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DE19542644B4 - premixed - Google Patents

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DE19542644B4
DE19542644B4 DE1995142644 DE19542644A DE19542644B4 DE 19542644 B4 DE19542644 B4 DE 19542644B4 DE 1995142644 DE1995142644 DE 1995142644 DE 19542644 A DE19542644 A DE 19542644A DE 19542644 B4 DE19542644 B4 DE 19542644B4
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DE
Germany
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combustion
fuel
stage
burner
channel
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Application number
DE1995142644
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German (de)
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Adnan Dr. Eroglu
Jürgen Dr. Haumann
Thomas Dr. Sattelmayer
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GE Vernova GmbH
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Alstom SA
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Abstract

Vorrichtung zur Vormischverbrennung, wobei Brennstoff (7, 8) und gasförmige Arbeitsmittel (3, 4, 9) vorgängig der Zündung vermischt werden, zur Vormischverbrennung mindestens zwei Stufen (1, 2) verwendet werden, in einer ersten Stufe (1) Brennstoff (7) und Verbrennungsluft (3) mit Luftüberschuss in einem Mischer (21) gemischt werden, das so entstandene Gemisch (23) mittels einer Flammenstabilisierung (11) stabilisiert und verbrannt wird, in einer zweiten Stufe (2) Brennstoff (8) und Verbrennungsluft (4) und/oder Rauchgas (9) in einem Mischer (22) gemischt werden, das so entstandene Gemisch (24) den in der ersten Stufe entstandenen Abgasen (25) zugemischt wird und diese Mischung nachverbrannt (12) wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Brenner (30) mindestens ein innerer Ringbrennkanal (32) und ein äusserer Ringbrennkanal (31) koaxial zueinander angeordnet sind, wobei der innere Ringbrennkanal (32) durch ein inneres, geschlossenes Rohr (33) und ein mittleres Rohr 34 und der äussere Ringbrennkanal (31) durch ein äusseres Rohr (35) und das mittlere Rohr...contraption for premixing combustion, wherein fuel (7, 8) and gaseous working means (3, 4, 9) previously the ignition for premix burning at least two stages (1, 2) are used, in a first stage (1) fuel (7) and combustion air (3) with excess air in a mixer (21), the resulting mixture (23) by means of a Flame stabilization (11) is stabilized and burned in one second stage (2) fuel (8) and combustion air (4) and / or Flue gas (9) are mixed in a mixer (22), the resulting Mixture (24) is added to the resulting in the first stage exhaust gases (25) and this mixture is post-combusted (12), characterized in that in a burner (30) at least one inner annular combustion channel (32) and an external one Ring combustion channel (31) are arranged coaxially with each other, wherein the inner annular combustion channel (32) through an inner, closed tube (33) and a middle pipe 34 and the outer ring combustion channel (31) through an outside Pipe (35) and the middle pipe ...

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Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vormischverbrennung, wobei Brennstoff und gasförmige Arbeitsmittel vorgängig der Zündung vermischt werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a process for premix combustion, wherein Fuel and gaseous work equipment previously the ignition be mixed. The invention also relates to a device for execution of the procedure.

Stand der TechnikState of the art

Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur Vormischverbrennung sind beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt. Dort ist die Untergrenze der Stickoxidproduktion durch die magere Löschgrenze bestimmt, die vom verwendeten Brennstoff, Luftvorwärmung usw. abhängt. Ausgehend von einer stöchiometrischen Mischung kann nun der Luftüberschuss so weit erhöht werden, bis eine möglichst geringe Flammentemperatur ereicht wird, ohne dass ein Löschen der Flamme eintritt.Such methods and devices for premix combustion are known for example from EP-B1-0 321 809 known. There, the lower limit of nitrogen oxide production is determined by the lean extinction limit, which depends on the fuel used, air preheating, etc. Starting from a stoichiometric mixture, the excess air can now be increased until the lowest possible flame temperature is reached, without the flame being extinguished.

Ein Teil der Ueberschussluft kann auch durch rezirkuliertes Rauchgas ersetzt werden. Die Löschgrenze verschiebt sich dann aber zu höheren Flammentemperaturen, wodurch die Stickoxidemissionen auf den Wert von ca. 5–15 ppm (normiert für 3% Rest-Sauerstoff) limitiert werden.One Part of the excess air may also be due to recirculated flue gas be replaced. The deletion limit but then shifts to higher Flame temperatures, thereby reducing the nitrogen oxide emissions on the value from approx. 5-15 ppm (normalized for 3% residual oxygen).

Bei Brennern mit thermischen Leistungen bis zu ca. 100 kW können niedrige Stickoxid-Emissionen auch durch eine aktive Flammenkühlung erreicht werden. Dazu wird die Verbrennungswärme auf Einbauten übertragen und von dort an die Brennerwände abgestrahlt.at Burners with thermal power up to about 100 kW can be low Nitrogen oxide emissions can also be achieved by active flame cooling. This is the heat of combustion transferred to internals and from there to the burner walls radiated.

