DE19542373B4

DE19542373B4 - Brennerkopf für Gasbrenner

Info

Publication number: DE19542373B4
Application number: DE19542373A
Authority: DE
Inventors: Marco Merlara Saviato; Alfredo Legnago Magnani
Original assignee: Riello SpA
Current assignee: Riello SpA
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1995-11-14
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2015-11-15
Also published as: CH691986A5; ITVI940166A1; DE19542373A1; ITVI940166A0; IT1267879B1

Abstract

Brennerkopf für Brenner, umfassend:
– einen rohrförmigen Körper (5) für die Zuführung eines Sauerstoffträgers in eine Brennkammer (4),
– eine oder mehrere Rohrleitungen (6) für die Zuführung eines Brennstoffes in die Brennkammer (4), wobei die Rohrleitungen (6) in dem rohrförmigen Körper (5) verlaufen und über einen Zufuhrkanal (7) mit dem Brennstoff versorgt werden,
– ein konvergierendes Übergangsstück (51) am Ende des rohrförmigen Körpers (5), das in die Brennkammer (4) hineinragt, wobei die Konvergenz in den Innenraum der Brennkammer (4) weist,
– wenigstens eine Zündeinrichtung (10), die in dem rohrförmigen f-Körper (5) in der Nähe des konvergierenden Übergangsstücks (51) liegt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (61) jeder Rohrleitung (6) für die Zuführung des Brennstoffs innerhalb einer Zone (52) des rohrförmigen Körpers (5) liegt, welche durch das konvergierende Übergangsstück (51) begrenzt ist und in der Nähe der geneigten Wandfläche (53) des Übergangsstücks liegt, wodurch die Brennstoffströmung im...

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf für Brenner mit reduzierter Flammentemperatur.

Für die Verbrennung des mit einem Sauerstoffträger gemischten Brennstoffes dient in Brennern der Brennerkopf, der im wesentlichen einen rohrförmigen Kanal aufweist, in welchem über ein Gebläse der Sauerstoffträger, beispielsweise Luft, ausströmt und sich dabei mit dem Brennstoff, beispielsweise Gas, vermischt, das über ein Verteilersystem in den rohrförmigen Kanal geleitet wird. Eine Zündeinrichtung sorgt für die Entzündung der Mischung aus Sauerstoffträger und Brennstoff, wodurch die Verbrennung eingeleitet wird.

In der Fachwelt ist als eines der Hauptprobleme bekannt, daß diese Brennerköpfe eine Belastung für die Umwelt darstellen, da sie bei der Verbrennung erzeugte Stickoxide NOx in die Atmosphäre abgeben. Um dieses Phänomen der Produktion von Stickoxiden in den Griff zu bekommen, wurden Brenner mit Brennerköpfen entwickelt, bei denen die Produktion dieser Oxide reduziert werden kann.

So ist beispielsweise aus der italienischen Patentanmeldung Nr. 85 622-A/90 der Patentanmelderin ein Brennerkopf bekannt, bei dem die Reduzierung der Stickodxide mit Hilfe von Verteilereinrichtungen bei der Zuführung des Brennstoffes erreicht wird. Diese Verteiler befinden sich im Inneren des vorderen Teiles des Zuführrohres für die Verbrennungsluft und bestehen aus ringförmigen Zwischenräumen, die rechtwinklig zur Achse des Zuführrohres verlaufen und durch zueinander koaxiale Ringe begrenzt sind, die über Abstandselemente miteinander verbunden sind.

In der italienischen Patentanmeldung VI 91 A 42 der Patentanmelderin ist ein aus einem Block bestehender Brenner erläutert, bei dem die Stickoxide dadurch abgebaut werden, daß ein Teil der während der Verbrennung erzeugten Rauchgase in das Innere des Brennerkopfes zurückgeleitet wird.

