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WO2025114047A1 - Vormisch-verbrennungsverfahren und vormischbrenner sowie steuerung und computerprogramm - Google Patents

Vormisch-verbrennungsverfahren und vormischbrenner sowie steuerung und computerprogramm Download PDF

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WO2025114047A1
WO2025114047A1 PCT/EP2024/082598 EP2024082598W WO2025114047A1 WO 2025114047 A1 WO2025114047 A1 WO 2025114047A1 EP 2024082598 W EP2024082598 W EP 2024082598W WO 2025114047 A1 WO2025114047 A1 WO 2025114047A1
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WO
WIPO (PCT)
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fuel
air
premixing
air mixture
premixing zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/082598
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Mack
Nico RUESS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Weishaupt Se
Original Assignee
Max Weishaupt Se
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102024103003.8A external-priority patent/DE102024103003A1/de
Application filed by Max Weishaupt Se filed Critical Max Weishaupt Se
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Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/46—Details
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2201/00—Staged combustion
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07001—Air swirling vanes incorporating fuel injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D2900/14—Special features of gas burners
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a combustion method for burning a premixed fuel-air mixture. Furthermore, the invention relates to a premix burner. Finally, the invention relates to a control system and a computer program for such a premix burner.
  • the invention is in the field of combustion processes for burning, in particular, gaseous fuel for buildings, ships, trade and industry, as well as in the field of burners for carrying out such
  • premix burners which completely premix a fuel-air mixture before it is discharged into a combustion chamber where a flame develops
  • diffusion burners in which air and fuel are introduced separately into the combustion chamber, where they are then mixed for combustion.
  • [14] describes a burner for a very specific purpose, namely the pretreatment of various steel components before a hot-dip galvanizing process.
  • the burner can be operated either in a diffusion burner mode, in which fuel and air are fed separately to the combustion chamber, or in a premix mode, where air and fuel are premixed to form a fuel-air mixture with excess air and then introduced into the combustion chamber.
  • [13] describes a burner for gas turbines with a premixing device in which a non-ignitable fuel-air mixture is generated, and with a fuel lance that extends into the combustion chamber and adds further fuel to immediately generate a flame.
  • the aim is to exploit the advantages of Premix burners and muzzle burners (ie diffusion burners) are combined.
  • premix burners in which a fuel-air mixture is premixed before being added to a combustion chamber, have already been used to achieve low NOx emissions. All known premix burners initially produce a rich mixture, which is then leaned out by adding air. However, with the burners known to date for the above-mentioned applications, NOx emissions can only be achieved up to a certain limit.
  • the object of the invention is to provide methods and devices that enable stable combustion of gaseous fuel with ultra-low NOx production.
  • the invention provides the combustion method according to claim 1.
  • a premix burner as well as a control system and a computer program therefor are the subject of the further independent claims.
  • the invention provides a combustion method for burning a fuel-air mixture (mixture of gaseous fuel and air), comprising: a) complete premixing of 100% of an air flow provided for combustion with (gaseous) fuel, wherein step a) comprises: b) adding a first portion of the fuel to the air flow in a first premixing zone, so that a lean fuel-air mixture that is not yet ignitable is formed; and c) admixing one or more remaining portions of the fuel to the lean fuel-air mixture in at least one further premixing zone, which is spaced apart from the first premixing zone in the flow direction to produce an ignitable fuel-air mixture with excess air, wherein step c) comprises: d) swirling the fuel-air mixture.
  • the completely premixed fuel-air mixture flows through an outlet opening into a combustion chamber and is burned there with a flame.
  • all of the air provided for combustion is fully premixed; in particular, homogeneous mixing occurs.
  • a homogeneous, ignitable fuel-air mixture is produced in which fuel and air are homogeneously or evenly distributed throughout. In other words, there are no zones with a lower or higher fuel concentration in the fuel-air mixture thus produced, in particular no zones of pure air without fuel.
  • thorough mixing is first carried out in at least one first premixing zone, with sufficient fuel being supplied to create a lean fuel-air mixture that is not yet ignitable, but preferably already completely or largely homogeneous.
  • a second premixing zone fuel is supplied in such a way that a preferably still lean, but ignitable homogeneous fuel-air mixture is produced.
  • the homogeneous fuel-air mixture with an excess of air is present. This then flows through the outlet opening area from the premixing device into the combustion chamber.
  • the combustion method comprises the step of generating the air flow by means of a fan.
  • the combustion method comprises the step of preheating the air flow, in particular by means of a heat exchanger using exhaust gas heat. In some embodiments, the combustion method includes the step of adjusting the speed of the air flow.
  • the combustion method includes the step of adjusting the fuel distribution to the premixing zones.
  • the combustion method comprises the step of generating a main flame from the fuel-air mixture after it has left a combustion head in the combustion chamber.
  • the combustion method comprises the step of stabilizing the main flame generated with the ignitable fuel-air mixture by means of a primary flame.
  • the combustion method comprises the step of providing a larger exit cross-section for the ignitable fuel-air mixture to a combustion chamber in full load operation and a smaller exit cross-section for the ignitable fuel-air mixture in part load operation.
  • the combustion method comprises the step of dividing the fuel-air mixture over an outlet region with a fixed outlet cross-section and an outlet region with a controllable outlet cross-section and controlling the controllable outlet cross-section depending on the combustion power to be generated.
  • the combustion process and in particular step a) comprises the step of generating a homogeneous ignitable fuel-air mixture in which there is an equal distribution of fuel and air over the entire flow cross-section at least at the end of the last premixing zone.
  • step b) comprises the step of: supplying 10% to 80% of the fuel in the first premixing zone.
  • step b) comprises the step of: supplying 30% to 70% of the fuel in the first premixing zone.
  • step b) comprises the step of: supplying 40% to 60% of the fuel in the first premixing zone.
  • Particularly preferred is approximately equal proportions of the fuel distributed among the premixing zones.
  • the fuel is added successively and thoroughly mixed until a homogeneous, ignitable fuel-air mixture with excess air is formed.
  • step b) comprises the step of supplying fuel via at least one or more hollow bodies.
  • the hollow bodies used include, in particular, a hollow body with nozzles distributed over its surface, a hollow body with a perforated surface, a perforated gas tube, a gas tube with lateral bores, a gas tube extending transversely to the flow direction with bores, a gas tube extending longitudinally to the flow direction with bores, a partially annular perforated hollow body, an annular perforated hollow body, a hollow annular body - preferably extending with its central axis in the flow direction - with bores on at least one inwardly directed cylindrical surface and/or at least one outwardly directed cylindrical surface, a hollow swirl vane with bores, and a hollow body that combines several properties of the aforementioned hollow bodies.
  • step b) comprises the step of:
  • step b) comprises the step of:
  • step c) comprises the step of admixing the remaining portion in a second premixing zone.
  • step c) comprises the step of admixing the remaining portion in a second and a third premixing zone.
  • step c) comprises the step of admixing a proportion of 1% to 15% of the fuel in a primary flame generation device to generate a primary flame.
  • the fuel proportion for the primary flame is between approximately 5% and approximately 15%.
  • a proportion of less than 10% of the fuel is admixed in the primary flame generation device, for example approximately 4, 5, 6, or 7%.
  • Approximately values mean, in particular, all values enclosed by a number rounded to the nearest whole number. For example, “approximately 5%” therefore includes, in particular, values between 4.50% and 5.49%.
  • step c) comprises the step of:
  • the hollow body for mixing in the at least one further premixing zone is, according to some embodiments, also in particular a hollow body with nozzles distributed over its surface, a hollow body with a perforated surface, a perforated gas pipe, a gas pipe with lateral bores, a gas pipe extending transversely to the flow direction with bores, a gas pipe extending longitudinally to the flow direction with bores, a partially annularly extending perforated hollow body, an annularly perforated hollow body, a hollow annular body - preferably extending with its central axis in the flow direction - with bores on at least one inwardly directed cylinder surface and/or at least one outwardly directed cylinder surface, a hollow swirl vane with holes and a hollow body that combines several properties of the aforementioned hollow bodies.
  • step c) comprises the step of admixing fuel via at least one opening in a baffle plate.
  • step d) comprises the step of generating opposing swirls on the fuel-air mixture in different annular regions of the at least one further premixing zone.
  • step d) comprises the step:
  • step d) comprises the step of creating a swirl prior to admixing.
  • step d) comprises the step of generating a swirl during the mixing.
  • step d) comprises the step of generating a swirl by means of gas-conducting and perforated swirl vanes.
  • Particularly preferred embodiments optionally provide for the possible combustion of liquid fuel.
  • a choice is provided between a mode for burning gaseous fuel according to one of the above embodiments and a mode for burning liquid fuel.
  • liquid fuel can also be burned in addition to the combustion of the gaseous fuel according to one of the aforementioned embodiments.
  • the invention provides a premix burner comprising a flame tube, an air supply device for providing the entire air flow for combustion to the flame tube; a premixing device which is configured to receive 100% of the air flow from the air supply device and to premix it with fuel before it exits the flame tube, and a swirl device, wherein the premixing device comprises a first fuel supply device with control means which is configured to add a first portion of the fuel to the air flow in a first premixing zone so that a lean fuel-air mixture which is not yet ignitable is produced, and at least one further fuel supply device with control means which is configured to add the remaining portion(s) of the fuel to the lean fuel-air mixture in at least one further premixing zone which is spaced apart from the first premixing zone in the flow direction in order to produce an ignitable fuel-air mixture with an excess of air, wherein the swirl device is designed at least to swirl the mixture produced in the at least one second premixing zone.
  • the flame tube has an outlet opening area which is
  • control means are mechatronic control means in which an electronic, in particular computer-implemented, control unit, for example designed as part of an overall control system (e.g. combustion manager) with processor and memory with correspondingly loaded software, is combined with mechanical control elements, such as flaps, actuators, slides or fixed or variable flow cross sections.
  • an electronic, in particular computer-implemented, control unit for example designed as part of an overall control system (e.g. combustion manager) with processor and memory with correspondingly loaded software, is combined with mechanical control elements, such as flaps, actuators, slides or fixed or variable flow cross sections.
  • the flame tube has a cylindrical shell. In some embodiments, the flame tube has an inlet opening arranged to receive 100% of the air flow and In some embodiments, the flame tube has a taper near a downstream end. In some embodiments, the flame tube has an outlet cross-section adjustment device for adjusting the outlet cross-section of a portion of an outlet opening region. In some embodiments, the flame tube has at least one slide for variably adjusting an outlet cross-section of the flame tube.
  • the air supply device has a fan for generating the air flow. In some embodiments, the air supply device has a preheating device for preheating the air flow. In some embodiments, the air supply device has an exhaust gas heat exchanger for preheating the air flow with exhaust gas heat. In some embodiments, the air supply device has an exhaust gas supply device for supplying exhaust gas to the air flow. In some embodiments, the air supply device has control means for controlling the air flow. In some embodiments, the control means of the air supply device are also mechatronic control means as explained above.
  • control means for example, in a computer-implemented control of the premix burner, a control routine is provided as part of the control software, with which a fan of the air supply device and/or air flaps or the like are controlled.
  • the air supply device has a control interface that can be connected to a control of the premix burner or a higher-level control.
  • the premixing device comprises the first premixing zone and a second premixing zone spaced therefrom in the flow direction. In some embodiments, the premixing device comprises a first, second, and third premixing zone that follow one another in the flow direction. In some embodiments, the premixing device comprises fixed or variable fuel flow cross-sections for distributing the portions of fuel to the first and each further fuel supply device. In some embodiments The premixing device has an adjustment device for adjusting a fuel distribution. In some embodiments, the premixing device has a fuel distribution ring for distributing fuel to the plurality of premixing zones. In some embodiments, the premixing device has control means (in particular mechatronic control means as described above) for controlling the fuel supply. In some embodiments, the premixing device has a control interface connectable to a controller.
  • the first fuel supply device has an inflow cross-section that is dimensioned relative to an inflow cross-section of the at least one further fuel supply such that the predetermined first portion of the fuel flows through the first fuel supply device.
  • the first fuel supply device has an adjustment device for adjusting the inflow cross-section.
  • the first fuel supply device has at least one or more hollow bodies for supplying the fuel.
  • the hollow bodies used for the first fuel supply device include, in particular, a hollow body with nozzles distributed over its surface, a hollow body with a perforated surface, a perforated gas pipe, a gas pipe with lateral bores, a gas pipe extending transversely to the flow direction and having bores, a gas pipe extending longitudinally to the flow direction and having bores, a perforated hollow body extending partially in a ring shape, an annular perforated hollow body, a hollow annular body—preferably extending with its central axis in the flow direction—with bores on at least one inwardly directed cylinder surface and/or at least one outwardly directed cylinder surface, a hollow swirl vane with bores, and a hollow body that combines several properties of the aforementioned hollow bodies.
  • the first fuel supply device has computer-implemented control means for controlling the fuel supply. For example, these are provided as part of control software in a control system for the premix burner.
  • the one or more further fuel supply devices have an inflow cross-section that is dimensioned relative to the inflow cross-section of the first fuel supply such that the predetermined further portion of the fuel flows through the respective further fuel supply device.
  • the one or more further fuel supply devices have a second fuel supply device in a second premixing zone.
  • the one or more further fuel supply devices have a third fuel supply device in a third premixing zone.
  • the one or more further fuel supply devices have a pilot flame fuel supply device for supplying a portion of the fuel to a pilot flame that is at least a factor of 3 smaller than the portions of the first fuel supply and a second fuel supply. In some embodiments, the one or more further fuel supply devices have an adjustment device for adjusting an inflow cross-section of the further fuel supply. In some embodiments, the one or more further fuel supply devices each have at least one or more hollow bodies for admixing the further fuel components.
  • the hollow bodies of the respective further fuel supply device can be, in particular, a hollow body with nozzles distributed over its surface, a hollow body with a perforated surface, a perforated gas pipe, a gas pipe with lateral bores, a gas pipe extending transversely to the flow direction with bores, a gas pipe extending longitudinally to the flow direction with bores, a partially annularly extending perforated hollow body, an annularly perforated hollow body, a hollow annular body - preferably extending with its central axis in the flow direction - with bores on at least one inwardly directed cylinder surface and/or at least one outwardly directed cylinder surface, a hollow swirl vane with bores, and a A hollow body that combines several properties of the aforementioned hollow bodies is used.
  • the one or more additional fuel supply devices have computer-implemented control means for controlling the fuel supply. These are also provided, for example, as part of the control software in the control system of the premix burner
  • the swirl device has a swirl unit for swirling the air flow entering the first premixing zone.
  • the swirl device has a counter-swirl device for generating swirl with opposite swirl directions in different annular zones of the flame tube.
  • the swirl device has a first swirl unit in or upstream of the first premixing zone and at least one further swirl unit in the transition to or in a further premixing zone.
  • the swirl device has an inner arrangement of swirl vanes and an outer arrangement of swirl vanes.
  • the swirl device has swirl vanes designed as hollow bodies with nozzles for supplying fuel.
  • the swirl device has a primary flame swirl unit on a baffle plate.
  • the premix burner further comprises a baffle plate for stabilizing a primary flame.
  • the premix burner further comprises liquid fuel nozzles for discharging liquid fuel into a combustion chamber downstream of the flame tube.
  • the premix burner further comprises a controller with a processor and memory.
  • the premix burner further comprises control means for controlling the ratio of fuel to air flow.
  • the control means are preferably mechatronic control means.
