DE19627203C2 - Brenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Vermischung und Verbrennung von zumindest zwei Verbrennungsmedien, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei derartigen Brennern kann insbesondere Verbrennungsluft und ein Schwachgas als Brenngas verwendet werden. Die Bren­ ner umfassen mehrere Brennerdüsen. Jeweils ein Rohr, wel­ ches sich zur Zuführung eines Verbrennungsmediums zu einem Verbrennungsraum erstreckt, und eine Einströmeinrichtung für das andere Verbrennungsmedium am verbrennungsraumseiti­ gen Ende des Rohres können vorgesehen sein.

Ein gattungsgemäßer Brenner ist aus US 5,267,850 bekannt, in der ein Brennersystem und ein Verbrennungsverfahren für Hochtemperaturanwendungen beschrieben werden. Bei einer Brennerdüse dieses Brenners wird ein zentraler Hochge­ schwindigkeits-Brennstoffstrom erzeugt, der kreisringförmig von einem Niedriggeschwindigkeitsstrom umgeben ist.

Ein anderer Brenner wird bei dem Heißgaserzeuger einge­ setzt, welcher aus der DE 42 08 951 C2 hervorgeht. Die­ ser bekannte Brenner weist zur Zuführung eines Verbren­ nungsmediums Rohre auf, deren freie Enden von Aus­ trittsdüsen zum Einströmen eines zweiten Verbrennungsmedi­ ums umgeben sind. Mit dieser bekannten Anordnung wird be­ reits ein sehr gutes Ausbrandergebnis bei einer kurzen Brennerflamme erreicht. Dennoch ist es wünschenswert, den bekannten Brenner in bezug auf Ausbrandgrad und Flam­ menlänge noch weiter zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner zu schaffen, der bei einer kurzen Flamme eine mög­ lichst vollständige Verbrennung von Verbrennungsmedien auch mit sehr niedrigen Heizwerten gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Brenner mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist eine Brennerdüse mit mindestens drei zueinander koaxial angeordneten Rohren vorgesehen, nämlich einem innenliegenden Kernrohr, einem außenliegenden Außenrohr und mindestens einem dazwischen an­ geordneten Zwischenrohr. Die Rohre sind zueinander in radialer Richtung zur Bildung von Ringspaltkanälen beab­ standet, durch welche Verbrennungsmedien in den Ver­ brennungsraum leitbar sind.

Mit dieser Brennerdüsenausbildung, welche neben der zentralen Kernrohröffnung mindestens zwei Ringspalt­ öffnungen aufweist, kann die Flamme an der Brennerdüse in nahezu jeder gewünschten Weise eingestellt werden. So kön­ nen entsprechend der Anzahl der Öffnungen mehr als zwei Verbrennungsmedien mit jeweils unterschiedlichen Drücken eingesetzt werden. Durch die mindestens drei konzentrisch zueinander angeordneten Brennerdüsenöffnungen wird auch eine intensive Vermischung der Verbrennungsmedien und so­ mit eine besonders große Verbrennungsoberfläche gewähr­ leistet. Dies hat eine kurze Flamme und einen sehr guten Ausbrandgrad zur Folge.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners liegt in der Möglichkeit, diesen mit sogenanntem Schwachgas, dies ist ein Brenngas mit relativ geringem Heizwert, betreiben zu können. Mit bisher bekannten Brennern war es möglich, eine selbständige Verbrennung mit Schwachgasen mit einem Heizwert von wenigstens ca. 2500 kJ/m³ (Normzustand) zu erreichen. Versuche haben ergeben, daß sich bei dem erfin­ dungsgemäßen Brenner selbst bei Verwendung von Schwachgasen mit einem Heizwert von ca. 1900 kJ/m³ (Normzustand) ein selbständiger Verbrennungsvorgang einstellt. Zusatzbrenner mit einem hochwertigen Brenngas sind also nicht notwendig.