Die Patentanmelderin hat schließlich in einer weiteren italienischen Patentanmeldung (VI 91 A 166) einen Brenner vorgeschlagen, bei dem zur Reduzierung der Stickoxiderzeugung eine Reihe von Öffnungen in den Außenumfang des Zuführkanals für die Verbrennungsluft eingearbeitet ist. Diese Öffnungen bestehen aus im Querschnitt länglichen Schlitzen, die entlang ihrer Hauptachse zueinander ausgerichtet sind und in der Nähe des Bereiches größten Unterdrucks in einer Reihe oder in mehreren Reihen um die Luftzuführleitung herum angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Verbesserung der Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden (NOx) in den Rauchgasen bei der Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe für Brennerköpfe zur Verfügung zu stellen. Es soll somit ein Brennerkopf geschaffen werden, bei dem der erzeugte Rauch eine sehr geringe Menge von Stickoxiden enthält. Mit dem Brennerkopf soll dabei eine Verbrennung möglich sein, bei der der Rauch im Vergleich zu bekannten Brennerköpfen einen wesentlich geringeren Stickoxidanteil aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Brennerkopf durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben Merkmale gelöst. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Brennerkopf einen rohrförmigen Körper für die Zufuhr des Sauerstoffträgers in eine Brennkammer, an dessen Ende ein konvergierendes Übergangsstück angebracht ist, das in die Brennkammer hineinragt. Der größte Teil des flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes wird in den Bereich innerhalb des konvergierenden Übergangsstücks geleitet, und zwar über Rohrleitungen, deren Austrittsöffnungen gegen die geneigte Wandfläche des konvergierenden Übergangsstücks gerichtet sind. Auf diese Weise wird der Gasfluß gegen den Außenbereich der Luftströmung gerichtet, die beim Durchtritt durch das konvergierende Übergangsstück beschleunigt wird und dabei den Gasfluß weit in das Innere der Brennkammer mitreißt. Gleichzeitig bewirkt die Beschleunigung der Luftströmung in dem konvergierenden Übergangsstück einen Unterdruck in dem Bereich der Brennkammer, der unmittelbar außerhalb des konvergierenden Übergangsstück liegt, so daß ein Teil der bei der Verbrennung erzeugten Rauchgase in die Flamme zurückgeführt wird. Diese beiden miteinander einhergehenden Wirkungen erlauben eine Reduzierung der Flammentemperatur, so daß eine Verbrennung abläuft, bei der der Rauch nur eine geringe Stickoxidkonzentration hat.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:
1 die geschnittene Seitenansicht eines Brennerkopf es gemäß der Erfindung,
2 die teilweise geschnittene Stirnansicht des Brennerkopfes der 1 und
3 in verkleinertem Maßstab eine geschnittene Seitenansicht des in eine Brennkammer eingebauten Brennerkopfes nach den 1 und 2.
Wie insbesondere die 1 zeigt, hat der Brennerkopf 1 einen Befestigungsflansch 2, mit dem er gemäß 3 an der Wand 3 einer Brennkammer 4 angebracht werden kann. An dem Befestigungsflansch 2 ist ein rohrförmiger Körper 5 angebracht, der einen Sauerstoffträger, beispielsweise Luft, in die Brennkammer 4 leitet. Der Sauerstoffträger wird von einer nicht gezeigten, äußeren Einrichtung zugeführt, die beispielsweise ein Gebläse hat und eine Zuführleitung 25 versorgt, die Teil des Befestigungsflansches 2 ist.