  • the premix burner further comprises a controller configured to cause the premix burner to perform one of the embodiments of the combustion method explained above.
  • the invention provides a control system for a premix burner according to one of the preceding embodiments, which is designed to cause the premix burner to automatically carry out one of the embodiments of the combustion method explained above.
  • the invention provides a computer program comprising instructions which cause a premix burner according to one of the preceding embodiments to carry out the combustion method according to one of the embodiments explained above.
  • nitrogen oxides in combustion are generally divided into three types according to their sources and formation mechanism: thermal NOx, fuel NOx, and prompt NOx.
  • Thermal NOx is formed at relatively high temperatures through the oxidation of nitrogen contained in the air. This is the only area where previous combustion concepts for NOx reduction have been applied (see [11]).
  • the source of fuel NOx is the nitrogen bound in the fuel. This proportion depends on the fuel used and cannot be reduced if a predetermined fuel, such as ammonia or biogas, is to be burned. However, the proportion of fuel NOx is subordinate and very small for some gaseous fuels, such as natural gas.
  • Premix burners according to the invention and their advantageous embodiments also reduce the formation of prompt NOx, so that NOx reduction beyond the previously possible level is now achievable.
  • the invention In order to achieve levels significantly below 50 mg NOx per standard cubic meter when burning gaseous fuels such as natural gas, the invention also takes prompt NOx into account.
  • 100 percent of the combustion air flow is passed through a premixing region of a burner, in which at least a first premixing zone and a second premixing zone are spaced apart in the flow direction.
  • fuel gas
  • the combustion air ratio A is greater than 2.
  • the downstream second (or a third or further) premixing zone which is still located in the premixing region through which the combustion air is passed, a further portion of the fuel is mixed in such a way that an ignitable mixture is now formed.
  • excess air is still used in order to cool the flame and reduce the generation of thermal NOx.
  • the ignitable mixture is still lean with a combustion air ratio A greater than 1. Swirl is generated to achieve good mixing.
  • the ignitable mixture is directed through a flow cross-sectional area—the outlet opening area—which in some designs can be reduced for partial load operation, to the combustion chamber (also called the combustion chamber). There, the flame is generated.
  • the combustion process according to advantageous embodiments of the invention does not require metal grids or other measures to prevent flame penetration.
  • Ignitable fuel mixture is only formed in the last premixing zone in the flow direction. There, the Maintain the flow velocity high enough to avoid flashbacks. If flashbacks do occur, the volume of the ignitable mixture is very small. This allows for a high flow velocity, allowing high combustion performance while still maintaining a stable combustion process despite extremely low NOx generation.
  • a complete premixing is carried out in such a way that fuel is first supplied to the air stream in a first premixing zone, so that the resulting mixture is not yet ignitable, and in at least one second premixing zone, which is still located in the premixing area within the air stream, further fuel is supplied until it is ignitable.
  • Preferred embodiments relate to a combustion process as outlined above, which can be carried out, for example, with a corresponding design and control of a premix burner.
  • advantageous embodiments include a corresponding control of a premix burner.
  • Further embodiments relate to a premix burner that is configured (i.e., not only suitable, but actually configured) for carrying out the combustion process with corresponding premixing zones, fuel feeds, and control means, in particular at least partially computer-implemented control means.
  • Fig. 1 is a block diagram showing a premixed combustion process with ultra-low NOx production and some components of a premixed burner configured to carry out the combustion process according to advantageous embodiments;
  • Fig. 2 is an axial longitudinal section through a burner head of a first embodiment of a premix burner for carrying out the combustion process;
  • Fig. 3 is an axial longitudinal section through a burner head of a second embodiment of a premix burner for carrying out the combustion process
  • Fig. 4 is a block diagram illustrating an embodiment of the combustion process at full load that can be carried out with the premix burner having the burner head according to Fig. 2;
  • Fig. 5 is a block diagram illustrating an embodiment of the combustion process at partial load that can be carried out with the premix burner having the burner head according to Fig. 2;
  • Fig. 6 is a perspective view of a premixing device for a burner head of a premixing burner according to a further embodiment for carrying out the combustion method;
  • Fig. 7 is an axial longitudinal section through the burner head with the premixing device of Fig. 6 in a setting for full load operation, showing an air flow and profiles of fuel and fuel-air mixtures;
  • Fig. 8 is an axial longitudinal section through the burner head similar to Fig. 6 in a setting for partial load operation, showing fuel profiles, showing a variant of the premixing device;
  • Fig. 9 is a perspective view of the premixing device of the burner head of Fig. 8;
  • Fig. 10 is a perspective view of a dual-fuel gas/liquid fuel mixing device with fuel distribution for a burner head with the premixing device according to Figs. 8 and 9;
  • Fig. 11 shows a section through a burner head with a mixing device in dual-component design, which has the premixing device according to Fig. 8 or Fig. 9 and a central atomizing nozzle for liquid fuel.
  • Figures 1, 4 and 5 show block diagrams of a combustion process for burning a fuel-air mixture in which gaseous fuel is premixed with air.
  • the complete premixing step comprises the following steps:
  • At least the step of mixing further includes the step:
  • first premixing zone 14.1 and a second premixing zone 14.2 are provided.
  • a completely homogeneous, ignitable fuel-air mixture 18 with excess air is created by admixing fuel in several premixing zones and rotating them. At least in the area of an outlet opening 70 for the fuel-air mixture 18 to flow into a combustion chamber 60, the fuel is distributed across the entire flow cross-section with a uniform concentration in the air.
  • such "homogeneous premixing" in the second/final premixing zone prevents or at least significantly reduces the formation of prompt NOx.
  • Preferred embodiments of the process are further characterized by the fact that a possibility for the combustion of liquid fuels can be integrated.
  • the first premixing zone 14.1 is assigned a first fuel supply device 20.1, which is controlled by suitable control means, which comprise actuators 22 and an electronic control unit 24, such that the first portion A.1 of fuel 12 is supplied to the air stream 10 such that the not yet ignitable lean fuel-air mixture 16 is formed in the first premixing zone 14.1.
  • suitable control means which comprise actuators 22 and an electronic control unit 24, such that the first portion A.1 of fuel 12 is supplied to the air stream 10 such that the not yet ignitable lean fuel-air mixture 16 is formed in the first premixing zone 14.1.
  • Each further premixing zone 14.n is assigned a further fuel supply device 20.n, which is also controlled by the control means such that the remaining portion(s) An of fuel 12 is supplied to the lean fuel-air mixture 16 such that the ignitable fuel-air mixture 18 with excess air is formed at least in the last further premixing zone 14.n in the flow direction.
  • a swirl unit 26 of a swirl device 28 is provided for swirling the fuel-air mixture 16, 18.
  • the other premixing zones 14.1 can also be provided with a swirl unit 26.
  • the respective fuel supply device 20.1, 20.n has at least one hollow body 30 for dispensing the fuel 12.
  • the hollow body 30 is in particular provided with nozzles or bores such that the fuel 12 is added to the premixing zone 14.1, 14.2 with the best possible distribution. This contributes to homogeneous premixing.
  • Gas pipes 32 for example, are provided as hollow bodies 30, which can extend, for example, in the direction of flow or transversely to the direction of flow and preferably have bores distributed over their surface.
  • ring elements 34 with a cylindrical inner and outer side, which have gas outlet openings distributed thereover, can be provided as hollow bodies 30.
  • swirl vanes 36 of the swirl device 28 are provided as hollow bodies 30, which have gas outlet openings distributed over their surface in order to supply or mix the gaseous fuel 12.
  • Fig. 1 also shows a premix burner 40 as a block diagram, which is designed to carry out the combustion process.
  • the premix burner 40 has a burner head 42 (also called a combustion head) with a flame tube 44 (omitted in Fig. 1 for clarity purposes but shown in Figs. 2, 6, 7 and 10), and a premixing device 46.
  • the premixing zones 14.1, 14.n are formed in the flame tube 44.
  • the premixing device 46 has the fuel supply devices 20.1, 20.n.
  • An air supply device 48 for providing the air flow 10 is formed, for example, by a fan 50.
  • the premix burner 40 further has an electronic control 52 with a processor 54 and memory 56.
  • a control routine is stored in the memory 56 as software (computer program).
  • the controller 52 controls the fan 50 and actuators of the premix burner 40 to perform the combustion process mentioned above. Controller 52 thus also provides at least part of the control means for the fuel supply as part of the control routine.
  • Fig. 1 also shows a combustion chamber 60 with the flame 62 generated during combustion downstream of the combustion head, as well as an optional exhaust gas recirculation system 64 for admixing exhaust gas to the inlet of the air supply device 48, and a likewise optional air heating device 66 for heating the combustion air.
  • the air upstream of the fan 50 is preheated with heat from the exhaust gas by means of an exhaust gas heat exchanger 68.
  • an outlet cross-section of the outlet opening region 70 for the ignitable fuel-air mixture 18 with excess air can optionally be changed by means of suitable actuators controllable by the controller 52.
  • the outlet opening region 70 has, for example, a fixed outlet cross-section region 70.1 and a variable outlet cross-section region 70.2 that can be changed by means of an actuator such as a movable air slide 72. This allows a larger outlet cross-section for the ignitable fuel-air mixture 18 to the combustion chamber 60 to be provided during full-load operation, and a smaller outlet cross-section for the ignitable fuel-air mixture to be provided during partial-load operation.
  • the fuel 12 is distributed—in particular by providing or adjusting flow cross sections of the corresponding gas supply lines 58.1, 58.n—in equal or optionally different proportions A1, An to the various premixing zones 14.1, 14.n.
  • the total amount of fuel 12 is controlled via the controller 52 according to the desired load and the air flow 12 adjusted for this purpose with the blower 50.
  • the combustion air flow—air flow 10— is 100 percent passed through a premixing region of the premixing burner 40, in which at least the first premixing zone 14.1 and a second premixing zone 14.2 are spaced apart from one another in the flow direction.
  • fuel 12 gas
  • the upstream first premixing zone 14.1 fuel 12 (gas) is supplied in such a way that the resulting mixture 16 is not ignitable.
  • the combustion air ratio A is greater than 2.
  • a further portion An of the fuel 12 is added in such a way that an ignitable mixture 18 is now formed.
  • excess air is still used in order to cool the flame 62 and reduce the generation of thermal NOx.
  • the ignitable mixture 18 is still lean with a combustion air ratio A greater than 1.
  • At least in the last premixing zone in the flow direction - optionally also in at least one or all of the other premixing zones 14.1, 14.2, 14.n - there is swirl generation in order to achieve good mixing.
  • the ignitable mixture 18 is conducted through an outlet opening region 70 to the combustion chamber 60, wherein the outlet cross-section of the outlet opening region 70 can be reduced in some embodiments for partial load operation.
  • Fig. 2 shows a first concrete embodiment of the burner head 42 of the premix burner 40. This embodiment is based on the burners shown in the literature [9] and [10], which are provided with the burner head 42 shown in Fig. 2 with the premixing device 46, wherein the software in the controller 52 referred to as the combustion manager in the literature [9] and [10] is set up accordingly to carry out the combustion process shown here.
  • the premixing device 46 shown in Fig. 2 has the first premixing zone 14.1, the second premixing zone 14.2, a third premixing zone 14.3, and a pilot flame generation zone 76.
  • the pilot flame generation region 76 has a conical slotted baffle plate 78, over which a portion of the lean fuel-air mixture 16 is passed to provide primary air for a pilot flame and which generates a primary swirl at this portion.
  • the first and second premixing zones 14.1, 14.2 each have perforated gas tubes 32 running in the flow direction and transversely to the flow direction.
  • the third premixing zone 14.3 has the gas-conducting swirl vanes 36.
  • the premix burner 46 shown in Fig. 2 can be provided for dual-fuel operation with secondary nozzles 80 for heating oil. Natural gas N is supplied to the premixing device 46 as fuel 12. Furthermore, an adjustment device 82 is provided for adjusting the distribution of the fuel 46 to the premixing zones 14.1, 14.2, 14.3.
  • Fig. 2 shows in particular an ultra-low NOx WK burner, for example designed as a gas and dual-fuel burner, for very high outputs, e.g. from 200 to 18,000 kW.
  • the premix burner 46 features the following NOx reduction technology for operation with natural gas N.
  • NOx reduction technology for operation with natural gas N.
  • the formation of prompt NOx is reduced, in contrast to the classic diffusion flame.
  • a high excess of air lowers the flame temperature. This reduces the formation of thermal NOx.
  • the premix flame is characterized by its compactness and short flame length.
  • fuel 12 is fed to the combustion air 10 and the lean fuel-air mixture 16 via gas pipes 32 (longitudinal and transverse to the burner axis) with bores.
  • gas pipes 32 longitudinal and transverse to the burner axis
  • fuel 12 is fed directly to the swirl flow of the fuel-air mixture 16 via fuel-carrying swirl vanes 36.
  • the then ignitable fuel-air mixture 18 leaves the combustion head 42 into the combustion chamber 60, in which the main flame generated by the fuel-air mixture 18 is stabilized and burned off by a primary flame.
  • the primary flame is stabilized by means of a conical slotted baffle plate 78 and a primary swirl.
  • a small portion (e.g., by an order of magnitude, at least by a factor of 3 to 10 smaller than the other portions) of the total fuel quantity is directed to the pilot flame generation area equipped with the baffle plate 78.
  • the primary flame (this can be a diffusion flame or a premixed flame) stabilizes the main flame.
  • Advantages of stabilization with the pilot flame include defined, constant ignition conditions for the premixed air/fuel volume 18; reliable ignition and process monitoring.
  • a parameter for the combustion process e.g. an ionization current of the primary flame
  • a fuel distribution ring 86 provides adjustment options for the fuel quantity supplied to the three premixing zones 14.1, 14.2, 14.3.
  • the fuel quantity can be adjusted via variable, adjustable blocking devices using screw threads in all inflow cross-sections of the supply pipes.
  • the outlet cross sections 70.1, 70.2 at the combustion head 42 are reduced towards partial load. This causes a pressure buildup and thus a flow velocity buildup and prevents the flame 62 from reigniting into the premixing zones 14.1, 14.n even in the partial load range.
  • the fuel is injected into the premixture via an arrangement of perforated pipe cross-sections and/or any hollow geometric bodies 30 with nozzles.
  • gas pipes 32 with holes and hollow swirl vanes 36, also with holes, are used as gas outlets.
  • Any additional atomisation unit can be operated with a NOx reduction technology known, for example, from burners from Max Weisberger GmbH, which are sold under the multiflam® brand, and which involves a conventional diffusion flame.
  • preheated combustion air can be supplied to the combustion head 42 via the optional exhaust gas heat exchanger 68.
  • flue gas recirculated from the boiler end via the combustion air fan can be mixed with the combustion air. This can reduce pollutant emissions.
  • Fig. 3 shows a second embodiment for the burner head 42 of the premix burner 40, which essentially corresponds to the first embodiment, but in a design with only a first and a second premixing zone 14.1, 14.2.
  • the gas pipes 32 which are arranged more centrally in the flow direction and which, in the first embodiment, form a central premixing zone arranged between the first and last premixing zones, are omitted in the second embodiment.
  • the second embodiment corresponds to the first embodiment, so that for further details, reference is made to the above description of the first embodiment.
  • Fig. 4 shows a block diagram for a purely exemplary full-load operation of the premix burner 40, in particular of the type shown in Fig. 2. More specifically, Fig. 4 shows simplified gas flows (fuel flows) G and air flows L for the premixing device 46 for an ultra-low NOx burner of the WK series, derived from the known burners according to [9] and [10] at full load VL.