Ein be­ sonders gutes Verbrennungsergebnis wird dadurch er­ reicht, daß sich die Rohre unterschiedlich weit in den Ver­ brennungsraum erstrecken. Die Rohre der Brennerdüse weisen also eine gestufte Anordnung auf. Hierbei sind die Bren­ nerdüsenöffnungen in axialer Richtung der Rohre zueinander versetzt. Hierdurch erfolgt eine Vermischung der verschie­ denen gasförmigen Verbrennungsmedien orts- und zeitver­ setzt, was zu einer besonders guten Vermischung der Medien führt.

Es ist vorteilhaft, daß sich das Außenrohr weiter in den Verbrennungsraum erstreckt als das Zwischenrohr. Das Außenrohr bildet somit eine seitliche Begrenzung der Brennerdüse, wodurch der Einfluß von benach­ barten Brennerdüsen auf den Vermischungsvorgang weitestge­ hend vermieden wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform liegt darin, daß sich das Kernrohr weiter in den Verbrennungsraum erstreckt als das Zwischenrohr. Auf diese Weise findet zunächst eine Vermischung der Verbrennungsmedien statt, welche aus den Ringspaltkanälen strömen. Nach der Vermischung in den Sei­ tenbereichen der Brennerdüse wird eine zusätzliche Verwir­ belung und damit eine besonders große Kontaktfläche zwi­ schen den Verbrennungsmedien durch die Strömung aus dem Kernrohr erreicht.

Um bei dieser Anordnung weiter eine gute Bün­ delung der Flamme der einzelnen Brennerdüsen zu gewährlei­ sten, ist vorgesehen, daß sich das Außenrohr weiter in den Verbrennungsraum erstreckt als das Kernrohr.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brenners besteht darin, daß für jedes Verbrennungsmedium eine Kammer vorge­ sehen ist, welche mit jeder Brennerdüse leitungsverbunden ist. Die einzelnen voneinander getrennten Kammern weisen wiederum Einlässe auf, durch die das jeweilige Verbrennungs­ medium in die zugehörige Kammer strömt, wobei sich in den Kammern in einfacher Weise der jeweilige Druck des Ver­ brennungsmediums einstellen läßt.

Diese Ausführungsform ist dadurch weitergebildet, daß drei Kammern vorgesehen sind, von denen eine erste Kammer mit dem Kernrohr, eine zweite Kammer mit dem durch Kernrohr und Zwischenrohr gebildeten Ringspaltkanal und eine dritte Kam­ mer mit dem durch Zwischenrohr und Außenrohr gebildeten Ringspaltkanal verbunden sind. Bei dieser Weiterbildung strömt also ein erstes Verbrennungsmedium über die erste Kammer und das Kernrohr in den Verbrennungsraum. Das zweite Verbrennungsmedium strömt über die zweite Kammer und den zugehörigen Ringspaltkanal in den Verbrennungsraum, während das dritte Verbrennungsmedium durch die dritte Kammer und den anderen Ringspaltkanal geleitet wird. Durch diese ge­ trennte Zuführung kann eine gute Vermischung bei drei ver­ schiedenen Verbrennungsmedien erreicht werden.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, daß zwei Kammern vorgesehen sind, von denen eine mit dem Kernrohr und einem Ringspaltkanal verbunden ist. Die andere Kammer ist dann entsprechend mit dem einen oder den mehreren ver­ bliebenen Ringspaltkanälen verbunden. So können beispiels­ weise zwei Verbrennungsmedien durch mehrere voneinander ge­ trennte Brennerdüsenöffnungen in den Verbrennungsraum strö­ men, was zu einem hohen gewünschten Verwirbelungsgrad führt.

Für bestimmte Anwendungsfälle ist zudem vorteilhaft, daß die Brennerdüse vier Rohre aufweist. Es bestehen also neben der Kernrohröffnung insgesamt drei Ringspaltöffnungen. Folglich können bei dieser Ausführungsform vier Verbren­ nungsmedien getrennt voneinander zugeführt werden. Bei Ver­ wendung von weniger Verbrennungsmedien können einzelne Ver­ brennungsmedien über mehrere Brennerdüsenöffnungen zur Er­ reichung einer guten Vermischung zugeführt werden. Soweit spezielle Anwendungsfälle den konstruktiven Aufwand recht­ fertigen, können selbstverständlich Brennerdüsen mit fünf oder mehr Rohren vorgesehen werden.

