DE4215763A1 - Brenner - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Um den Wirkungsgrad von Verbrennungssystemen zu erhöhen und gleichzeitig die Schadstoffemissionen von Gasturbinen­ triebwerken und Feuerungsanlagen zu verringern, sind in der Vergangenheit verschiedene Verbesserungen für Brenner vor­ geschlagen worden. Darüber hinaus sind auch gesetzliche Vorschriften über maximale Emissionsgrenzwerte in Kraft ge­ treten, welche von den Verbrennungssystemen erfüllt werden müssen. Neben anderen Verbrennungsprodukten sind Kohlenwas­ serstoffe und Stickstoffoxide (NO_x) für Luftverunreinigun­ gen verantwortlich.

Als Stickstoffquelle wirkt dabei einerseits die Verbren­ nungsluft in Form von normaler Umgebungsluft mit dem natür­ lichen Stickstoffgehalt und andererseits Brennstoff, wel­ cher organisch gebundenen Stickstoff enthält. Bei der Ver­ brennung selbst hängt die Bildung der Stickstoffoxide unter anderem stark von der Verweilzeit des molekularen Stick­ stoffs im Flammbereich ab. Je geringer die Verweilzeit ist, desto weniger Stickstoffoxide werden gebildet. Durch eine Herabsetzung der Verweilzeit, z. B. durch höhere Luft- oder Brennstoffeinströmgeschwindigkeiten, treten jedoch mehr un­ verbrannte Fluidverbindungen in den Emissionen des Brenners auf, was eine Verringerung von dessen Wirkungsgrad zur Folge hat.

Einher mit der Rußbildung geht die Kohlenmonoxidbildung. Kohlenmonoxid hat einen hohen Heizwert, der so für die nutzbare Verbrennung verloren geht.

Weiter ist die Stickstoffoxidbildung von der Flammtempera­ tur abhängig und steigt mit Erhöhung der Flammtemperatur an. Andererseits wird eine erhöhte Flammtemperatur ange­ strebt, um eine bessere Energieausbeute des Brennstoffes zu erhalten.

Ein Brenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art ist aus der DE-OS 30 17 034 bekannt. Um sowohl eine niedrige Schadstoffemission mit geringen Stickstoffoxiden, als auch einen erhöhten Wirkungsgrad zu erlangen, ist bei dem bekannten Brenner dessen Brennerkopf mit einer konzentrischen Auslaßanordnung in Form von mehreren konzen­ trischen, einzeln zuschaltbaren Auslaßdüsen ausgestattet, wobei Brennstoff- und Luftauslaßdüsen radial von der Mitte des Brennerkopfes ausgehend miteinander abwechseln. Je nach Zuschaltung der einzelnen Auslaßdüsen, was von den Betriebsbedingungen abhängt, ergeben sich eine (für Leerlaufbetrieb) oder zwei (für Vollastbetrieb) Ver­ brennungszonen. Schwer verbrennbare, unverbrannte Gasver­ bindungen werden bei diesem bekannten Brenner mit dessen Emissionen ausgestoßen und verringern so die Energieaus­ beute des Brennstoffes beträchtlich.

Neben dem Einsatz in Triebwerken werden Brenner auch bei Feuerungsanlagen benutzt. Auch hier konnten in der Vergan­ genheit verschiedene Verbesserungen zur Energieeinsparung und Verringerung der Schadstoffemission beitragen. Ein be­ kanntes Verfahren zur Schadstoffreduzierung ist die externe Rauchgasrückführung. Dabei wird üblicherweise bei der Ver­ brennung entstehendes Rauchgas über externe Rückführkanäle mit teilweise zusätzlichen Gebläsen in die Verbrennungszone zurückgeführt. Leider ist damit eine Senkung der Flammtem­ peratur verbunden, die die Stickstoffoxidbildung ver­ ringert.

Verschiedene Verfahren zur Rauchgasrückführung werden in der Druckschrift "Technische Dokumentation Saacke", 1. Aus­ gabe 3/1990, der Saacke GmbH vorgeschlagen.