  • Fig. 5 shows a block diagram for an exemplary partial-load operation of the same premix burner 40. More specifically, Fig. 5 shows simplified gas flows (fuel flows) B and air flows L for the premixing device 46 for an ultra-low NOx burner of the WK series, derived from the known burners according to [9] and [10] at partial load TL.
  • the block diagrams are self-explanatory considering the following labeling: B Gas flows
  • Figs. 4 and 5 are merely examples for the design of a specific burner. Depending on the design, the values - especially with the same ratios to one another - can deviate upwards or downwards, for example by a factor in the range of 0.3 - 4, in particular 0.5 - 2. In particular, the part load can vary. The values are calculated using standard volumes, assuming immediate ideal mixing. The values given are to be regarded as a rough estimate.
  • the illustrations in Figs. 4 and 5 provide a highly simplified representation of the processes in the premixing device 46.
  • premix burners 40 are explained with reference to Figures 6 to 11, which - due to the design of the fuel distribution and the computer-implemented control 52 - are set up to carry out combustion processes with ultra-low NOx reduction, taking prompt NOx into account, as explained above by way of example with reference to Figure 1.
  • Figs. 6 to 11 are designed in particular for a medium power range and are based in particular on known burners as explained in the references [7] and [8], wherein instead of the burner heads or combustion heads shown there, the embodiments of burner heads 42 with the premixing devices 46 explained below with reference to Figs.
  • Fig. 6 shows the premixing device 46 in a variant without the flame tube 44
  • Fig. 7 shows the premixing device 46 in the burner head 42 with flame tube 44 and air or mixture flows L as well as fuel flows B in a setting for full load operation
  • Fig. 8 shows the burner head 42 with flame tube 44 and premixing device 46 in a slightly modified variant in a setting for partial load operation, with fuel flows B indicated.
  • Fig. 9 shows a further variant of the premixing device 46 and Figs. 10 and 11 show optional designs of the burner head 42 with the premixing device 46 for dual-fuel operation (gas/liquid fuel such as oil).
  • the fuel feeds 20.1, 20.2 each comprise, as hollow bodies 30, a central perforated gas tube 32, and an annular body 34 with a cylindrical inner wall and a cylindrical outer wall, both of which have gas outlet openings distributed over their surfaces.
  • only one of the fuel feeds, for example, the second fuel feed 20.2, is provided with the annular body 34, while the first fuel feed has gas tubes that extend, for example, radially transversely to the flow direction.
  • the swirl device 28 has at least one, preferably several
  • a first swirl unit 26.1 is provided in or preferably upstream of the first premixing zone 14.1 and at least one second swirl unit 26.2, 26.n is provided in the transition to or in the further second premixing zone 20.2, 20.n.
  • a third swirl unit 26.3 is provided (e.g. at an inlet opening 98 of a casing 96 of a bluff body), which is omitted in the other variants shown in Figs. 8 to 11.
  • each swirl unit 26.1, 26.2 designed as a counter-swirl device 88 has an inner arrangement 90 of swirl vanes 92.1 (here designed as simple sheets without internal gas guidance) and an outer arrangement 92 of swirl vanes 92.2.
  • the inner swirl vanes 92.1 are equipped with opposite pitch/inclination to the outer swirl vanes 92.2.
  • Fig. 7 shows the extent of the first premixing zone 14.1, in which non-ignitable lean fuel-air mixture 16 is formed, and the second premixing zone 14.2, in which ignitable fuel-air mixture 18 with excess air is formed homogeneously.
  • the burner head 42 is further provided, as explained above with respect to the embodiment of Fig. 2, with the pilot flame generation region 76 with the swirl-generating baffle plate 78.
  • a conical shroud 96 is provided near the outlet of the flame tube 44.
  • the outlet opening region 70 is formed between the conical shroud 96 and the mouth of the flame tube 44.
  • the shroud 96 is movable and thus forms the air slide 72 for adjusting the outlet cross-section 70.1, 70.2 of the outlet opening region 70.
  • the shroud 96 has an inlet opening 98 for the mixture to supply the pilot flame.
  • the cross-section of the inlet opening 98 is smaller than the cross-section between the upstream end of the shroud and the flame tube. Due to the narrowing of the flow cross-section between shroud 96 and flame tube, as well as due to the exit cross-section of the exit opening area 70, a high velocity develops near the end of the combustion head, preventing backfiring into the second premixing zone 14.2. Should backfiring occur, contrary to expectations, the ignitable mixture 18 is only present in the second premixing zone 14.2, so that only a very small critical mass is present.
  • Fig. 8 further illustrates a self-centering mechanism 180 for the premixing device 46, which simplifies assembly. Furthermore, a gas guide 181, improved compared to previously known burners, is shown for uniform pressure distribution. There is no gas/air mixture in a swivel flange area 182, which is leaky due to its function (not shown in detail, as this is already known in principle from [8] and [9]).
  • Fig. 10 shows an optional dual-fuel gas/liquid fuel (e.g., oil) design.
  • a fuel divider 184 for liquid fuel such as oil is also shown, as is already generally known in multiflam® burners.
  • a central atomizing nozzle 186 can also be provided, for example, in the center of the baffle plate 78, as shown in Fig. 11.
  • step a) comprises: b) adding a first portion (A.1) of the fuel (12) to the air flow (10) in a first premixing zone (14.1) so that a lean fuel-air mixture (16) which is not yet ignitable is produced; and c) admixing one or more remaining portions (An) of the fuel (12) to the lean fuel-air mixture (16) in at least one further premixing zone (14.n) which is spaced apart from the first premixing zone (14.1) in the flow direction in order to produce an ignitable fuel-air mixture (18) with an excess of air, wherein step c) comprises: d) swirling the fuel-air mixture (18) produced in the at least one further premixing zone (14.n).
  • Burner head combustion head
  • Control (example of electronic part of the control means)

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

Um eine sichere Verbrennung mit ultrageringer NOx-Erzeugung zu ermöglichen, schafft die Erfindung ein Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches (ausgenommen in Gasturbinen), umfassend: a) vollständiges Vormischen von 100% einer für die Verbrennung zur Verfügung gestellten Luftströmung (10) mit (gasförmigen) Brennstoff (12), wobei Schritt a) umfasst: b) Zufügen eines ersten Anteils (A.1 ) des Brennstoffs (12) zu der Luftströmung (10) in einer ersten Vormischzone (14.1 ), so dass ein noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luftgemisch (16) entsteht; und c) Zumischen eines oder mehrerer verbleibender Anteile (A.n) des Brennstoffs (12) zu dem mageren Brennstoff-Luftgemisch (16) in wenigstens einer weiteren Vormischzone (14. n), die zu der ersten Vormischzone (14.1 ) in Strömungsrichtung beabstandet ist, um ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch (18) mit Luftüberschuss zu erzeugen, wobei Schritt c) umfasst: d) Verdrehen des in der wenigstens einen weiteren Vormischzone (14.n) entstehenden Brennstoff-Luftgemischs (18). Weiter wird ein entsprechend zum Durchführen einer solchen Vormischung und Verbrennung eingerichteter Vormischbrenner (40) vorgeschlagen.

Description

Vormisch-Verbrennungsverfahren und Vormischbrenner sowie Steuerung und Computerprogramm
Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches mit Vormischung. Weiter betrifft die Erfindung einen Vormischbrenner. Schließlich betrifft die Erfindung eine Steuerung sowie ein Computerprogramm für einen solchen Vormischbrenner
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Verbrennungsverfahren zum Verbrennen von insbesondere gasförmigem Brennstoff für Gebäude, Schiffe, Gewerbe und Industrie sowie auf dem Gebiet von Brennern zum Durchführen solcher
Verbrennungsverfahren, wie sie insbesondere in [6] bis [10] beschrieben sind.
Zum technologischen Hintergrund wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:
[1] DE 4329 971 A1
[2] DE 36 06 625 A1
[3] DE 1 264 668 B
[4] US 2007/0207426 A1
[5] US 2004/0018461 A1
[6] WO 2018/141647 A1
[7] „Fachinformation Monoblock Brenner - Weishaupt Brenner monarch® - WM30 350 bis 6.200 kW‘, Firmenbroschüre der Max Weishaupt GmbH, download am 30.11 .2023 unter https://www.weishaupt.de/uploads/tx_weishaupt_documents/documents/8 3211601.pdf
[8] Webseite der Max Weishaupt GmbH, Produktinformation Weishaupt Brenner Baureihe WM monarch®, download am 30.11 .2023 unter https://www.weishaupt.de/produkte/brenner/weishaupt-brenner- typenreihe-wm-monarchr-55-12000-kw [9] Weishaupt Brenner WKmono, Firmenbroschüre der Max-Weishaupt GmbH, download am 30.11.2023 unter https://www.weishaupt.de/uploads/tx_weishaupt_documents/documents/8 3216401.pdf
[10] Weishaupt Industriebrenner WK, Firmenbroschüre der Max-Weishaupt GmbH, download am 30.11.2023 unter https://www.weishaupt.de/uploads/tx_weishaupt_documents/documents/8 3159801.pdf
[11] Informationsblatt Nr. 66 des Bundesverbands der Deutschen Heizungsindustrie (BDH), download am 30.11.2023 unter https://www.bdh- industrie.de/fileadmin/user_upload/Publikationen/lnfoblaetter/lnfoblatt_Nr_ 66_NOx-Emission_Feuerungsanlagen_022020.pdf
[12] Wikipedia: Stickoxide; download am 30.11.2023 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Stickoxide
[13] DE 43 30 160 A1
[14] WO 2021/250517 A1
Gemäß [14] werden Vormischbrenner, die ein Brennstoff-Luftgemisch vollständig vor der Abgabe in einen Feuerraum, in dem sich eine Flamme ausbildet, vormischen und Diffusionsbrenner unterschieden, bei denen Luft und Brennstoff getrennt in den Feuerraum eingeleitet werden, wo dann die Vermischung zur Verbrennung stattfindet. [14] beschreibt einen Brenner für einen ganz bestimmten Zweck, nämlich zur Vorbehandlung unterschiedlicher Stahlbauteile vor einem Heißtauchgalvanisierverfahren. Der Brenner kann entweder in einem Diffusionsbrennermodus, in dem Brennstoff und Luft getrennt zu dem Feuerraum geleitet werden, oder in einem Vormischmodus betrieben werden, wo Luft und Brennstoff zu einem Brennstoff-Luftgemisch mit Luftüberschuss vorgemischt wird und dann in den Feuerraum eingeleitet wird.
[13] beschreibt einen Brenner für Gasturbinen mit einer Vormischeinrichtung, in der ein noch nicht zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch erzeugt wird, und mit einer Brennstofflanze, die in den Feuerraum hineinragt und dort weiteren Brennstoff zufügt, um unmittelbar eine Flamme zu erzeugen. Es sollen so die Vorteile von Vormischbrennern und Mündungsbrennern (d.h. Diffusionsbrennern) vereinigt werden.
Bisher wurden gemäß [6] bereits Vormischbrenner, bei denen ein Brennstoff- Luftgemisch vor dem Zufügen zu einem Flammraum vorgemischt wird, eingesetzt, um geringe NOx-Emissionen zu erreichen. Bei allen bekannten Vormischbrennern wird dabei zunächst ein fettes Gemisch erzeugt, das durch Zugabe von Luft abgemagert wird. Allerdings lassen sich mit den bisher für die oben genannten Einsatzzwecke bekannten Brennern NOx-Emissionen nur bis zu einer bestimmten Grenze erreichen.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Verfahren und Vorrichtungen bereit zu stellen, mit denen eine stabile Verbrennung von gasförmigem Brennstoff mit ultrageringer NOx-Erzeugung ermöglicht ist.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung das Verbrennungsverfahren gemäß Anspruch 1 . Ein Vormischbrenner sowie eine Steuerung und ein Computerprogramm hierfür sind Gegenstand der weiteren unabhängigen Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt davon ein Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches (Gemisch aus gasförmigem Brennstoff und Luft) umfassend: a) vollständiges Vormischen von 100% einer für die Verbrennung zur Verfügung gestellten Luftströmung mit (gasförmigen) Brennstoff, wobei Schritt a) umfasst: b) Zufügen eines ersten Anteils des Brennstoffs zu dem Luftstrom in einer ersten Vormischzone, so dass ein noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff- Luftgemisch entsteht; und c) Zumischen eines oder mehrerer verbleibender Anteile des Brennstoffs zu dem mageren Brennstoff-Luftgemisch in wenigstens einer weiteren Vormischzone, die zu der ersten Vormischzone in Strömungsrichtung beabstandet ist, um ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch mit Luftüberschuss zu erzeugen, wobei Schritt c) umfasst: d) Verdrallen des Brennstoff-Luftgemischs.
Das so vollständig vorgemischte Brennstoff-Luftgemisch strömt über einen Austrittsöffnungsbereich in einen Feuerraum zu und wird dort mit einer Flamme verbrennt.
Bei Ausführungsformen der Erfindung wird die gesamte zur Verbrennung zur Verfügung gestellte Luft vollständig vorgemischt; insbesondere erfolgt ein homogenes Vermischen. Bei einigen Ausführungsformen wird ein homogenes zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch erzeugt, bei dem überall Brennstoff und Luft homogen oder gleichmäßig verteilt sind. Mit anderen Worten gibt es in dem so erzeugten Brennstoff-Luftgemisch keine Zonen mit geringerer Brennstoffkonzentration oder größerer Brennstoffkonzentration, insbesondere keine Zonen reiner Luft ohne Brennstoff. Um eine vollständige Vormischung zu erreichen, wird zunächst eine gute Vermischung in wenigstens einer ersten Vormischzone durchgeführt, wobei so viel Brennstoff zugeführt wird, dass ein noch nicht zündfähiges, aber vorzugsweise bereits vollständig oder weitgehend homogenes mageres Brennstoff-Luftgemisch entsteht. In einer zweiten oder bei mehr als zwei Vormischzonen insbesondere in der letzten Vormischzone wird Brennstoff so zugeführt, dass ein vorzugsweise immer noch mageres, aber zündfähiges homogenes Brennstoff-Luftgemisch entsteht. Nach der letzten Vormischzone und dem Verdrehen liegt insbesondere das homogene Brennstoff- Luftgemisch mit Luftüberschuss vor. Dieses strömt dann über den Austrittsöffnungsbereich aus der Vormischeinrichtung in den Feuerraum.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Erzeugen der Luftströmung mittels eines Gebläses.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Vorwärmen der Luftströmung, insbesondere mittels eines Wärmetauschers unter Nutzung von Abgaswärme. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Einstellen der Geschwindigkeit der Luftströmung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Einstellen der Brennstoffaufteilung auf die Vormischzonen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Erzeugen einer Hauptflamme aus dem Brennstoff-Luftgemisches, nachdem dieses einen Flammkopf verlassen hat, in dem Feuerraum.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Stabilisieren der mit dem zündfähigen Brennstoff-Luftgemisch erzeugten Hauptflamme mittels einer Primärflamme.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Bereitstellen eines größeren Austrittsquerschnitts für das zündfähige Brennstoff- Luftgemisch zu einem Feuerraum in einem Vollastbetrieb und eines kleineren Austrittsquerschnitts für das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch in einem Teillastbetrieb.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren den Schritt: Aufteilen des Brennstoff-Luftgemischs über einen Austrittsbereich mit festgelegten Austrittsquerschnitt und einen Austrittsbereich mit steuerbaren Austrittsquerschnitt und Steuern des steuerbaren Austrittsquerschnitts abhängig von der zu erzeugenden Verbrennungsleistung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbrennungsverfahren und insbesondere Schritt a) den Schritt: Erzeugen eines homogenen zündfähigen Brennstoff-Luftgemischs, bei dem zumindest am Ende der letzten Vormischzone über den gesamten Strömungsquerschnitt eine gleiche Verteilung von Brennstoff und Luft vorliegt. In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt b) den Schritt: Zuführen von 10% bis 80% des Brennstoffs in der ersten Vormischzone.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt b) den Schritt: Zuführen von 30% bis 70% des Brennstoffs in der ersten Vormischzone.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt b) den Schritt: Zuführen von 40% bis 60% des Brennstoffs in der ersten Vormischzone.