Aus DE 195 10 744 A1 ist eine Brennkammer mit zweistufiger Verbrennung bekannt geworden, welche Brennkammer aus einer Vorbrennkammer und einer Nachbrennkammer besteht. In der Vorbrennkammer ist eine Mehrzahl von einzelnen Brennern über den Umfang verteilt, welche nebeneinander auf einer kreisringförmigen Frontplatte angeordnet sind. In die Nachbrennkammer mündet eine Anzahl von Sekundärbrennern, welche ebenfalls ringförmig angeordnet sind. Der Betrieb eines solchen Aufbaus ist nicht einfach zu handhaben, eingedenk der Tatsache, dass die Schadstoffemissionen nur dann tief bleiben, wenn über alle Brenner durchwegs eine uniforme Verbrennung stattfindet.Out DE 195 10 744 A1 a combustion chamber with two-stage combustion has become known, which combustion chamber consists of a pre-combustion chamber and a secondary combustion chamber. In the pre-combustion chamber a plurality of individual burners is distributed over the circumference, which are arranged side by side on an annular front plate. In the afterburner opens a number of secondary burners, which are also arranged in a ring. The operation of such a structure is not easy to handle, bearing in mind that pollutant emissions will only remain low if uniform burns are consistently occurring across all burners.

Des Weiteren ist aus DE 36 06 625 A1 eine Brennerkonfiguration bekannt geworden, welche aus einem Hauptbrenner und einem Pilotbrenner besteht, wobei der zentrale Pilotbrenner eine Vormischstrecke mit einer einfachen Zuleitung für die Beistellung eines Brennstoffes aufweist, und wobei eine weitere parallele Zuleitung vorhanden ist, über welche Inertstoffe herangeführt werden. Die Reduzierung der NOx-Emissionen wird hier durch die Beimischung eines Inertstoffes erzielt, was aber den Wirkungsgrad der Verbrennung negativ beeinflusst.Furthermore, it is off DE 36 06 625 A1 a burner configuration has become known, which consists of a main burner and a pilot burner, wherein the central pilot burner has a premix with a simple supply line for the supply of a fuel, and wherein a further parallel supply line is present, are introduced via which inert materials. The reduction of NOx emissions is achieved here by the admixture of an inert material, but this adversely affects the efficiency of the combustion.

Ferner ist aus DE 44 16 650 A1 ein Wärmeerzeuger bekannt geworden, der grundsätzlich aus einem zentralen Brenner besteht, wobei der Wärmeerzeuger ein weiteres System von Mischern aufweist, welche zum Betreiben von Nachverbrennungszonen dienen, und welche in der Querschnittserweiterung des zentralen Brenners wirken. Diese Mischer haben die Funktion, ein Gemisch aus Luft und Brennstoff bereitzustellen. Sollen allerdings bei dieser ausgangsmässigen Konfiguration die gesteckten Ziele einer Minimierung der Schadstoffemissionen, insbesondere der NOx-Werte, erzielt werden, so müssen weitere Mischer auf dem Umfang des Flammrohres angeordnet werden, welche die gleiche Funktion wie die in der Querschnittserweiterung des zentralen Brenners operierenden Mischer erfüllen, also zusätzlich zum Einsatz kommen, damit in den sekundären und tertiären Verbrennungszonen auch auf die Minimierung der NOx-Emissionen eingewirkt werden kann.Furthermore, it is off DE 44 16 650 A1 a heat generator has become known, which basically consists of a central burner, wherein the heat generator has a further system of mixers, which serve for the operation of Nachverbrennungszonen, and which act in the cross-sectional widening of the central burner. These mixers have the function of providing a mixture of air and fuel. If, however, the set goals of minimizing the pollutant emissions, in particular the NOx values, are to be achieved in this initial configuration, further mixers must be arranged on the circumference of the flame tube, which fulfill the same function as the mixer operating in the cross-sectional enlargement of the central burner , so in addition to be used, so that in the secondary and tertiary combustion zones can also be acted on the minimization of NOx emissions.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtungen zur Vormischverbrennung der eingangs genannten Art für beliebige thermische Leistungen, insbesondere für thermische Leistungen grösser 100 kW, geringste Stickoxid-Emissionen zu erhalten.Of the Invention is based on the object in a method and a Premix combustion devices of the type mentioned in the introduction for any Thermal services, in particular for thermal services greater than 100 kW, to obtain lowest nitrogen oxide emissions.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zur Vormischverbrennung mindestens zwei Stufen verwendet werden, dass in einer ersten Stufe Brennstoff und Verbrennungsluft mit Luftüberschuss in einem Mischer gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch mittels einer Flammenstabilisierung stabilisiert und verbrannt wird, dass in einer zweiten Stufe Brennstoff und Verbrennungsluft und/oder Rauchgas in einem Mischer gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch den in der ersten Stufe entstandenen Abgasen zugemischt wird und dass diese Mischung nachverbrannt wird.According to the invention this is achieved in that for premix combustion at least two Stages are used in a first stage fuel and Combustion air with excess air be mixed in a mixer such that the resulting mixture stabilized and burned by flame stabilization, that in a second stage fuel and combustion air and / or Flue gas can be mixed in a mixer, that is the resulting Mixture mixed with the resulting in the first stage exhaust gases and that this mixture is burned.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die erste Stufe mit einem Teil des verwendeten Brennstoffes an der mageren Löschgrenze betrieben werden kann und dass der restliche Teil des Brennstoffes in der zweiten Stufe so verbrannt wird, dass in der zweiten Stufe keine wesentliche Erhöhung der Stickoxidemission stattfindet.The Advantages of the invention are, inter alia, that the first stage with a part of the fuel used at the lean extinction limit can be operated and that the remaining part of the fuel in the second stage is burned so that in the second stage no significant increase the nitrogen oxide emission takes place.