In der gleichen Druckschrift wird auch eine interne Rauch­ gasrückführung beschrieben. Dabei wird durch geeignete Ein­ bauten in einem Brennraum in Form eines mit Abstand zu der Außenwand des Brennraumes angeordneten Rohres Rauchgas aus dem Bereich nach dem Flammende an die Flammwurzel zurückge­ führt. Durch diese interne Rauchgasrückführung wird zwar auch die Schadstoffemission durch Behinderung der Stickstoffoxidbildung verringert, jedoch muß auch dabei eine Erniedrigung der Flammtemperatur in Kauf genommen wer­ den, wodurch die Energieausbeute des Brennstoffes ernied­ rigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß eine Erhöhung der Flammtemperatur und der Energieausbeute des Brennstof­ fes bei gleichzeitiger Erniedrigung der Schadstoffemission erreicht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Durch den Brenner nach der Erfindung wird erreicht, daß schwer verbrennbare, unverbrannte Gasverbindungen in eine Gemischbildungszone hinter einer Auslaßanordnung durch eine Rezirkulationseinrichtung zurückgeführt werden. Den schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen wird in der Gemischbildungszone stickstoffarme Luft zugeführt. Das ent­ stehende Gemisch strömt in eine nahe dem Brennerkopf ange­ ordnete Kammer und wird darin ebenso wie ein zentrisch ein­ strömendes Brennstoff/Luft-Gemisch entzündet und sorgt da­ mit für eine bessere Energieausbeute und für eine Erhöhung der Flammtemperatur. Die Verbrennungszone beginnt dement­ sprechend in der Kammer im Brennerkopf. Unverbrannte Koh­ lenwasserstoffe treten aufgrund der hohen Flammtemperatur nicht mehr auf.

Bei Verwendung von stickstoffarmer Luft, welche aus einer äußeren Luftzuführdüse austritt, wirkt diese Luft gleich­ zeitig für den Brennstoffstrom als Schutzmantel gegenüber der umgebenden Atmosphäre. Dadurch wird gewährleistet, daß keine Außenluft, welche hauptsächlich Stickstoff enthält, in die Verbrennungszone gelangen kann.

Mit der Rückführung von schwer verbrennbaren Gasverbindun­ gen in die Gemischbildungszone wird die Flammtemperatur zunächst etwas gesenkt, mit der Folge, daß sich die Flamm­ wurzel weiter in das Innere der Kammer hinein verschiebt. Mit der Verbrennung der schwer verbrennbaren Gasverbindun­ gen steigt die Flammtemperatur wieder stark an, wodurch sich die Flammwurzel wieder in Richtung zur Auslaßanordnung hin verschiebt. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig, so daß die Flammwurzel mit relativ hoher Frequenz oszilliert. Das hat den Vorteil, daß die Vermischung der schwer ver­ brennbaren, unverbrannten Gasverbindungen und der stick­ stoffarmen Luft des Schutzmantels in der Gemischbil­ dungszone gefördert wird, was wiederum die Verbrennung der schwer verbrennbaren Gasverbindungen gewährleistet. Mit zu­ nehmender Temperatur wird diese Frequenz höher.

Der Brenner gemäß der Erfindung sieht also im Gegensatz zu einem Brenner gemäß der technischen Dokumentation Saacke eine Flammtemperaturerhöhung vor und keine Temperaturer­ niedrigung. Darüber hinaus wird kein Rauchgas rückgeführt, sondern es werden schwer verbrennbare, unverbrannte Gasver­ bindungen rückgeführt. Die Rückführung selbst beginnt bei dem Brenner gemäß der Erfindung schon im Brennerkopf selbst, radial außerhalb der Verbrennungszone, wogegen ein Brenner gemäß der technischen Dokumentation Saacke Rauchgas aus dem Bereich axial außerhalb der Verbrennungszone, aus dem Brennraum an die Flammwurzel rückführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 und 3 wird die Kammer durch den Innenraum eines in einem Auslaßgehäuse des Brennerkopfes angeordneten rotationszy­ lindrischen Hohlkörpers mit einer Ein- und einer Ausström­ öffnung gebildet, welcher von dem Brennstoff/Luft-Gemisch und dem Gemisch aus stickstoffarmer Luft und rückgeführten, schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen durch­ strömt wird. Ein gleichmäßiger Abstand zwischen dem Hohl­ körper und dem Auslaßgehäuse bildet eine Rückführleitung für die schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindun­ gen. Die sich in Strömungsrichtung nach der Kammer im Au­ ßenbereich der Flamme befindlichen schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen werden nach dem Ven­ turiprinzip wieder in den Bereich vor der Kammer gesaugt, wo sie sich mit der stickstoffarmen Luft aus einer äußeren Luftzuführdüse vermischen und in die Kammer einströmen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist der Hohlkörper ein langgestreckter, im wesentlichen eiförmig ausgebildeter Hohlkörper. Durch diese Ausbildung des Hohl­ körpers ergibt sich eine definierte, steuerbare Flammfront oder Verbrennungszone. Nach Eintritt des Brennstoff/Luft- Gemisches in den Hohlkörper führt die Querschnittserweite­ rung des Hohlkörpers zu einer gezielten Ge­ schwindigkeitsverringerung des Gemisches. Sobald die Ge­ schwindigkeit des eingeströmten Gemisches klein genug ist, kann das Gas durch eine übliche Zündeinrichtung entzündet werden. Es entsteht eine lagestabile Verbrennungszone mit oszillierender Flammwurzel in der Hohlkugel.