Besonders bevorzugt werden etwa gleiche Anteile des Brennstoffs auf die Vormischzonen verteilt. Der Brennstoff wird sukzessive zugegeben und gut vermischt, bis ein homogenes zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch mit Luftüberschuss entsteht.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt b) den Schritt: Zuführen von Brennstoff über wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper. Als Hohlkörper kommen gemäß einigen Ausführungsformen insbesondere ein Hohlkörper mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, ein Hohlkörper mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr, ein Gasrohr mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich teilweise ringförmig erstreckender gelochter Hohlkörper, ein ringförmiger gelochter Hohlkörper, ein sich -vorzugsweise mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckender - hohler Ringkörper mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen gerichteten Zylindermantelfläche und/oder wenigstens einer nach außen gerichteten Zylindermantelfläche, ein hohler Drallflügel mit Bohrungen, sowie ein Hohlkörper, der mehrere Eigenschaften der vorgenannten Hohlkörper kombiniert, zum Einsatz.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt b) den Schritt:
Erzeugen eines Dralls an der Luftströmung und Zuführen des ersten Anteils an der verdrahten Luftströmung. In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt b) den Schritt:
Erzeugen gegensätzlichen Dralles an der Luftströmung in unterschiedlichen Ringbereichen der ersten Vormischzone.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt c) den Schritt: Zumischen des verbleibenden Anteils in einer zweiten Vormischzone.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt c) den Schritt: Zumischen des verbleibenden Anteils in einer zweiten und einer dritten Vormischzone.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt c) den Schritt: Zumischen eines Anteils von 1 % bis 15% des Brennstoffs in einer Primärflammenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Primärflamme. Vorzugsweise beträgt der Brennstoffanteil für die Primärflamme zwischen ca. 5% und ca. 15%. Insbesondere wird ein Anteil von weniger als 10% des Brennstoffs in der Primärflammenerzeugungseinrichtung zugemischt, also beispielsweise ca. 4, 5, 6, oder 7%. Unter ca. -Werten sind insbesondere alle Werte gemeint, die durch eine auf eine ganze Zahl gerundeten Zahl einschließt. Zum Beispiel umfasst „ca. 5%“ also insbesondere Werte zwischen 4,50% und 5,49%.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt c) den Schritt:
Zumischen von Brennstoff über wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper. Der Hohlkörper zum Zumischen in der wenigstens einen weiteren Vormischzone ist gemäß einigen Ausführungsformen ebenfalls insbesondere ein Hohlkörper mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, ein Hohlkörper mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr, ein Gasrohr mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich teilweise ringförmig erstreckender gelochter Hohlkörper, ein ringförmiger gelochter Hohlkörper, ein sich -vorzugsweise mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckender - hohler Ringkörper mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen gerichteten Zylindermantelfläche und/oder wenigstens einer nach außen gerichteten Zylindermantelfläche, ein hohler Drallflügel mit Bohrungen sowie ein Hohlkörper, der mehrere Eigenschaften der vorgenannten Hohlkörper kombiniert.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt c) den Schritt: Zumischen von Brennstoff über wenigstens eine Öffnung in einer Stauscheibe.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt d) den Schritt: Erzeugen gegensätzlichen Dralles an dem Brennstoff-Luftgemisch in unterschiedlichen Ringbereichen der wenigstens einen weiteren Vormischzone.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt d) den Schritt:
Erzeugen eines Dralls an dem Brennstoff-Luftgemisch beim Übertritt in die wenigstens eine weitere Vormischzone.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt d) den Schritt: Erzeugen eines Dralls vor dem Zumischen.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt d) den Schritt: Erzeugen eines Dralls während des Zumischens.
In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt d) den Schritt: Erzeugen eines Dralls mittels gasführender und gelochter Drallflügel.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen sehen optional eine mögliche Verbrennung von flüssigem Brennstoff vor. Insbesondere ist eine Wahlmöglichkeit zwischen einem Modus zum Verbrennen von gasförmigen Brennstoff gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen und einem Modus zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff vorgesehen. Bei einem Zweistoffbetrieb kann zusätzlich zu der Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs gemäß einer der zuvor genannten Ausgestaltungen noch flüssiger Brennstoff verbrannt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Vormischbrenner, umfassend ein Flammrohr, eine Luftzuführeinrichtung zur Bereitstellung der gesamten Luftströmung zur Verbrennung zu dem Flammrohr; eine Vormischeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, 100% der Luftströmung von der Luftzuführeinrichtung aufzunehmen und mit Brennstoff vor Austritt aus dem Flammrohr vorzumischen, und eine Dralleinrichtung, wobei die Vormischeinrichtung eine erste Brennstoffzuführeinrichtung mit Steuerungsmitteln, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Anteil des Brennstoffs zu dem Luftstrom in einer ersten Vormischzone zuzufügen, so dass ein noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luftgemisch entsteht, und wenigstens eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung mit Steuerungsmitteln, die dazu eingerichtet ist, den oder die verbleibenden Anteile des Brennstoffs zu dem mageren Brennstoff-Luftgemisch in wenigstens einer weiteren Vormischzone, die zu der ersten Vormischzone in Strömungsrichtung beabstandet ist, zuzumischen, um ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch mit Luftüberschuss zu erzeugen, wobei die Dralleinrichtung wenigstens zum Verdrallen des in der wenigstens einen zweiten Vormischzone entstehenden Gemischs ausgebildet ist. Das Flammrohr weist einen Austrittsöffnungsbereich auf, der dazu eingerichtet ist, das vollständig vorgemischte Brennstoff-Luftgemisch zur Verbrennung in einen Feuerraum abzugeben.
Die Steuerungsmittel sind bei einigen Ausführungsformen mechatronische Steuerungsmittel, bei denen eine elektronische, insbesondere computerimplementierte, beispielsweise als Teil einer Gesamtsteuerung (z.B. Feuerungsmanager) mit Prozessor und Speicher mit entsprechend darin geladener Software ausgebildete, Steuereinheit mit mechanischen Steuerungselementen, wie Klappen, Aktoren, Schieber oder fest oder variable eingestellten Strömungsquerschnitte, kombiniert sind.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Flammrohr einen zylinderförmigen Mantel auf. Bei einigen Ausführungsformen weist das Flammrohr eine Eintrittsöffnung, die zur Aufnahme der Luftströmung zu 100% angeordnet und ausgebildet ist, auf. Bei einigen Ausführungsformen weist das Flammrohr eine Verjüngung nahe einem stromabwärts gerichteten Ende auf. Bei einigen Ausführungsformen weist das Flammrohr eine Austrittsquerschnittseinstelleinrichtung zum Einstellen des Austrittsquerschnitts eines Teils eines Austrittsöffnungsbereichs auf. Bei einigen Ausführungsformen weist das Flammrohr wenigstens einen Schieber zum variablen Einstellen eines Austrittsquerschnitts des Flammrohrs auf.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Luftzuführeinrichtung ein Gebläse zur Erzeugung der Luftströmung auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Luftzuführeinrichtung eine Vorwärmeinrichtung zur Vorwärmung der Luftströmung auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Luftzuführeinrichtung einen Abgaswärmetauscher zur Vorwärmung der Luftströmung mit Abgaswärme auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Luftzuführeinrichtung eine Abgaszuführeinrichtung zum Zuführen von Abgas zu der Luftströmung auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Luftzuführeinrichtung Steuerungsmittel zum Steuern der Luftströmung auf. Die Steuerungsmittel der Luftzuführeinrichtung sind bei einigen Ausführungsformen ebenfalls mechatronische Steuerungsmittel wie oben ausgeführt auf. Als Steuerungsmittel ist beispielsweise in einer computerimplementierten Steuerung des Vormischbrenners eine Steuerungsroutine als Teil der Steuerungssoftware vorgesehen, mit der ein Gebläse der Luftzuführeinrichtung und/oder Luftklappen oder dergleichen gesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die Luftzuführeinrichtung eine an eine Steuerung des Vormischbrenners oder eine übergeordnete Steuerung anschließbare Steuerungsschnittstelle auf.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Vormischeinrichtung die erste Vormischzone und eine davon in Strömungsrichtung beabstandete zweite Vormischzone auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vormischeinrichtung eine erste, zweite und dritte Vormischzone, die in Strömungsrichtung aufeinanderfolgen, auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vormischeinrichtung fest oder variable eingestellte Brennstoff- Strömungsquerschnitte zum Aufteilen der Anteile von Brennstoff zu der ersten und jeder weiteren Brennstoffzuführeinrichtung auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vormischeinrichtung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Brennstoffaufteilung auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vormischeinrichtung einen Brennstoff-Verteilerring zum Verteilen von Brennstoff auf die mehreren Vormischzonen auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vormischeinrichtung Steuerungsmittel (insbesondere mechatronische Steuerungsmittel wie oben ausgeführt) zum Steuern der Brennstoffzufuhr auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vormischeinrichtung eine an eine Steuerung anschließbare Steuerungsschnittstelle auf.
Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Brennstoffzuführeinrichtung einen Zuströmquerschnitt auf, der relativ zu einem Zuströmquerschnitt der wenigstens einen weiteren Brennstoffzuführung so dimensioniert ist, dass der vorbestimmte erste Anteil des Brennstoffs durch die erste Brennstoffzuführeinrichtung fließt. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Brennstoffzuführeinrichtung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Zuströmquerschnitts auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Brennstoffzuführeinrichtung wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper für die Zuführung des Brennstoffs auf. Als Hohlkörper der ersten Brennstoffzuführeinrichtung kommen gemäß einigen Ausführungsformen insbesondere ein Hohlkörper mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, ein Hohlkörper mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr, ein Gasrohr mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich teilweise ringförmig erstreckender gelochter Hohlkörper, ein ringförmiger gelochter Hohlkörper, ein sich - vorzugsweise mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckender - hohler Ringkörper mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen gerichteten Zylindermantelfläche und/oder wenigstens einer nach außen gerichteten Zylindermantelfläche, ein hohler Drallflügel mit Bohrungen, sowie ein Hohlkörper, der mehrere Eigenschaften der vorgenannten Hohlkörper kombiniert, zum Einsatz. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Brennstoffzuführeinrichtung computerimplementierte Steuerungsmittel zur Steuerung der Brennstoffzufuhr auf. Beispielsweise sind diese als Teil einer Steuerungssoftware in einer Steuerung des Vormischbrenners vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen weisen die eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung oder die mehreren weiteren Brennstoffzuführeinrichtungen einen Zuströmquerschnitt auf, der relativ zu dem Zuströmquerschnitt der ersten Brennstoffzuführung so dimensioniert ist, dass der vorbestimmte weitere Anteil des Brennstoffs durch die jeweilige weitere Brennstoffzuführeinrichtung fließt. Bei einigen Ausführungsformen weisen die eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung oder die mehreren weiteren Brennstoffzuführeinrichtungen eine zweite Brennstoffzuführeinrichtung in einer zweiten Vormischzone auf. Bei einigen Ausführungsformen weisen die eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung oder die mehreren weiteren Brennstoffzuführeinrichtungen eine dritte Brennstoffzuführeinrichtung in einer dritten Vormischzone auf. Bei einigen Ausführungsformen weisen die eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung oder die mehreren weiteren Brennstoffzuführeinrichtungen eine Pilotflammen-Brennstoffzuführeinrichtung zum Zuführen eines gegenüber den Anteilen der ersten Brennstoffzuführung und einer zweiten Brennstoffzuführung um wenigstens den Faktor 3 kleineren Anteils des Brennstoffs zu einer Pilotflamme auf. Bei einigen Ausführungsformen weisen die eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung oder die mehreren weiteren Brennstoffzuführeinrichtungen eine Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Zuströmquerschnitts der weiteren Brennstoffzuführung auf. Bei einigen Ausführungsformen weisen die eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung oder die mehreren weiteren Brennstoffzuführeinrichtungen jeweils wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper für die Zumischung der weiteren Brennstoffanteile auf. Als Hohlkörper der jeweiligen weiteren Brennstoffzuführeinrichtung kommen gemäß einigen Ausführungsformen insbesondere ein Hohlkörper mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, ein Hohlkörper mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr, ein Gasrohr mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr mit Bohrungen, ein sich teilweise ringförmig erstreckender gelochter Hohlkörper, ein ringförmiger gelochter Hohlkörper, ein sich -vorzugsweise mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckender - hohler Ringkörper mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen gerichteten Zylindermantelfläche und/oder wenigstens einer nach außen gerichteten Zylindermantelfläche, ein hohler Drallflügel mit Bohrungen, sowie ein Hohlkörper, der mehrere Eigenschaften der vorgenannten Hohlkörper kombiniert, zum Einsatz. Bei einigen Ausführungsformen weisen die eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung oder die mehreren weiteren Brennstoffzuführeinrichtungen computerimplementierte Steuerungsmittel zum Steuern der Brennstoffzufuhr auf. Auch diese sind beispielsweise als Teil der Steuerungssoftware in der Steuerung des Vormischbrenners vorgesehen.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Dralleinrichtung eine Dralleinheit zum Verdrallen der in die erste Vormischzone eintretenden Luftströmung auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Drelleinrichtung eine Gegendrelleinrichtung zum Erzeugen von Drell mit entgegengerichteten Drellrichtungen in unterschiedlichen Ringzonen des Flammrohrs auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Drelleinrichtung eine erste Drelleinheit in oder vor der ersten Vormischzone und wenigstens eine weitere Drelleinheit im Übertritt zu oder in einer weiteren Vormischzone auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Drelleinrichtung eine innere Anordnung von Drellflügeln und eine äußere Anordnung von Drellflügeln auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Drelleinrichtung als Hohlkörper mit Düsen zur Brennstoffzufuhr ausgebildete Drellflügel auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Drelleinrichtung eine Primärflammendrelleinheit an einer Stauscheibe.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Vormischbrenner weiter eine Stauscheibe zum Stabilisieren einer Primärflamme auf. Bei einigen Ausführungsformen weist der Vormischbrenner weiter Flüssigbrennstoffdüsen zur Abgabe von flüssigem Brennstoff in einen Feuerraum stromabwärts des Flammrohrs auf. Bei einigen Ausführungsformen weist der Vormischbrenner weiter eine Steuerung mit Prozessor und Speicher auf. Bei einigen Ausführungsformen weist der Vormischbrenner weiter Steuerungsmittel zum Steuern des Verhältnisses von Brennstoff zur Luftströmung auf. Wie oben erläutert sind die Steuerungsmittel vorzugsweise mechatronische Steuerungsmittel. Bei einigen Ausführungsformen weist der Vormischbrenner weiter eine Steuerung auf, die dazu eingerichtet ist, den Vormischbrenner zur Durchführung einer der oben erläuterten Ausführungsformen des Verbrennungsverfahrens zu veranlassen. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Steuerung für einen Vormischbrenner nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, die dazu eingerichtet ist, den Vormischbrenner zum automatischen Durchführen einer der oben erläuterten Ausführungsformen des Verbrennungsverfahrens zu veranlassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Computerprogramm umfassend Anweisungen, die einen Vormischbrenner nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen dazu veranlassen, das Verbrennungsverfahren gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen durchzuführen.