Das in die Brennkammer 4 ragende Ende des rohrförmigen Körpers 5 hat ein konvergierendes Übergangsstück 51, das innerhalb des rohrförmigen Körpers 5 eine Zone 52 definiert, in welche die Austrittsöffnungen 61 von Rohrleitungen 6 münden, über die der Brennstoff, beispielsweise Gas, zugeführt wird.
In 2 ist zu erkennen, daß insgesamt zehn Rohrleitungen 6 für die Gaszufuhr vorgesehen sind, die symmetrisch zueinander auf einer Erzeugenden eines idealen Kegelstumpfes angeordnet sind, dessen größere Basis 62 innerhalb der von dem konvergierenden Übergangsstück 51 gebildeten Zone 52 liegt. Ferner ist zu erkennen, daß die Rohrleitungen 6 an einen rohrförmigen Zufuhrkanal 7 angeschlossen sind, der einen ringförmigen Querschnitt hat, welcher von der Außenfläche 81 eines ersten, koaxial innerhalb des rohrförmigen Körpers 5 liegenden, ersten Rohrelementes 8 und der Innenfläche 91 eines zweiten Rohrelementes 9 begrenzt ist, das koaxial zwischen dem rohrförmigen Körpers 5 und dem ersten Rohrelement 8 liegt. Die beiden Rohrelemente 8 und 9 sind ebenfalls mit dem Befestigungsflansch 2 verbunden. Der durch die beiden Rohrelemente 8 und 9 definierte Zufuhrkanal 7 wird von einer zweiten Zuführleitung 26 versorgt, die durch den Be festigungsflansch 2 verläuft und mit der nicht gezeigten, äußeren Einrichtung für die Verteilung des gasförmigen Brennstoffs verbunden ist. In der Zuführleitung 26 ist eine Reglerklappe 126 angebracht.
In dem rohrförmigen Körper 5 ist weiterhin koaxial zu diesem ein Rohr 50 angebracht, das dessen Innenvolumen so aufteilt, daß eine äußere ringförmige Kammer 151 und eine innere ringförmige Kammer 152 gebildet werden, die beiden in die Zone 52 des konvergierenden Übergangsstücks 51 münden. In der inneren Kammer 152 ist eine Trennwand 153 angebracht, in welche Öffnungen 253 eingearbeitet sind, die einen kontinuierlichen Strömungsfluß in Längsrichtung der inneren Kammer 152 zulassen.
Das Rohr 50 ist mit dem Befestigungsflansch 2 über einen Tragwinkel 100 verbunden, der seinerseits mit dem Befestigungsfalnsch 2 über eine Einstelleinrichtung 110 gekoppelt ist, die eine Axialverstellung zuläßt. Die Einstelleinrichtung 110 hat hierzu eine Schraube 105, die an dem Tragwinkel 100 angebracht ist und in ein Mutterelement 125 eingreift, das am Befestigungsflansch 2 ausgebildet ist.
In der inneren Kammer 152 befindet sich in der Nähe des konvergierenden Übergangsstücks 51 eine Zündeinrichtung 10.
Im Betrieb des Brennerkopfes 1 wird durch die erste Zuführleitung 25 Luft in den rohrförmigen Körper 5 geleitet (Luftstrom 55) , der sich in einen äußeren Teilstrom 155, der durch die äußere Kammer 151 fließt, und einen inneren, durch die innere Kammer 152 strömenden Teilstrom 255 aufteilt. Auf diese Weise wird der größte Teil des Luftdurchsatzes, der aus dem äußeren Teilstrom 155 besteht, beim Durchströmen des Durchtrittsquerschnittes 154 beschleunigt, wonach er in die Zone 52 des konvergierenden Übergangsstücks 51 gelangt. Der kleinere Teil des Luftdurchsatzes, der aus dem inneren Teilstrom 255 besteht, gelangt über die Trennwand 153 in die Zone 63 , die in Strömungsrichtung noch vor dem konvergierenden Übergangsstück 51 liegt. Ein gewisser Luftdurchsatz kann, muß jedoch nicht in das erste Rohrelement 8 fließen, wo er in Axialrichtung 85 durchläuft.