Gemäß der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist die zugeführte Luftmenge und/oder die Brennstoffmenge ein­ stellbar. Dies wird durch eine einstellbare Luftzuführdüse bzw. Brennstoffzuführdüse erreicht.

In der vorteilhaften Ausgestaltung des Brenners nach An­ spruch 6 ergibt sich ein definierter Strömungsabriß an scharfen ringförmigen Schneiden der Luft- und Brennstoffzu­ führdüse, durch den der zugeführte Brennstoff zerstäubt wird.

Die stickstoffarme Luft für den Schutzmantel des Brennstof­ fes gegen die umgebende Atmosphäre wird in der Ausgestal­ tung der Erfindung nach Anspruch 7 durch eine Vielzahl kleiner Düsenbohrungen in die Gemischbildungszone eingelei­ tet.

Um sowohl die Strömung durch den Hohlkörper, als auch die Strömung der schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbin­ dungen an der Außenseite des Hohlkörpers zu verbessern, ist der Hohlkörper selbst gemäß Anspruch 8 im Längsschnitt als ein Flügelprofil ausgebildet. Dies bedeutet, daß in Strö­ mungsrichtung die Wanddicke des Hohlkörpers zunächst an­ steigt, um danach langsam wieder abzufallen. Aufgrund der hohen Flammtemperaturen im Ausströmbereich des Hohlkörpers soll die Wand des Hohlkörpers eine bestimmte Mindestdicke nicht unterschreiten. Daher kann ein strömungstechnisch op­ timales, spitzes Auslaufen des Flügelprofils des Hohlkör­ pers aber nicht ganz erreicht werden.

Durch die Formgebung des Flammrohres gemäß Anspruch 9 legt sich die Flamme nach einem gewissen Abstand nach ihrem Aus­ tritt aus der Kammer vollständig an das Flammrohr an. Damit wird vermieden, daß die schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen, welche nach der Kammer zwischen der Flamme und dem Flammrohr frei werden, mit der Flamme ausströmen und nicht durch die Venturiwirkung rückgeführt werden. Au­ ßerdem wird der Eintritt der umgebenden Atmosphäre verhin­ dert.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10, läßt sich das Gemisch in der Kammer auf einfache Weise zünden und außerdem durch in der Kammer stattfindende Plasma­ bildungsvorgänge entstehende elektrische Ladung nach außen ableiten. Die dadurch gewonnene elektrische Energie kann zum Betreiben von Nebenaggregaten verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Brenners gemäß der Erfindung mit Verbrennungszone und Strö­ mungsschichten,

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Brenners gemäß der Erfindung mit Brennerkopf und vorderem Flammrohrbereich, und

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Brennerkopfes nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Brenner, der aus einem Brennerkopf B und einem anschließenden Flammrohr F besteht. Der in Fig. 1 linke Teil des Brennerkopfes B wird als Düsenstock D be­ zeichnet und hat eine konzentrische Auslaßanordnung, welche im folgenden noch detaillierter beschrieben wird. Den rech­ ten Teil des Brennerkopfes B bildet ein Auslaßgehäuse 22 mit einem Boden 21, welcher über Schrauben S mit dem Düsen­ stock D verbunden ist. In dem Auslaßgehäuse 22 ist mit gleichmäßigem Abstand von dessen Innenwand ein langge­ streckter, im wesentlichen eiförmig ausgebildeter Hohlkör­ per 20 mittels Abstandshalter 23 befestigt. Als Abstands­ halter dienen mehrere zwischen Hohlkörper 20 und Auslaßge­ häuse 22 befestigte Isolierkörper aus Berylliumkeramik. Der Innenraum des Hohlkörpers 20 bildet eine Kammer 11. Der Hohlkörper 20 besitzt eine der Auslaßanordnung zugewandte Einströmöffnung 12 und eine dem Flammrohr F zugewandte Aus­ strömöffnung 13.

