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Brenner-Anordnung
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Die Erfindung betrifft eine Brenner-Anordnung für flüssige, gasförmige
oder fluidisierte feste Brennstoffe, mit einer axialen, zentral in den Brennraum
einmündenden Brennstoff-Zuführung, und mit einem die Brennstoff-Zuführung umgebenden
ringförmigen Raum, in den zur Erzeugung eines Dralls tangential Verbrennungsluft
einführbar ist, und der im Bereich der Brennstoff-Zuführungsmündung ebenfalls in
den Brennraum mündet.
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Ein solcher Brenner ist z. B. im VDI-Bericht Nr. 346, 1979, beschrieben.
Die aus der Brennstoff-Zuführung und dem Drallerzeuger austretenden Stoffe strömen
infolge der Zentrifugalkraft zur Brennraumwandung und bilden dort eine kreisringförmige,
axiale, äußere Vorströmzone, während - wenn der erzeugte Drall im Brennraum groß
genug ist - zentrisch dazu eine kreisförmige axiale, innere Rückströmzone entsteht,
in die wegen des dort herrschenden Unterdrucks aus dem Brennraumaustritt Gase angesaugt
werden. Da die in der axialen Vorströmung befindlichen Strömungsmassen nach Verlassen
des Brennraumes in einen Raum mit größerem Durchmesser eintreten, werden sie dort
aufgrund ihrer Verdrallung und der dadurch wirkenden Fliehkräfte von der Rotationsachse
der Strömung radi-al wegbewegt, so daß die rückströmenden Gase infolge eines geringen
tangentialen Impulsaustausches mit der Vorströmung nahezu unverdrallt in den Brennraum
eintreten. Hierdurch entsteht ein Sprung der Tangentialgeschwindigkeit entlang der
Trennfläche zwischen der Vorströmzone und der Rückströmzone; der zur Bildung von
umlaufenden Wirbelfäden führt, die zu einer intensiven Vermischung der axialen Rück-
mit der axialen Vorströmung beitragen, so daß in einer ersten, sich unmittelbar
im Anschluß an den Brennraumeintritt befindlichen Zone die Hauptverbrennung stattfindet,
während sich daran anschließend noch eine Zone einstellt, in der noch unverbrannte
Stoffe nachreagieren können, woraus die Bedeutung der Wirbelfäden auf den Mischvorgang
deutlich wird.
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Diese Strömungs- und Mischungsverhältnisse führen außerdem dazu, daß
sich in der ersten Zone eine relativ heiße ringförmige Flamme bildet und sich in
der zweiten Zone ein niedrigeres gleichmäßigeres Temperaturfeld mit relativ kleinen
Temperaturunterschieden einstellt.
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In der DE-OS 30 43 957 ist eine Drallkammer zum Erzeugen solcher
Wirbelfäden beschrieben, mit der die mischungsfördernde Wirkung der Wirbelfäden
optimal ausnutzbar ist.
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Die Erfindung baut auf dieser Technik einer Brenner-Anordnung auf,
bei der ein verdrallter äußerer Massenstrom und ein innerer, gegenläufiger, weitgehend
unverdrallter Massenstrom in ihrer Grenzschicht Wirbelfäden erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenner-Anordnung
der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die über eine optimale Einstellung des Verbrennungsablaufs
hinaus auch eine umweltfreundliche Verbrennung ermöglicht und darüber hinaus weitere
Anwendungsmöglichkeiten erschließt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im rückwärtigen
Bereich des Brennraumes ein Einlaß vorgesehen ist, durch den ein gasförmiges, flüssiges
oder fluidisiertes festes Medium so in den Brennraum einleitbar ist, daß es axial
zentral und unverdrallt entgegen der ringförmigen axialen Vorströmung des Massenstroms
aus verdrallter Luft und Brennstoff strömt.
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Die Wirbelfäden werden also nicht durch Unterdruck selbsttätig, sondern
durch einen künstlichen Gegenstrom erzeugt.
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Dabei macht die Erfindung sich den Umstand zunutze, daß die beiden
eingangs genannten Verbrennungszonen relativ gut voneinander getrennt gehalten werden
können, so daß die Möglichkeit besteht, den Verbrennungsvorgang zweistufig ablaufen
zu lassen.
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Dies kann in Ausgestaltung der Erfindung dadurch erfolgen, daß nur
ein Teil der für die Verbrennung erforderlichen Luft über den Drallerzeuger zugeführt
wird, während der restliche Teil unverdrallt in den rückwärtigen Bereich des Brennraums
eingeleitet wird. In der vorderen ersten Zone findet dann eine unterstöchiometrische
Verbrennung statt, die in der hinteren zweiten Zone, in der die Wirbelfäden eine
intensive Nachvermischung bewirken, mit dem restlichen Anteil der Verbrennungsluft
in eine überstöchiometrische Verbrennung übergehen. Eine solche Zweistufen-Verbrennung
eignet sich besonders gut für die Reduzierung von Stickoxiden, und zwar auch deswegen,
weil in der zweiten Zone das erforderliche Temperatur-Niveau eingestellt werden
kann.