Bei der Verwendung von Rauchgasen in der zweiten Stufe ist es vorteilhaft, den restlichen Brennstoff der zweiten Stufe mit dem Restsauerstoff der ersten Stufe zu verbrennen. Durch die Menge des verwendeten Rauchgases kann die Flammentemperatur eingestellt werden und die Bildung von zusätzlichen Stickoxiden kann auf ein Minimum beschränkt werden.When using flue gases in the second stage, it is advantageous to incinerate the remaining second stage fuel with the first stage residual oxygen. Due to the amount of flue gas used, the Flammentempe be set and the formation of additional nitrogen oxides can be kept to a minimum.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein innerer Ringbrennkanal und ein äusserer Ringbrennkanal koaxial zueinander angeordnet sind und dass in den Ringbrennkanälen Mischungselemente angeordnet sind. Dadurch kann beispielsweise die Bildung von Kohlenmonoxiden auch bei sehr niedrigen Flammentemperaturen verhindert werden. Wird beispielsweise die zweite Stufe dem inneren Ringbrennkanal zugeordnet, wird verhindert, dass das kalte Rauchgas/Brennstoff-Gemisch mit kalten Brennerwänden in Kontakt kommt, was zu hohen Kohlenmonoxid-Emissionen führen würde.A Apparatus for carrying out of the method is characterized by the fact that at least one internal Ring combustion channel and an external Annular combustion channel are arranged coaxially to each other and that in the Ring combustion channels Mixing elements are arranged. This can, for example, the education carbon monoxide even at very low flame temperatures be prevented. For example, the second stage is the inner Assigned annular combustion channel, which prevents the cold flue gas / fuel mixture with cold burner walls comes into contact, which would lead to high carbon monoxide emissions.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.In The drawings are exemplary embodiments represented the invention.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung des Vormischverfahrens; 1 a schematic representation of the premixing process;

2 einen Teillängsschnitt durch einen konzentrischen Brenner; 2 a partial longitudinal section through a concentric burner;

3 einen Teilquerschnitt durch den konzentrischen Brenner entlang der Ebene III-III in 2; 3 a partial cross section through the concentric burner along the plane III-III in 2 ;

4 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit axial verschobenen Ringbrennkanälen; 4 a partial longitudinal section through a burner with axially displaced annular combustion channels;

5 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit axial verschobenen Ringbrennkanälen; 5 a partial longitudinal section through a burner with axially displaced annular combustion channels;

6 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit darin angeordnetem Doppelkegelbrenner. 6 a partial longitudinal section through a burner with arranged therein double-cone burner.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtungen der Arbeitsmittel sind durch Pfeile angegeben.It are only for the understanding the invention essential elements shown. The flow directions the work equipment are indicated by arrows.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to execute the invention

Das in 1 schematisch dargestellte Vormischverfahren besteht im wesentlichen aus einer ersten Stufe 1 und einer zweiten Stufe 2, wobei die Stufen im wesentlichen mager betrieben werden. Die erste Stufe 1 besteht aus einem Mischer 21, in dem Verbrennungsluft 3 mit Brennstoff 7 vermischt wird, und einer Flammenstabilisierung 11. Das im Mischer 21 erhaltene Gemisch 23 wird also mittels der Flammenstabilisierung stabilisiert und gezündet. Die Menge der Verbrennungsluft 3 und des Brennstoffes 7 wird so gewählt, dass die so erzeugte Vormischflamme mit Luftüberschuss an der mageren Löschgrenze betrieben wird (beispielsweise mit einer Luftzahl λ ≈ 1.7 für Erdgas ohne Luftvorwärmung, was einer adiabaten Falmmentemperatur von ca. 1600 K entspricht).This in 1 schematically illustrated Vormischverfahren consists essentially of a first stage 1 and a second stage 2 wherein the stages are operated substantially lean. The first stage 1 consists of a mixer 21 in which combustion air 3 with fuel 7 is mixed, and a flame stabilization 11 , That in the mixer 21 resulting mixture 23 is thus stabilized and ignited by means of flame stabilization. The amount of combustion air 3 and fuel 7 is chosen so that the premix flame thus generated is operated with excess air at the lean extinction limit (for example, with an air ratio λ ≈ 1.7 for natural gas without air preheating, which corresponds to an adiabatic temperature of about 1,600 K Kung).

In der zweiten Stufe 2 wird nun ebenfalls Verbrennungsluft 4 und/oder rezirkuliertes Rauchgas 9 mit Brennstoff 8 in einem Mischer 22 vermischt. Das im Mischer 22 erhaltene Gemisch 24 wird den heissen Abgasen 25 der ersten Stufe zugemischt und in der zweiten Stufe 2 verbrannt und die Rauchgase 9 abgeleitet.In the second stage 2 will now also combustion air 4 and / or recirculated flue gas 9 with fuel 8th in a mixer 22 mixed. That in the mixer 22 resulting mixture 24 becomes the hot exhaust 25 mixed in the first stage and in the second stage 2 burned and the flue gases 9 derived.