Das Auslaßgehäuse 22 besteht aus ungehärtetem rostfreien Stahl und hat an seinem dem Boden 21 gegenüberliegenden Ende einen radialen Flansch 26. Das Flammrohr F besitzt an seinem dem Auslaßgehäuse 22 zugewandten Ende einen Flansch 28. Durch mehrere Klemmverbinder 24 sind das Auslaßgehäuse 22 und das Flammrohr F an ihren Flanschen 26, 28 aneinander fixiert.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Brennerkopfes B mit einem Teil des daran befestigten Flammrohres F, das aus Siliciumnitridkeramik besteht. Der Düsenstock D ist aus mehreren durch Drehen hergestellten Teilen L, R und T aus gehärtetem rostfreien Stahl aufgebaut. Zwischen den Teilen L, R und T vorgesehene Dichtungen aus Kupfer sind der Über­ sichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Das linke Teil T des Düsenstockes D ist ein Düsen­ führungsteil, welches eine zentrische Gewindebohrung 29 und je eine Bohrung 30a, 30b zum Anschließen einer Brennstoff­ leitung BL bzw. einer Luftleitung LL besitzt. Die Ge­ windebohrung 29 erstreckt sich von der hinteren, dem Flamm­ rohr F abgewandten Seite des Düsenführungsteiles T bis zu einer ebenfalls zentrischen, im vorderen Teil des Düsenfüh­ rungsteils ausgebildeten Paßbohrung 31. In die Gewindeboh­ rung 29 des Düsenführungsteiles T ist von der dem Flammrohr F zugewandten Seite aus ein mit Außengewinde versehenes Luftzuführrohr 1 eingeschraubt. Der dem Flammrohr F zuge­ wandte Teil des Luftzuführrohres 1 ist mit einem zylindri­ schen Paßstück 32 versehen, welches auf den Durchmesser der Paßbohrung 31 des Düsenführungsteiles T abgestimmt ist und einen größeren Durchmesser als die Gewindebohrung 29 be­ sitzt. Dadurch kann sich das Luftzuführrohr 1 in der Paßbohrung 31 zentrieren. Eine Spitze 33 des Luftzuführroh­ res 1 enthält eine innere Luftzuführdüse 2, welche Teil ei­ nes Injektors ist. Die Außenfläche der Spitze 33 des Luftzuführrohres 1 und ebenso die Innenfläche der Luftzu­ führdüse 2 laufen in Strömungsrichtung der zugeführten Luft kegelig spitz so zu, daß sich am Ende der Spitze 33 eine scharfe, ringförmige Schneide ergibt. Das Luftzuführrohr 1 kann mehr oder weniger tief in das Düsenführungsteil T ein­ geschraubt werden. Nach Erreichen der gewünschten Ein­ schraubtiefe wird die Lage des Luftzuführrohres 1 mit einer Kontermutter 30 fixiert.

Radial außerhalb der Paßbohrung 31 ist am Düsenführungsteil T eine äußere zylindrische Paßfläche 34 ausgebildet, auf der als Teil L ein Luftlenkkörper sitzt. Der so auf dem Düsenführungsteil T zentrierte Luftlenkkörper L hat meh­ rere, weiter unten erläuterte axiale und radiale Bohrungen zum Leiten von Brennstoff bzw. Luft.

Radial außerhalb des Luftlenkkörpers L wiederum sitzt als Teil R ein Brennstoffkammerring, der ebenfalls mit radialen und axialen Bohrungen versehen ist, welche zum Leiten von Brennstoff und Luft dienen.

Der Luftlenkkörper L besitzt an seiner Außenseite eine Ein­ drehung, die zusammen mit dem Brennstoffkammerring R eine ringförmige äußere Brennstoffkammer Ka bildet. Über einige der radialen Bohrungen in dem Luftlenkkörper L ist die äu­ ßere Brennstoffkammer Ka mit einer ringförmigen inneren Brennstoffkammer Ki verbunden, welche radial von dem Luft­ zuführrohr 1 und dem Luftlenkkörper L begrenzt wird. Zur Brennstoffzuführung ist ein Teil der axialen Bohrungen des Brennstoffkammerrings R über einen Teil von dessen radialen Bohrungen mit der äußeren Brennstoffkammer Ka verbunden. Am vorderen Ende der Spitze 33 verengt sich der Querschnitt der inneren Brennstoffkammer Ki stark, da der Luft­ lenkkörper L an seinem benachbarten Ende eine stark nach innen abgewinkelte Ringwand 6 besitzt. Die Ringwand 6 läuft an ihrem Ende scharfkantig zu, so daß eine scharfe ringför­ mige Schneide gebildet ist. Diese Ringwand 6 bildet mit der Spitze 33 eine Brennstoffzuführdüse 5 mit ringförmigem Aus­ strömquerschnitt.

