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EP4656941A1 - Boiler plant and method for producing heat by combustion of at least one fuel - Google Patents

Boiler plant and method for producing heat by combustion of at least one fuel

Info

Publication number
EP4656941A1
EP4656941A1 EP24178950.2A EP24178950A EP4656941A1 EP 4656941 A1 EP4656941 A1 EP 4656941A1 EP 24178950 A EP24178950 A EP 24178950A EP 4656941 A1 EP4656941 A1 EP 4656941A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
flame
boiler system
longitudinal axis
exhaust gas
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
EP24178950.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Beyer
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.)
Erk Eckrohrkessel Holding GmbH
Original Assignee
Erk Eckrohrkessel Holding GmbH
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
Application filed by Erk Eckrohrkessel Holding GmbH filed Critical Erk Eckrohrkessel Holding GmbH
Priority to EP24178950.2A priority Critical patent/EP4656941A1/en
Publication of EP4656941A1 publication Critical patent/EP4656941A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/006Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/08Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2900/00Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11403Flame surrounding tubes in front of burner nozzle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23JREMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2215/00Preventing emissions
    • F23J2215/10Nitrogen; Compounds thereof
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00Controlling
    • F23N2237/24Controlling height of burner
    • F23N2237/32Nox

Definitions

  • the present invention relates to a boiler system and a method for generating heat by burning at least one fuel.
  • burner openings in the walls are created by bending tubes. These projecting tubes are also called burner baskets.
  • the tubes are bent outwards and sealed and covered with refractory material.
  • a gas-tight burner box is welded around the burner basket on the outside of the boiler wall, covering and insulating the bent tubes. The burner is mounted on the burner box, with its burner nozzle leading into the boiler's combustion chamber.
  • the sum of the extended tube lengths of all tubes in a burner basket depends on the required clear installation diameter of the burner. For low-NOx burners with air and/or fuel staging, this installation diameter is larger than for standard burners without staging.
  • the burners are typically mounted on the end wall or front wall of the fire tube.
  • the side of this front wall facing the combustion chamber is usually lined with refractory material for insulation, or, less commonly, with a smooth steel wall and water cooling.
  • a partial flow of gas is extracted from the combustion chamber and returned to the burner or back into the combustion chamber. This partial flow is often mixed with the combustion air to lower the oxygen partial pressure of the oxidizer.
  • the burner acts as an injector, drawing exhaust gas from the outer recirculation zone directly at the edge of the air outlet.
  • exhaust gas is also recirculated along the flame axis or in the low-pressure area at the core of the flame root.
  • the efficiency of internal combustion chamber exhaust gas recirculation is influenced by several factors, such as the magnitude of the motive impulse flow of the air stream exiting the burner, the fuel flow or air-fuel mixture flow, possibly mixed with externally recirculated exhaust gas; the burner nozzle design; and the intensity of the mixing of the motive jet and the internally drawn-in exhaust gas stream.
  • the nozzle design it is particularly important whether the nozzle cross-section has a cylindrical outlet, a conical widening, or a conical narrowing.
  • the WO 2008/ 119753 A1 discloses a gasification reactor comprising a pressure jacket and a reaction zone partially bounded by a vertically oriented, tubular membrane wall.
  • the gasification system further includes a burner basket for generating a flame and is designed to recirculate exhaust gas back to the flame.
  • the exhaust gas passes through a cooling device.
  • the invention is based on the objective of providing a boiler system and a method for generating heat by burning at least one fuel using the boiler system according to the invention, with which a reduction in pollutant emissions, in particular NOx emissions, can be achieved in an efficient and energy-saving manner.
  • a boiler system for generating heat by combustion of at least one fuel, which has a burner for generating a flame directed along a longitudinal axis into a combustion chamber of the boiler system, wherein the boiler system is configured to implement internal recirculation of exhaust gas generated during combustion into the flame.
  • a cooling device is arranged in the area of exhaust gas recirculation, with which heat from the recirculated exhaust gas can be absorbed and dissipated, wherein the cooling device has at least one cooling element in which a cooling medium is absorbed or contained.
  • the cooling element carrying the cooling medium is permeable to recirculated exhaust gas and is connected by means of a positioning device essentially displaceable along the longitudinal axis of the flame in such a way that it can be positioned at different positions along the longitudinal axis of the flame.
  • the combustion chamber of the boiler system can also be called the combustion chamber.
  • the cooling system allows heat to be transported away from the point of heat absorption. This cooling system is not formed by the boiler wall itself, but rather consists of an additional arrangement that captures and dissipates heat from the recirculated exhaust gas.
  • the orientation and shape of the burner mouth define the orientation and position of the burner used to generate the flame.
  • the boiler system can also include the burner itself.
  • Cooling the recirculated exhaust gas increases the internally recirculated exhaust gas mass flow rate to the respective burner. This is primarily due to the fact that the temperature of the exhaust gas drawn from the combustion chamber is reduced at the intake point near the burner outlet.
  • the burner preferably operates as an injector, drawing in an internally recirculated volume flow. The recirculated mass flow rate is directly dependent on the temperature of the recirculated gas.
  • the lower temperatures of the recirculated fluid achieved by the cooling device result in a higher mass of exhaust gas recirculated within the combustion chamber.
  • Further positive consequences of the temperature reduction include a lower combustion temperature due to so-called thermal ballast, namely inert components in the recirculated gas, which are heated to combustion temperature in the flame; as well as a more uniform temperature profile, thereby reducing or eliminating temperature gradients in the combustion zone and consequently preventing so-called "hot spots" in the flame.
  • the introduction of cooled recirculated gas can also contribute to improved mixing.
  • the longitudinal axis of the flame is the so-called flame axis.
  • the flame axis refers to an imaginary line that runs from the burner mouth through the center of the flame and indicates its main direction of propagation.
  • Positioning the cooling element along the longitudinal axis of the flame allows for flexible positioning of the cooling element in different positions within the combustion chamber.
  • the length of the cooling element along the longitudinal axis of the flame can, for example, be up to one third of the flame length.
  • the boiler system can have a combustion chamber wall that includes at least one conduit element in which a cooling medium can be received or is contained, wherein the cooling element is fluidically connected to the conduit element.
  • the cooling medium can, for example, be liquid.
  • the positioning device enables the cooling element carrying the cooling medium to be surrounded by recirculated exhaust gas in several of its possible positions along the longitudinal axis of the flame.
  • the positioning device may be designed such that, in at least one position, the cooling element can be positioned in front of or on the burner, thus preventing it from being in the immediate vicinity of the flame. It is also possible for the cooling element to be inserted into the combustion chamber from the outside.
  • the boiler system can be designed in such a way that it is set up to return exhaust gases recirculated in the combustion chamber directly to the burner outlet or in its vicinity.
  • the cooling element can be arranged in the combustion chamber using the positioning device in such a way that the cooling element carrying the cooling medium projects so far into the combustion chamber or is positioned at such a distance from a boiler wall on which the burner is located that the cooling element can be optimally surrounded by recirculated flue gas in order to achieve a low NOx value.
  • An advantageous embodiment of the boiler system provides that the cooling element is designed to radially surround the longitudinal axis of the flame, at least partially, in at least one position. This means that the cooling element has a defined axial position with respect to the longitudinal axis, in which it radially surrounds the longitudinal axis, at least in some areas.
  • the cooling element can have, at least in some areas, a substantially ring-shaped or hollow cylindrical geometry, whereby the flame can be generated or arranged inside the ring-shaped or hollow cylindrical geometry.
  • a geometry that is essentially ring-shaped or hollow cylindrical can, for example, be realized through a helical or meandering shape.
  • the shape of the cooling element can be essentially rotationally symmetrical, with the axis of rotation of the cooling element being essentially parallel to the longitudinal axis.
  • the boiler system can have a combustion chamber wall and the positioning device can include at least one insertion sleeve in the combustion chamber wall, in which a duct element of the cooling device, which is fluid-technically The cooling element is connected to the pipe, allowing the pipe to be guided through the insertion sleeve and thus enabling the cooling device to be positioned at different locations along the longitudinal axis of the flame.
  • the pipe can accommodate, or may accommodate, a cooling medium.
  • the cooling element is mechanically connected to the conductor element in such a way that movement along the longitudinal axis between the conductor element and the cooling element can be transmitted.
  • the conductor element can be received in the insertion sleeve essentially parallel to the longitudinal axis.
  • the conductor element and the insertion sleeve can form a clearance fit.
  • the inner diameter of the insertion sleeve is larger than the outer diameter of the pipe, so that guiding the conduit element is possible.
  • the insertion sleeve can be mechanically attached to the boiler wall, for example by welding.
  • the mechanical attachment to the boiler wall can consist of an interference fit, a flange, and/or a bolted connection.
  • the positioning device can include a locking mechanism that allows individual positions of the cooling element to be fixed.
  • the locking mechanism can, for example, be implemented using a clamping screw. During operation of the boiler system, a process-efficient position of the cooling element along the longitudinal axis of the flame can thus be determined and this position fixed using the clamping screw.
  • the position of the cooling device can be adjusted for different operating points of the boiler system, depending on, for example, the combustion power, the flame diameter and/or the concentration of individual substances or compounds, such as NOx, in the exhaust gas.
  • the cooling unit can be moved manually or by motor.
  • the positioning device can, for example, include an actuator and an exhaust gas sensor, such as a NOx sensor.
  • the cooling unit can then be positioned along the longitudinal axis of the flame depending on the NOx concentration.
  • the positioning device can also include a control unit that actuates the actuator and changes the position of the cooling unit based on the NOx concentration and/or predefined operating points.
  • the cooling element can have a substantially rotationally symmetrical design.
  • the cooling element is essentially shaped like a hollow cylinder.
  • a specific embodiment of this cooling element provides that the cooling element essentially forms a hollow frustoconical shape. This design has the advantage of partially shielding the boiler wall from radiant heat, so that it has a lower temperature in certain areas and heats exhaust gases recirculated close to it less.
  • the shape of the cooling element positioned in the combustion chamber can be expanded radially along the longitudinal axis of the flame in the direction of flame propagation.
  • the cooling element can be shaped in such a way that, along the longitudinal axis, at a position closer to the flame tip, it has a greater radial distance to the longitudinal axis of the flame than at a point further away from the flame tip and closer to the burner mouth.
  • the geometry of the cooling device can be modeled on a section-by-section contour of the flame, so that the cooling device can be positioned in a position where the flame contour is essentially parallel to the inner contour of the cooling element.
  • the cooling element can comprise at least one tube through which, or capable of being permeated by, a cooling medium flows.
  • the tube can have an outer diameter of 10 mm to 100 mm.
  • such a tube can be designed with a bulged structure.
  • the cooling medium can be guided through the tube away from the burner mouth and release the heat absorbed in the cooling medium at a certain distance from the burner mouth.
  • the cooling device is configured to transport heat from the recirculated exhaust gas away from the burner mouth by means of heat conduction and release it to the environment or another medium at a suitable location.
  • these can be equipped with additional cooling fins or pins on the outside that is in contact with the exhaust gas.
  • the cooling device comprises several pipes as cooling elements in which a cooling medium can be received or is contained, wherein the distance between adjacent pipes is at least so large that the exhaust gas mass flow of the recirculated exhaust gas caused by the cooling effect of the pipes forming the cooling device, which passes between the pipes or around the circumference of the pipes
  • the flow rate is greater than in an embodiment of the boiler system that is identical except for the cooling device according to the invention.
  • the pipes must be spaced at least far enough apart to have a cooling effect on the recirculated exhaust gas, so that the mass flow rate of the recirculated exhaust gas is greater than in conventional embodiments that do not have a cooling device according to the invention at the burner mouth.
  • the pipes can, for example, have a minimum distance of 30 mm between them.
  • the cooling device can comprise several tubes as cooling elements, in which a cooling medium can be received or is contained.
  • the boiler system has a combustion chamber wall from which the tubes extend into the interior of the combustion chamber. At least some of these tubes have two essentially parallel first sections, arranged essentially parallel to the longitudinal axis and at an angle, in particular perpendicular, to the combustion chamber wall. Adjoining these are two essentially perpendicular second sections, arranged essentially perpendicular, in particular perpendicular to the longitudinal axis and essentially parallel to the combustion chamber wall. Adjoining these are at least one third section, arranged essentially parallel to the burner wall and at an angle, in particular perpendicular, to the longitudinal axis and to the second sections.
  • the distance between the tubes of the second and third sections should be 30 to 90 mm. A distance of 45 to 70 mm between the tubes is particularly advantageous.
  • the required spacing of the pipes depends, among other things, on the temperature of the recirculated exhaust gas in the outer recirculation zone before it passes through the cooling device.
  • the cooling device comprises several tubes as cooling elements in which a cooling medium can be received or is contained, wherein the boiler system has a combustion chamber wall from which the tubes extend into the interior of the combustion chamber, and wherein at least some of these tubes each have a first section that is arranged essentially parallel to the longitudinal axis and at an angle, in particular perpendicular, to the combustion chamber wall.
  • the first sections of the tubes are fluidically connected to an annular distributor that is arranged essentially parallel to the combustion chamber wall and at an angle, in particular perpendicular, to the longitudinal axis.
  • the annular distributor can be circular and arranged coaxially to the longitudinal axis.
  • the first section of the pipes is not parallel to the burner axis, but instead features pipes bent out from the combustion chamber wall along a larger partial circle compared to the annular distributor.
  • the cooling device involves arranging the pipe helically around the longitudinal axis.
  • This helical pipe can be fluidically coupled to duct elements in the combustion chamber wall.
  • the helical shape can be formed in a spiral form.
  • the helical pipe can comprise a first coil and a second coil, the first coil being coaxial with the second coil and at least partially radially within the second coil.
  • the two coils are preferably formed by a single pipe, such that this single pipe transitions from the first coil to the second coil at an axial end. It is advantageous for the first and second coils to have opposite pitches, thus facilitating a simple transition between them.
  • the helical shape can widen along the longitudinal axis of the flame. This means that the cooling element can be shaped in such a way that it has a larger radius at a point closer to the flame tip than at a point further away from the flame tip.
  • the tube meanders around the longitudinal axis of the flame. It is possible that the meandering shape has parallel sections, thus forming a hollow cylindrical shape. The meandering shape extends around the longitudinal axis of the flame. In one embodiment, the parallel sections can be arranged essentially parallel to the longitudinal axis of the flame.
  • the meandering shape can be essentially ring-shaped or hollow-cylindrical, with two parallel sections always connected by a curved end piece at one end of the sections. This ensures a fluid flow connection along the meandering shape of the cooling element.
  • the curved end piece can also be called a loop and may be welded on.
  • this cooling device deviates from a rotationally symmetrical shape, so that, for example, the meander shape forms the hollow truncated cone shape.
  • the widening can be achieved by bending a pair of parallel sections of the cooling element adjacent along the circumference radially outwards, so that the parallel sections curve radially outwards in a flower-like shape, or by running linearly and at an angle to the longitudinal axis.
  • Parallel sections can also include curved sections, which are so-called parallel curves, i.e., sections that have the same curvature and the same distance from each other.
  • the parallel sections of the meandering cooling element are all aligned in one direction with at least one component perpendicular to the longitudinal axis.
  • These can be parallel sections that are curved along a circumference, thus forming a ring-shaped or hollow cylindrical shape.
  • the parallel sections can be curved circumferentially around the longitudinal axis.
  • the distance between the parallel sections can be, for example, 30 mm or less.