Wird im Mischer 22 Verbrennungsluft 4 mit Brennstoff 8 vermischt, wird die zweite Stufe 2 ebenfalls mit Luftüberschuss an der mageren Löschgrenze betrieben. Die Luftzahl kann dann gegenüber der Luftzahl im Mischer 21 der ersten Stufe 1 erhöht werden, ohne dass die Flamme löscht. Dadurch können geringe Flammentemperaturen und damit sehr geringe Stickoxidemissionen erreicht werden.Will be in the mixer 22 combustion air 4 with fuel 8th mixed, becomes the second stage 2 also operated with excess air at the lean extinction limit. The air ratio can then be compared to the air ratio in the mixer 21 the first stage 1 be increased without the flame extinguished. As a result, low flame temperatures and thus very low nitrogen oxide emissions can be achieved.

Wird im Mischer 22 rezirkuliertes Rauchgas 9 mit Brennstoff 8 vermischt, wird der Brennstoff 8 mittels des Restsauerstoffes der Abgase 25 aus der ersten Stufe 1 in der zweiten Stufe 2 verbrannt. Durch die geeignete Wahl der Menge des Rauchgases 9 kann eine Stickoxid-Bildung in der zweiten Stufe 2 voll ständig vermieden werden, da der Brennstoff mit dem Rauchgas vorgemischt war. Dadurch muss das Rauchgas bei der Verbrennung ebenfalls aufgeheizt werden und heisse Stellen, in denen sich Stickoxide bilden könnten, werden vermieden.Will be in the mixer 22 recirculated flue gas 9 with fuel 8th mixed, the fuel becomes 8th by means of residual oxygen of exhaust gases 25 from the first stage 1 in the second stage 2 burned. By the appropriate choice of the amount of flue gas 9 can be a nitric oxide formation in the second stage 2 be avoided completely constantly, since the fuel was premixed with the flue gas. As a result, the flue gas must also be heated during combustion and hot spots where nitrogen oxides could form are avoided.

Als Zielwert der Spitzentemperatur ist dabei wieder die kleinste erreichbare adiabate Flammentemperatur anzustreben. Die dazu benötigte Menge an Rauchgas 9 hängt dabei beispielsweise ab von der Rauchgastemperatur, vom Mischungsmechanismus zwischen Brennstoff 8 und Rauchgas 9, dem Wärmeverlust an den Brennerwänden während der Mischung sowie dem Entnahmeort des Rauchgases 9. Durch die Rezirkulation von Rauchgas 9 kann die Gesamt-Luftzahl λGesamt gesenkt werden. Wird dies bei einem Heizkessel angewendet, erhöht sich der thermische Wirkungsgrad des Kessels, wenn die Gesamt-Luftzahl sinkt.The aim of the peak temperature is again to aim for the smallest achievable adiabatic flame temperature. The required amount of flue gas 9 For example, depends on the flue gas temperature, the mixing mechanism between fuel 8th and flue gas 9 , the heat loss at the burner walls during the mixing and the extraction of the flue gas 9 , By the recirculation of flue gas 9 the total air ratio λ total can be reduced. When applied to a boiler, the thermal efficiency of the boiler increases as the total air ratio decreases.

Zahlenbeispiel:Numerical example:

Für eine Gesamt-Luftzahl λGesamt von 1.05 und einem Sauerstoffgehalt von weniger als einem Prozent im Abgas ergibt sich für Erdgas als Brennstoff und ohne Lufterwärmung:
Erste Stufe: λ = 1.7; 100% Verbrennungsluft; 62% Gesamt-Brennstoff (≅ Brennstoff 7)
Zweite Stufe: 38% Gesamtbrennstoff (≅ Brennstoff 8); Rauchgasmenge ≤ 62% Verbrennungsluftmenge
For a total air ratio λ total of 1:05 and an oxygen content of less than one percent in the exhaust gas is obtained for natural gas as fuel and without air heating:
First stage: λ = 1.7; 100% combustion air; 62% total fuel (≅ fuel 7 )
Second stage: 38% total fuel (≅ fuel 8th ); Flue gas quantity ≤ 62% combustion air quantity

Nach 2 besteht ein zweistufiger Brenner 30 im wesentlichen aus koaxial um eine Symmetrieachse 29 angeordneten Ringbrennkanälen, einem inneren Ringbrennkanal 32 und einem um den inneren Ringbrennkanal angeordneten äusseren Ringbrennkanal 31. Der Ringbrennkanal 32 wird durch ein inneres, geschlossenes Rohr 33 und ein mittleres Rohr 34 begrenzt, der Ringbrennkanal 31 wird durch ein äusseres Rohr 35 und das mittlere Rohr 34 begrenzt.To 2 There is a two-stage burner 30 essentially coaxially about an axis of symmetry 29 arranged annular combustion channels, an inner annular combustion channel 32 and an outer annular combustion channel disposed around the inner annular combustion channel 31 , The ring combustion channel 32 is through an inner, closed tube 33 and a middle tube 34 limited, the annular combustion channel 31 is through an outer tube 35 and the middle tube 34 limited.