Im Folgenden werden besondere Effekte vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert. Bei bisher bekannten Verbrennungsverfahren, bei denen Brennstoff mit Luft vorgemischt wird, wird absichtlich ein zu fettes Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt, zu dem dann ein weiterer Luftstrom zugefügt wird, um eine kühlere Flammentemperatur zu erzielen. Somit lässt sich die Erzeugung von thermischen NOx reduzieren. Die Reduktion von thermischen NOx steht bisher im Stand der Technik alleine im Fokus, wie dies in [11] näher erläutert ist.
Wie dies in [12] erläutert ist werden Stickoxide in der Feuerung jedoch in der Regel entsprechend ihren Quellen und ihrem Bildungsmechanismus in drei Arten unterteilt, nämlich das thermische NOx, Brennstoff-NOx und promptes NOx. Thermisches NOx entsteht bei relativ hohen Temperaturen durch Oxidation des in der Luft enthaltenen Stickstoffs. Nur hier setzen bisherige Verbrennungskonzepte zur NOx-Minderung an, siehe [11], Quelle von Brennstoff-NOx sind die im Brennstoff gebundenen Anteile an Stickstoff. Dieser Anteil ist von dem verwendeten Brennstoff abhängig und lässt sich dann, wenn ein vorbestimmter Brennstoff, wie z.B. Ammoniak oder Biogas, verbrannt werden soll, nicht reduzieren. Der Anteil an Brennstoff-NOx ist allerdings bei einigen gasförmigen Brennstoffen wie z.B. bei Erdgas untergeordnet und nur sehr klein.
Mit dem Verbrennungsverfahren gemäß der Erfindung und deren vorteilhaften Ausgestaltungen und den zur Durchführung der Verbrennung eingerichteten Vormischbrennern gemäß der Erfindung und deren vorteilhaften Ausgestaltungen lässt sich auch die Entstehung von prompten NOx reduzieren, so dass nun auch eine NOx-Reduktion über das bisher mögliche Ausmaß erreichbar ist. Um bei der Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen wie Erdgas deutlich unter 50 mg NOx pro Norm-Kubikmeter kommen will, wird gemäß der Erfindung auch das Prompt- NOx mitberücksichtigt.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird der Verbrennungsluftstrom zu 100 Prozent durch einen Vormischbereich eines Brenners geleitet, in dem wenigstens eine erste Vormischzone und eine zweite Vormischzone in Strömungsrichtung beabstandet zueinander sind. In der stromaufwärts gelegenen ersten Vormischzone wird Brennstoff (Gas) derart zugeleitet, dass das entstehende Gemisch nicht zündfähig ist. Beispielsweise liegt das Verbrennungsluftverhältnis A größer 2. In der stromabwärts gelegenen zweiten (oder einer dritten oder weiteren) Vormischzone, die sich immer noch in dem Vormischbereich befindet, durch den die Verbrennungsluft geleitet wird, wird ein weiterer Teil des Brennstoffes derart zugemischt, dass nun ein zündfähiges Gemisch entsteht. Vorteilhaft wird dabei immer noch mit Luftüberschuss gearbeitet, um die Flamme zu kühlen und die Erzeugung thermischen NOx zu reduzieren. Beispielsweise ist das zündfähige Gemisch immer noch mager mit einem Verbrennungsluftverhältnis A größer 1. Es gibt eine Drallerzeugung, um eine gute Durchmischung zu erzielen. Das zündfähige Gemisch wird durch einen Strömungsquerschnittsbereich - Austrittsöffnungsbereich -, der bei einigen Ausführungsformen für einen Teillastbetrieb verringert werden kann, zu dem Feuerraum (auch Brennraum genannt) geleitet. Dort wird die Flamme erzeugt.
Durch das Erzeugen eines vollständig vorgemischten Gas-Luft-Gemisches wird die Entstehung von Prompt-NOX vermieden oder zumindest deutlich verringert. Dennoch ist die Last gut regelbar, und es gibt keine Rückzündung.
Das Verbrennungsverfahren gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kommt ohne Metallgitter oder sonstige Maßnahmen zur Vermeidung eines Flammendurchschlags aus. Zündfähiges Brennstoffgemisch entsteht erst in der in Strömungsrichtung letzten Vormischzone. Dort lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit so hochhalten, dass Flammenrückschläge vermieden werden. Kommt es doch zum Flammenrückschlag, ist das Volumen an zündfähigem Gemisch sehr klein. Somit lässt sich eine große Strömungsgeschwindigkeit erreichen, so dass hohe Verbrennungsleistungen erzielbar sind, wobei trotz extrem geringer NOx-Erzeugung dennoch ein stabiles Verbrennungsverfahren erzielbar ist.
Demnach wird bei der Erfindung eine vollständige Vormischung so durchgeführt, dass dem Luftstrom zunächst in einer ersten Vormischzone Brennstoff zugeführt wird, sodass das entstehende Gemisch noch nicht zündfähig ist und in wenigstens einer zweiten Vormischzone, die sich immer noch in dem Vormischbereich innerhalb des Luftstromes befindet, weiterer Brennstoff bis zur Zündfähigkeit zugeführt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen betreffen ein wie vorstehend skiziertes Verbrennungsverfahren, welches sich zum Beispiel mit entsprechender Ausbildung und Steuerung eines Vormischbrenners durchführen lässt. Insbesondere beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen eine entsprechende Steuerung eines Vormischbrenners. Weitere Ausführungsformen betreffen einen Vormischbrenner, der entsprechend zum Durchführen des Verbrennungsverfahrens mit entsprechenden Vormischzonen, Brennstoffzuführungen und Steuermitteln, insbesondere zumindest teilweise computerimplementierten Steuermitteln, eingerichtet ist (also nicht nur geeignet, sondern tatsächlich dafür eingerichtet ist).
Bevorzugte Ausgestaltungen des Vormischbrenners gehen von dem Stand der Technik nach einer der Literaturstellen [6] bis [10] aus und weisen aus diesen Literaturstellen bekannte Ausgestaltungen auf - soweit sie nicht durch die im Folgenden näher erläuterten besonderen Merkmale gemäß Ausführungsformen der Erfindung ersetzt werden. Es wird daher für detailliertere mögliche Ausführungsformen auf die Literaturstellen [6] bis [10] verwiesen, die durch Bezugnahme inkorporiert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das ein Vormisch-Verbrennungsverfahren mit ultra-geringer NOx-Erzeugung und einige Komponenten eines zur Durchführung des Verbrennungsverfahrens eingerichteten Vormischbrenners gemäß vorteilhaften Ausführungsformen zeigt;
Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch einen Brennerkopf einer ersten Ausführungsform eines Vormischbrenners zum Durchführen des Verbrennungsverfahrens;
Fig. 3 einen axialen Längsschnitt durch einen Brennerkopf einer zweiten Ausführungsform eines Vormischbrenners zum Durchführen des Verbrennungsverfahrens;
Fig. 4 ein Blockdiagramm, welches eine Ausgestaltung des mit dem Vormischbrenner mit dem Brennerkopf gemäß Fig. 2 durchführbaren Verbrennungsverfahrens bei Volllast verdeutlicht;
Fig. 5 ein Blockdiagramm, welches eine Ausgestaltung des mit dem Vormischbrenner mit dem Brennerkopf gemäß Fig. 2 durchführbaren Verbrennungsverfahrens bei Teillast verdeutlicht;
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Vormischeinrichtung für einen Brennerkopf eines Vormischbrenners gemäß einer weiteren Ausgestaltung zum Durchführen des Verbrennungsverfahrens;
Fig. 7 einen axialen Längsschnitt durch den Brennerkopf mit der Vormischeinrichtung von Fig. 6 in einer Einstellung für einen Volllastbetrieb, wobei eine Luftströmung sowie Verläufe von Brennstoff und Brennstoff-Luftgemischen dargestellt sind; Fig. 8 einen axialen Längsschnitt durch den Brennerkopf ähnlich Fig. 6 in einer Einstellung für einen Teillastbetrieb, wobei Brennstoffverläufe dargestellt sind, wobei eine Variante der Vormischeinrichtung dargestellt ist;
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung der Vormischeinrichtung des Brennerkopfs von Fig. 8;
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung einer Mischeinrichtung in Zweistoffausführung Gas/Flüssigbrennstoff mit Brennstoffaufteilung für einen Brennerkopf mit der Vormischeinrichtung gemäß Fig. 8 und 9; und
Fig. 11 einen Schnitt durch einen Brennerkopf mit einer Mischeinrichtung in Zweistoffausführung, die die Vormischeinrichtung gemäß Fig. 8 oder Fig. 9 und eine zentrale Zerstäuberdüse für flüssigen Brennstoff aufweist.
In den Fig. 1 , 4 und 5 sind Blockdiagramme für ein Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches, bei dem gasförmiger Brennstoff mit Luft vorgemischt wird, gezeigt.
Bei dem Verbrennungsverfahren werden 100% einer für die Verbrennung zur Verfügung gestellten Luftströmung 10 mit gasförmigen Brennstoff 12 vollständig vorgemischt. Der Schritt des vollständigen Vormischens umfasst die Schritte:
• Zufügen eines ersten Anteils A.1 des Brennstoffs 12 zu der Luftströmung 10 in einer ersten Vormischzone 14.1 , so dass ein noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luftgemisch 16 entsteht; und
• Zumischen des oder der verbleibenden Anteile A.n des Brennstoffs 12 zu dem mageren Brennstoff-Luftgemisch 16 in wenigstens einer weiteren Vormischzone 14.n, die zu der ersten Vormischzone 14.1 in Strömungsrichtung beabstandet ist, um ein zündfähiges Brennstoff- Luftgemisch 18 mit Luftüberschuss zu erzeugen (n bezeichnet hier eine natürliche Zahl größer 1 ). Zumindest der Schritt des Zumischens umfasst weiter den Schritt:
Verdrallen des Brennstoff-Luftgemischs 18.
Beispielsweise sind zumindest eine erste Vormischzone 14.1 und eine zweite Vormischzone 14.2 vorgesehen. Es können auch noch weitere Vormischzonen 14. n, wie z.B. eine dritte Vormischzone 14.3 vorgesehen sein.
Bei einigen Ausführungsformen wird durch Zumischen von Brennstoff in mehreren Vormischzonen und Verdrehen ein vollständig homogenes zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch 18 mit Luftüberschuss erzeugt. Darin ist zumindest im Bereich eines Austrittsöffnungsbereichs 70 zum Zuströmen des Brennstoff- Luftgemisch 18 in einen Feuerraum 60 der Brennstoff auf dem gesamten Strömungsquerschnitt mit gleicher Konzentration in der Luft verteilt. Bei einigen Ausführungsformen wird insbesondere durch eine solche „homogene Vormischung“ in der zweiten / letzten Vormischzone das Entstehen von Prompt NOx vermieden oder zumindest deutlich verringert.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens zeichnen sich weiter auch dadurch aus, dass eine Möglichkeit zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen integriert werden kann.
Der ersten Vormischzone 14.1 ist eine erste Brennstoffzuführeinrichtung 20.1 zugeordnet, die mittels geeigneter Steuermittel, welche Stellglieder 22 und eine elektronische Steuereinheit 24 umfassen, derart gesteuert ist, dass der erste Anteil A.1 von Brennstoff 12 dem Luftstrom 10 derart zugeführt wird, dass in der ersten Vormischzone 14.1 das noch nicht zündfähige magere Brennstoff- Luftgemisch 16 entsteht. Jeder weiteren Vormischzone 14.n ist eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung 20. n zugeordnet, die ebenfalls mittels der Steuermittel derart gesteuert ist, dass der oder die verbleibenden Anteile A.n von Brennstoff 12 dem mageren Brennstoff-Luftgemisch 16 derart zugeführt wird, dass zumindest in der in Strömungsrichtung letzten weiteren Vormischzone 14.n das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch 18 mit Luftüberschuss entsteht. Zumindest in oder an der in Strömungsrichtung letzten Vormischzone 14. n ist eine Dralleinheit 26 einer Dralleinrichtung 28 zum Verdrallen des Brennstoff- Luftgemischs 16, 18 vorgesehen. Wie dies in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellt ist, können auch die anderen Vormischzonen 14.1 mit einer Drelleinheit 26 versehen sein.
Die jeweilige Brennstoffzuführeinrichtung 20.1 , 20. n weist wenigstens einen Hohlkörper 30 zur Abgabe des Brennstoff 12 auf. Der Hohlkörper 30 ist insbesondere derart mit Düsen oder Bohrungen versehen, dass der Brennstoff 12 möglichst gut verteilt der Vormischzone 14.1 , 14.2 zugegeben wird. Dies trägt zur homogenen Vormischung bei. Als Hohlkörper 30 sind beispielsweise Gasrohre 32 vorgesehen, die sich zum Beispiel in Strömungsrichtung oder quer zur Strömungsrichtung erstrecken können und vorzugsweise über ihre Oberfläche verteilte Bohrungen aufweisen. Weiter können als Hohlkörper 30 Ringelemente 34 mit zylindrischer Innenseite und Außenseite, welche darüber verteilte Gasaustrittsöffnungen aufweisen, vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen sind als Hohlkörper 30 Drellflügel 36 der Drelleinrichtung 28 vorgesehen, welche an ihrer Oberfläche verteilte Gasaustrittsöffnungen aufweisen, um den gasförmigen Brennstoff 12 zuzuführen oder zuzumischen.
In Fig. 1 ist als Blockschaltbild auch ein Vormischbrenner 40 dargestellt, der zum Durchführen des Verbrennungsverfahrens eingerichtet ist. Der Vormischbrenner 40 weist einen Brennerkopf 42 (auch Flammkopf genannt) mit einem in Fig. 1 zu Übersichtszwecken weggelassenen, aber in den Fig. 2, 6, 7 und 10 dargestellten Flammrohr 44 und eine Vormischeinrichtung 46 auf. Die Vormischzonen 14.1 , 14.n sind in dem Flammrohr 44 ausgebildet. Die Vormischeinrichtung 46 weist die Brennstoffzuführeinrichtungen 20.1 , 20. n auf. Eine Luftzuführeinrichtung 48 zur Bereitstellung der Luftströmung 10 ist beispielsweise durch ein Gebläse 50 gebildet. Der Vormischbrenner 40 weist weiter eine elektronische Steuerung 52 mit Prozessor 54 und Speicher 56 auf. In dem Speicher 56 ist eine Steuerungsroutine als Software (Computerprogramm) gespeichert. Die Steuerung 52 steuert das Gebläse 50 und Stellglieder oder Aktoren des Vormischbrenners 40 derart, dass er das oben genannte Verbrennungsverfahren durchführt. Die Steuerung 52 stellt somit als Teil der Steuerungsroutine auch zumindest einen Teil der Steuermittel für die Brennstoffzufuhr bereit.