  • a cooling element designed as a tube
  • its diameter can vary inside and/or outside along the meandering shape.
  • the cooling device can comprise several pipes with parallel first sections extending out of the plane of the combustion chamber wall. Each of these is followed by a second section, which runs essentially perpendicular to the first section and is therefore essentially parallel to the combustion chamber wall. A third section connects the two second sections, forming a U-shape.
  • the cooling element can comprise several sections that are essentially parallel to each other and/or parallel to the longitudinal axis.
  • the cooling element can comprise at least one flow guide element, which is arranged such that it guides recirculated exhaust gas from the radial outside into the flame.
  • a flow guide element can facilitate the recirculated exhaust gas not flowing all the way to the burner, but rather being directed into the flame at the cooling device.
  • the smoke or exhaust gases are drawn in due to negative pressure.
  • the flow guide element can also be designed in such a way that, despite its guiding function, it forms a low resistance for the recirculated exhaust gas and thus causes a low pressure loss in the recirculated exhaust gas, which ensures a large mass flow into the flame.
  • the flow guide element can have a heat transfer function, so that at least 80% of the heat introduced into a flow guide element can be transferred to the connected pipes and thus to the cooling medium transported in the pipes. Furthermore, each flow guide element increases the heat transfer surface area of the cooling element.
  • the recirculated exhaust gas guided through the flow control element can potentially introduce turbulence into the flame. Turbulence in the flame can reduce the resistance of the flame contour and/or increase momentum transfer, thereby enhancing heat transfer with the cooling element and thus increasing the mass flow rate of the fluid drawn into the flame from the surroundings. This can lead to increased cooling of the recirculated exhaust gas and consequently a greater mass flow rate of recirculated exhaust gas into the flame.
  • the flow guide element can be designed to direct the recirculated exhaust gas into the flame in such a way that the recirculated exhaust gas is directed into the flame in the direction of the twisting.
  • a twisted flame can indicate that there is a flow around the flame's longitudinal axis. This can be achieved, for example, by swirl elements in or at the burner mouth. These flow-guiding elements can, in some cases, enhance or even cause the twisting of the flame.
  • the flow guide elements can also be used with a non-twisted flame, whereby the flow guide elements direct the exhaust gases in a movement with at least a rotational component towards the flame.
  • the flow guide element can be welded to one or more pipes of the cooling system, for example.
  • flow-guiding elements can be arranged along a circumference around the longitudinal axis of the flame. Flow-guiding elements adjacent to each other along the circumference can be arranged at the same distance from one another.
  • An embodiment of the cooling element designed with flow-guiding elements provides that the cooling element has at least one meandering pipe and at least one flow-guiding element which is positioned between loops of the meander.
  • the flow guide element is arranged between connecting pipe sections. It can be positioned between pipe sections connecting adjacent loops of the meander along the circumference of the cooling element.
  • Such a flow guide element is thus designed as a so-called "fin" in the form of a web or sheet, which is arranged between two pipes of the cooling device connected to each other by a loop of the meander and is fixed to at least one of these pipes or pipe sections.
  • the cooling element can have the described hollow cylindrical shape or the hollow truncated cone shape.
  • pipes of the cooling device connected by a loop of the meander, between which a flow guide element is arranged can be arranged in a plane that runs along a secant to direct flue gas towards a center of the cooling device.
  • the secant runs in a cross-section of the cooling device that is oriented perpendicular to the longitudinal axis of the flame.
  • a cooling device that essentially consists of an internal cavity, such as a hollow cylinder or a hollow frustocone, the center of the cooling device is located on the longitudinal axis of the flame.
  • an embodiment with a flow guide element can also be combined with the helical shape, such that the cooling element has at least one helically arranged tube around the longitudinal axis and at least one flow guide element which is arranged in at least one angular position on the circumference of the cooling element between the tube sections in this angular position.
  • This flow guide element can follow the slope of the helix formed by the pipe and extend partially or completely around the circumference.
  • the flow guide element can be fixed in an angular position on only one pipe section and form a guide surface that, in some areas, forms the lateral surface of an ideal hollow cone shape.
  • a flow guide element can be arranged on both sides of a pipe section of the helix, the guide surfaces of which are aligned along the same ideal hollow cone shape.
  • the flow guide element can be formed by a surface element following the helical shape, the surface of which runs at an angle of 20° to 70° in relation to the longitudinal axis of the flame.
  • the surface element can be arranged inside and/or outside the helical tube.
  • multiple pipes with such flow guide elements can also be formed.
  • the cooling element can also be designed in such a way that the cooling element comprises at least one flow guide element through which a cooling medium flows or can flow through, wherein the flow guide element extends with at least one component of its longitudinal direction parallel to the longitudinal axis and is fluidically connected to a distribution device for distributing cooling medium onto the flow guide elements.
  • flow guide elements can be encompassed by the cooling element. These flow guide elements are also arranged to guide recirculated exhaust gas from the radial outside into the flame. The longitudinal direction of these flow guide elements can be aligned parallel to the longitudinal axis.
  • the flow guide elements are radially expanded, so that they essentially form the shape of a hollow cone interrupted at the circumference.
  • the flow guide elements can widen with increasing distance from the burner mouth along the direction of flame propagation, so that in an area of greater radial expansion they have a longer circumference than in an area of lesser radial expansion.
  • the flow guide elements can have aerodynamically optimized inlet surfaces.
  • the flow guide elements can form a NACA airfoil in sections of their cross-section.
  • the leading edge of the NACA airfoil can be flat.
  • Flow guide elements arranged along the circumference can overlap each other radially and in certain areas along the circumference.
  • the boiler system may have a fluid supply device with which a fluid, such as fuel, air, and/or recirculated exhaust gas, can be discharged radially along the longitudinal axis through the cooling device.
  • a fluid such as fuel, air, and/or recirculated exhaust gas
  • This may be an annular fluid supply device.
  • the medium-flowing pipe(s) are arranged to rotate about an axis.
  • This axis may be the longitudinal axis of the flame generated by the burner. Consequently, if the cooling system is configured with multiple pipes, these pipes are also arranged to rotate about the longitudinal axis of the flame.
  • the pipe(s) can be connected to a reservoir or to pipes in the combustion chamber wall via appropriate rotary unions. This configuration results in an additional increase in the efficiency of the cooling effect of the recirculated exhaust gas.
  • the boiler system can have a single-injection device with which a fluid, such as feedwater, can be injected into the exhaust gas recirculation area in the combustion chamber. This can cause a further cooling effect on the recirculated fluid.
  • the injection device is designed such that the fluid dispensed by it reaches the cooling device, so that any fluid that does not evaporate during injection provides an additional cooling effect on the cooling device.
  • a reservoir for the injected fluid can be fluidically coupled to the pipe(s) of the cooling device.
  • the cooling system is preferably arranged on an end face of the fire tube, where the burner or burner mouth is also located.
  • the end face can be lined with refractory material up to the cooling device, with the pipe(s) of the cooling device passing through the refractory material.
  • Such a flame-tube boiler can be supplemented by additional convective heating surfaces, preferably in tubes, around the burner head or the cooling unit, thereby further increasing the cooling effect of the exhaust gas recirculation.
  • the tubes of the cooling unit can be supplied from this water-cooled front, and the heated fluid can be returned to the water-cooled front.
  • Another aspect of the present invention is a method for generating heat by combustion of at least one fuel using a described boiler system, in which a flame is generated along the longitudinal axis in the combustion chamber of the boiler system with the burner and the resulting exhaust gas is internally recirculated to the flame, wherein heat from the recirculated exhaust gas is extracted by means of the cooling device. is received and diverted, and by means of the positioning device the cooling element carrying the cooling medium of the cooling device is moved substantially along the longitudinal axis of the flame generated by the burner before or during exhaust gas recirculation and the position of the cooling element is adjusted substantially along the longitudinal axis.
  • the positioning device allows for readjustment of the axial position of the cooling element during operation of the boiler system in order to set a minimum NOx level in the exhaust gas.
  • the reduction in temperature of the recirculated exhaust gas promotes its entrainment, as the density and viscosity of the exhaust gas produced in the combustion process within the same time window and the recirculated gas within this time window are aligned.
  • the cooling system of the boiler may be designed to rotate while cooling the recirculated exhaust gas.
  • fluid can be injected into the combustion chamber via a single-injection device in the exhaust gas recirculation area.
  • FIG. 1 This figure shows a burner 30 located inside a burner basket 20.
  • the flame 40 emerges from the burner mouth 31 along its longitudinal axis 41, which extends into the combustion chamber 1 of the boiler system.
  • the boiler system is designed such that the resulting exhaust gas 50 is fed back into the combustion process or the flame via an exhaust gas recirculation system 51 at an intake point 52.
  • This recirculation can occur, for example, through a boiler wall (not shown) opposite the burner 30, where the flue gases are deflected and directed back towards the burner 30, as indicated by the flow arrows of the exhaust gas recirculation system 51.
  • the flue gas passes at least partially between and/or around the pipes 70 of the cooling device 60.
  • exhaust gas 50 is supplied via the exhaust gas recirculation 51, thus also into the cooling area of the cooling unit 60.
  • a further reduction in temperature can be achieved by using the illustrated single-nozzle device 80, with which injected fluid 81 can be applied to the combustion process or in its vicinity.
  • the pipes 70 should have a distance that allows sufficient heat transfer from the exhaust gas 50 to the cooling device 60.
  • cooling device 60 projects into the combustion chamber 1.
  • the extent of this projection, or the position of the tubes 70, which simultaneously form the cooling element 70, in relation to an end face 11 of the combustion chamber wall 10, can be adjusted by a positioning device 90, with which the cooling device 60 can be moved along the longitudinal axis 41 of the flame 40 in order to set an optimal, minimum value of NOx emissions.
  • conduit elements 12 are fluidically connected to the cooling element 70 or its tubes. These conduits are oriented essentially parallel to the longitudinal axis 41 of the flame 40 and establish fluid connections 13 through the combustion chamber wall 10 to fluidically connect the cooling device 60 to a cooling medium reservoir (not shown). To allow relative movement of the conduit elements 12 to the combustion chamber wall 10, insertion sleeves 95 are provided in the wall, through which the conduit elements 12 pass.
  • the cooling device 60 is also formed by a burner basket 20, which is realized by several parallel first sections 71 of tubes 70. These tubes 70 are also guided through the combustion chamber wall 10 by means of guide elements 12, as shown in the illustration. Fig. 1 described.
  • These first sections 71 of the pipes 70 are all fluidically connected to an annular distributor 74, which makes it possible to distribute and convey the cooling medium 61 carried by the pipes in the pipes 70.
  • the cooling device 60 is also formed by a burner basket 20, which here, however, comprises a first winding section 75 of a tube 70 and a second winding section 76 of the tube 70, wherein the first The winding section 75 is arranged radially within the second winding section 76.
  • This embodiment could also be realized with only one winding section.
  • the two winding sections 75 and 76 are fluidically connected to each other by means of a transition 77. Furthermore, they are connected to duct elements of the combustion chamber wall 10 via fluidic connections 13.
  • FIG. 5 The diagram shows the relationship between the temperature of the combustion process and the NOx concentration in the exhaust gas. It is evident that a reduction in temperature leads to a correspondingly significant decrease in the NOx concentration in the exhaust gas, which can be achieved with the cooling device according to the invention.
  • FIG. 6 The cross-sectional view shows two different configurations of the cooling device 60. Both variants are designed such that the individual tubes 70 or sections of the tube 70 are arranged radially outside the burner 30 and axially overlap its burner mouth 31.
  • the tubes 70 are essentially arranged to form a hollow cylindrical shape.
  • the tubes 70 are arranged to define a conical shape, with the area of the cooling device 60 facing the end face 11 having a smaller diameter than the side of the cooling device 60 facing away from it, and therefore located on the side of the burner mouth 31.
  • the exhaust gas recirculation 51 runs between the pipes 70, allowing heat to be transferred from the exhaust gas to the cooling medium in the pipes 70.
  • the conical design of the cooling device 60 has the particular advantage that it at least partially protects the end wall of the combustion chamber 10 from radiant heat, so that this area has a lower temperature and thus the cooling effect is enhanced.
  • the positioning device 90 is provided, with which the cooling device 60 can be moved and flexibly positioned along the longitudinal axis 41 of the flame 40.
  • the positioning devices 90 shown can have locking devices (not shown in detail here) with which the positions of the cooling devices 60 can be fixed.
  • FIGS 1-4 and 6 show cooling devices 60 in rotationally symmetrical designs 100, wherein the Figures 1-4 Represent cooling elements, each essentially having a hollow cylindrical shape 101.
  • Figure 6 As a variant, the cooling device 60, also in the form of a hollow cylinder 101, is shown above the longitudinal axis 41. Below the longitudinal axis 41, it shows Figure 6 the cooling device 60 in a hollow truncated cone shape 102 in which the axial side, which is away from the combustion chamber wall 10, has a larger radial width than the axial side, which is towards the combustion chamber wall 10.
  • FIGS 7-19 show further possible designs of the cooling device 60 or its cooling element 70.
  • Figure 7 shows the cooling element 70 with connected conductor elements 12 in a meandering shape 110, which has parallel sections 111 of the tube 70 of the cooling element that are fluidically connected to each other by loops 113, which are also formed by the tube 70 of the cooling element.
  • the parallel sections 111 thus also form tube sections 112 connecting the loops 113.
  • the cooling device shown here is also essentially designed in a hollow cylindrical shape and is designed to be aligned coaxially with the longitudinal axis of the flame.
  • Figure 8 shows the top view of the in Figure 7 depicted meander shape.
  • FIGS 9 and 10 show a modification of the embodiment according to Figure 7 in that the cooling device or cooling element 70 shown here no longer essentially forms a hollow cylindrical shape, but essentially a hollow truncated cone shape 102, which is also formed by a meander shape 110.
  • the pipe sections 112 connecting the loops 113 are not aligned parallel to each other.
  • This meander shape 110 is designed to be aligned coaxially with the longitudinal axis of the flame, with the radially wider open side against the combustion chamber wall 10, as shown in the Figure 1 and 6 It is shown that it should be arranged on the opposite side.
  • Figure 1 shows an alternative embodiment of the cooling device or its cooling element 60, which here is formed by a first coiled section 75 of the tube 70 of the cooling element, such that the cooling device has a helical shape. It is not excluded that such a cooling device could also have a second coiled section 76, as shown in Figure 2.
  • Figure 4 The depicted image includes...
  • Figures 14 and 15 show an embodiment supplemented with flow-guiding elements 130 of the in the Figures 7 and 8 illustrated embodiment of the cooling device.
  • Figures 16-18 show an embodiment supplemented with a flow guide element 130 of the Figures 11-13 illustrated embodiment of the cooling device.
  • the cooling device it is also designed in a hollow cylindrical shape 101 with a meandering shape 110.
  • flow-guiding elements 130 are located between adjacent parallel sections 111 of the tube 70 along its circumference.
  • the adjacent parallel sections 111 of the tube 70 are aligned along secants 120, so that the flow-guiding elements 130 arranged thereon are also aligned according to these secants 120.
  • the flow-guiding elements 130 ensure a flow-optimized supply of exhaust gases in the direction of the flame or its longitudinal axis.
  • two flow guide elements 130 are connected to its first coil section 75, following the helical shape of the first coil section 75.
  • the two flow guide elements 130 are connected to opposite sides of the tube 70 and partially extend within ideal conical surfaces. Even with these flow guide elements 130, a flow-optimized supply of the exhaust gas to the flame is possible.
  • FIG. 19 and 20 Figure 1 shows a modified embodiment of the cooling device in that, apart from the guide elements 12 in the area of the exhaust gas flow, it has no pipes but is formed solely by flow guide elements 130, which are arranged along a circumference.
  • These flow guide elements 130 comprise flow-optimized inlet surfaces that facilitate the flow of exhaust gas into the interior of the cooling device and its deflection towards the longitudinal axis of the flame.
  • these flow guide elements 130 can also be designed such that a cooling medium can flow through them for cooling the flow guide elements.
  • This embodiment further includes a distribution device 140 for distributing the cooling medium to the flow guide elements 130.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kesselanlage sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes.The present invention relates to a boiler system and a method for generating heat by burning at least one fuel.