Am stromabwärtigen Ende der Ringbrennkanäle 31, 32, an den Brenneraustritten 36, 37, erweitert sich der durchströmte Querschnitt, wodurch sich eine Rückströmzone ausbildet, die zur Flammenstabilisierung dient. Der Brenner 30 ist auf einer Frontplatte 6 der Brennkammer 5 montiert. Auf der Frontplatte kann eine Trennwand 40 angeordnet sein. Diese Trennwand 40 umschliesst den äusseren Ringbrennkanal 31 ringförmig und erstreckt sich stromabwärts in die Brennkammer 5. Die Trennwand 40 dient zur Einstellung der Querschnittserweiterung am stromabwärtigen Ende des äusseren Ringkanales und damit der Flammenstabilisierung.At the downstream end of the annular combustion channels 31 . 32 , at the burner exits 36 . 37 , the flow-through cross section expands, forming a backflow zone, which serves for flame stabilization. The burner 30 is on a front panel 6 the combustion chamber 5 assembled. On the front panel can be a partition 40 be arranged. This partition 40 encloses the outer ring combustion channel 31 annular and extends downstream into the combustion chamber 5 , The partition 40 serves to adjust the cross-sectional widening at the downstream end of the outer annular channel and thus the flame stabilization.

Nach 3 und 2 sind stromauf der Brenneraustritte 36, 37 über den Umfang der Ringbrennkanäle 31, 32 mehrere Wirbelgeneratoren 20 verteilt. Der nicht näher dargestellte, beispielsweise tetraederförmige Wirbelgenerator 20 ist aus der EP-A1-0 623 786 bekannt. Ein solcher Wirbelgenerator 20 besteht im wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen, die in die Ringbrennkanäle hineinragen. Es sind dies eine Dachfläche und zwei Seitenflächen, die unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung verlaufen. Die beiden Seitenflächen stehen üblicherweise senkrecht auf den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 und sind mit einer Seite auf diesen Wänden fixiert. Die beiden Seitenflächen sind symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung. Die Dachfläche liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden, gebogenen Kante an den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 an. Die Verbindungskante der beiden Seitenflächen bildet die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators, die ebenfalls senkrecht zur den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 verläuft. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende gebogene Kante der Dachfläche ist die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante. Beim Umströmen der Kanten des Wirbel-Generators wird die Strömung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Deren Wirbelachsen liegen in der Achse der Strömung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down), falls letzteres gewünscht würde, werden bestimmt durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels der Dachfläche und des Winkels, den die beiden Seitenflächen einschliessen. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens wandert stromaufwärts. Der Wirbel-Generator 20 kann unterschiedliche Höhen h gegenüber der jeweiligen Ringbrennkanalhöhe H aufweisen. In der Regel wird man die Höhe h so mit der Kanalhöhe H abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Grösse erreicht, dass die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird, was zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt führt. Ein weiteres Kriterium, welches Einfluss auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Mit grösserem Verhältnis h/H steigt der Druckverlustbeiwert an. Die Verhältnise h/H können zudem in den verschiedenen Ringbrennkanälen 31, 32 verschieden ausgelegt werden, was die Durchmischung der Teilströme unterstützen kann.To 3 and 2 are upstream of the Brenneraustritte 36 . 37 over the circumference of the annular combustion channels 31 . 32 several vortex generators 20 distributed. The non-illustrated, for example, tetrahedral vortex generator 20 is from the EP-A1-0 623 786 known. Such a vortex generator 20 consists essentially of three freely flowing around triangular surfaces, which protrude into the annular combustion channels. These are a roof surface and two side surfaces that run at certain angles in the direction of flow. The two side surfaces are usually perpendicular to the walls of the annular combustion channels 31 . 32 and are fixed with one side on these walls. The two side surfaces are symmetrical in shape, size and orientation. The roof surface lies with a transversely to the flow-through channel extending, curved edge on the walls of the annular combustion channels 31 . 32 at. The connecting edge of the two side surfaces forms the downstream edge of the vortex generator, which is also perpendicular to the walls of the annular combustion channels 31 . 32 runs. The transverse to the flow-through channel curved edge of the roof surface is the first acted upon by the flow edge. As the edges of the vortex generator flow around, the flow is converted into a pair of opposing vortexes. Their vortex axes lie in the axis of the flow. The swirl number and the location of vortex break down, if the latter would be desired, are determined by appropriate choice of the angle of attack of the roof surface and the angle that enclose the two side surfaces. With increasing angles, the vorticity or swirl number is increased and the location of vortex perturbation migrates upstream. The vortex generator 20 can have different heights h relative to the respective annular combustion channel height H. As a rule, the height h will be coordinated with the channel height H such that the generated vortex immediately downstream of the vortex generator already reaches such a size that the full channel height H is filled, which leads to a uniform velocity distribution in the applied cross section. Another criterion which can influence the chosen ratio h / H is the pressure drop which occurs when the vortex generator flows around. With a larger ratio h / H, the pressure loss coefficient increases. The ratios h / H can also be found in the different ring burners 31 . 32 be designed differently, which can support the mixing of the partial streams.

Stromabwärts der Wirbelgeneratoren sind Brennstoffeindüsungen 38, 39 vorgesehen. Die Brennstoffzuleitungen zu den Brennstoffeindüsungen sind nicht dargestellt, sie werden jedoch üblicherweise innerhalb der Rohre 33, 34 und 35 angeordnet. Die stromabwärts liegende Strecke der Ringbrennkanäle 31, 32 bis zum Brenneraustritt 36, 37 dient somit als Vormischstrecke. Die Länge dieser Vormischstrecke ist dabei abhängig von der Ausgestaltung der Wirbelgeneratoren 20 und wird so abgestimmt, dass an den Brenneraustritten 36, 37 ein optimale Mischung erreicht wird.Downstream of the vortex generators are fuel injections 38 . 39 intended. The fuel feeds to the fuel injections are not shown, but they usually become inside the tubes 33 . 34 and 35 arranged. The downstream route of the annular combustion channels 31 . 32 until the burner outlet 36 . 37 thus serves as Vormischstrecke. The length of this premix is dependent on the design of the vortex generators 20 and is tuned so that at the burner exits 36 . 37 an optimal mixture is achieved.