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Es ist aber ebenso gut möglich, nur einen Teil des erforderlichen
Brennstoffes über den Brenner zuzuführen und den restlichen Brennstoffteil unverdrallt
im -hinteren Bereich des Brennraums in die Rückströmzone einzuleiten. Dann ergeben
sich Verhältnisse, bei denen in der ersten Zone eine stark überstöchiometrische
Verbrennung stattfindet, die durch das weitere Brennstoff-Angebot in der zweiten
Zone nun beliebig nahe an stöchiometrische Bedingungen herangeführt oder auch -
falls Bedarf besteht - überstöchiometrisch eingestellt werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Teil des Abgases abzuzweigen
und im hinteren Bereich des Brennraumes unverdrallt in die Rückströmzone einzuleiten,
um so eine Abgas-Nachverbrennung und Reduzierung von Kohlenmonoxid zu bewirken.
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Eine besonders wichtige Anwendungsmöglichkeit eröffnet die erfindungsgemäße
Brenner-Anordnung dadurch, daß in die Rückströmzone auch Stäube eingeblasen und
thermisch behandelt werden können, und damit z. B. ein Entsäuern, Kalzinieren, Rösten,
Oxidieren, Reduzieren etc. von Feststoffen durchführbar ist.
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Beispielhaft sei hier das Entsäuern von feinem Kalkstaub (CaCO3)
näher ausgeführt. Da die beiden Zonen relativ gut
-voneinander getrennt
sind und sich für die zweite Zone eine gleichmäßige Temperatur unterhalb der Flammentemperatur
einstellen läßt, kann entsprechend den Partialdruck-Verhältnissen des Kohlendioxids
(CO2) aus der Verbrennung das Temperatur-Niveau einerseits oberhalb einer gewissen
Mindesthöhe (z. B. 8500C) eingestellt werden, um den Entsäuerungsvorgang durchzuführen.
Andererseits können Temperaturen vermieden werden (z. B. 11000C), die ein Totbrennen
des Produktes (CaO) verursachen. Dabei ist natürlich zu vermeiden, daß Verbrennungsprodukte
im Abgas vorhanden sind, die mit dem Produkt (CaO) reagieren.
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Den geschilderten Entsäuerungsvorgang von Kalkstäuben kann man bei
der Verbrennung von schwefelhaltigen Brennstoffen dazu benutzen, die Emission von
Schwefeldioxid (SO2) zu begrenzen. Stellt man nämlich in der zweiten Zone das Temperatur-Niveau
zwischen 850-°C und 11000C ein, kann im Anschluß an den Entsäuerungsvorgang das
entstandene Kalziumoxid mit dem Schwefeldioxid aus der Verbrennung (SO2) wieder
zu Gips (CaSO4) reagieren, d. h.
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das SOz wird durch das CaO absorbiert (sogenannte Heißentschwefelang)
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Brenner-Anordnung, Fig. 2-4
in schematischer Darstellung Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Bernner-Anordnung,
bei denen jeweils unterschiedliche Medien in die Rückströmzone eingeleitet werden.
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Fig. 1 veranschaulicht am Beispiel eines bekannten Brenners die Erzeugung
von Wirbelfäden, die für eine gute Durchmischung des Luft-Brennstoff-Gemisches sorgen
Durch eine Brennstoff-Zuführung 1 wird einem Brennraum 2 zentral Brennstoff zugeführt,
wobei
die Brennstoff-Zuführung von einem Drallerzeuger 3 umgeben ist, in den tangential
die Verbrennungsluft eingeführt und dadurch verdrallt wird. An den Drallerzeuger
3 schließt sich ein sich konisch verjüngender Stutzen 4 an, dessen Ende 7 etwa dort
in den Brennraum mündet, wo auch die Mündung der Brennstoff-Zuführung liegt. Dieser
Brennraumeintritt wird durch eine Eintrittswulst begrenzt, die in den Brennraum
über eine halbtorusförmige Ringnut übergeht. Es ist ersichtlich, daß der aus Verbrennungsluft
und Brennstoff bestehende Massenstrom im Brennraum infolge der durch den Drall verursachten
Zentrifugalkräfte eine ringförmige axiale Vorströmung im Bereich der Innenwand des
Brennraums ausbildet. Im weiteren Verlauf gelangt dieser Massenstrom durch den Brenneraustritt
5 in eine sich im Durchmesser erweiternde Abluftkammer 6, so daß dort der Drall
seine Wirkung verliert Im zentralen Bereich innerhalb des axialen Vorströmbe-.