Die Kesselanlage dient zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes und umfasst einen Brenner (30) zur Erzeugung einer entlang einer Längsachse (41) in einen Feuerraum (1) der Kesselanlage gerichteten Flamme (40), wobei die Kesselanlage dazu eingerichtet ist, eine interne Rückführung (51) von bei der Verbrennung erzeugten Abgases (50) in die Flamme (40) zu realisieren, wobei im Bereich der AbgasRückführung (51) eine Kühleinrichtung (60) angeordnet ist, mit der Wärme von rückgeführtem Abgas (50) aufnehmbar und ableitbar ist, wobei die Kühleinrichtung (60) wenigstens ein Kühlelement (70) aufweist, in welchem ein Kühlmedium (61) aufnehmbar oder aufgenommen ist, und wobei das kühlmediumführende Kühlelement (70) von rückgeführtem Abgas (50) umströmbar und mittels einer Positionierungseinrichtung (90) im Wesentlichen entlang der Längsachse (41) der Flamme (40) derart verschiebar ist, dass es an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse (41) der Flamme (40) positionierbar ist. The boiler system serves to generate heat by combustion of at least one fuel and comprises a burner (30) for generating a flame (40) directed along a longitudinal axis (41) into a combustion chamber (1) of the boiler system, wherein the boiler system is configured to implement an internal recirculation (51) of exhaust gas (50) generated during combustion into the flame (40), wherein a cooling device (60) is arranged in the area of the exhaust gas recirculation (51), with which heat from recirculated exhaust gas (50) can be absorbed and dissipated, wherein the cooling device (60) has at least one cooling element (70) in which a cooling medium (61) can be absorbed or received, and wherein the cooling medium-carrying cooling element (70) can be surrounded by recirculated exhaust gas (50) and can be displaced by means of a positioning device (90) substantially along the longitudinal axis (41) of the flame (40) such that it can be positioned at different positions along the longitudinal axis (41) of the flame (40).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kesselanlage sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes.The present invention relates to a boiler system and a method for generating heat by burning at least one fuel.