In Fig. 1 ist weiter noch ein Feuerraum 60 mit der bei der Verbrennung stromabwärts des Flammkopfs erzeugten Flamme 62 sowie eine optionale Abgasrückführung 64 zum Beimischen von Abgas zu dem Eingang der Luftzuführeinrichtung 48 sowie eine ebenfalls optionale Lufterwärmungseinrichtung 66 zum Erwärmen der Verbrennungsluft dargestellt. Beispielsweise wird die Luft vor dem Gebläse 50 mittels eines Abgaswärmetauschers 68 mit Wärme aus dem Abgas vorgewärmt.
Wie weiter noch schematisch in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, kann optional mittels geeigneter, durch die Steuerung 52 ansteuerbare Stellglieder ein Austrittsquerschnitt des Austrittsöffnungsbereichs 70 für das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch 18 mit Luftüberschuss verändert werden. Der Austrittsöffnungsbereich 70 weist beispielsweise einen feststehenden Austrittsquerschnittbereich 70.1 und einen mittels eines Stellglieds wie z.B. eines verfahrbaren Luftschiebers 72 veränderbaren variablen Austrittsquerschnittbereich 70.2 auf. Damit kann in einem Vollastbetrieb ein größerer Austrittsquerschnitt für das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch 18 zu dem Feuerraum 60 bereitgestellt werden und es kann in einem Teillastbetrieb ein kleinerer Austrittsquerschnitt für das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch bereitgestellt werden.
Beispielsweise wird der Brennstoff 12 - insbesondere durch Vorsehen oder Einstellen von Strömungsquerschnitten der entsprechenden Gaszuleitungen 58.1 , 58. n - zu gleichen oder wahlweise zu verschiedenen Anteilen A1 , A.n auf die verschiedenen Vormischzonen 14.1 , 14.n aufgeteilt. Die Gesamtmenge an Brennstoff 12 wird über die Steuerung 52 entsprechend der gewünschten Last und der hierzu mit dem Gebläse 50 eingestellten Luftströmung 12 gesteuert. Der Verbrennungsluftstrom - Luftströmung 10 - wird zu 100 Prozent durch einen Vormischbereich des Vormischbrenners 40 geleitet, in dem wenigstens die erste Vormischzone 14.1 und eine zweite Vormischzone 14.2 in Strömungsrichtung beabstandet zueinander sind. In der stromaufwärts gelegenen ersten Vormischzone 14.1 wird Brennstoff 12 (Gas) derart zugeleitet, dass das entstehende Gemisch 16 nicht zündfähig ist. Beispielsweise liegt das Verbrennungsluftverhältnis A größer 2. In der stromabwärts gelegenen zweiten (oder einer dritten oder weiteren) Vormischzone 14.2, 14. n, die sich immer noch in dem Vormischbereich befindet, durch den die Verbrennungsluft geleitet wird, wird ein weiterer Teil A.n des Brennstoffes 12 derart zugemischt, dass nun ein zündfähiges Gemisch 18 entsteht. Vorteilhaft wird dabei immer noch mit Luftüberschuss gearbeitet, um die Flamme 62 zu kühlen und die Erzeugung thermischen NOx zu reduzieren. Beispielsweise ist das zündfähige Gemisch 18 immer noch mager mit einem Verbrennungsluftverhältnis A größer 1 . Es gibt zumindest an der in Strömungsrichtung letzten Vormischzone - optional auch an wenigstens einer oder aller der anderen Vormischzonen 14.1 , 14.2, 14.n - eine Drallerzeugung, um eine gute Durchmischung zu erzielen. Das zündfähige Gemisch 18 wird durch einen Austrittsöffnungsbereich 70 zu dem Feuerraum 60 geleitet, wobei der Austrittsquerschnitt des Austrittsöffnungsbereichs 70 bei einigen Ausführungsformen für einen Teillastbetrieb verringert werden kann.
Fig. 2 zeigt ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel für den Brennerkopf 42 des Vormischbrenners 40. Diese Ausführungsform geht von den aus den Literaturstellen [9] und [10] dargestellten Brennern aus, die mit dem in Fig. 2 gezeigten Brennerkopf 42 mit der Vormischeinrichtung 46 versehen werden, wobei die Software in der in den Literaturstellen [9] und [10] als Feuerungsmanager bezeichneten Steuerung 52 entsprechend zur Durchführung des hier darstellten Verbrennungsverfahrens eingerichtet wird.
Die in Fig. 2 gezeigte Vormischeinrichtung 46 weist die erste Vormischzone 14.1 , die zweite Vormischzone 14.2, eine dritte Vormischzone 14.3 sowie noch eine Pilotflammenerzeugungszone 76 auf. Der Pilotflammenerzeugungsbereich 76 weist eine konische geschlitzte Stauscheibe 78 auf, über die ein Anteil des mageren Brennstoff-Luftgemischs 16 zum Bereitstellen von Primärluft für eine Pilotflamme geleitet wird und die an diesem Anteil einen Primärdrall erzeugt. Die erste und zweite Vormischzone 14.1 , 14.2 weisen jeweils in Strömungsrichtung und quer zur Strömungsrichtung verlaufende gelochte Gasrohre 32 auf. Die dritte Vormischzone 14.3 weist die gasführenden Drallflügel 36 auf. Optional kann der in Fig. 2 dargestellte Vormischbrenner 46 für einen Zweistoffbetrieb mit Sekundärdüsen 80 für Heizöl vorgesehen sein. Der Vormischeinrichtung 46 wird als Brennstoff 12 Erdgas N zugeführt. Es ist weiter eine Einstelleinrichtung 82 zur Einstellung der Aufteilung des Brennstoffes 46 auf die Vormischzonen 14.1 , 14.2, 14.3 vorgesehen.
Fig. 2 zeigt insbesondere einen Ultra-Low-NOx WK-Brenner beispielsweise ausgeführt als Gas- und Zweistoffbrenner, für sehr hohe Leistungen, z.B. von 200 bis 18.000 kW.
Der Vormischbrenner 46 weist für den Betrieb mit Erdgas N folgende NOx- Minderungstechnik auf. Durch Vormischen von Brennstoff 12 und Luft 10 wird die Bildung von promptem NOx gemindert, im Gegensatz zur klassischen Diffusionsflamme. Mittels hohem Luftüberschuss wird die Flammentemperatur abgesenkt. Dadurch reduziert sich Bildung von thermischen NOx. Die Vormischflamme ist durch ihre Kompaktheit bzw. kurze Flammenlänge gekennzeichnet.
Über die erste Vormischzone 14.1 und die zweite Vormischzone 14.2 wird Brennstoff 12 über die Gasrohre 32 (längs und quer zur Brennerachse) mit Bohrungen der Verbrennungsluft 10 bzw. dem mageren Brennstoff-Luftgemisch 16 zugeführt. In der dritten Vormischzone 14.3 wird über brennstoffführende Drallflügel 36 Brennstoff 12 direkt der Drallströmung des Brennstoff-Luftgemischs 16 zugeführt. Das dann zündfähige Brennstoff-ZLuftgemisch 18 verlässt den Flammkopf 42 in den Feuerraum 60, in welchem die durch das Brennstoff- Luftgemisch 18 erzeugte Hauptflamme durch eine Primärflamme stabilisiert und abgebrannt wird. Die Primärflamme stabilisiert sich mittels einer konischen Schlitzstauscheibe 78 und einem Primärdrall.
Auf den mit der Stauscheibe 78 versehenen Pilotflammenerzeugungsbereich wird ein kleiner Teil (z.B. um eine Größenordnung, zumindest um den Faktor 3 bis 10 geringer als die anderen Anteile) der Gesamtbrennstoffmenge geführt. Die Primärflamme (dies kann eine Diffusionsflamme oder eine Vormischflamme sein) stabilisiert die Hauptflamme. Vorteile der Stabilisierung mit der Pilotflamme (auch Primärflamme genannt) sind z.B. definierte, konstante Zündbedingungen für das vorgemischte Luft- / Brennstoffvolumen 18; eine sichere Zündung und Prozessüberwachung.
Beispielsweise wird mittels einer in Fig. 1 angedeuteten Sonde 84 ein Parameter für den Verbrennungsprozess, z.B. ein lonisationsstrom der Primärflamme gemessen.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform befinden sich an einem Brennstoff-Verteilerring 86 Einstellmöglichkeiten für die zugeführte Brennstoffmenge in die drei Vormischzonen 14.1 , 14.2, 14.3. In einer vereinfachten Ausführung kann über variable, einstellbare Versperrungen mittels Schraubengewinde in allen Zuströmquerschnitten der Zuführrohre die Brennstoffmenge eingestellt werden.
Mittels des Luftschiebers 72 werden zur Teillast hin Austrittsquerschnitte 70.1 , 70.2 am Flammkopf 42 verkleinert. Dies bewirkt einen Druckaufbau und somit einen Strömungsgeschwindigkeitsaufbau und verhindert auch im Teillastbereich das Rückzünden der Flamme 62 in die Vormischzonen 14.1 , 14.n.
Die Brennstoffeindüsung in die Vormischung erfolgt über Anordnung von gelochten Rohrquerschnitten und/oder beliebigen hohlen geometrischen Körpern 30 mit Düsen. Bei der Ausführung von Fig. 2 werden Gasrohre 32 mit Bohrungen und hohle Drallflügel 36 ebenfalls mit Bohrungen als Gasaustritt verwendet.
Eine eventuell zusätzliche Zerstäubungseinheit kann mit einer z.B. bei Brennern der Fa. Max Weishaupt GmbH, die unter der Marke multiflam® vertrieben werden, bekannten NOx-Minderungstechnik betrieben werden, wobei es sich um eine konventionelle Diffusionsflamme handelt.
Zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades kann über den optionalen Abgaswärmetauscher 68 vorgewärmte Verbrennungsluft dem Flammkopf 42 zugeführt werden. Zur Reduzierung der Luftüberschusszahl, bei vergleichbaren Schadstoffemissionen, kann alternativ über den Verbrennungsluftventilator rückgeführtes Abgas vom Kesselende der Verbrennungsluft beigemischt werden. Damit können Schadstoffemissionen gemindert werden.
Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform für den Brennerkopf 42 des Vormischbrenners 40, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, allerdings in einer Ausführung m it nur einer ersten und einer zweiten Vorm ischzone 14.1 , 14.2, entspricht. Die in Strömungsrichtung mehr mittig angeordneten Gasrohre 32, die bei der ersten Ausführungsform eine zwischen der ersten und letzten Vormischzone angeordnete mittlere Vormischzone bilden, sind bei der zweiten Ausführungsform weggelassen. Ansonsten entspricht die zweite Ausführungsform der ersten Ausführungsform, so dass für weitere Einzelheiten auf die obige Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen wird.
Die Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm für einen rein beispielhaften Volllastbetrieb des Vormischbrenners 40, insbesondere der in Fig. 2 dargestellten Art. Genauer zeigt Fig. 4 vereinfachte Gasströme (Brennstoffströme) G und Luftströme L für die Vormischeinrichtung 46 für einen Ultralow-NOx-Brenner der Baureihe WK, abgeleitet von den bekannten Brenner nach [9] und [10] bei Volllast VL. Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm für einen beispielhaften Teillastbetrieb desselben Vormischbrenners 40. Genauer zeigt Fig. 5 vereinfachte Gasströme (Brennstoffströme) B und Luftströme L für die Vormischeinrichtung 46 für einen Ultralow-NOx-Brenner der Baureihe WK, abgeleitet von den bekannten Brenner nach [9] und [10] bei Teillast TL. Die Blockdiagramme sind unter Berücksichtigung der folgenden Beschriftung selbsterklärend: B Gasströme
L Luftströme und Gemischströme
VL Volllast
TL Teillast
100 innerhalb erste Vormischzone 14.1
102 nahe Flammkopfaustritt (weitere Vormischzone(n))
62 Flamme „A“ = 1 ,45 (Beispiel für Verbrennungsluftverhältnis zündfähiges Brennstoff-
Luft-Gemisch 18)
Volllast: 10.000 kW/ A = 1 ,45 / O2,tr. = 7%
Luftschieber 72 geöffnet
Gaskonzentration 2,3 vol% « UEG !!! (A = 1 ,45)
(Bei gefahrenem A=1 liegt die Gaskonzentration bei 3,3 vol% « UEG). fiktives Ä = 4,48
Verbrennungsluft (100%)
13.800 rriN3/h (Beispiel für 100% Verbrennungsluftströmung 10)
312 rriN3/h (Beispielwert für Brennstoffzuführung) erste Gaseinbringung über gelochte Rohre (A.1 = 32% - Beispiel)
Tertiärgemisch über Luftschieber (Beispiel: 50%)
6.900 mN 3/h zweite Gaseinbringung über gelochte Gasrohre (A.2 = 32% - Beispiel)
Sekundärgemisch über Sekundärdrall (Beispiel: 38%)
5.200 mN 3/h dritte Gaseinbringung über hohle Drallflügel (A.3 = 32% - Beispiel)
Primärgemisch über Primärdrall (12%)
1.700 mN 3/h
29 m N3/h « 3% (A.4 - Anteil des Brennstoffs für Pilotflamme)
Kleinstmenge an Primärgas über Stauscheibe
Gaskonzentration 6,8 vol%
Gaskonzentration 8,2 vol%
Sekundärflamme (= Hauptflamme)
Gaskonzentration 4 vol%
Primärflamme (=Pilotflamme)
Teillast: 3.500 kW / A = 1 ,45 / O2,tr. = 7%
Luftschieber 72 geschlossen
4.800 mN 3/h
109 mN 3/h
Tertiärgemisch über Luftschieber (0%)
Sekundärgemisch über Sekundärdrall (75%)
3.600 mN 3/h
Primärgemisch über Primärdrall (25%) 168 1.200 mN 3/h
170 10 mN 3/h « 3%
172 Gaskonzentration 8,2 vol% 174 Gaskonzentration 3,1 vol%
Die in den Fig. 4 und 5 angegebenen Werte sind lediglich beispielhaft für eine Auslegung eines bestimmten Brenners, je nach Auslegung können die Werte - insbesondere mit gleichen Verhältnissen zueinander - nach oben oder nach unten abweichen, beispielsweise um einen Faktor, der im Bereich von 0,3 - 4, insbesondere 0,5 - 2 liegt. Insbesondere kann die Teillast variieren. Die Werte sind gerechnet mit Normvolumen, unter Annahme einer sofortigen idealen Mischung. Die Wertangaben sind als grobe Abschätzung anzusehen. Die Abbildungen der Fig. 4 und 5 stellen die Vorgänge in der Vormischeinrichtung 46 stark vereinfacht dar. UEG bezeichnet die untere Zündgrenze; diese liegt im Beispiel für Erdgas E = 4,9 vol%. OEG bezeichnet die obere Zündgrenze, diese liegt im Beispiel für Erdgas E = 14,7 vol%.
Im Folgenden werden anhand der Figuren 6 bis 11 weitere Ausführungsformen für Vormischbrenner 40 erläutert, die - aufgrund der Auslegung der Brennstoffaufteilung und der computerimplementierten Steuerung 52 - zur Durchführung von oben anhand der Fig. 1 beispielhaft erläuterten Verbrennungsverfahren mit ultrageringer NOx-Reduzierung unter Berücksichtigung des Prompt-NOx eingerichtet sind.