Der Luftlenkkörper L hat weiter in seiner dem Brennstoff­ kammerring R benachbarten Stirnseite einen ringförmigen Einstich E, der über einen Teil der axialen Bohrungen in dem Brennstoffkammerring R mit der Luftleitung LL in Ver­ bindung steht. Vier kleine axiale Bohrungen 36 verbinden den Einstich E mit vier großen radialen Bohrungen 37, wel­ che nach außen jeweils durch eine Madenschraube 18, ver­ schlossen sind. Die radialen Bohrungen 37 münden über eine äußere Luftzuführdüse 8 welche aus vier kleinen Düsenboh­ rungen von 0,5 mm Durchmesser besteht, in einen Raum im Auslaßgehäuse 22, welcher zwischen dem Düsenstock D und dem Hohlkörper 20 gebildet ist. Dieser Raum wird Gemischbildungszone 3 genannt. Die Düsenbohrungen der äuße­ ren Luftzuführdüse 8 sind jeweils von den vier radialen Bohrungen 37 aus gesehen schräg auf eine Mittelachse M des Auslaßgehäuses 22 gerichtet, so daß sich die Achsen dieser Düsenbohrungen in einem Punkt vor der inneren Luftzuführ­ düse 2 auf der Mittelachse M des Auslaßgehäuses 22 treffen. Der Luftlenkkörper L hat an seinem, dem Flammrohr F zuge­ wandten Ende radial außerhalb seiner Ringwand 6 eine trichterförmige, tiefe Eindrehung 39, aus der die Ringwand 6 vorsteht. Die Außenfläche der trichterförmigen Eindrehung 39 verläuft im Schnitt gesehen annähernd rechtwinkelig zu den Düsenbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8.

Das Düsenführungsteil T, der Luftlenkkörper L, der Brenn­ stoffkammerring R und das Auslaßgehäuse 22 sind über Schrauben S zusammengespannt. Im Brennstoffkammerring R sind dafür Durchgangsbohrungen und im Düsenführungsteil T Gewindebohrungen für die Aufnahme der Schrauben S vorgese­ hen. Im Bereich der Köpfe der Schrauben S ist das Auslaßge­ häuse 22 mit Öffnungen 41 versehen.

Wie bereits ausgeführt, ist innerhalb des Auslaßgehäuses 22 der Hohlkörper 20 mittels der Abstandshalter 23 mit gleich­ mäßigem Abstand von der Innenwand des Auslaßgehäuses 22 an­ geordnet. Der Hohlkörper 20 besitzt mehrere diametral ge­ genüberliegende, radiale Bohrungen, welche zusammen mit Bohrungen in den Abstandshaltern 23 und Bohrungen in dem Auslaßgehäuse 22 diametral gegenüberliegende Durchgangsöff­ nungen bilden, von denen in Fig. 2 jeweils nur zwei sicht­ bar sind. Zündelektroden Z, die an eine Hochspannungsquelle HV angeschlossen sind, erstrecken sich durch diese Durch­ gangsöffnungen in das Innere des Hohlkörpers 20, also in die Kammer 11. Darüber hinaus stehen die Zündelektroden Z mit Nebenaggregaten N in Verbindung.

Die Wirkungsweise des Brenners wird im folgenden unter Be­ zugnahme auf Fig. 3 näher erläutert.

Aus einer nicht gezeigten zentralen Luftquelle wird stick­ stoffarme Luft einerseits über die Luftleitung LL und ande­ rerseits über das Luftzuführrohr 1 in den Düsenstock D ein­ geleitet. Die Einleitung des Brennstoffes erfolgt über die Brennstoffleitung BL.