Gleichzeitig wird über die zweite Zuführleitung 26 Gas in den Zufuhrkanal 7 geschickt, das dort in Richtung der Pfeile 75 zu den Rohrleitungen 6 gelangt, aus denen es in die Zone 52 austritt, welche von dem konvergierenden Übergangsstück 51 des Rohres 50 begrenzt ist. Ein Teilstrom 175 dieser Gasströmung 75 tritt über in das zweite Rohrelement 9 eingearbeitete Löcher 275 aus und vermischt sich dann mit dem Teilluftstrom 255 in der Zone 63, in der sich die Flammenwurzel befindet, die für die Stabilität der Flamme sorgt. Ein Teil des Gases kann, muß aber nicht in Richtung des Pfeiles 118 durch ein oder mehrere Löcher 108 in das erste Rohrelement 8 strömen, wo es sich mit der möglicherweise dort vorhandenen Luftmenge 85 vermischt.
Der größte Teil des Gasdurchsatzes strömt durch die Rohrleitungen 6 über die Austrittsöffnungen 61 aus, die sehr nahe an der geneigten Wandfläche 53 des konvergierenden Übergangsstücks 51 liegen, so daß das Gas in Strömungsrichtung hinter die Zone 63 mit der Flammenwurzel und außerhalb des Verbrennungsluftstromes geleitet wird. Die Beschleunigung des Verbrennungsluftstromes beim Durchgang durch das konvergierende Übergangsstück 51 erzeugt einen Mitnahmeeffekt auf den gasförmigen Brennstoff, der dadurch in Richtung 70 in einen Turbulenzbereich 71 mitgerissen wird (vgl. 3). Die hohe Geschwindigkeit der Luft-Brennstoff-Mischung verhindert eine sofortige Verbrennung des Brennstoffes, so daß die Verbrennung während der Zuführung des Gemisches in die Brennkammer 4 progressiv und kontinuierlich abläuft.
Die Strömung des Luft-Brennstoff-Gemisches hoher Geschwindigkeit, die in die Brennkammer 4 gelangt, erzeugt eine Unterdruckzone 41 außerhalb des konvergierenden Übergangsstücks 51, so daß eine bestimmte Menge von Rauchgasen in Richtung der Pfeile 42 gegen den Brennerkopf 1 zurückgeführt wird. Die zurückgeführten Rauchgase tragen zusammen mit dem progressiven Ablauf der Verbrennung des Gases aufgrund des durch die schnell strömende Luft ausgeübten Mitreißeffektes zu einer Reduzierung der Flammentemperatur und damit zu einer Verringerung der Erzeugung von Stickoxiden bei.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Rohrleitungen 6, welche das Gas in die Nähe der geneigten Wandfläche 53 des konvergierenden Übergangsstücks 51 führen, und die Rückströmung der Abgase in der Brennkammer 4 wesentlich sind für die Verringerung der Flammentemperatur und damit für eine Erzeugung einer wesentlich geringeren Stickoxidmenge. Es sind nämlich Brennerköpfe bekannt, bei denen der Brennstoff über Rohrleitungen zu anderen Verteilersystemen in den Bereich der Flammenwurzel, manchmal teilweise auch in die Flamme, geleitet wird, die sich somit weiter in die Turbulenzzone der Brennkammer ausbreitet, was zur Folge hat, daß bei diesen Brennern keinerlei Reduzierung der Stickoxide in den Rauchgasen möglich ist.
Aus der Beschreibung des Auführungsbeispiels ergibt sich, daß der Brenner gemäß der Erfindung alle gesteckten Ziele und Vorteile verwirklicht, insbesondere eine Reduzierung der Stickoxide auf Werte, die wesentlich niedriger als bei bekannten Brennerköpfen sind. Bei der Ausführung des Brennerkopf es gemäß der Erfindung können selbstverständlich mehr oder weniger Rohrleitungen 6 für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffes vorgesehen sein. Diese können auch in einer anderen Anordnung angebracht sein. Gegenüber dem erläuterten Auführungsbeispiel kann das konvergierende Übergangsstück 51 am Ende des rohrförmigen Körpers 5 und auch dieser selbst eine andere Form annehmen.