Den Stufen 1 und 2 können nun im wesentlichen der innere und der äussere Ringbrennkanal 32, 31 beliebig zugeordnet werden. Im folgenden soll nun durch den äusseren Ringbrennkanal die erste Stufe definiert werden. Durch den äusseren Ringbrennkanal 31 wird Verbrennungsluft 3 geleitet und über die Brenn stoffeindüsungen 38 Brennstoff 7 in die Verbrennungsluft 3 eingemischt. Das so erhaltenen Gemisch 23 tritt aus dem äusseren Ringbrennkanal 31 aus und durch den Querschnittsprung am Brenneraustritt 36 bildet sich eine Rückströmzone. Die durch Zündung des Gemisches entstandene Vormischflamme wird durch diese Rückströmzone stabilisiert. Durch den inneren Ringbrennkanal 32 wird beispielsweise rezirkuliertes Rauchgas 9 geleitet und über die Brennstoffeindüsungen 39 Brennstoff 8 eingemischt. Dieses Gemisch 24 wird den Rauchgasen der Vormischflamme der ersten Stufe 1 zugemischt. Dies geschieht durch den Querschnittssprung am Brenneraustritt 37. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit der Unterstützung der Durchmischung der Teilströme der ersten und der zweiten Stufe durch dem Brenner 30 nachgeschaltete beliebige Mischsysteme.The steps 1 and 2 can now essentially the inner and the outer annular combustion channel 32 . 31 be assigned arbitrarily. In the following, the first stage will now be defined by the outer annular combustion channel. Through the outer ring combustion channel 31 becomes combustion air 3 and about the fuel injections 38 fuel 7 into the combustion air 3 mixed. The mixture thus obtained 23 emerges from the outer ring combustion channel 31 out and through the cross-section jump at the burner outlet 36 a backflow zone forms. The premix flame produced by ignition of the mixture is stabilized by this backflow zone. Through the inner ring combustion channel 32 For example, recirculated flue gas 9 directed and about the fuel injections 39 fuel 8th mixed. This mixture 24 is the flue gases of the premix flame of the first stage 1 admixed. This is done by the jump in cross section at the burner outlet 37 , Not shown is the possibility of supporting the mixing of the partial streams of the first and the second stage by the burner 30 Downstream any mixing systems.

Nach 4 und 5 können die beiden Stufen 1, 2 auch entlang der Symmetrieachse 29 axial verschoben werden. Dadurch kann der Ort der Vermischung der Strömung der ersten Stufe 1 mit der Strömung der zweiten Stufe 2 genau eingestellt werden. Auch hier kann wieder die Trennwand 40 zur Einstellung der Querschnittserweiterung an der Frontplatte angeordnet werden.To 4 and 5 can the two stages 1 . 2 also along the axis of symmetry 29 be moved axially. This allows the location of Ver Mixing the flow of the first stage 1 with the flow of the second stage 2 be set exactly. Again, can the partition 40 to adjust the cross-sectional widening be arranged on the front panel.

In 4 erstreckt sich der innere Ringbrennkanal stromabwärts in die Brennkammer 5 hinein. Der äussere Ringbrennkanal 31 bildet dabei die erste Stufe 1, der innere Ringbrennkanal 32 die zweite Stufe. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung von rezirkuliertem Rauchgas 9 in der zweiten Stufe. Die Rauchgase 9 kommen hier nicht mit den kalten Aussenwandungen des Brenners in Kontakt und werden von den heissen Abgasen der ersten Stufe umschlossen. Dadurch wird die Gefahr der Bildung von Kohlenmonoxiden minimiert.In 4 the inner annular combustion channel extends downstream into the combustion chamber 5 into it. The outer ring combustion channel 31 forms the first step 1 , the inner annular combustion channel 32 the second stage. This is particularly advantageous in the use of recirculated flue gas 9 in the second stage. The flue gases 9 They do not come into contact with the cold outer walls of the burner and are surrounded by the hot exhaust gases of the first stage. This minimizes the risk of carbon monoxide formation.

In 5 erstreckt sich der innere Ringbrennkanal stromaufwärts in den Brenner 30 hinein, d. h. der Brenneraustritt 37 des inneren Ringbrennkanales 32 liegt stromaufwärts des Brenneraustrittes 36 des äusseren Ringbrennkanales 31. Der äusse re Ringbrennkanal 31 bildet hier die zweite Stufe 2, der innere Ringbrennkanal 32 die erste Stufe 1. Hier kommen nun die Abgase der ersten Stufe nicht in Berührung mit den kalten Aussenwandungen des Brenners.In 5 the inner annular combustion channel extends upstream into the burner 30 into, ie the burner outlet 37 of the inner annular combustion channel 32 lies upstream of the burner outlet 36 of the outer ring combustion channel 31 , The äusse re ring burning channel 31 here forms the second stage 2 , the inner annular combustion channel 32 the first stage 1 , Here the exhaust gases of the first stage do not come into contact with the cold outer walls of the burner.