Ein Teil der stickstoffarmen Luft strömt durch das zen­ trisch im Düsenstock D angeordnete Luftzuführrohr 1 zu der inneren Luftzuführdüse 2 und strömt durch die innere Luft­ zuführdüse 2 beschleunigt als zentrischer Luftstrahl in das Auslaßgehäuse 22 ein. Über die Brennstoffleitung BL wird Brennstoff in den Düsenstock D und darin durch mehrere ra­ diale und axiale Bohrungen durch die äußere und innere Brennstoffkammer Ka bzw. Ki bis zu der ringförmigen Brenn­ stoffzuführdüse 5 geleitet. Durch die Ausbildung der inne­ ren Luftzuführdüse 2 und der Brennstoffzuführdüse 5 als In­ jektor wird der Brennstoff aus der Brennstoffzuführdüse 5 durch den zentrischen Luftstrahl mitgerissen und strömt zu­ sammen mit diesem in das Auslaßgehäuse 22. Da die be­ nachbarten Enden der Luftzuführdüse 2 und der Ringwand 6 als scharfe ringförmige Schneiden ausgebildet sind, ergibt sich ein definierter Strömungsabriß an den Schneiden, durch den der zugeführte Brennstoff sehr gut zerstäubt wird. Die­ ser zerstäubte Brennstoff vermischt sich in der Gemischbil­ dungszone 3 mit dem zentrischen Luftstrahl vollständig und strömt als leicht endzündbares Brennstoff/Luft-Gemisch in den langgestreckten, im wesentlichen eiförmig ausgebildeten Hohlkörper 20.

Die in den Hohlkörper 20 ragenden Elektroden Z werden zur Zündung mit der Hochspannungsquelle HV verbunden und erzeu­ gen einen Lichtbogen, welcher das Brennstoff/Luft-Gemisch zündet. Es entsteht eine Verbrennungszone, auch Flammfront 40 genannt, die in der Kammer 11 noch im Brennerkopf B selbst beginnt und eine Flammwurzel aufweist, welche sich in der Kammer 11 nahe der Einströmöffnung 12 bildet. Die Flammfront 40 nimmt schon vor Austritt aus der Kammer 11 den gesamten Kammerquerschnitt ein. Bei Austritt aus der Kammer 11 erreicht die Flammfront 40 ihre höchste Tempera­ tur. Wegen der extremen thermischen Belastung des Hohlkör­ pers 20 besteht dieser aus Wolfram. Nach Austritt aus dem Hohlkörper 20 legt sich die Flammfront 40 erst nach einem gewissen Abstand von der Ausströmöffnung 13 vollständig an das Flammrohr F an. Die Form der Flammfront 40 hängt insbe­ sondere von der Art des Brennstoffes ab. Das Flammrohr F ist exakt der Form der Flammfront 40 angepaßt, so daß zwi­ schen Flammrohr F und Flammfront 40 kein Zwischenraum ent­ steht, über den schwer verbrennbare, unverbrannte Gasver­ bindungen aus dem Flammrohr F austreten könnten oder die umgebende Atmosphäre über das Flammrohr F eintreten könnte.

Bei Austritt der Flammfront 40 aus dem Hohlkörper 20 befin­ den sich in dem Außenbereich der Flammfront 40 schwer ver­ brennbare, bis dahin noch unverbrannte Gasverbindungen. Diese werden beim Austritt der Flammfront 40 aus dem Hohl­ körper 20 in einem Austrittsraum 38 frei. Der Austrittsraum 38 ist ringförmig und bildet den Bereich zwischen der aus­ tretenden Flammfront 40 und dem Flammrohr F in dem Bereich, in dem sich die Flammfront 40 noch nicht vollständig an das Flammrohr F angelegt hat. Durch das Venturiprinzip werden die sich im Austrittsraum 38 befindlichen schwer verbrenn­ baren, unverbrannten Gasverbindungen über einen Ringraum 42, der eine Rezirkulationseinrichtung bildet und von dem Hohlkörper 20 und dem Auslaßgehäuse 22 begrenzt wird, in Richtung Auslaßanordnung rückgeführt. Dieses Rückführen wird dadurch erleichtert, daß der Hohlkörper 20 im Längs­ schnitt ein Flügelprofil hat, so daß sich die Strömung gut an den Hohlkörper 20 anlegt und Verwirbelungen vermeidet.