An Wärmeerzeugern wie zum Beispiel Kesseln bzw. Kesselanlagen mit Rohr-Steg-RohrWänden bzw. Flossenwänden als Umfassungsflächen des Feuerraumes, allgemein als Wasserrohrkessel bezeichnet, werden Brenner-Öffnungen in den Wänden durch Ausbiegung von Rohren realisiert. Diese auskragenden Rohre werden auch als Brennerkorb bezeichnet. Dabei sind die Rohre nach außen gebogen und mit Feuerfestmaterial abgedichtet und überdeckt. Um den Brennerkorb herum wird auf der Außenseite der Kesselwandung gasdicht ein Brennerkasten aufgeschweißt, welcher die ausgebogenen Rohre überdeckt und isoliert. An dem Brennerkasten wird der Brenner montiert, dessen Brennermund in den Feuerraum des Kessels führt.In heat generators such as boilers or boiler systems with tube-ribbed-tube walls or finned walls as the combustion chamber walls, generally referred to as water-tube boilers, burner openings in the walls are created by bending tubes. These projecting tubes are also called burner baskets. The tubes are bent outwards and sealed and covered with refractory material. A gas-tight burner box is welded around the burner basket on the outside of the boiler wall, covering and insulating the bent tubes. The burner is mounted on the burner box, with its burner nozzle leading into the boiler's combustion chamber.

Die Summe der gestreckten Rohrlänge aller Rohre eines Brennerkorbes hängt vom erforderlichen lichten Einbaudurchmesser des Brenners ab. Bei Low-NOx-Brennern mit Luft- und/ oder Brennstoffstufung ist dieser Einbaudurchmesser größer als bei Standardbrennern ohne Stufung.The sum of the extended tube lengths of all tubes in a burner basket depends on the required clear installation diameter of the burner. For low-NOx burners with air and/or fuel staging, this installation diameter is larger than for standard burners without staging.

Bei Flammrohrkesseln werden die Brenner typischerweise an der Stirnwand bzw. Frontwand des Flammrohres montiert. Üblich ist die Zustellung der dem Feuerraum zugewandten Seite dieser Frontwand mit Feuerfestmaterial als Isolierung oder seltener auch als glatte Stahlwand mit Wasserkühlung.In fire-tube boilers, the burners are typically mounted on the end wall or front wall of the fire tube. The side of this front wall facing the combustion chamber is usually lined with refractory material for insulation, or, less commonly, with a smooth steel wall and water cooling.

Es ist bekannt, dass die NOx-Bildung auf thermischen Bildungsweg bei der Verbrennung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen durch Abgasrezirkulation wirksam reduziert werden kann. Es wird dabei zwischen externer und feuerrauminterner Abgasrezirkulation unterschieden.It is known that NOx formation via thermal pathways during the combustion of gaseous, liquid, and solid fuels can be effectively reduced by exhaust gas recirculation. A distinction is made between external and combustion chamber-internal exhaust gas recirculation.

Bei der externen Abgasrezirkulation wird dem Abgasstrom nachIn external exhaust gas recirculation, the exhaust gas flow is followed

Verlassen des Feuerraumes ein Teilstrom entnommen und zum Brenner bzw. in den Feuerraum zurückgeführt. Häufig wird dieser Teilstrom der Verbrennungsluft beigemischt, um den Sauerstoffpartialdruck des Oxidationsmittels zu senken.A partial flow of gas is extracted from the combustion chamber and returned to the burner or back into the combustion chamber. This partial flow is often mixed with the combustion air to lower the oxygen partial pressure of the oxidizer.

Bei der feuerrauminternen Abgasrezirkulation dagegen wirkt der Brenner als Injektor, welcher direkt am Strahlrand des Luftaustritts Abgas aus der äußeren Rezirkulationszone ansaugt. Bei Brennern mit überkritischem Drall wird Abgas auch auf der Flammenachse bzw. im Unterdruckgebiet im Kern der Flammenwurzel rezirkuliert.In contrast, with combustion chamber-internal exhaust gas recirculation, the burner acts as an injector, drawing exhaust gas from the outer recirculation zone directly at the edge of the air outlet. In burners with supercritical swirl, exhaust gas is also recirculated along the flame axis or in the low-pressure area at the core of the flame root.

Die Effizienz der feuerrauminternen Abgasrezirkulation wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel der Größe des Treibimpulsstroms der aus dem Brenner austretenden Luftströmung, der Brennstoffströmung bzw. Luftbrennstoffgemisch-Strömung, gegebenenfalls in Mischung mit extern rezirkuliertem Abgas; der Düsenbauform des Brenners und der Intensität der Vermischung von Treibstrahl und intern angesaugtem Abgasstrom. Bei der Düsenbauform spielt insbesondere eine Rolle, ob der Querschnitt der Düse einen zylindrischen Austritt, eine konische Erweiterung oder eine konische Verjüngung aufweist.The efficiency of internal combustion chamber exhaust gas recirculation is influenced by several factors, such as the magnitude of the motive impulse flow of the air stream exiting the burner, the fuel flow or air-fuel mixture flow, possibly mixed with externally recirculated exhaust gas; the burner nozzle design; and the intensity of the mixing of the motive jet and the internally drawn-in exhaust gas stream. Regarding the nozzle design, it is particularly important whether the nozzle cross-section has a cylindrical outlet, a conical widening, or a conical narrowing.