Die in den Fig. 6 bis 11 gezeigten Ausführungsbeispiele sind insbesondere für einen mittleren Leistungsbereich ausgelegt und gehen insbesondere von bekannten Brennern aus, wie sie in den Literaturstellen [7] und [8] erläutert sind, wobei anstelle der dort gezeigten Brennerköpfe oder Flammköpfe die im Folgenden anhand der Fig. 6 bis 11 erläuterten Ausführungsformen von Brennerköpfen 42 mit den Vormischeinrichtungen 46 vorgesehen werden und wobei die Software in der in den Literaturstellen [7] und [8] als Feuerungsmanager bezeichneten Steuerung modifiziert wird, so dass in der ersten Vormischzone 14.1 Brennstoff 12 100% der gesamten Luftströmung 10 derart zugeführt wird, dass das noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luft-Gemisch 16 entsteht, zu welchem in wenigstens einer weiteren Vormischzone 14. n, und optional in einem Pilotflammenerzeugungsbereich 76 der oder die verbleibenden Anteile A.n des Brennstoffs so zugeführt werden, dass unter Dralleinwirkung das zündfähige Brennstoff-Luft-Gemisch 18 mit Luftüberschuss gebildet wird. Wie oben erwähnt wird durch die vollständige, d.h. homogene, Vormischung Prompt-NOx vermieden oder zumindest stark verringert.
Fig. 6 zeigt die Vormischeinrichtung 46 in einer Variante ohne das Flammrohr 44, Fig. 7 zeigt Vormischeinrichtung 46 in dem Brennerkopf 42 mit Flammrohr 44 und Luft- oder Gemischströmungen L sowie Brennstoffströmungen B in einer Einstellung für einen Volllastbetrieb. Fig. 8 zeigt den Brennerkopf 42 mit Flammrohr 44 und Vormischeinrichtung 46 in einer leicht abgewandelten Variante in einer Einstellung für Teillastbetrieb, wobei Brennstoffströme B angedeutet sind. Fig. 9 zeigt eine weitere Variante der Vormischeinrichtung 46 und die Fig. 10 und 11 zeigen optionale Ausführungen des Brennerkopfes 42 mit der Vormischeinrichtung 46 für einen Zweistoffbetrieb (Gas/Flüssigbrennstoff wie z.B. Öl).
Bei den Ausführungsformen der Fig. 6 bis 11 ist neben der ersten Vormischzone 14.1 mit der ersten Brennstoffzuführung 20.1 nur eine zweite Vormischzone 14.2 mit der zweiten Brennstoffzuführung 20.2 vorgesehen.
Die Brennstoffzuführungen 20.1 , 20.2 weisen als Hohlkörper 30 neben einem zentralen gelochten Gasrohr 32 noch jeweils einen Ringkörper 34 mit einer zylindermantelförmigen Innenwand und einer zylindermantelförmigen Außenwand auf, die beide über ihre Oberfläche verteilte Gasaustrittsöffnungen aufweisen. Bei einer nicht gezeigten Variante ist nur eine der Brennstoffzuführungen, beispielsweise die zweite Brennstoffzuführung 20.2 mit dem Ringkörper 34 versehen, die erste Brennstoffzuführung weist dagegen Gasrohre auf, die sich z.B. radial quer zur Strömungsrichtung erstrecken.
Die Dralleinrichtung 28 weist wenigstens eine, vorzugsweise mehrere
Gegendralleinrichtungen 88 zum Erzeugen von Drall mit entgegengerichteten
Drallrichtungen in unterschiedlichen Ringzonen des Flammrohrs 44 auf. Insbesondere ist eine erste Dralleinheit 26.1 in oder vorzugsweise vor der ersten Vormischzone 14.1 und wenigstens eine zweite Dralleinheit 26.2, 26. n im Übertritt zu oder in der weiteren zweiten Vormischzone 20.2, 20. n vorgesehen. Bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Variante ist eine dritte Dralleinheit 26.3 (z.B. an einer Eintrittsöffnung 98 einer Ummantelung 96 eines Staukörpers) vorgesehen, die bei den anderen in den Fig. 8 bis 11 gezeigten Varianten weggelassen ist. Bei den dargestellten Ausführungen weist jede als Gegendralleinrichtung 88 ausgebildete Dralleinheit 26.1 , 26.2 eine innere Anordnung 90 von Drallflügeln 92.1 (hier als einfache Bleche ohne innere Gasführung ausgebildet) und eine äußere Anordnung 92 von Drallflügeln 92.2 auf. Die inneren Drallflügel 92.1 sind mit gegensätzlicher Steigung/Neigung wie die äußeren Drallflügel 92.2 ausgestattet.
In Fig. 7 ist die Erstreckung der ersten Vormischzone 14.1 , in der nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luft-Gemisch 16 gebildet wird, und der zweiten Vormischzone 14.2, in der zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch 18 mit Luftüberschuss homogen gebildet wird, dargestellt.
Der Brennerkopf 42 ist weiter, wie dies oben zu der Ausführung von Fig. 2 erläutert worden ist, mit dem Pilotflammenerzeugungsbereich 76 mit der Drall erzeugenden Stauscheibe 78 versehen.
Weiter ist nahe dem Austritt des Flammrohrs 44 eine kegelförmigen Ummantelung 96 vorgesehen. Zwischen der kegelförmigen Ummantelung 96 und der Mündung des Flammrohrs 44 wird der Austrittsöffnungsbereich 70 gebildet. Die Ummantelung 96 ist verschiebbar und bildet so den Luftschieber 72 zur Anpassung des Austrittsquerschnitts 70.1 , 70.2 des Austrittsöffnungsbereichs 70.
Am stromaufwärtigen Ende weist die Ummantelung 96 eine Eintrittsöffnung 98 für Gemisch zum Versorgen der Pilotflamme auf. Der Querschnitt der Eintrittsöffnung 98 ist kleiner als der Querschnitt zwischen dem stromaufwärtigen Ende der Ummantelung und dem Flammrohr. Aufgrund der Verjüngung des Strömungsquerschnitts zwischen Ummantelung 96 und Flammrohr sowie aufgrund des Austrittsquerschnitts des Austrittsöffnungsbereichs 70 bildet sich nahe des Flammkopfendes eine hohe Geschwindigkeit aus, so dass keine Rückzündung in die zweiten Vormischzone 14.2 entstehen kann. Sollte wider Erwarten dennoch eine Rückzündung auftreten, dann befindet sich nur in der zweiten Vormischzone 14.2 zündfähiges Gemisch 18, so dass nur eine sehr kleine kritische Masse vorhanden ist.
Wie ein Vergleich der Figuren 7 und 8 zeigt, kann durch Verschiebung der Ummantelung 96 der Austrittsquerschnitt des Austrittsöffnungsbereichs 70 für einen Teillastbetrieb verringert werden, so dass auch im Teillastbetrieb trotz geringerem pro Zeiteinheit fließendem Gemisch 18 die hohe Geschwindigkeit aufrechterhalten werden kann, um weiterhin Rückzündungen zu vermeiden.
Fig. 8 illustriert weiter eine Selbstzentrierung 180 für die Vormischeinrichtung 46, was die Montage vereinfacht. Außerdem ist eine gegenüber bisher bekannten Brennern verbesserte Gasführung 181 für eine gleichmäßige Druckverteilung dargestellt. In einem aufgrund seiner Funktion undichten Schwenkflanschbereich 182 (nicht näher dargestellt, da grundsätzlich bereits aus [8] und [9] bekannt) befindet sich kein Gas/Luftgemisch.
Fig. 10 zeigt eine optionale Zweistoffausführung Gas/Flüssigbrennstoff (z.B. Öl), wobei neben der Vormischeinrichtung 46 mit den unterschiedlichen Vormischzonen 14.1 , 14.2 für den Gasbetrieb noch eine Brennstoffeinteilung 184 für Flüssigbrennstoff wie z.B. Öl gezeigt ist, wie dies bei multiflam®-Brennern bereits grundsätzlich bekannt ist. Anstelle oder zusätzlich zu der Brennstoffeinteilung 184 kann auch, wie in Fig. 11 dargestellt, eine zentrale Zerstäubungsdüse 186, beispielsweise mittig in der Stauscheibe 78, vorgesehen sein.
Um eine sichere Verbrennung mit ultrageringer NOx-Erzeugung zu ermöglichen, ist ein Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches (ausgenommen in Gasturbinen) vorgeschlagen worden, umfassend: a) vollständiges Vormischen von 100% einer für die Verbrennung zur Verfügung gestellten Luftströmung (10) mit (gasförmigen) Brennstoff (12), wobei Schritt a) umfasst: b) Zufügen eines ersten Anteils (A.1 ) des Brennstoffs (12) zu der Luftströmung (10) in einer ersten Vormischzone (14.1 ), so dass ein noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luftgemisch (16) entsteht; und c) Zumischen eines oder mehrerer verbleibender Anteile (A.n) des Brennstoffs (12) zu dem mageren Brennstoff-Luftgemisch (16) in wenigstens einer weiteren Vormischzone (14. n), die zu der ersten Vormischzone (14.1 ) in Strömungsrichtung beabstandet ist, um ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch (18) mit Luftüberschuss zu erzeugen, wobei Schritt c) umfasst: d) Verdrallen des in der wenigstens einen weiteren Vormischzone (14.n) entstehenden Brennstoff-Luftgemischs (18).
Weiter ist ein entsprechend zum Durchführen einer solchen Vormischung und Verbrennung eingerichteter Vormischbrenner (40) vorgeschlagen worden.
Bezugszeichenliste:
10 Luftströmung
12 Brennstoff (gasförmig)
14.1 erste Vorm ischzone
14.n weitere Vormischzone (n-te Vormischzone, mit n>1 )
16 nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luftgemisch
18 zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch mit Luftüberschuss
20.1 erste Brennstoffzuführeinrichtung
20. n weitere Brennstoffzuführeinrichtung (n-te Brennstoffzuführeinrichtung)
22 Stellglied
24 elektronische Steuereinheit
26 Drelleinheit
26.1 erste Drelleinheit
26.2 zweite Drelleinheit
26.3 dritte Drelleinheit
28 Drelleinrichtung Hohlkörper zum Zuführen oder Zumischen von Brennstoff
Gasrohr
Ringkörper
Drallflügel
Vormischbrenner
Brennerkopf (Flammkopf)
Flammrohr
Vorm ischeinrichtung
Luftzuführeinrichtung
Gebläse
Steuerung (Beispiel für elektronischen Teil der Steuermittel)
Prozessor
Speicher
Gaszuleitung der ersten Brennstoffzuführeinrichtung
Gaszuleitung der weiteren (n-ten) Brennstoffzuführeinrichtung
Feuerraum
Flamme
Abgasrückführung
Lufterwärmungseinrichtung
Abgaswärmetauscher
Austrittsöffnungsbereich feststehender Austrittsquerschnittsbereich variabler Austrittsquerschnittbereich
Luftschieber
Pilotflammenerzeugungsbereich
Stauscheibe
Sekundärdüse
Einstelleinrichtung
Sonde
Brennstoff-Verteilerring
Gegendralleinrichtung innere Anordnung
Drallflügel äußere Anordnung Ummantelung
Eintrittsöffnung innerhalb erste Vormischzone 14.1 nahe Flammkopfaustritt (weitere Vormischzone(n))
„Ä“ = 1 ,45 (Beispiel für Verbrennungsluftverhältnis zündfähiges Brennstoff-
Luft-Gemisch 18)
Volllast: 10.000 kW / A = 1 ,45 / O2.tr. = 7% (Beispiel für Parameter bei
Volllast)
Luftschieber 72 geöffnet
Gaskonzentration 2,3 vol% « UEG !!! (A = 1 ,45)
(Bei gefahrenem A=1 liegt die Gaskonzentration bei 3,3 vol% « UEG). fiktives Ä = 4,48
Verbrennungsluft (100%)
13.800 rriN3/h (Beispiel für 100% Verbrennungsluftströmung 10)
312 rriN3/h (Beispielwert für Brennstoffzuführung) erste Gaseinbringung über gelochte Rohre (A.1 = 32% - Beispiel)
Tertiärgemisch über Luftschieber (Beispiel: 50%)
6.900 mN 3/h zweite Gaseinbringung über gelochte Gasrohre (A.2 = 32% - Beispiel)
Sekundärgemisch über Sekundärdrall (Beispiel: 38%)
5.200 mN 3/h dritte Gaseinbringung über hohle Drallflügel (A.3 = 32% - Beispiel)
Primärgemisch über Primärdrall (12%)
1.700 mN 3/h
29 m N3/h « 3% (A.4 - Anteil des Brennstoffs für Pilotflamme)
Kleinstmenge an Primärgas über Stauscheibe
Gaskonzentration 6,8 vol%
Gaskonzentration 8,2 vol%
Sekundärflamme (= Hauptflamme)
Gaskonzentration 4 vol%
Primärflamme (=Pilotflamme)
Teillast: 3.500 kW / A = 1 ,45 / O2.tr. = 7%
Luftschieber 72 geschlossen
4.800 mN 3/h 158 109 mN 3/h
160 Tertiärgemisch über Luftschieber (0%)
162 Sekundärgemisch über Sekundärdrall (75%)
164 3.600 mN 3/h
166 Primärgemisch über Primärdrall (25%)
168 1.200 mN 3/h
170 10 mN 3/h « 3%
172 Gaskonzentration 8,2 vol%
174 Gaskonzentration 3,1 vol%
180 Selbstzentrierung
181 Gasführung
182 Schwenkflanschbereich
184 Brennstoffaufteilung (flüssiger Brennstoff/Öl)
186 zentrale Zerstäuberdüse
A.1 erster Anteil
A.n n-ter Anteil
B Gasströme
L Luftströme und Gemischströme
VL Volllast
TL Teillast

Claims

Ansprüche:
1 . Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches, umfassend: a) vollständiges Vormischen von 100% einer für die Verbrennung zur Verfügung gestellten Luftströmung (10) mit Brennstoff (12), wobei Schritt a) umfasst: b) Zufügen eines ersten Anteils (A.1 ) des Brennstoffs (12) zu der Luftströmung (10) in einer ersten Vormischzone (14.1 ), so dass ein noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff-Luftgemisch (16) entsteht; und c) Zumischen eines oder mehrerer verbleibender Anteile (A.n) des Brennstoffs (12) zu dem mageren Brennstoff-Luftgemisch (16) in wenigstens einer weiteren Vormischzone (14. n), die zu der ersten Vormischzone (14.1 ) in Strömungsrichtung beabstandet ist, um ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch (18) mit Luftüberschuss zu erzeugen, wobei Schritt c) umfasst: d) Verdrallen des in der wenigstens einen weiteren Vormischzone (14.n) entstehenden Brennstoff-Luftgemischs (18), wobei das Verbrennungsverfahren weiter umfasst: e) Zuströmen des in Schritt c) erzeugten Brennstoff-Luftgemischs (18) durch einen Austrittsöffnungsbereich (70) in einen Feuerraum (60) und f) Verbrennen des Brennstoff-Luftgemischs (18) mit einer Flamme (62, 146) in dem Feuerraum (60).
