 1,2 betrieben wird. In Summe sollte ein nahezu stöchiometrischer Betrieb oder ein Betrieb mit Luftüberschuss erfolgen.

[0084] Die in dem Mischbereich 16, stromauf der Brennermündung 70, stattfindende Mischung von Abgas 80 mit Oxidator 14 und Brennstoff 12 bewirkt zudem vorteilhafterweise eine im Vergleich zu üblichen aus dem Stand der Technik bekannten derartigen Brennersystemen mit interner Abgasrezirkulation verkürzte Wärmefreisetzungszone 6. So wird eine ungünstige thermische Überlastung einer stromabseitigen Rückwand der Brennkammer 5 (hier nicht gezeigt) vermieden.

[0085] Die Mischeinrichtung 3 nutzt die hohe Geschwindigkeit des Oxidators 14 an dem engsten Strömungsquerschnitt 26 zur Erzeugung des Unterdruckbereichs 38 nach Art einer Strahlpumpe. Um diesen Effekt auch im Teillastbereich, mit zum Teil deutlich geringerem Massen- und Volumenstrom an Oxidator 14, aufrechterhalten zu können, weist der Brennerkopf 2 vorzugsweise eine Verstelleinrichtung 32 zur Verkleinerung des engsten Strömungsquerschnittes 26 insbesondere im Teillastbereich auf.

[0086] Ein Beispiel einer bevorzugten Verstelleinrichtung 32 ist in Fig. 6 gezeigt. Die Verstelleinrichtung 32 weist einen axial verschieblichen Verstellkörper 34 auf, der mit einem Keilabschnitt 36 in den engsten Querschnitt 26 hinein verschieblich ist. Die axiale Verschiebung erfolgt außerhalb oder während des Betriebs z. B. mittels eines Stellmotors, dessen Antriebskraft mittels zumindest einer Kraftübertragungsvorrichtung 37 auf den Verstellkörper 34 übertragen wird.

[0087] Der Teilabschnitt 36 ermöglicht eine kontinuierliche Änderung des engsten Strömungsquerschnittes 26 insbesondere in Korrelation mit dem Massenstrom an Oxidator 14, bis hin zu einem vollständigen Schließen des Strömungsquerschnitts 26. Durch das Schließen bei abgeschaltetem Brennersystem 1 kann ein Nachströmen von Oxidator 14 verhindert werden.

[0088] Der Verstellkörper 34 ist insbesondere in seiner Formgebung an die Geometrie der Oxidator-Zufuhreinrichtung 18, insbesondere der Oxidator-Austrittsöffnung 24, und/oder der Brennstoff-Zufuhreinrichtung 40 angepasst. Beispielsweise kann bei Ausbildung der Oxidator-Zufuhreinrichtung 18 als umlaufende Ringöffnung 19 der Verstellkörper 34 ebenfalls umlaufend ringförmig ausgebildet sein.

[0089] Mittels der Verstelleinrichtung 32 wird im Betrieb der engste Strömungsquerschnitt 26 z. B. in Korrelation zu dem Massenstrom an Oxidator 14 zur Einstellung der Geschwindigkeit der Oxidatorströmung an dem engsten Strömungsquerschnitt 26 eingestellt. Ziel dabei ist, die Geschwindigkeit an dem engsten Querschnitt 26 auf einem möglichst hohen Niveau, idealerweise entsprechend dem Geschwindigkeitsbereich im Volllastbereich von bis zu 150 m/s, z. B. zwischen 80 m/s und 120 m/s, aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise wird das Druckniveau in dem Unterdruckbereich 38, das korreliert ist mit der Stärke des Ansaugeffekts auf das Abgas 80 und damit verbundener Reduktion der NO_x- Emissionen, aufrechterhalten.

[0090] Vorzugsweise wird eine üblicherweise bei Gebläsebrennern stromauf des Brennerkopfes 2 vorhandene Luftklappe zur Regelung bzw. Drosselung des Oxidatorstromes durch die Verstelleinrichtung 32 ersetzt (hier nicht gezeigt). Somit wird der durch diese Luftklappe erzeugte Druckverlust insbesondere im Klein-/Teillastbereich und im Mittellastbereich verhindert und örtlich an den engsten Strömungsquerschnitt 26 verlagert, wobei die Strömungsenergie nicht verloren geht, sondern effektiv zur Erzeugung des Ansaugeffekts auf die Abgasströmung genutzt wird.

[0091] Um die Oxidator-Aufteilung zwischen der Hauptstufe und der Pilotstufe 60 zu beeinflussen, insbesondere im Teillastbereich, kann die Pilotstufe 60 ebenfalls eine Verstelleinrichtung aufweisen, die in geeigneter Weise zur Reduktion des Oxidator-Massenstroms durch die Pilotstufe ausgebildet ist (hier nicht gezeigt).

[0092] Durch die gezeigten Maßnahmen, einzeln und in Kombination, wird somit ein Brennerkopf 2 bereitgestellt, mittels dessen mit vergleichsweise geringem Aufwand ein Betrieb mit einem äußerst geringen Emissionsniveau für unterschiedlich reaktive Brennstoffe, insbesondere Brenngase, über einen weiten Betreibbereich ermöglicht wird.