Die WO 2008/ 119753 A1 offenbart einen Vergasungsreaktor, der einen Druckmantel und eine Reaktionszone umfasst, die teilweise durch eine vertikal ausgerichtete, röhrenförmige Membranwand begrenzt ist. Die Vergasungsanlage umfasst des Weiteren einen Brennerkorb zur Erzeugung einer Flamme und ist dazu eingerichtet, durch Rezirkulation von Abgas dieses der Flamme wieder zuzuführen. Das Abgas passiert dabei eine Kühleinrichtung.The WO 2008/ 119753 A1 The document discloses a gasification reactor comprising a pressure jacket and a reaction zone partially bounded by a vertically oriented, tubular membrane wall. The gasification system further includes a burner basket for generating a flame and is designed to recirculate exhaust gas back to the flame. The exhaust gas passes through a cooling device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kesselanlage und ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme unter Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage zur Verfügung zu stellen, mit denen in effizienter und energiesparender Weise eine Minderung des Schadstoffausstoßes, insbesondere von NOx-Emissionen, realisierbar ist.The invention is based on the objective of providing a boiler system and a method for generating heat by burning at least one fuel using the boiler system according to the invention, with which a reduction in pollutant emissions, in particular NOx emissions, can be achieved in an efficient and energy-saving manner.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kesselanlage nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie unter Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Kesselanlage sind in den Unteransprüchen 2-14 angegeben.This problem is solved by the boiler system according to claim 1 and by the method for generating heat energy by burning at least one fuel using the boiler system according to claim 15. Advantageous embodiments of the boiler system are specified in dependent claims 2-14.

Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.The features of the claims can be combined in any technically meaningful way, taking into account the explanations from the following description as well as features from the figures, which include supplementary embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß wird eine Kesselanlage zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes zur Verfügung gestellt, welche einen Brenner zur Erzeugung einer entlang einer Längsachse in einen Feuerraum der Kesselanlage gerichteten Flamme aufweist, wobei die Kesselanlage dazu eingerichtet ist, eine interne Rückführung von bei der Verbrennung erzeugten Abgases in die Flamme zu realisieren. Im Bereich der Abgas-Rückführung ist eine Kühleinrichtung angeordnet, mit der Wärme von rückgeführtem Abgas aufnehmbar und ableitbar ist, wobei die Kühleinrichtung wenigstens ein Kühlelement aufweist, in welchem ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist. Das kühlmediumführende Kühlelement ist von rückgeführtem Abgas umströmbar und mittels einer Positionierungseinrichtung im Wesentlichen entlang der Längsachse der Flamme derart verschiebbar, dass es an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse der Flamme positionierbar ist.According to the invention, a boiler system for generating heat by combustion of at least one fuel is provided, which has a burner for generating a flame directed along a longitudinal axis into a combustion chamber of the boiler system, wherein the boiler system is configured to implement internal recirculation of exhaust gas generated during combustion into the flame. A cooling device is arranged in the area of exhaust gas recirculation, with which heat from the recirculated exhaust gas can be absorbed and dissipated, wherein the cooling device has at least one cooling element in which a cooling medium is absorbed or contained. The cooling element carrying the cooling medium is permeable to recirculated exhaust gas and is connected by means of a positioning device essentially displaceable along the longitudinal axis of the flame in such a way that it can be positioned at different positions along the longitudinal axis of the flame.

Der Feuerraum der Kesselanlage kann auch als Brennkammer bezeichnet werden. Mit der Kühleinrichtung ist Wärme von der Stelle der Wärme-Aufnahme weg transportierbar. Dabei ist die Kühleinrichtung nicht durch die Kesselwand selbst ausgebildet, sondern zusätzlich zur Kesselwand ist eine Anordnung vorhanden, mit der Wärme aus dem rückgeführten Abgas aufnehmbar und ableitbar ist. Die Ausrichtung und Form des Brennermunds definieren dabei die Ausrichtung und Position des einzusetzenden Brenners, der die Flamme erzeugt. Die Kesselanlage kann dabei auch den Brenner selbst umfassen.The combustion chamber of the boiler system can also be called the combustion chamber. The cooling system allows heat to be transported away from the point of heat absorption. This cooling system is not formed by the boiler wall itself, but rather consists of an additional arrangement that captures and dissipates heat from the recirculated exhaust gas. The orientation and shape of the burner mouth define the orientation and position of the burner used to generate the flame. The boiler system can also include the burner itself.

Durch die Abkühlung des rückgeführten Abgases lässt sich eine Erhöhung des intern rezirkulierten Abgasmassenstromes zum jeweiligen Brenner erreichen. Dies beruht im Wesentlichen darauf, dass die Temperatur des angesaugten Abgasstromes aus dem Feuerraum am Einsaugort am Brenneraustritt gemindert wird. Der Brenner arbeitet vorzugsweise als Injektor und saugt einen intern rezirkulierten Volumenstrom an. Der rezirkulierte Massenstrom ist direkt von der Temperatur des Rezirkulats abhängig.Cooling the recirculated exhaust gas increases the internally recirculated exhaust gas mass flow rate to the respective burner. This is primarily due to the fact that the temperature of the exhaust gas drawn from the combustion chamber is reduced at the intake point near the burner outlet. The burner preferably operates as an injector, drawing in an internally recirculated volume flow. The recirculated mass flow rate is directly dependent on the temperature of the recirculated gas.

Durch die Kühleinrichtung realisierte niedrigere Temperaturen des Rezirkulats führen zu einer höheren feuerraumintern rezirkulierten Abgasmasse.The lower temperatures of the recirculated fluid achieved by the cooling device result in a higher mass of exhaust gas recirculated within the combustion chamber.

Zudem begünstigt die niedrigere Temperatur des rückgeführten Abgases - insbesondere bei ausreichender Durchmischung mit der Verbrennungsluft - eine Senkung des O2-Partialdruckes im Oxidationsmittel mit Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit. Weitere positive Folgen der Temperatur-Minderung sind eine Senkung der Verbrennungstemperatur durch sogenannten thermischen Ballast, nämlich Inertbestandteile im Rezirkulat, welche in der Flamme mit auf Verbrennungstemperatur erhitzt werden; sowie eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofils und somit eine Verminderung bzw. Eliminierung von Temperaturgradienten in der Verbrennungszone und dementsprechende Vermeidung von sogenannten "Hot Spots" in der Flamme. Dabei kann die Zuführung von gekühltem Rezirkulat auch einen Beitrag zur Durchmischung liefern. Die Längsachse der Flamme ist die sogenannte Flammenachse. Die Flammenachse bezieht sich dabei auf eine ideelle Linie, die ausgehend vom Brennermund durch das Zentrum einer Flamme verläuft und ihre Hauptausbreitungsrichtung angibt.Furthermore, the lower temperature of the recirculated exhaust gas—especially with sufficient mixing with the combustion air—favors a reduction in the O₂ partial pressure in the oxidizer, thus reducing the reaction rate. Further positive consequences of the temperature reduction include a lower combustion temperature due to so-called thermal ballast, namely inert components in the recirculated gas, which are heated to combustion temperature in the flame; as well as a more uniform temperature profile, thereby reducing or eliminating temperature gradients in the combustion zone and consequently preventing so-called "hot spots" in the flame. The introduction of cooled recirculated gas can also contribute to improved mixing. The longitudinal axis of the flame is the so-called flame axis. The flame axis refers to an imaginary line that runs from the burner mouth through the center of the flame and indicates its main direction of propagation.

Die Positionierung des Kühlelements entlang der Längsachse der Flamme bedeutet eine flexible Positionierung des Kühlelements in unterschiedlichen Positionen im Feuerraum.Positioning the cooling element along the longitudinal axis of the flame allows for flexible positioning of the cooling element in different positions within the combustion chamber.

Die Länge des Kühlelements entlang der Längsachse der Flamme kann beispielsweise bis zu einem Drittel der Flammenlänge betragen.The length of the cooling element along the longitudinal axis of the flame can, for example, be up to one third of the flame length.

Die Kesselanlage kann eine Feuerraumwand aufweisen, die wenigstens ein Leitungselement umfasst, in welchem ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei das Kühlelement strömungstechnisch mit dem Leitungselement verbunden ist. Das Kühlmedium kann beispielsweise flüssig sein.The boiler system can have a combustion chamber wall that includes at least one conduit element in which a cooling medium can be received or is contained, wherein the cooling element is fluidically connected to the conduit element. The cooling medium can, for example, be liquid.

Die Positionierungseinrichtung ermöglicht es, dass das kühlmediumführende Kühlelement in mehreren seiner möglichen Positionen entlang der Längsachse der Flamme von rückgeführtem Abgas umströmbar ist.The positioning device enables the cooling element carrying the cooling medium to be surrounded by recirculated exhaust gas in several of its possible positions along the longitudinal axis of the flame.

Gegebenenfalls ist die Positionierungseinrichtung derart ausgestaltet, dass in zumindest einer Position das Kühlelement vor oder am Brenner positionierbar ist und somit das Kühlelement sich nicht in unmittelbarer Umgebung der Flamme befindet. Ebenso ist es möglich, dass das Kühlelement in den Feuerraum von außen einschiebbar ist.The positioning device may be designed such that, in at least one position, the cooling element can be positioned in front of or on the burner, thus preventing it from being in the immediate vicinity of the flame. It is also possible for the cooling element to be inserted into the combustion chamber from the outside.

Die Kesselanlage kann derart ausgestaltet sein, dass sie zur Rückführung von im Feuerraum rezirkulierten Abgasen direkt zum Brenneraustritt oder in dessen Nähe eingerichtet ist.The boiler system can be designed in such a way that it is set up to return exhaust gases recirculated in the combustion chamber directly to the burner outlet or in its vicinity.