Schwer verbrennbare Gasverbindungen benötigen zu ihrer Ver­ brennung viel Sauerstoff. Zu diesem Zweck werden die in die Gemischbildungszone 3 rückgeführten, schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen mit stickstoffarmer Luft aus den Düsenbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8 vermischt, zu denen die stickstoffarme Luft über die in den Drehteilen des Düsenstockes D befindlichen Bohrungen 30b, 36, den ringförmigen Einstich E und die daran anschließenden Boh­ rungen 37 gelangt. Der Einstich E ist erforderlich, damit in allen Düsenbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8 glei­ che Druckverhältnisse vorliegen. Der Querschnitt der Bohrungen 36 und 37 ist größer als der Querschnitt der Dü­ senbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8 selbst, damit stets ein Staudruck vorhanden ist. Die Düsenbohrungen 8 sind schräg nach innen und auf das sich bildende zentrisch strömende Brennstoff/Luft-Gemisch gerichtet, wodurch sich ein äußerer, kegeliger Luftstrahl ergibt. Der Strömungsquerschnitt für den kegeligen Luftstrahl aus stickstoffarmer Luft verjüngt sich bis zum Auftreffen auf das Brennstoff/Luft-Gemisch, um sich dann nach einer durch das Auftreffen auf das Brennstoff/Luft-Gemisch verursachten Gasstrahlbeugung wieder leicht kegelig aufzuweiten und in den Hohlkörper 20 einzuströmen. Diese um das Brenn­ stoff/Luft-Gemisch strömende stickstoffarme Luft wirkt als Schutzmantel 25 gegen die umgebende Atmosphäre, die über die Öffnungen 41 Zutritt hat und wegen ihres hohen Stick­ stoffgehaltes von der Verbrennung ferngehalten werden soll. Neben der Schutzhülle 25 bildet sich aber auch radial au­ ßerhalb dieser Schutzhülle 25 eine ringförmige stickstof­ farme Luftzone 27, die durch stickstoffarme Luft aus den Düsenbohrungen 8 gebildet wird. Die Strömung in der stick­ stoffarmen Luftzone 27 ist durch die schräg angeordneten Düsenbohrungen 8 und die Formgebung des Luftlenkkörpers L im Bereich nach den Düsenbohrungen 8 so gerichtet, daß sich die stickstoffarme Luft teilweise noch in der Gemischbil­ dungszone 3 mit den rückgeführten, schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen vermischt und zusammen mit diesen in die Kammer 11 einströmt. Die schwer ver­ brennbaren, unverbrannten Gasverbindungen erhalten so den für ihre Verbrennung notwendigen Sauerstoff über die stick­ stoffarme Luft. Die in die Kammer 11 einströmenden schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen und die stick­ stoffarme Luft haben ein derartiges Mischungsverhältnis, daß in der Kammer 11 deren Zündung erfolgt, wodurch die Flammtemperatur stark erhöht wird. Dadurch verschiebt sich die Flammwurzel in Richtung zur Auslaßanordnung hin. Dieser Vorgang des Rückführens, Vermischens und Entzündens wieder­ holt sich ständig, so daß die Flammwurzel mit relativ hoher Frequenz axial oszilliert. Das führt dazu, daß der Brenner einen Brummton erzeugt. Dieses Oszillieren hat zusätzlich den Vorteil, daß eine in der Gemischbildungszone 3 erzeugte Drucksäule ebenfalls oszilliert und hilft, das Vermischen der schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen mit der stickstoffarmen Luft zu fördern und das Eintreten der umgebenden Atmosphäre in die Kammer 11 zu verhindern.

Zum optimalen Funktionieren des Brenners bedarf es einer exakten Einstellung der Mengen des zugeführten Brennstoffes und der stickstoffarmen Luft. Die zugeführte Brennstoff­ menge wird über mehr oder weniger tiefes Einschrauben des Lufzuführrohres 1 in das Düsenführungsteil T eingestellt. Da die Spitze 33 des Luftzuführrohres 1 gleichzeitig die innere Wand der ringförmigen Brennstoffzuführdüse 5 bildet, wird durch ein stärkeres Eindrehen des Luftzuführrohres 1 in das Düsenführungsteil T der Querschnitt der Brennstoff­ zuführdüse 5 erhöht und es strömt mehr Brennstoff in die Gemischbildungszone 3. Die Einstellung der zugeführten stickstoffarmen Luftmenge erfolgt über nicht gezeigte Einstellschrauben, durch die der Strömungsquerschnitt der Luftleitung LL und des Luftzuführrohres 1 mehr oder weniger verringert wird.

Die Flammfront 40 tritt nach dem Ende des Flammrohres F in einen nicht gezeigten Brennraum ein. Versuche haben erge­ ben, daß die freiwerdenden Abgase kaum noch unverbrannte Kohlenwasserstoffe und nur noch geringste Mengen an Kohlen­ monoxid und Stickstoffoxiden enthalten.

Der Aufbau des Brenners gestattet, daß sowohl mit minerali­ schen oder organischen Brennstoffen als auch mit brennbaren Gasen, insbesondere Kohlenwasserstoffgasen gearbeitet wer­ den kann.