Zur besseren Verwirbelung der Verbrennungsmedien ist es von Vorteil, daß am verbrennungsraumseitigen Ende der Brennerdüse Dralleinrichtungen vorgesehen sind. Die Drall­ einrichtungen können im wesentlichen radial gerichtete Düsen sein. Eine besonders einfache und effektive Drallein­ richtung beispielsweise für das Kernrohr liegt in der Aus­ bildung von radial gerichteten Bohrungen in der Kernrohr­ wandung, wobei das freie Ende des Kernrohres mit einer Platte verschlossen ist.

Zur Gewährleistung einer möglichst unproblematischen Zündung ist der erfindungsgemäße Brenner dahingehend wei­ tergebildet, daß ein Startbrenner vorgesehen ist, um den die Brennerdüsen herum angeordnet sind. Der Startbrenner wird dabei mit separaten Verbrennungsmedien, insbesondere einem hochwertigen Brenngas, versorgt. Nach einer gewissen Anfahrzeit kann dann der Startbrenner wieder ausgeschaltet werden.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eines der Verbrennungsmedien ein schwefelhaltiges Gas, insbeson­ dere auch Schwefelwasserstoff, sein kann. Derartige Gase, welche bisher zumeist aufwendig entsorgt werden mußten, können mit dem erfindungsgemäßen Brenner nunmehr nutzbringend thermisch verbrannt bzw. verwertet werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles wei­ ter erläutert, welches in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Brenners und

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht des erfindungs­ gemäßen Brenners, wobei der Abbildungsmaßstab kleiner als der in Fig. 1 ist.

Die Teilquerschnittsansicht gemäß Fig. 1 zeigt einen erfin­ dungsgemäßen Brenner 10 mit einer Brennerdüse 11, welche aus drei zueinander koaxial angeordneten Rohren aufgebaut ist. Das innenliegende Rohr wird als Kernrohr 20 bezeich­ net, welches von einem Zwischenrohr 30 und einem außenlie­ genden Außenrohr 40 umgeben ist.

Das Kernrohr 20 ist über einen Flansch 24 mit der Wandung einer ersten Kammer 21 verbunden, so daß ein erstes Ver­ brennungsmedium 28 über einen Einlaß 23 durch die erste Kammer 21 in das Kernrohr 20 einströmen kann. Der Flansch 24 ist durch eine geeignete Verbindung, beispielsweise eine Schweißnaht oder eine gasdichte Schraubverbindung, an der Wandung der ersten Kammer 21 um eine Durchgangsöffnung 22 befestigt.

Ausgehend von der ersten Kammer 21 erstreckt sich das Kern­ rohr 20 durch eine zweite Kammer 31 und eine dritte Kammer 41 in Richtung auf einen Verbrennungsraum 12, in welchem der Verbrennungsvorgang stattfindet.

An der zweiten Kammer 31 um eine Durchgangsöffnung 32 ist ein zweites oder sogenanntes Zwischenrohr 30 über einen Flansch 34 befestigt. Der Innendurchmesser des Zwischenroh­ res 30, welches sich koaxial in Richtung auf den Verbren­ nungsraum 12 erstreckt, ist größer als der Außendurchmesser des Kernrohres 20, so daß ein erster Ringspaltkanal 39 zwi­ schen dem Kernrohr 20 und dem Zwischenrohr 30 gebildet ist. Durch diesen ersten Ringspaltkanal 39 kann ein zweites Ver­ brennungmedium 38 über einen Einlaß 33 und die zweite Kam­ mer 31 zum freien Ende der Brennerdüse 11 strömen.