Nach 6 kann der innere Ringbrennkanal 32 und das innere Rohr 33 durch ein anderes Mischsystem ersetzt werden, beispielsweise durch einen Vormischbrenner 15. Bei diesem, schematisch dargestellten Vormischbrenner 15 handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Er besteht im wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 18 für die Verbrennungsluft 3, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Zum Betrieb des Brenners mit gasförmigem Brennstoff sind im Bereich der tangentialen Schlitze 18 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen in Form von Düsen vorgesehen. Diese Düsen können mit speziellen Leitungen oder mittels der Brennstofflanze 17 versorgt werden. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 3 bereits in der Zone der Schlitze 18. Am Brenneraustritt 16 des Brenners 15 stellt sich jeweils eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner 15 stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.To 6 can the inner ring combustion channel 32 and the inner tube 33 be replaced by another mixing system, for example by a premix burner 15 , In this premix burner shown schematically 15 it is a so-called double-cone burner, as he, for example, from the EP-B1-0 321 809 is known. It consists essentially of two hollow, conical body parts, which are nested in the flow direction. The respective central axes of the two body parts are offset from each other. The adjacent walls of the two body parts form tangential slots in their longitudinal extent 18 for the combustion air 3 , which thus enters the burner interior. To operate the burner with gaseous fuel are in the range of tangential slots 18 provided in the walls of the two part body in the longitudinal direction distributed gas inlet openings in the form of nozzles. These nozzles can be with special lines or by means of the fuel lance 17 be supplied. In gas operation, the mixture formation begins with the combustion air 3 already in the zone of the slots 18 , At the burner exit 16 of the burner 15 In each case, the most homogeneous possible fuel concentration is established over the applied cross-section. At the burner outlet, a defined dome-shaped recirculation zone is created, at the top of which the ignition takes place. The flame itself will pass through the recirculation zone in front of the burner 15 stabilized without the need of a mechanical flame holder.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Wirbelgeneratoren und der Doppelkegelbrenner können auch durch beliebige andere Mischelemente, die zur Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft oder Rauchgas geeignet sind, ersetzt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Deltaflügel, halbe Deltaflügel, Flügelprofile usw. handeln. Die Zahl der Ringbrennkanäle kann natürlich für eine feinere Stufung der Vormischung und Verbrennung auch erhöht werden. Die Ringbrennkanäle können beliebig ausgeformt werden und müssen nicht wie dargestellt zylindrisch verlaufen. Sie können beispielsweise auch konisch verlaufen, so dass das innere Rohr im wesentlichen als Kegel oder als Kegelstumpf ausgestaltet ist, dessen Spitze stromabwärts orientiert ist.Of course it is the invention is not limited to the embodiments shown and described limited. The vortex generators and the double cone burners can also by any other mixing elements used for mixing fuel and combustion air or flue gas are suitable to be replaced. These can be, for example, delta wings, half delta wings, wing profiles etc. act. The number of ring burners can of course for a finer gradation of Premixing and combustion are also increased. The ring combustion channels can be arbitrary be formed and must not cylindrical as shown. You can, for example also tapered so that the inner tube substantially is designed as a cone or a truncated cone whose tip is oriented downstream is.

11
Erste StufeFirst step
22
Zweite StufeSecond step
33
Verbrennungsluftcombustion air
44
Verbrennungsluftcombustion air
55
Brennkammercombustion chamber
66
Frontplattefront panel
77
Brennstoff erste Stufefuel first stage
88th
Brennstoff zweite Stufefuel second step
99
Rauchgasflue gas
1111
Flammenstabilisierungflame stabilization
1212
Nachverbrennungafterburning
1515
Vormischbrennerpremix
1616
Brenneraustrittburner outlet
1717
Brennstofflanzefuel lance
1818
tangentiale Schlitzetangential slots
2020
Wirbel-GeneratorVortex generator
2121
Mischer erste Stufemixer first stage
2222
Mischer zweite Stufemixer second step
2323
Gemisch Verbrennungsluft/Brennstoffmixture Combustion air / fuel
2424
Gemisch Verbrennungsluft oder Rauchgas/Brennstoffmixture Combustion air or flue gas / fuel
2525
Abgase erste Stufeexhaust first stage
2929
Symmetrieachseaxis of symmetry
3030
Brennerburner
3131
äusserer Ringbrennkanalouter Ring combustion channel
3232
innerer Ringbrennkanalinternal Ring combustion channel
3333
inneres Rohrinner pipe
3434
mittlerer Rohrmiddle pipe
3535
äusseres Rohrouter pipe
3636
äusserer Brenneraustrittouter burner outlet
3737
innerer Brenneraustrittinternal burner outlet
3838
Brennstoffeindüsung äusserer RingbrennkanalFuel injection external Ring combustion channel
3939
Brennstoffeindüsung innerer RingbrennkanalFuel injection inside Ring combustion channel
4040
Trennwandpartition wall
HH
Kanalhöhechannel height
hH
Höhe Wirbel-GeneratorHeight vortex generator

Claims (5)