Zusätzlich zu der Wärmegewinnung durch die Verbrennung kann auch elektrische Energie aus dem Brenner abgezweigt werden. Die Verbrennung in der Kammer 11 führt zu einer Plasmabil­ dung. Die dabei entstehende elektrische Ladung kann über die Elektroden Z nach außen abgeführt und zur Energiever­ sorgung der Nebenaggregate N eingesetzt werden. Die bei der Verbrennung gewonnene elektrische Energie beträgt bei einem Brenner für normale Feuerungsanlagen mehrere hundert Watt. Damit die Ladung abgeführt werden kann, ist der Hohlkörper 20 gegenüber dem Auslaßgehäuse 22 isoliert, wie oben darge­ legt.

Claims (10)

1. Brenner mit einem Brennerkopf (B) und einem Flammrohr (F), wobei der Brennerkopf (B) eine konzentrische Auslaßan­ ordnung aus einer inneren Luftzuführdüse (2), zumindest ei­ ner äußeren Luftzuführdüse (8) und einer dazwischen vorge­ sehenen Brennstoffzuführdüse (5) aufweist und wobei das Flammrohr (F) sich in Strömungsrichtung an den Brennerkopf (B) anschließt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennerkopf (B) anschließend an die Auslaßanordnung ein Auslaßgehäuse (22) aufweist,
daß eine Verbrennungszone in einer gegenüber dem Inneren des Auslaßgehäuses (22) teilweise abgegrenzten, nahe an der Auslaßanordnung angeordneten Kammer (11) beginnt,
daß zwischen der Kammer (11) und dem Auslaßgehäuse (22) eine Rezirkulationseinrichtung (42) vorgesehen ist zur Rückführung schwer verbrennbarer, unverbrannter Gasverbin­ dungen in eine zwischen der Auslaßanordnung und der Kammer (11) befindliche Gemischbildungszone (3),
daß die innere Luftzuführdüse (2) und die Brennstoffzuführdüse (5) als In­ jektor ausgebildet sind zum Mitreißen des Brennstoffes aus der Brennstoffzuführdüse (5) in die Gemischbildungszone (3),
daß über die äußere Luftzuführdüse (8) stickstoffarme Luft zuführbar ist und
daß die äußere Luftzuführdüse (8) so nach innen gerichtet ist, daß sich die rückgeführten, schwer verbrennbaren, un­ verbrannten Gasverbindungen mit der stickstoffarmen Luft aus der äußeren Luftzuführdüse (8) vermischen und zur Ver­ brennung in die Kammer (11) einströmen und sich die stick­ stoffarme Luft vor der Vermischung mit den rückgeführten, schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen als Schutzmantel (25) gegen die umgebende Atmosphäre um den über die Brennstoffzuführdüse (5) eingeleiteten Brennstoff legt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (11) der Innenraum eines in dem Auslaßgehäuse (22) angeordneten, rotationszylindrischen Hohlkörpers (20) ist, welcher eine der Auslaßanordnung zugewandte Einströmöffnung (12) und eine diametral gegenüberliegende Ausströmöffnung (13) aufweist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (20) mit gleichmäßigem Abstand von dem Auslaßge­ häuse (22) angeordnet ist, so daß ein so gebildeter Ring­ raum (42) die Rezirkulationseinrichtung bildet.

4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (20) ein langgestreckter, im wesentli­ chen eiförmig ausgebildeter Hohlkörper ist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch die die Menge der zuführbaren stickstoffarmen Luft und/oder des über die Brennstoffzu­ führdüse (5) zuführbaren Brennstoffes stufenlos einstellbar ist.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennstoffzuführdüse (5) ein ringför­ miger Spalt ist, der innen durch eine Spitze (33) des Luft­ zuführrohres (4) und außen durch einen gegen diese abgewin­ kelte Ringwand (6) gebildet ist und daß die benachbarten Enden der Luftzuführdüse (2) und der Ringwand (6) als scharfe ringförmige Schneiden ausgebildet sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußere Luftzuführdüse (8) aus einer Vielzahl von kleinen Düsenbohrungen besteht, die den Schutzmantel (25) als einen im wesentlichen kegelförmigen Luftstrahl in die Gemischbildungszone (3) einleiten.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlkörper (20) im Längsschnitt ein Flügelprofil hat.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Form des Flammrohres (F) der Form ei­ ner bei der Verbrennung entstehenden Flammfront (40) so an­ gepaßt ist, daß der Eintritt der umgebenden Atmosphäre zwi­ schen Flammrohr (F) und Flammfront (40) verhindert wird.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlkörper (20) gegenüber dem Auslaß­ gehäuse (22) elektrisch isoliert ist und daß in den Hohl­ körper (20) Elektroden (Z) eingeführt sind.