Das Kernrohr 20 und das Zwischenrohr 30 werden ab der drit­ ten Kammer 41 von einem Außenrohr 40 umgeben, welches sich koaxial zu den beiden anderen Rohren in Richtung auf den Verbrennungsraum 12 erstreckt. In gleicher Weise wie bei den anderen beiden Rohren ist das Außenrohr 40 um eine Durchgangsöffnung 42 an einer verbrennungraumseitigen Wan­ dung der dritten Kammer an dieser mittels eines Flansches 44 befestigt. Der Innendurchmesser des Außenrohrs 40 ist wiederum größer als der Außendurchmesser des Zwischenrohres 30, so daß ein zweiter Ringspaltkanal 49 gebildet wird. Durch diesen Ringspaltkanal 49 kann ein drittes Verbren­ nungsmedium 48 über einen Einlaß 43 und die dritte Kammer 41 in den Verbrennungsraum 12 strömen.

Bei der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners mit einer Dreikammeranordnung wird üblicherweise durch das Kernrohr 20 und den ersten Ringspaltkanal 39 ein oder zwei Brenngase geleitet, während der zweite Ring­ spaltkanal 49 zur Zuführung von Verbrennungsluft dient. Insbesondere können durch das Kernrohr 20 und den ersten Ringspaltkanal 39 säurehaltige Gase geleitet werden, bei­ spielsweise schwefelwasserstoffhaltige Gase gleicher oder unterschiedlicher Konzentration.

Zur Erzeugung einer möglichst guten Vermischung der unter­ schiedlichen Verbrennungsmedien 28, 38, 48 in einer Ver­ mischungszone 13 am verbrennungsraumseitigen Ende der Bren­ nerdüse 11 sind mehrere Maßnahmen vorgesehen. Zunächst reicht das Außenrohr 40 weiter in den Verbrennungsraum 12 hinein als das Kernrohr 20, welches wiederum sich weiter in den Verbrennungsraum 12 erstreckt als das Zwischenrohr 30. Bei dieser gestuften Anordnung wird zuerst das zweite Ver­ brennungsmedium 38, welches aus der Öffnung des ersten Ringspaltkanals 39 austritt, mit dem dritten Verbrennungs­ medium 48 vermischt, welches aus der Austrittsöffnung des zweiten Ringspaltkanals 49 strömt. Erst nach der Mischung des zweiten und dritten Verbrennungsmediums 38, 48 strömt das erste Verbrennungsmedium 28 aus dem Kernrohr 20 in die Vermischungszone 13, so daß hierdurch eine weitere zu dem ersten Mischvorgang örtlich und zeitlich versetzte Verwir­ belung stattfindet. Dies hat eine besonders starke Vermi­ schung der Verbrennungsmedien 28, 38, 48 zur Folge, was zu einem guten Ausbrandgrad bei einer kurzen Flamme führt. Das am weitesten in den Verbrennungsraum 12 geführte Außenrohr 40 dient zur seitlichen Abgrenzung der Vermischungszone 13, so daß eine lokal begrenzte Zone mit starker Verwirbelung sichergestellt ist.

Als weitere Maßnahme zur Erhöhung der Verwirbelung zwischen den einzelnen Verbrennungsmedien 28, 38, 48 sind Drallein­ richtungen 25, 35 an dem Kernrohr 20 und dem Zwischenrohr 30 vorgesehen. Die Dralleinrichtungen 25, 35 bestehen je­ weils aus einer Abschlußplatte 26, 36, welche auf das ver­ brennungsraumseitige Ende des Kernrohres 20 bzw. des Zwi­ schenrohres 30 aufgesetzt ist. Über radial gerichtete Boh­ rungen oder Nuten 27, 37 strömt das jeweilige Verbrennungs­ medium 28, 38 in radialer Richtung in die Vermischungs­ zone 13.

Durch Überlagerung mit der axial gerichteten Strömung aus dem zweiten Ringspaltkanal 49 entsteht eine besonders star­ ke Verwirbelung.

In Fig. 2 ist eine verkleinerte Vorderansicht des erfin­ dungsgemäßen Brenners 10 dargestellt. Hieraus ist zu erken­ nen, daß ein zentral angeordneter Startbrenner 14 vorgese­ hen ist, um den eine Vielzahl von Brennerdüsen 11 angeord­ net sind, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit teilweise nur deren Mittelpunkte dargestellt sind. Im Beispiel ist auch nur ein Stutzen des Einlasses 23 dargestellt, durch welchen das erste Verbrennungsmedium 28 in die erste Kammer 21 einströmt. Zweite und dritte Einlaßstutzen sind selbst­ verständlich verhanden.