Vorrichtung zur Vormischverbrennung, wobei Brennstoff (7, 8) und gasförmige Arbeitsmittel (3, 4, 9) vorgängig der Zündung vermischt werden, zur Vormischverbrennung mindestens zwei Stufen (1, 2) verwendet werden, in einer ersten Stufe (1) Brennstoff (7) und Verbrennungsluft (3) mit Luftüberschuss in einem Mischer (21) gemischt werden, das so entstandene Gemisch (23) mittels einer Flammenstabilisierung (11) stabilisiert und verbrannt wird, in einer zweiten Stufe (2) Brennstoff (8) und Verbrennungsluft (4) und/oder Rauchgas (9) in einem Mischer (22) gemischt werden, das so entstandene Gemisch (24) den in der ersten Stufe entstandenen Abgasen (25) zugemischt wird und diese Mischung nachverbrannt (12) wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Brenner (30) mindestens ein innerer Ringbrennkanal (32) und ein äusserer Ringbrennkanal (31) koaxial zueinander angeordnet sind, wobei der innere Ringbrennkanal (32) durch ein inneres, geschlossenes Rohr (33) und ein mittleres Rohr 34 und der äussere Ringbrennkanal (31) durch ein äusseres Rohr (35) und das mittlere Rohr (34) begrenzt wird, und dass in den Ringbrennkanälen (31, 32) Mischungselemente (20) angeordnet sind.Premix combustion device, wherein fuel ( 7 . 8th ) and gaseous working materials ( 3 . 4 . 9 ) are mixed prior to ignition, for premix combustion at least two stages ( 1 . 2 ), in a first stage ( 1 ) Fuel ( 7 ) and combustion air ( 3 ) with excess air in a mixer ( 21 ), the resulting mixture ( 23 ) by means of flame stabilization ( 11 ) is stabilized and burned, in a second stage ( 2 ) Fuel ( 8th ) and combustion air ( 4 ) and / or flue gas ( 9 ) in a mixer ( 22 ), the resulting mixture ( 24 ) the exhaust gases produced in the first stage ( 25 ) and this mixture is post-combusted ( 12 ), characterized in that in a burner ( 30 ) at least one inner annular combustion channel ( 32 ) and an outer annular combustion channel ( 31 ) are arranged coaxially with each other, wherein the inner annular combustion channel ( 32 ) through an inner, closed tube ( 33 ) and a middle tube 34 and the outer annular combustion channel ( 31 ) through an outer tube ( 35 ) and the middle tube ( 34 ) and that in the annular combustion channels ( 31 . 32 ) Mixing elements ( 20 ) are arranged. Vorrichtung zur Vormischverbrennung, wobei Brennstoff (7, 8) und gasförmige Arbeitsmittel (3, 4, 9) vorgängig der Zündung vermischt werden, zur Vormischverbrennung mindestens zwei Stufen (1, 2) verwendet werden, in einer ersten Stufe (1) Brennstoff (7) und Verbrennungsluft (3) mit Luftüberschuss in einem Mischer (21) gemischt werden, das so entstandene Gemisch (23) mittels einer Flammenstabilisierung (11) stabilisiert und verbrannt wird, in einer zweiten Stufe (2) Brennstoff (8) und Verbrennungsluft (4) und/oder Rauchgas (9) in einem Mischer (22) gemischt werden, das so entstandene Gemisch (24) den in der ersten Stufe entstandenen Abgasen (25) zugemischt wird und diese Mischung nachverbrannt (12) wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Brenner um einen Vormischbrenner (15) in Form eines Doppelkegelbrenners konzentrisch mindestens ein äusserer Ringbrennkanal (31) angeordnet ist und dass im Ringkanal (31) Mischungselemente (20) angeordnet sind.Premix combustion device, wherein fuel ( 7 . 8th ) and gaseous working materials ( 3 . 4 . 9 ) are mixed prior to ignition, for premix combustion at least two stages ( 1 . 2 ), in a first stage ( 1 ) Fuel ( 7 ) and combustion air ( 3 ) with excess air in a mixer ( 21 ), the resulting mixture ( 23 ) by means of flame stabilization ( 11 ) is stabilized and burned, in a second stage ( 2 ) Fuel ( 8th ) and combustion air ( 4 ) and / or flue gas ( 9 ) in a mixer ( 22 ), the resulting mixture ( 24 ) the exhaust gases produced in the first stage ( 25 ) and this mixture is post-combusted ( 12 ), characterized in that in a burner around a premix burner ( 15 ) in the form of a double-cone burner concentric at least one outer annular combustion channel ( 31 ) is arranged and that in the annular channel ( 31 ) Mixing elements ( 20 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungselemente Wirbelgeneratoren (20) sind.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the mixing elements vortex generators ( 20 ) are. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenneraustritte (16, 36, 37) des inneren Ringbrennkanals (32) oder des Vormischbrenners (15) und desjenigen des äusseren Ringbrennkanals (31) in Strömungsrichtung der Gemische (23, 24) axial verschoben sind.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the burner outlets ( 16 . 36 . 37 ) of the inner annular combustion channel ( 32 ) or premix burner ( 15 ) and that of the outer annular combustion channel ( 31 ) in the flow direction of the mixtures ( 23 . 24 ) are axially displaced. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringbrennkanäle (31, 32) zylindrisch ausgestaltet sind.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the annular combustion channels ( 31 . 32 ) are cylindrical.
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