Das Kühlelement kann mittels der Positionierungseinrichtung so im Brennraum angeordnet werden, dass das kühlmediumführende Kühlelement derart weit in den Brennraum hineinragt bzw. in einem derartigen Abstand von einer Kesselwand, an der der Brenner angeordnet ist, positioniert ist, dass das Kühlelement optimal von rückgeführtem Rauchgas umströmbar ist, um einen geringen NOx-Wert einzustellen.The cooling element can be arranged in the combustion chamber using the positioning device in such a way that the cooling element carrying the cooling medium projects so far into the combustion chamber or is positioned at such a distance from a boiler wall on which the burner is located that the cooling element can be optimally surrounded by recirculated flue gas in order to achieve a low NOx value.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Kesselanlage sieht vor, dass das Kühlelement in wenigstens einer Position die Längsachse der Flamme zumindest teilweise radial umgebend ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das Kühlelement eine bezüglich der Längsachse definierte axiale Position aufweist, in der es die Längsachse zumindest bereichsweise radial umgibt.An advantageous embodiment of the boiler system provides that the cooling element is designed to radially surround the longitudinal axis of the flame, at least partially, in at least one position. This means that the cooling element has a defined axial position with respect to the longitudinal axis, in which it radially surrounds the longitudinal axis, at least in some areas.

Das Kühlelement kann dabei zumindest bereichsweise eine im Wesentlichen ring- oder hohlzylinderförmige Geometrie aufweisen, wobei die Flamme im Inneren der ring- oder hohlzylinderförmigen Geometrie erzeugt werden kann bzw. angeordnet sein kann.The cooling element can have, at least in some areas, a substantially ring-shaped or hollow cylindrical geometry, whereby the flame can be generated or arranged inside the ring-shaped or hollow cylindrical geometry.

Eine im Wesentlichen ring- oder hohlzylinderförmige Geometrie kann beispielsweise durch eine Wendel- oder Mäanderform realisiert sein.A geometry that is essentially ring-shaped or hollow cylindrical can, for example, be realized through a helical or meandering shape.

Die Form des Kühlelements kann dabei im Wesentlichen rotationssymmetrisch sein, wobei die Rotationsachse des Kühlelements im Wesentlichen parallel zur Längsachse ausgerichtet sein kann.The shape of the cooling element can be essentially rotationally symmetrical, with the axis of rotation of the cooling element being essentially parallel to the longitudinal axis.

Weiterhin kann die Kesselanalage eine Feuerraumwand aufweisen und die Positionierungseinrichtung mindestens eine Einschubhülse in der Feuerraumwand umfassen, in welcher ein Leitungselement der Kühleinrichtung, welches strömungstechnisch mit dem Kühlelement verbunden ist, aufgenommen ist, sodass das Leitungselement durch die Einschubhülse führbar ist und somit die Kühleinrichtung entlang der Längsachse der Flamme an unterschiedlichen Positionen positionierbar ist. Im Leitungselement ist dabei ein Kühlmedium aufnehmbar oder kann aufgenommen sein.Furthermore, the boiler system can have a combustion chamber wall and the positioning device can include at least one insertion sleeve in the combustion chamber wall, in which a duct element of the cooling device, which is fluid-technically The cooling element is connected to the pipe, allowing the pipe to be guided through the insertion sleeve and thus enabling the cooling device to be positioned at different locations along the longitudinal axis of the flame. The pipe can accommodate, or may accommodate, a cooling medium.

Das Kühlelement ist dabei derart mechanisch mit dem Leitungselement verbunden, dass eine Bewegung entlang der Längsachse zwischen dem Leitungselement und dem Kühlelement übertragbar ist.The cooling element is mechanically connected to the conductor element in such a way that movement along the longitudinal axis between the conductor element and the cooling element can be transmitted.

Bei mehreren Leitungselementen sind entsprechend mehrere Einschubhülsen vorhanden.If there are multiple cable elements, there are correspondingly multiple insertion sleeves.

Das Leitungselement kann im Wesentlichen parallel zur Längsachse in der Einschubhülse aufgenommen sein.The conductor element can be received in the insertion sleeve essentially parallel to the longitudinal axis.

Das Leitungselement und die Einschubhülse können dabei eine Spielpassung ausbilden.The conductor element and the insertion sleeve can form a clearance fit.

Im Falle von einem Rohr als Leitungselement ist der innere Durchmesser der Einschubhülse größer als der äußere Durchmesser des Rohrs, sodass eine Führung des Leitungselement möglich ist.In the case of a pipe as a conduit element, the inner diameter of the insertion sleeve is larger than the outer diameter of the pipe, so that guiding the conduit element is possible.

Die Einschubhülse kann an der Kesselwand mechanisch befestigt sein, beispielsweise verschweißt sein. Außerdem kann die mechanische Befestigung an der Kesselwand eine Übermaßpassung, einen Flansch und/oder eine Verschraubung aufweisen.The insertion sleeve can be mechanically attached to the boiler wall, for example by welding. Alternatively, the mechanical attachment to the boiler wall can consist of an interference fit, a flange, and/or a bolted connection.

Die Positionierungseinrichtung kann eine Feststelleinrichtung umfassen, mit der einzelne Positionen des Kühlelements festgestellt werden können. Die Feststelleinrichtung kann beispielsweise mittels einer Klemmschraube realisiert sein. Beim Betrieb der Kesselanlage kann somit eine verfahrenstechnisch günstige Position der Kühleinrichtung entlang der Längsachse der Flamme ermittelt werden und diese Position anhand der Klemmschraube fixiert werden.The positioning device can include a locking mechanism that allows individual positions of the cooling element to be fixed. The locking mechanism can, for example, be implemented using a clamping screw. During operation of the boiler system, a process-efficient position of the cooling element along the longitudinal axis of the flame can thus be determined and this position fixed using the clamping screw.

Zum Beispiel kann während des Betriebs die Position der Kühleinrichtung für unterschiedliche Betriebspunkte der Kesselanlage angepasst werden, in Abhängigkeit von beispielsweise der Verbrennungsleistung, des Flammendurchmessers und/oder der Konzentration einzelner Stoffe oder Stoffverbindungen, wie zum Beispiel NOx, im Abgas.For example, during operation the position of the cooling device can be adjusted for different operating points of the boiler system, depending on, for example, the combustion power, the flame diameter and/or the concentration of individual substances or compounds, such as NOx, in the exhaust gas.

Die Verschiebung der Kühleinrichtung kann manuell oder motorisiert erfolgen. In einer motorisierten Ausführungsform kann die Positionierungseinrichtung beispielsweise einen Stellmotor und einen Abgas-Sensor, beispielsweise einen NOx-Sensor, umfassen. Dabei kann die Kühleinrichtung entlang der Längsachse der Flamme abhängig von der NOx-Konzentration positioniert werden. Die Positionierungseinrichtung kann zudem eine Steuereinrichtung umfassen, die abhängig von der NOx-Konzentration und/oder festgelegten Betriebspunkten den Stellmotor ansteuert und die Position der Kühleinrichtung verändert.The cooling unit can be moved manually or by motor. In a motorized embodiment, the positioning device can, for example, include an actuator and an exhaust gas sensor, such as a NOx sensor. The cooling unit can then be positioned along the longitudinal axis of the flame depending on the NOx concentration. The positioning device can also include a control unit that actuates the actuator and changes the position of the cooling unit based on the NOx concentration and/or predefined operating points.

Das Kühlelement kann in einer Ausführungsform eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Ausgestaltung aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform ist das Kühlelement im Wesentlichen mit einer Hohlzylinderform ausgebildet. Eine spezielle Ausbildung dieses Kühlelements sieht vor, dass das Kühlelement im Wesentlichen eine Hohlkegelstumpfform ausbildet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil der teilweisen Abschirmung der Kesselwand vor Strahlungswärme, so dass diese bereichsweise eine geringere Temperatur aufweist und dicht an ihr rückgeführte Abgase weniger stark aufheizt.In one embodiment, the cooling element can have a substantially rotationally symmetrical design. In an alternative embodiment, the cooling element is essentially shaped like a hollow cylinder. A specific embodiment of this cooling element provides that the cooling element essentially forms a hollow frustoconical shape. This design has the advantage of partially shielding the boiler wall from radiant heat, so that it has a lower temperature in certain areas and heats exhaust gases recirculated close to it less.

Das bedeutet, dass die Form des im Brennraum positionierten Kühlelements entlang der Längsachse der Flamme entlang der Ausbreitungsrichtung der Flamme in radialer Richtung aufgeweitet sein kann.This means that the shape of the cooling element positioned in the combustion chamber can be expanded radially along the longitudinal axis of the flame in the direction of flame propagation.

Entsprechend kann das das Kühlelement derart geformt sein, dass es entlang der Längsachse an einer Position näher zur Flammenspitze einen größeren Abstand radial zur Längsachse der Flamme aufweist als an einer Stelle weiter entfernt von der Flammenspitze und dichter am Brennermund.Accordingly, the cooling element can be shaped in such a way that, along the longitudinal axis, at a position closer to the flame tip, it has a greater radial distance to the longitudinal axis of the flame than at a point further away from the flame tip and closer to the burner mouth.

Dabei kann die Geometrie der Kühleinrichtung einem abschnittsweisen Konturverlauf der Flamme nachempfunden sein, sodass die Kühleinrichtung in einer Position positionierbar ist, in der die Flammenkontur im Wesentlichen parallel zur Innenkontur des Kühlelements ist.The geometry of the cooling device can be modeled on a section-by-section contour of the flame, so that the cooling device can be positioned in a position where the flame contour is essentially parallel to the inner contour of the cooling element.

Durch die radiale Aufweitung kann eine zusätzliche NOx-Reduktion erreicht werden.An additional reduction in NOx emissions can be achieved through radial expansion.