2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1 , weiter umfassend wenigstens einen oder mehrere der folgenden Schritte:
2.1 Erzeugen der Luftströmung (10) mittels eines Gebläses (50);
2.2 Vorwärmen der Luftströmung (10), insbesondere mittels eines Wärmetauschers (68) unter Nutzung von Abgaswärme;
2.3 Einstellen der Geschwindigkeit der Luftströmung (10);
2.4 Einstellen einer Brennstoffaufteilung auf die Vormischzonen (14.1 , 14.n);
2.5 Erzeugen einer Hauptflamme (146) aus dem zündfähigen Brennstoff- Luftgemisch (18), nachdem dieses einen Flammkopf (42) verlassen hat, in dem Feuerraum (60);
2.6 Stabilisieren der mit dem zündfähigen Brennstoff-Luftgemisch (18) erzeugten Hauptflamme (146) mittels einer Primärflamme (150);
2.7 Bereitstellen eines größeren Austrittsquerschnitts (70, 70.1 , 70.2) für das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch (18) zu dem Feuerraum (60) in einem Vollastbetrieb und eines kleineren Austrittsquerschnitts (70, 70.1) für das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch (18) in einem Teillastbetrieb;
2.8 Aufteilen des zündfähigen Brennstoff-Luftgemischs (18) über einen Austrittsbereich mit festgelegten Austrittsquerschnitt (70,1 ) und einen Austrittsbereich mit steuerbaren Austrittsquerschnitt (70.2) und Steuern des steuerbaren Austrittsquerschnitts (70.2) abhängig von der zu erzeugenden Verbrennungsleistung;
2.9 Erzeugen eines homogenen zündfähigen Brennstoff-Luftgemischs (18), bei dem zumindest am Ende der letzten Vormischzone (14.n) über den gesamten Austritt-Strömungsquerschnitt (70) eine gleiche Verteilung von Brennstoff und Luft vorliegt.
3. Verbrennungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Schritt b) wenigstens einen, mehrere oder alle der Schritte enthält: b1 ) Zuführen von 10% bis 80% des Brennstoffs (12) in der ersten Vormischzone (14.1 ); b2) Zuführen von 30% bis 70% des Brennstoffs (12) in der ersten Vormischzone (14.1 ); b3) Zuführen von 40% bis 60% des Brennstoffs (12) in der ersten Vormischzone (14.1 ); b4) Zuführen von Brennstoff (12) über wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper (30), die ausgewählt sind aus der Gruppe, welche einen Hohlkörper (30) mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, einen Hohlkörper (30) mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr (32), ein Gasrohr (32) mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, einen sich teilweise ringförmig erstreckender gelochten Hohlkörper (30, 34, 36), einen ringförmigen gelochten Hohlkörper (30, 34), einen sich mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckenden hohler Ringkörper (34) mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen oder außen gerichteten Zylindermantelfläche, einen hohlen Drallflügel (36) mit Bohrungen sowie Kombinationen aus den vorgenannten Hohlkörpern (30) umfasst; b5) Erzeugen eines Dralls an der Luftströmung (10) und Zuführen des ersten Anteils an der verdrahten Luftströmung (10); b6) Erzeugen gegensätzlichen Dralles an der Luftströmung (10) in unterschiedlichen Ringbereichen der ersten Vormischzone (14.1 ); b7) Erzeugen eines homogenen mageren Brennstoff-Luftgemischs (16), bei dem zumindest am Ende der ersten Vormischzone (14.1) über den gesamten Strömungsquerschnitt eine gleiche Verteilung von Brennstoff und Luft vorliegt.
4. Verbrennungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Schritt c) wenigstens einen, mehrere oder alle der Schritte enthält: c1 ) Zumischen eines verbleibenden Anteils (A.n) in einer zweiten Vormischzone (14.2); c2) Zumischen eines verbleibenden Anteils (A.n) in einer zweiten und einer dritten Vormischzone (14.2, 14.3); c3) Zuführen eines verbleibenden Anteils von 1 % bis 15% des Brennstoffs (12) in einen Primärflammenerzeugungsbereich (76) zum Erzeugen einer Primärflamme; c4) Zumischen von Brennstoff (12) über wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper (30), die ausgewählt sind aus der Gruppe, welche einen Hohlkörper (30) mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, einen Hohlkörper (30) mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr (32), ein Gasrohr (32) mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, einen sich teilweise ringförmig erstreckender gelochten Hohlkörper (30, 34, 36), einen ringförmigen gelochten Hohlkörper (30, 34), einen sich mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckenden hohler Ringkörper (34) mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen oder außen gerichteten Zylindermantelfläche, einen hohlen Drallflügel (36) mit Bohrungen sowie Kombinationen aus den vorgenannten Hohlkörpern (30) umfasst; c5) Zuführen von Brennstoff (12) über wenigstens eine Öffnung in einer Stauscheibe (78).
5. Verbrennungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Schritt d) wenigstens einen, mehrere oder alle der Schritte enthält: d1 ) Verdrallen des sich in der weiteren Vormischzone (14.n) befindlichen Brennstoff-Luftgemischs (16, 18); d2) Erzeugen gegensätzlichen Dralles an dem Brennstoff-Luftgemisch (16, 18) in unterschiedlichen Ringbereichen der wenigstens einen weiteren Vormischzone (14. n); d3) Erzeugen eines Drells an dem Brennstoff-Luftgemisch (16) beim Übertritt in die wenigstens eine weitere Vormischzone (14.n); d4) Erzeugen eines Drells an dem mageren Brennstoff-Luftgemisch (16) vor dem Zumischen; d5) Erzeugen eines Drells an dem zur Zündfähigkeit anzureichernden Brennstoff-Luftgemisch (16, 18) während des Zumischens; d6) Erzeugen eines Drells mittels gasführender und gelochter Drellflügel (36); d7) Erzeugen eines Drells für eine Pilotflamme (150) mittels einer als
Drelleinheit (26) ausgebildeten Stauscheibe (78).
6. Vormischbrenner (40), umfassend ein Flammrohr (44) mit einem Austrittsöffnungsbereich (70), der dazu eingerichtet ist, zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch (18) zur Verbrennung in einen Feuerraum (60) abzugeben; eine Luftzuführeinrichtung (48) zur Bereitstellung der gesamten Luftströmung (10) zur Verbrennung zu dem Flammrohr (44); eine Vormischeinrichtung (46), die dazu eingerichtet ist, 100% der Luftströmung
(10) von der Luftzuführeinrichtung (46) aufzunehmen und mit Brennstoff (12) vor
Austritt aus dem Flammrohr (44) vorzumischen, und eine Drelleinrichtung (28), wobei die Vormischeinrichtung (46) eine erste Brennstoffzuführeinrichtung (20.1 ) mit Steuerungsmitteln, wobei die erste Brennstoffzuführeinrichtung (20.1) dazu eingerichtet ist, einen ersten Anteil (A.1 ) des Brennstoffs (12) zu der Luftströmung (10) in einer ersten Vormischzone (14.1 ) zuzufügen, so dass ein noch nicht zündfähiges mageres Brennstoff- Luftgemisch (16) entsteht, und wenigstens eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung (20. n) mit Steuerungsmitteln, wobei die wenigstens eine weitere Brennstoffzuführeinrichtung (20. n) dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere verbleibende Anteile (A.n) des Brennstoffs (16) zu dem mageren Brennstoff-Luftgemisch (16) in wenigstens einer weiteren Vormischzone (14. n), die zu der ersten Vormischzone (14.1 ) in Strömungsrichtung beabstandet ist, zuzumischen, um das zündfähige Brennstoff- Luftgemisch (18) mit Luftüberschuss zur Abgabe durch den Austrittsöffnungsbereich (70) des Flammrohres (44) in den Feuerraum (60) zu erzeugen, wobei die Dralleinrichtung (28) wenigstens zum Verdrallen des in der wenigstens einen weiteren Vormischzone (14.n) entstehenden oder befindlichen Brennstoff- Luft-Gemischs (16, 18) ausgebildet ist.
7. Vormischbrenner (40) nach Anspruch 6, wobei das Flammrohr (44) wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
7.1 einen zylinderförmigen Mantel;
7.2 eine Eintrittsöffnung, die zur Aufnahme der Luftströmung zu 100% ausgebildet ist;
7.3 eine Verjüngung nahe einem stromabwärts gerichteten Ende;
7.4 eine Austrittsquerschnittseinstelleinrichtung (72) zum Einstellen des Austrittsquerschnitts (70.2) eines Teils des Austrittsöffnungsbereichs (70);
7.5 wenigstens einen Schieber (72) zum variablen Einstellen eines Austrittsquerschnitts des Flammrohrs (44).
8. Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Luftzuführeinrichtung (46) wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
8.1 ein Gebläse (50) zur Erzeugung der Luftströmung (10);
8.2 eine Vorwärmeinrichtung (66) zur Vorwärmung der Luftströmung (10);
8.3 einen Abgaswärmetauscher (68) zur Vorwärmung der Luftströmung (10) mit Abgaswärme;
8.4 eine Abgaszuführeinrichtung (64) zum Zuführen von Abgas zu der Luftströmung (10);
8.5 Steuerungsmittel zum Steuern der Luftströmung (10);
8.6 eine an eine Steuerung (52) anschließbare Steuerungsschnittstelle.
9. Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Vormischeinrichtung (46) weiter wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
9.1 die erste Vormischzone (14.1 ) und eine davon in Strömungsrichtung beabstandete zweite Vormischzone (14.2);
9.2 eine erste, zweite und dritte Vormischzone (14.1 , 14.2, 14.3), die in Strömungsrichtung aufeinanderfolgen;
9.3 fest oder variabel eingestellte Brennstoff-Strömungsquerschnitte zum Aufteilen der Anteile (A.1 , A.n) von Brennstoff (12) zu der ersten und jeder weiteren Brennstoffzuführeinrichtung (20.1 , 2O.n);
9.4 eine Einstelleinrichtung (82) zum Einstellen einer Brennstoffaufteilung;
9.5 einen Brennstoff-Verteilerring (84) zum Verteilen von Brennstoff (12) auf die mehreren Vormischzonen (14.1 , 14.n);
9.6 Steuerungsmittel zum Steuern der Brennstoffzufuhr;
9.7 eine an eine Steuerung (52) anschließbare Steuerungsschnittstelle.
10. Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die erste Brennstoffzuführeinrichtung (20.1) wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
10.1 einen Zuströmquerschnitt, der relativ zu dem Zuströmquerschnitt der wenigstens einen weiteren Brennstoffzuführung (20. n) so dimensioniert ist, dass der vorbestimmte erste Anteil (A.1 ) des Brennstoffs (12) durch die erste Brennstoffzuführeinrichtung (20.1) fließt;
10.2 eine Einstelleinrichtung (82) zum Einstellen eines Zuströmquerschnitts der ersten Brennstoffzuführung (20.1 );
10.3 wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper (30) für die Zuführung des Brennstoffs, welcher wenigstens eine Hohlkörper ausgewählt ist aus der Gruppe, welche einen Hohlkörper (30) mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, einen Hohlkörper (30) mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr (32), ein Gasrohr (32) mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, einen sich teilweise ringförmig erstreckender gelochten Hohlkörper (30, 34, 36), einen ringförmigen gelochten Hohlkörper (30, 34), einen sich mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckenden hohler Ringkörper (34) mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen oder außen gerichteten Zylindermantelfläche, einen hohlen Drallflügel (36) mit Bohrungen sowie Kombinationen aus den vorgenannten Hohlkörpern (30) umfasst;
10.4 computerirnplementierte Steuerungsmittel zur Steuerung der Brennstoffzufuhr.
11 . Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die weitere Brennstoffzuführeinrichtung(en) (20. n) wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist/aufweisen:
11.1 einen Zuströmquerschnitt, der relativ zu dem Zuströmquerschnitt der ersten Brennstoffzuführung (20.1) so dimensioniert ist, dass der vorbestimmte weitere Anteil (A.n) des Brennstoffs (12) durch die weitere Brennstoffzuführeinrichtung (20. n) fließt;
11 .2 eine zweite Brennstoffzuführeinrichtung (20.2) in einer zweiten Vormischzone (14.2);
11 .3 eine dritte Brennstoffzuführeinrichtung (20.3) in einer dritten Vormischzone (14.3);
11 .4 eine Pilotflammen-Brennstoffzuführeinrichtung zum Zuführen eines gegenüber den Anteilen (A.1 , A.2, A.3) der ersten Brennstoffzuführung und einer zweiten Brennstoffzuführung (20.1 , 20.2, 20.3) um wenigstens den Faktor 3 kleineren Anteils des Brennstoffs (12) zu einer Pilotflamme (150);
11 .5 eine Einstelleinrichtung (82) zum Einstellen eines Zuströmquerschnitts der weiteren Brennstoffzuführung (20. n);
11 .6 wenigstens einen oder mehrere Hohlkörper (30) für das Zumischen des Brennstoffs, welcher wenigstens eine Hohlkörper ausgewählt ist aus der Gruppe, welche einen Hohlkörper (30) mit über dessen Oberfläche verteilte Düsen, einen Hohlkörper (30) mit perforierter Oberfläche, ein gelochtes Gasrohr (32), ein Gasrohr (32) mit seitlichen Bohrungen, ein sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, ein sich längs zur Strömungsrichtung erstreckendes Gasrohr (32) mit Bohrungen, einen sich teilweise ringförmig erstreckender gelochten Hohlkörper (30, 34, 36), einen ringförmigen gelochten Hohlkörper (30, 34), einen sich mit seiner Mittelachse in Strömungsrichtung erstreckenden hohler Ringkörper (34) mit Bohrungen an wenigstens einer nach innen oder außen gerichteten Zylindermantelfläche, einen hohlen Drallflügel (36) mit Bohrungen sowie Kombinationen aus den vorgenannten Hohlkörpern (30) umfasst;
11 .7 computerimplementierte Steuerungsmittel zum Steuern der Brennstoffzufuhr.
12. Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , wobei die Dralleinrichtung (28) wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
12.1 eine Dralleinheit (26) zum Verdrallen der in die erste Vormischzone (14.1 ) eintretenden Luftströmung (10);
12.2 eine Gegendrelleinrichtung (88) zum Erzeugen von Drell mit entgegengerichteten Drellrichtungen in unterschiedlichen Ringzonen des Flammrohrs (44);
12.3 eine erste Drelleinheit (26.1 ) in oder vor der ersten Vormischzone (14.1) und wenigstens eine weitere Drelleinheit (26.2) im Übertritt zu oder in einer weiteren Vormischzone (14.n);
12.4 eine innere Anordnung (90) von Drellflügeln (92) und eine äußere Anordnung (94) von Drellflügeln (92);
12.5 als Hohlkörper (30) mit Düsen zur Brennstoffzufuhr ausgebildete Drellflügel (36);
12.6 eine Primärflammen-Dralleinheit (26) an einer Stauscheibe (78).
13. Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, umfassend wenigstens eines oder mehrere der folgenden weiteren Merkmale:
13.1 eine Stauscheibe (78) zum Stabilisieren einer Primärflamme (146);
13.2 Flüssigbrennstoffdüsen (80) zur Abgabe von flüssigem Brennstoff in einen Feuerraum (60) stromabwärts des Flammrohrs (44);
13.3 eine Steuerung (52) mit Prozessor (54) und Speicher (56);
13.4 Steuerungsmittel zum Steuern des Verhältnisses von Brennstoff (12) zur Luftströmung (10);
13.5 eine Steuerung (52), die dazu eingerichtet ist, den Vormischbrenner (40) zur Durchführung des Verbrennungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu veranlassen.
14. Steuerung (52) für einen Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, die dazu eingerichtet ist, den Vormischbrenner (40) zum automatischen Durchführen des Verbrennungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu veranlassen.
15. Computerprogramm umfassend Anweisungen, die einen Vormischbrenner (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 13 dazu veranlassen, das Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
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