Ansprüche

1. Brennerkopf (2) zum Einsatz in einem Brennersystem (1), mit einer Mischeinrichtung (3) zur Zufuhr von Frischgasen, Brennstoff (12) und Oxidator (14), in einen Brennraum (4) unter Mischung zumindest der Frischgase, mit

- einem sich längs zu einer Mittellängsachse (M) erstreckenden Brennerrohr (8), umfassend einen Leitrohrabschnitt (22) und einen stromab des Leitrohrabschnitts (22) angeordneten Mischrohrabschnitt (66), wobei der Mischrohrabschnitt (66) einen Mischbereich (16) zur zumindest teilweisen Vormischung zumindest der Frischgase im Betrieb umlaufend umgrenzt,

- einer Zufuhranordnung (10) zur, insbesondere drallfreien, Zufuhr der Frischgase in den Mischbereich (16), umfassend

- zumindest eine Oxidator-Zufuhreinrichtung (18) aufweisend zumindest einen in dem Leitrohrabschnitt (22) angeordneten Zufuhrraum (20), und zumindest eine am stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts (22) angeordnete Oxidator-Austrittsöffnung (24) zur, insbesondere drallfreien axialen, Zufuhr von Oxidator (14) in den Mischbereich (16), und

- zumindest eine Brennstoff-Zufuhreinrichtung (40) zur Zufuhr von Brennstoff (12) in den Mischbereich (16), die zumindest eine an ihrem stromabseitigen Ende angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnung (42) aufweist,

wobei in dem Brennerrohr (8) zumindest eine Öffnungsanordnung (72) zum Einsaugen von innerhalb des Brennraums (4) rezirkuliertem Abgas in den Mischbereich (16) vorhanden ist und

wobei der Mischrohrabschnitt (66) eine am stromabseitigen Ende angeordnete Brennermündung (70) zur Mündung des Brennerkopfes (2) in den Brennraum (4) aufweist, der vorzugsweise eine, z. B. konisch ausgebildete, Einschnürung (68) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zumindest eine Brennstoff-Austrittsöffnung (42) innerhalb des Mischrohrabschnitts (66) stromab der zumindest einen Öffnungsanordnung (72), vorzugsweise stromab der Oxidator-Austrittsöffnung (24) und/oder stromauf der Brennermündung (70), angeordnet ist.

2. Brennerkopf (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine Öffnungsanordnung (72) axial zwischen dem Leitrohrabschnitt (22) und dem Mischrohrabschnitt (66) oder in dem Mischrohrabschnitt (66), insbesondere im Bereich der Oxidator-Austrittsöffnung/en (24), angeordnet ist.

3. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine Brennstoff-Austrittsöffnung (42) derart stromab der Oxidator-Austrittsöffnung (24) angeordnet ist, dass im Betrieb stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung (42) eine zumindest teilweise Vormischung von Oxidator (14) und intern rezirkuliertem Abgas (80) erfolgt.

4. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoff-Zufuhreinrichtung (40) mehrere Brennstoffleitungen (44) mit an ihren Enden angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (42) umfasst, die, vorzugsweise radial und/oder umlaufend äquidistant, um die Mittellängsachse (M) angeordnet sind.

5. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine Öffnungsanordnung (72) in Umlaufrichtung zumindest im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en (42) angeordnet ist.

6. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoff-Zufuhreinrichtung (40) zur axialen und/oder radialen Zufuhr von Brennstoff (12), mit axialer und/oder radialer Richtungskomponente, in den Mischbereich (16) und/oder in den Brennraum (4) ausgebildet ist, wobei zur Zugabe mit radialer Richtungskomponente die Brennstoff-Austrittsöffnung (42) radial nach innen weisend angeordnet ist, insbesondere mit einem radial nach innen geneigten Endabschnitt der, ggf. jeweiligen, Brennstoffleitung/en (40).

7. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oxidator-Austrittsöffnung (24)

- als einzelne, ringförmig um die Mittellängsachse (M) umlaufende Ringöffnung (19) ausgebildet ist, wobei eine umlaufende Außenkante (25) von dem stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts (22), insbesondere dem konischen Abschnitt (28) und/oder dem Querschnittsreduktionsabschnitt (30), gebildet ist, und/oder

- mehrere, zu einem Ring um die Mittellängsachse (M) angeordnete, Einzelöffnungen umfasst.

8. Brennerkopf (2) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oxidator-Austrittsöffnung/en (24) zumindest im umlaufenden Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en (42) radial weiter innen liegend angeordnet ist/sind als die Brennstoff-Austrittsöffnung/en (42), wobei ein radialer Abstand (r1) einer radialen Außenkante (25) der Oxidator-Austrittsöffnung/en (24) von der Mittellängsachse (M) gleich oder weniger weit beabstandet ist als ein kleinster radialer Abstand (r2) der Brennstoff-Austrittsöffnung/en (42).

9. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

dass die Oxidator-Zufuhreinrichtung (18) an der Oxidator-Austrittsöffnung (24), an dem stromabseitigen Ende des Leitrohrabschnitts (22), einen engsten Strömungsquerschnitt (26) aufweist,

wobei insbesondere der Leitrohrabschnitt (22) zu dem engsten Strömungsquerschnitt (26) hin über einen axialen Abschnitt sich radial verjüngend zuläuft, insbesondere mittels eines umlaufenden konischen Abschnitts (28).

10. Brennerkopf (2) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Leitrohrabschnitt (22) an dem engsten Strömungsquerschnitt (26) zumindest in Umlaufrichtung im Bereich der Brennstoff-Austrittsöffnung/en (42), insbesondere axial anschließend an den konischen Abschnitt (28), zumindest einen Querschnittsreduktionsabschnitt (30) aufweist.

11. Brennerkopf (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Verstellung des engsten Strömungsquerschnittes (26) eine Verstelleinrichtung (32) vorhanden ist.

12. Brennerkopf (2) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verstelleinrichtung (32) zur Verstellung des engsten Strömungsquerschnittes (26) mittels axialer Verschiebung zumindest eines Verstellkörpers (34) ausgebildet ist, wobei insbesondere der Verstellkörper (34) einen kontinuierlichen Querschnittsänderungsabschnitt, z. B. einen Keilabschnitt (36), aufweist, der in den engsten Strömungsquerschnitt (26) einschiebbar ist.

13. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zentral auf der Mittellängsachse (L) angeordnete Pilotstufe (60) vorhanden ist, die von der Zufuhranordnung (10) radial umgeben ist.

14. Brennerkopf (2) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pilotstufe (60) mit einer Mündung (64) in den Mischbereich (16) mündet, wobei die Mündung (64) axial stromab der Oxidator-Austrittsöffnung (24) und/oder stromauf der Brennermündung (70), insbesondere der Einschnürung (68), und vorzugsweise stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung (42), angeordnet ist.

15. Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoff-Austrittsöffnung (42) als um eine Mittelachse (M1) der Brennstoffleitung/en (44) teilumlaufender Spalt (48) ausgebildet ist, wobei zwischen zwei Spaltenden (50) eine geschlossene Seite (52), ohne Spalt (48), vorhanden ist und wobei der teilumlaufende Spalt (48) und eine die Spaltenden (50) über die geschlossene Seite (52) virtuell verbindende Verbindungslinie (54) eine Innenfläche (56) einschließen.

16. Brennerkopf (2) nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,

dass der teilumlaufende Spalt (48) bezüglich einer Symmetrieebene (S) der Brennstoff-Austrittsöffnung (42) symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, und/oder

dass der teilumlaufende Spalt (48) gerundet, z. B. teilkreisbogenförmig und/oder U-förmig, ausgebildet ist.

17. Brennerkopf (2) nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,

dass der teilumlaufende Spalt (48) umlaufend zwischen 180° und 330°, vorzugsweise zwischen 180° und 270°, um die Mittelachse (M1) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der übrige umlaufende Abschnitt von der geschlossenen Seite (52) gebildet ist, und/oder

dass die geschlossene Seite (52) in Richtung einer im Betrieb bevorzugt anzusaugenden Strömung ausgerichtet ist.

18. Brennersystem (1) umfassend eine Brennkammer (5) mit einem Brennraum (4) und einem Brennerkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

19. Verfahren zum Betreiben eines Brennersystems (1), insbesondere nach Anspruch 18, bei dem über einen Brennerkopf (2) mit einer Mischeinrichtung (3) die Frischgase Brennstoff (12) und Oxidator (14) in einen Brennraum (4) unter Mischung zumindest der Frischgase zugeführt werden,

wobei die Frischgase mittels einer Zufuhranordnung (10) in einen Mischbereich (16) innerhalb eines Mischrohrabschnitts (66) eines Brennerrohres (8) des Brennerkopfes (2) insbesondere drallfrei zugegeben und zumindest teilweise vorgemischt werden, wobei der Brennstoff (12) mittels zumindest einer Brennstoff-Zufuhreinrichtung (40) mit einer Brennstoff-Austrittsöffnung (42) in den Mischbereich (16) zugeführt wird, und

wobei der Brennerkopf (2) mittels einer am stromabseitigen Ende des Mischrohrabschnitts (66) angeordneten Brennermündung (70) in den Brennraum (4) mündet,

dadurch gekennzeichnet,

dass in den Mischbereich (16) mittels zumindest einer in dem Brennerrohr (8) angeordneten Öffnungsanordnung (72) innerhalb des Brennraums (4) rezirkuliertes Abgas eingesaugt wird und

dass der Brennstoff (12) mittels der zumindest einen Brennstoff-Austrittsöffnung (42) innerhalb des Mischrohrabschnitts (66) stromab der zumindest einen Öffnungsanordnung (72), vorzugsweise stromab der Oxidator-Austrittsöffnung (24) und/oder stromauf der Brennermündung (70), zugeführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zufuhranordnung (10) als Hauptstufe mit geringerem Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, z. B. mit λ < 1,2, als eine zusätzlich vorhandene Pilotstufe (60), die z. B. mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1,5 betrieben wird.

Zeichnung