Das Kühlelement kann wenigstens ein Rohr umfassen, das von Kühlmedium durchströmt oder durchströmbar ist. Beispielsweise kann das Rohr einen Außendurchmesser von 10mm bis 100 mm aufweisen. Gegebenenfalls kann ein solches Rohr beulstrukturiert ausgeführt sein. Das Kühlmedium kann durch das Rohr vom Brennermund weg geleitet werden und in einer gewissen Entfernung vom Brennermund im Kühlmedium aufgenommene Wärme abgeben. In einfacher, alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung dazu eingerichtet ist, mittels Wärmeleitung Wärme aus dem rückgeführten Abgas vom Brennermund weg zu transportieren und an geeigneter Stelle an die Umgebung oder ein weiteres Medium abzugeben. Zur Verbesserung des konvektiven Wärmeüberganges des Abgases an die Oberfläche der Rohre der Kühleinrichtung können diese mit zusätzlichen Kühlrippen oder Pins auf der Außenseite, die mit dem Abgas in Kontakt steht, ausgerüstet sein.The cooling element can comprise at least one tube through which, or capable of being permeated by, a cooling medium flows. For example, the tube can have an outer diameter of 10 mm to 100 mm. Optionally, such a tube can be designed with a bulged structure. The cooling medium can be guided through the tube away from the burner mouth and release the heat absorbed in the cooling medium at a certain distance from the burner mouth. In a simpler, alternative embodiment, the cooling device is configured to transport heat from the recirculated exhaust gas away from the burner mouth by means of heat conduction and release it to the environment or another medium at a suitable location. To improve the convective heat transfer of the exhaust gas to the surface of the cooling device tubes, these can be equipped with additional cooling fins or pins on the outside that is in contact with the exhaust gas.

Gegebenenfalls umfasst die Kühleinrichtung als Kühlelemente mehrere Rohre, in welchen ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei der Abstand zwischen benachbarten Rohren mindestens so groß ist, dass der durch die Abkühlungswirkung der die Kühleinrichtung ausbildenden Rohre bewirkte Abgas-Massestrom des rückgeführten Abgases, welcher zwischen den Rohren hindurch bzw. um den Umfang der Rohre herum strömt, größer ist als bei einer bis auf die erfindungsgemäße Kühleinrichtung identischen Ausführungsform der Kesselanlage. Das bedeutet, dass die Rohre wenigstens so weit voneinander beabstandet sein müssen, dass sie einen Abkühlungseffekt auf das rückgeführte Abgas bewirken, sodass der Abgas-Massestrom des rückgeführten Abgases größer ist als bei herkömmlichen Ausführungsformen, die keine erfindungsgemäße Kühleinrichtung am Brennermund aufweisen.Optionally, the cooling device comprises several pipes as cooling elements in which a cooling medium can be received or is contained, wherein the distance between adjacent pipes is at least so large that the exhaust gas mass flow of the recirculated exhaust gas caused by the cooling effect of the pipes forming the cooling device, which passes between the pipes or around the circumference of the pipes The flow rate is greater than in an embodiment of the boiler system that is identical except for the cooling device according to the invention. This means that the pipes must be spaced at least far enough apart to have a cooling effect on the recirculated exhaust gas, so that the mass flow rate of the recirculated exhaust gas is greater than in conventional embodiments that do not have a cooling device according to the invention at the burner mouth.

Vorzugsweise sollte durch die Rohre, die die Kühleinrichtung ausbilden, sowie das darin befindliche Kühlmedium eine Temperaturminderung des rückgeführten und eingesaugten Abgases um wenigstens 50 K realisierbar sein.Preferably, the pipes forming the cooling device and the cooling medium contained therein should enable a temperature reduction of at least 50 K of the recirculated and drawn-in exhaust gas.

Die Rohre können beispielsweise einen minimalen Abstand von 30 mm zueinander aufweisen.The pipes can, for example, have a minimum distance of 30 mm between them.

Die Kühleinrichtung kann als Kühlelemente mehrere Rohre aufweisen, in welchen ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei die Kesselanlage eine Feuerraumwand aufweist, von der ausgehend die Rohre sich ins Innere des Feuerraums erstrecken, und wobei zumindest einige dieser Rohre zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende erste Abschnitte aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse und winklig, insbesondere senkrecht zur Feuerraumwand angeordnet sind. Daran anschließend sind zwei im Wesentlichen winklig, insbesondere senkrecht zur Längsachse und im Wesentlichen parallel zur Feuerraumwand verlaufende zweite Abschnitte angeordnet, und wiederum daran wenigstens ein dritter Abschnitt angeordnet, der im Wesentlichen parallel zur Brennerwand und winklig, insbesondere senkrecht zur Längsachse sowie dem zweiten Abschnitten verläuft. Dadurch ergibt sich jeweils ein U-förmiger Verlauf eines derartigen Rohres, wobei das U aus dem zweidimensionalen Bereich in Richtung der dritten Raumkoordinate umgebogen ist. Der Abstand der Rohre des zweiten und dritten Abschnittes zueinander soll 30 ... 90 mm betragen. Besonders vorteilhaft ist ein Abstand der Rohre zueinander von 45 ...70 mm. Der zu wählende Abstand der Rohre hängt unter anderem von der Temperatur des rezirkulierten Abgases in der äußeren Rezirkulationszone vor Durchtritt durch die Kühleinrichtung ab.The cooling device can comprise several tubes as cooling elements, in which a cooling medium can be received or is contained. The boiler system has a combustion chamber wall from which the tubes extend into the interior of the combustion chamber. At least some of these tubes have two essentially parallel first sections, arranged essentially parallel to the longitudinal axis and at an angle, in particular perpendicular, to the combustion chamber wall. Adjoining these are two essentially perpendicular second sections, arranged essentially perpendicular, in particular perpendicular to the longitudinal axis and essentially parallel to the combustion chamber wall. Adjoining these are at least one third section, arranged essentially parallel to the burner wall and at an angle, in particular perpendicular, to the longitudinal axis and to the second sections. This results in a U-shaped profile for each such tube, the U being bent from the two-dimensional plane towards the third spatial coordinate. The distance between the tubes of the second and third sections should be 30 to 90 mm. A distance of 45 to 70 mm between the tubes is particularly advantageous. The required spacing of the pipes depends, among other things, on the temperature of the recirculated exhaust gas in the outer recirculation zone before it passes through the cooling device.

In einer weiteren Ausgestaltung der Kühleinrichtung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als Kühlelemente mehrere Rohre umfasst, in welchen ein Kühlmedium aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei die Kesselanlage eine Feuerraumwand aufweist, von der ausgehend die Rohre sich ins Innere des Feuerraums erstrecken, und wobei zumindest einige dieser Rohre jeweils einen ersten Abschnitt aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse und winklig, insbesondere senkrecht zur Feuerraumwand angeordnet ist. Die ersten Abschnitte der Rohre sind strömungstechnisch mit einem ringförmigen Verteiler verbunden, der im Wesentlichen parallel zur Feuerraumwand winklig, insbesondere senkrecht, zur Längsachse angeordnet ist. Dabei kann der ringförmige Verteiler eine Kreisform aufweisen und koaxial zur Längsachse angeordnet sein. Dadurch kann Kühlmedium aus einem jeweiligen Rohr in den Verteiler gelangen und von diesem verteilt bzw. anderen Rohren zugeleitet werden. In einer weiteren Ausführung ist der erste Abschnitt der Rohre nicht parallel zur Brennerachse ausgeführt, sondern weist auf einem größeren Teilkreis Rohre, welche aus der Feuerraumwand ausgebogen sind, im Vergleich zum ringförmigen Verteiler auf.In a further embodiment of the cooling device, it is provided that the cooling device comprises several tubes as cooling elements in which a cooling medium can be received or is contained, wherein the boiler system has a combustion chamber wall from which the tubes extend into the interior of the combustion chamber, and wherein at least some of these tubes each have a first section that is arranged essentially parallel to the longitudinal axis and at an angle, in particular perpendicular, to the combustion chamber wall. The first sections of the tubes are fluidically connected to an annular distributor that is arranged essentially parallel to the combustion chamber wall and at an angle, in particular perpendicular, to the longitudinal axis. The annular distributor can be circular and arranged coaxially to the longitudinal axis. This allows cooling medium to flow from a particular pipe into the distributor and be distributed or directed to other pipes. In another embodiment, the first section of the pipes is not parallel to the burner axis, but instead features pipes bent out from the combustion chamber wall along a larger partial circle compared to the annular distributor.

Eine weitere Alternative der Ausgestaltung der Kühleinrichtung sieht vor, dass das Rohr helixförmig um die Längsachse angeordnet ist. Dieses helixförmige Rohr kann strömungstechnisch mit Leitungselementen in der Feuerraumwand gekoppelt sein. Die Helixform kann dabei in einer Wendelform ausgebildet sein. Des Weiteren kann das helixförmige Rohr einen ersten Windungsbereich und einen zweiten Windungsbereich umfassen, wobei der erste Windungsbereich koaxial in Bezug zum zweiten Windungsbereich und zumindest abschnittsweise radial innerhalb des zweiten Windungsbereiches angeordnet ist. Die beiden Windungsbereiche sind dabei vorzugsweise durch lediglich ein Rohr ausgebildet, so dass dieses eine Rohr in einem axial endseitigen Bereich vom ersten Windungsbereich in den zweiten Windungsbereich übergeht. Dafür bietet es sich an, dass der erste Windungsbereich und der zweite Windungsbereich entgegengesetzte Steigungen aufweisen, sodass in einfacher Weise der Übergang zwischen dem ersten Windungsbereich und dem zweiten Windungsbereich realisierbar ist.Another alternative design for the cooling device involves arranging the pipe helically around the longitudinal axis. This helical pipe can be fluidically coupled to duct elements in the combustion chamber wall. The helical shape can be formed in a spiral form. Furthermore, the helical pipe can comprise a first coil and a second coil, the first coil being coaxial with the second coil and at least partially radially within the second coil. The two coils are preferably formed by a single pipe, such that this single pipe transitions from the first coil to the second coil at an axial end. It is advantageous for the first and second coils to have opposite pitches, thus facilitating a simple transition between them.

Die Helixform kann sich entlang der Längsachse der Flamme aufweiten. Das bedeutet, dass das Kühlelement derart geformt sein kann, dass es an einer Stelle näher an der Flammenspitze einen größeren Radius aufweisen kann als an einer Stelle weiter entfernt von der Flammenspitze.The helical shape can widen along the longitudinal axis of the flame. This means that the cooling element can be shaped in such a way that it has a larger radius at a point closer to the flame tip than at a point further away from the flame tip.