Claims

Brennerkopf für Brenner, umfassend: – einen rohrförmigen Körper (5) für die Zuführung eines Sauerstoffträgers in eine Brennkammer (4), – eine oder mehrere Rohrleitungen (6) für die Zuführung eines Brennstoffes in die Brennkammer (4), wobei die Rohrleitungen (6) in dem rohrförmigen Körper (5) verlaufen und über einen Zufuhrkanal (7) mit dem Brennstoff versorgt werden, – ein konvergierendes Übergangsstück (51) am Ende des rohrförmigen Körpers (5), das in die Brennkammer (4) hineinragt, wobei die Konvergenz in den Innenraum der Brennkammer (4) weist, – wenigstens eine Zündeinrichtung (10), die in dem rohrförmigen f-Körper (5) in der Nähe des konvergierenden Übergangsstücks (51) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (61) jeder Rohrleitung (6) für die Zuführung des Brennstoffs innerhalb einer Zone (52) des rohrförmigen Körpers (5) liegt, welche durch das konvergierende Übergangsstück (51) begrenzt ist und in der Nähe der geneigten Wandfläche (53) des Übergangsstücks liegt, wodurch die Brennstoffströmung im wesentlichen nach aussen und in die Zone grösserer Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffträgerstromes gelangt.
Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (5) an einem Befestigungsflansch (2) für die Fixierung an einer Wand (3) der Brennkammer (4) angebracht ist und in seinem Inneren ein Rohr (50) aufweist, das zwischen dem rohrförmigen Körper (5) und dem Rohr (50) eine äußere ringförmige Kammer (151) und zwischen dem Rohr (50) und dem Zufuhrkanal (7) eine innere rohrförmige Kammer (152) begrenzt, in welcher eine radial angeordnete, gelochte Trennwand (153) angebracht ist, die zwischen sich und der geneigten Wandfläche (53) des konvergierenden Übergangsstücks (51) eine Zone (63) begrenzt, in der in Strömungsrichtung vor der Austrittsöffnung (61) der Rohrleitungen (6) die Flammenwurzel liegt.
Brennerkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (63) für die Begrenzung der Flammenwurzel mit dem Zufuhrkanal (7) für den Brennstoff verbunden ist durch wenigstens ein Loch (275), das in die Wand des Zufuhrkanals (7) eingearbeitet ist.
Brennerkopf nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (50) an einem Tragwinkel (100) befestigt ist, der mit dem Befestigungsflansch (2) mechanisch über eine Einstelleinrichtung (110) für die Axialverschiebung des Rohres (50) innerhalb des rohrförmigen Körpers (5) gekoppelt ist.
Brennerkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (110) aus einer an dem Tragwinkel (100) angebrachten Schraube (105) besteht, die in ein Mutterelement (125) des Befestigungsflansches (2) eingreift.
Brennerkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhrkanal (7) für den Brennstoff, mit dem die Rohrleitungen (6) verbunden sind, aus einem rohrförmigen, im Querschnitt ringförmigen Zwischenraum besteht, der begrenzt ist durch die Außenfläche (81) eines ersten Rohrelementes (8), das koaxial in dem rohrförmigen Körper (5) verläuft, und durch die Innenfläche (91) eines zweiten Rohrelementes (9), das koaxial zwischen dem rohrförmigen Körper (5) und dem ersten Rohrelement (8) liegt, wobei in das zweite Rohrelement (9) das Loch (275) für die Verbindung mit der Zone (63) der Flammen wurzel eingearbeitet ist.
Brennerkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsflansch (2) aufweist eine erste Zuführleitung (25) für die Verbindung des rohrförmigen Körpers (5) mit einem Gebläse zur Zufuhr des Sauerstoffträgers sowie eine zweite Zuführleitung (26) , welche die Rohrleitungen (6) für den Brennstoff mit einem äusseren Verteilungssystem verbindet.
Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Austrittsöffnung (61) der Rohrleitungen (6) für die Zufuhr des Brennstoffes auf die geneigte Wandfläche (53) des konvergierenden Übergangsstücks (51) gerichtet ist.