Der erfindungsgemäße Brenner, der eine Vielzahl von einzel­ nen Brennerdüsen 11 aufweist, schafft daher eine große Oberfläche für die Verbrennung. Es ist daher möglich, schwefelwasserstoffhaltige oder säurehaltige Gase mit diesem Brenner zu verbrennen, wobei diese säurehaltigen Gase vorzugsweise mit der dazu senkrecht strömenden Ver­ brennungsluft sehr intensiv vermischt werden. Im Hinblick auf eine geforderte Austrittstemperatur am Austritt des Brenners und einem zu niedrigen Gehalt an säurehaltigen Gasen kann der Brenner so geregelt werden, daß in einem derartigen Fall der Startbrenner wieder unverzüglich in Betrieb gesetzt wird, um die geforderte Austrittstemperatur des Brenners zu halten.

Claims (9)

1. Brenner zur Vermischung und Verbrennung von zumin­ dest zwei Verbrennungsmedien, insbesondere Verbren­ nungsluft und einem Schwachgas als Brenngas, mit meh­ reren Brennerdüsen (11), die Rohre zur Zuführung der Verbrennungsmedien zu einem Verbrennungsraum (12) aufweisen, wobei eine Brennerdüse (11) mindestens drei zueinander koaxial angeordnete Rohre mit einem innenliegenden Kernrohr (20), einem außenliegenden Außenrohr (40) und mindestens einem dazwischen ange­ ordneten Zwischenrohr (30) aufweist und die Rohre zu­ einander in radialer Richtung zur Bildung von Ring­ spaltkanälen (39, 49) beabstandet sind, durch welche die Verbrennungsmedien (28, 38, 48) in den Verbren­ nungsraum (12) leitbar sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Außenrohr (40) weiter als die anderen Rohre in den Verbrennungsraum (12) ragt und eine Vermi­ schungszone (13) bildet,
• - daß das Kernrohr (20) und das Zwischenrohr (30) sich unterschiedlich weit in die Vermischungs­ zone (13) erstrecken,
• - daß das Kernrohr (20) und das Zwischenrohr (30) an ihrem verbrennungsraumseitigen Ende mit jeweils einer Abschlußplatte (26, 36) verschlossen sind und
• - daß in dem Kernrohr (20) und in dem Zwischenrohr (30) Öffnungen ausgebildet sind, durch welche die Verbrennungsmedien (28, 38) in einer im wesentli­ chen radialen Richtung in die Vermischungszone (13) strömen.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Kernrohr (20) weiter in den Verbren­ nungsraum (12) erstreckt als das Zwischenrohr (30).

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Verbrennungsmedium (28, 38, 48) eine Kammer (21, 31, 41) vorgesehen ist, welche mit je­ der Brennerdüse (11) leitungsverbunden ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kammern (21, 31, 41) vorgesehen sind, von denen eine erste Kammer (21) mit dem Kernrohr (20), eine zweite Kammer (31) mit dem durch Kernrohr (20) und Zwischenrohr (30) gebildeten Ringspaltkanal (39) und eine dritte Kammer (41) mit dem durch Zwischen­ rohr (30) und Außenrohr (40) gebildeten Ringspaltka­ nal (49) verbunden sind.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kammern vorgesehen sind, von denen eine mit dem Kernrohr (20) und einem Ringspaltkanal (39, 49) verbunden ist.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerdüse (11) vier Rohre aufweist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Startbrenner (14) vorgesehen ist, um den die Brennerdüsen (11) herum angeordnet sind.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Verbrennungsmedien (28, 38, 48) ein schwefelwasserstoffhaltiges Gas ist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen als Nuten (27, 37) ausgebildet sind, die am verbrennungsraumseitigen Ende des Kernrohres (20) und des Zwischenrohres (30) eingebracht sind.