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reichs wird ein Unterdruck gebildet, der die Abgase, nachdem sie vom
Drall befreit sind, ansaugt, so daß sich im Zentrum des Brennraumes 2 eine axiale
Rückströmung ergibt, die praktisch keinen Drall aufweist. Dadurch tritt entlang
der Trennfläche zwischen der Vorströmzone und der Rückströmzone ein Tangentialgeschwindigkeits-Sprung
auf, der zur Bildung von umlaufenden Wirbelfäden führt, die eine Durchmischung des
Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 2 begünstigen.
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Aus Fig. 1 ist ferner ersichtlich, daß sich im Bereich des Brennraums
zwei Zonen ausbilden, wobei sich in der ersten Zone eine relativ heiße Flamme ausbildet
und sich in der zweiten Zone ein niedrigeres gleichmäßigeres Temperaturfeld einstellt.
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Die beiden Zonen sind dabei relativ gut voneinander getrennt, da experimentell
festgestellt wurde, daß die Rückströmmasse in kaum nennenswertem Maße in die erste
Zone gelangt.
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Bei den gemäß der Erfindung ausgebildeten Ausführungsbeispielen gemäß
Fig. 2 bis 4 sind für gleiche Teile gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet.
In Fig. 2 wird von dem
Zuführungsrohr 8, über das dem Drallerzeuger
3 Verbrennungsluft zugeführt wird, ein Teil der Verbrennungsluft über eine Rohrleitung
9 abgezweigt, wobei der Brennraum 2 verlängert ist und das Ende 10 des Abzweigrohrs
9 im hinteren Bereich des Brennraums 2 etwa dort endet, wo in Fig, 1 die zweite
Zone endet. Hierdurch wird ein Teil der erforderlichen Verbrennungsluft in Richtung
des Pfeils 13 in den Rückströmbereich 11 innerhalb des axialen Vorströmbereiches
12 anstelle des Abluft-Rückstromes eingeleitet, der sich bei dem Brenner gemäß Fig.
1 automatisch einstellt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist am unteren Ende des
Brennraums 2 ein Abluftrohr 14 seitlich angebracht, und am Boden des Brennraums
2 ist ein Abzug 15 vorgesehen, durch den Asche bzw. Schlacke abgeführt werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ergibt sich eine zweistufige Verbrennung,
wobei die Verbrennung in der ersten Stufe unterstöchiometrisch und in der zweiten
Stufe überstöchiometrisch erfolgt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Abzweig-Rohrleitung
9 an die Brennstoff-Zuführung angeschlossen, so daß hier in der ersten Zone eine
stark überstöchiometrische Verbrennung stattfindet, während in der zweiten Zone
eine Einstellung bis zu stöchiometrischen Bedingungen oder überstöchiometrischen
Bedingungen erfolgen kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird über das Abzweigrohr
9 Verbrennungsluft aus dem Abgasrohr 14 abgezweigt und in die Rückströmzone 13 eingeleitet,
so daß in der Rückströmzone eine den CO-Gehalt vermindernde Nachverbrennung der
Abgase durchgeführt werden kann.
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In nicht dargestellter Weise kann über das Rohr 9 oder über einen
zusätzlichen Einlaß aber auch ein staubförmiges Material in die Rückströmzone eingeleitet
werden, um auf diese Weise eine thermische Behandlung des Staubs durchzuführen.
Diese thermische Behandlung kann daher, wie bereits eingangs erläutert, z.
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B. ein Entwässern, Kalzinieren, Rösten, Oxidieren, Reduzieren usw.
zum Ziel haben, ebenso aber auch eine andere gewünschte Reaktion wie beispielsweise
die Entschwefelung von Abgasen. Dabei ist es möglich, den Staub über ein Röhrchen
einzublasen, das zentral am Ende 10 der Rohrleitung 9 angeordnet ist. Das Einblasen
des Staubes muß dabei nicht zentral erfolgen, denn es ist auch denkbar, daß die
Einblasung auf der Trennfläche zwischen der axialen Vor- und Rückströmung erfolgt.
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Im übrigen kann auch bei der thermischen Behandlung von Stäuben über
das Rohr 9 nicht nur die Stäube selbst, sondern auch ein Anteil der erforderlichen
Verbrennungsluft bzw. des erforderlichen Brennstoffs in die Rückströmzone eingeleitet
werden, um den Behandlungsvorgang optimal zu gestalten.
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Das Abzweigrohr 9 muß außerdem nicht seitlich in den Brennraum 2
eingeführt werden. Die Einführung kann auch zentral erfolgen, und beispielsweise
kann das Rohr durch die Brennerkonstruktion verlaufen. Im letzteren Fall muß am
Ende des Rohrs 9 eine Vorrichtung zur Umlenkung des eingeführten Mediums vorgesehen
sein.