In einer alternativen Ausführungsform verläuft das Rohr mäanderförmig um die Längsachse der Flamme. Es ist dabei möglich, dass die Mäanderform zueinander parallele Abschnitte aufweist und somit eine Hohlzylinderform ausbildet. Die Mäanderform erstreckt sich dabei um die Längsachse der Flamme herum. Dabei können in einer Ausführungsform die parallelen Abschnitte im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Flamme angeordnet sein.In an alternative embodiment, the tube meanders around the longitudinal axis of the flame. It is possible that the meandering shape has parallel sections, thus forming a hollow cylindrical shape. The meandering shape extends around the longitudinal axis of the flame. In one embodiment, the parallel sections can be arranged essentially parallel to the longitudinal axis of the flame.

Die Mäanderform kann eine im Wesentlichen ring- oder hohlzylindrische Form ausbilden, wobei immer zwei parallele Abschnitte durch ein gebogenes Endstück an einer Endseite der Abschnitte miteinander verbunden sind. Die strömungstechnische Verbindung entlang der Mäanderform des Kühlelements ist dadurch gewährleistet. Das gebogene Endstück kann auch als Schlinge bezeichnet werden und angeschweißt sein.The meandering shape can be essentially ring-shaped or hollow-cylindrical, with two parallel sections always connected by a curved end piece at one end of the sections. This ensures a fluid flow connection along the meandering shape of the cooling element. The curved end piece can also be called a loop and may be welded on.

Es ist dabei nicht ausgeschlossen, dass der Querschnitt dieser Kühleinrichtung von einer rotationssymmetrischen Form abweicht, so dass z.B. die Mäanderform die hohle Kegelstumpfform ausbildet.It is not excluded that the cross-section of this cooling device deviates from a rotationally symmetrical shape, so that, for example, the meander shape forms the hollow truncated cone shape.

Im Falle einer im Wesentlichen um die Längsachse verlaufenden Mäanderform der Kühleinrichtung kann die Aufweitung dadurch realisiert sein, dass jeweils ein Paar von entlang des Umfangs benachbarten parallelen Abschnitten des Kühlelements radial nach außen gebogen ist, sodass sich die parallelen Abschnitte blütenförmig radial nach außen krümmen, oder linear und in einem Winkel zur Längsachse verläuft.In the case of a meandering shape of the cooling device that essentially runs around the longitudinal axis, the widening can be achieved by bending a pair of parallel sections of the cooling element adjacent along the circumference radially outwards, so that the parallel sections curve radially outwards in a flower-like shape, or by running linearly and at an angle to the longitudinal axis.

Parallele Abschnitte können auch gekrümmte Abschnitte miteinschließen, wobei es sich dabei um sogenannte Parallelkurven handelt, also Abschnitte, die die gleiche Krümmung und den gleichen Abstand zueinander aufweisen.Parallel sections can also include curved sections, which are so-called parallel curves, i.e., sections that have the same curvature and the same distance from each other.

In einer weiteren Ausführungsform sind die parallelen Abschnitte der Mäanderform des Kühlelements alle in eine Richtung mit zumindest einer Komponente quer zur Längsachse ausgerichtet. Dabei kann es sich um parallel angeordnete Abschnitte handeln, welche entlang eines Umfangs gekrümmt sind, womit eine ring- oder hohlzylindrische Form ausgebildet wird. Beispielsweise können die parallelen Abschnitte in Umfangsrichtung um die Längsachse gekrümmt sein.In another embodiment, the parallel sections of the meandering cooling element are all aligned in one direction with at least one component perpendicular to the longitudinal axis. These can be parallel sections that are curved along a circumference, thus forming a ring-shaped or hollow cylindrical shape. For example, the parallel sections can be curved circumferentially around the longitudinal axis.

Der Abstand zwischen den parallelen Abschnitten kann beispielsweise 30 mm oder weniger betragen. Durch eine enge Anordnung einer Vielzahl von parallelen Abschnitten kann eine große Fläche zur Wärmeübertragung vom Abgas zum Kühlelement zur Verfügung gestellt werden.The distance between the parallel sections can be, for example, 30 mm or less. By closely arranging a large number of parallel sections, a large surface area can be provided for heat transfer from the exhaust gas to the cooling element.

Im Falle eines als Rohr ausgeführten Kühlelements kann dessen Durchmesser innen und/ oder außen im Verlauf der Mäanderform variieren.In the case of a cooling element designed as a tube, its diameter can vary inside and/or outside along the meandering shape.

Alternativ kann die Kühleinrichtung mehrere Rohre umfassen, die parallel zueinander verlaufende erste Abschnitte aufweisen, die sich aus der Ebene der Feuerraumwand heraus erstrecken. Daran schließt sich jeweils ein zweiter Abschnitt an, der im Wesentlichen senkrecht zum ersten Abschnitt verläuft und demzufolge im Wesentlichen parallel zur Feuerraumwand angeordnet ist. Ein dritter Abschnitt verbindet die beiden zweiten Abschnitte miteinander, sodass eine U-Form realisiert ist. Das bedeutet, dass das Kühlelement mehrere Abschnitte umfassen kann, die im Wesentlichen parallel zueinander und/ oder parallel zur Längsachse ausgerichtet sind.Alternatively, the cooling device can comprise several pipes with parallel first sections extending out of the plane of the combustion chamber wall. Each of these is followed by a second section, which runs essentially perpendicular to the first section and is therefore essentially parallel to the combustion chamber wall. A third section connects the two second sections, forming a U-shape. This means that the cooling element can comprise several sections that are essentially parallel to each other and/or parallel to the longitudinal axis.

Das Kühlungselement kann mindestens ein Strömungsleitelement umfassen, welches derart angeordnet ist, dass es eine Führungsfunktion von rückgeführtem Abgas von radial außen in die Flamme hat. Ein solches Strömungsleitelement kann begünstigen, dass das rückgeführte bzw. rezirkulierte Abgas nicht bis zum Brenner strömt, sondern bereits an der Kühleinrichtung in die Flamme geleitet wird.The cooling element can comprise at least one flow guide element, which is arranged such that it guides recirculated exhaust gas from the radial outside into the flame. Such a flow guide element can facilitate the recirculated exhaust gas not flowing all the way to the burner, but rather being directed into the flame at the cooling device.

Hier erfolgt ein unterdruckbedingtes Ansaugen der Rauch- bzw. Abgase.Here, the smoke or exhaust gases are drawn in due to negative pressure.

Darüber hinaus kann das Strömungsleitelement auch so eingerichtet sein, dass es trotz der Führungsfunktion einen geringen Widerstand für das rezirkulierte Abgas bildet und somit einen geringen Druckverlust im rezirkulierten Abgas bewirkt, was eine großen Massenstrom in die Flamme gewährleistet.Furthermore, the flow guide element can also be designed in such a way that, despite its guiding function, it forms a low resistance for the recirculated exhaust gas and thus causes a low pressure loss in the recirculated exhaust gas, which ensures a large mass flow into the flame.

Das Strömungsleitelement kann eine Wärmeübertragungsfunktion haben, so dass mindestens 80% der in ein Strömungsleitelement eingebrachten Wärme in die angeschlossenen Rohre und damit auf das in den Rohren transportierte Kühlmedium übertragbar ist. Des Weiteren wird durch ein jeweiliges Strömungsleitelement die Wärmeübertragungsfläche des Kühlelements vergrößert.The flow guide element can have a heat transfer function, so that at least 80% of the heat introduced into a flow guide element can be transferred to the connected pipes and thus to the cooling medium transported in the pipes. Furthermore, each flow guide element increases the heat transfer surface area of the cooling element.

Das durch das Strömungsleitelement geführte rezirkulierte Abgas kann gegebenenfalls auch eine Turbulenz in die Flamme einbringen. Turbulenzen in der Flamme können den Widerstand der Flammenkontur senken und/ oder einen größeren Impulstransport bewirken und die Wärmeübertragung mit dem Kühlelement vergrößern, so dass somit der Massenstrom des aus der Umgebung in die Flamme eingesaugtem Fluids erhöht wird. Dies kann zu einer verstärkten Abkühlung des rezirkulierten Abgases führen und damit einen größeren Massenstrom der rezirkulierten Abgase in die Flamme bewirken.The recirculated exhaust gas guided through the flow control element can potentially introduce turbulence into the flame. Turbulence in the flame can reduce the resistance of the flame contour and/or increase momentum transfer, thereby enhancing heat transfer with the cooling element and thus increasing the mass flow rate of the fluid drawn into the flame from the surroundings. This can lead to increased cooling of the recirculated exhaust gas and consequently a greater mass flow rate of recirculated exhaust gas into the flame.

Im Falle einer verdrillten Flamme kann das Strömungsleitelement dazu eingerichtet sein, das rezirkulierte Abgas derart in die Flamme zu leiten, dass das rezirkulierte Abgas mit der Richtung der Verdrillung in die Flamme geleitet wird.In the case of a twisted flame, the flow guide element can be designed to direct the recirculated exhaust gas into the flame in such a way that the recirculated exhaust gas is directed into the flame in the direction of the twisting.

Eine verdrillte Flamme kann bedeuten, dass innerhalb der Flamme eine Strömung um die Längsachse der Flamme vorhanden ist. Dies kann beispielsweise durch Drallelemente im oder am Brennermund realisiert sein. Die Strömungsleitelemente können gegebenenfalls eine Verdrillung der Flamme verstärken oder diese bewirken.A twisted flame can indicate that there is a flow around the flame's longitudinal axis. This can be achieved, for example, by swirl elements in or at the burner mouth. These flow-guiding elements can, in some cases, enhance or even cause the twisting of the flame.

Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass die Strömungsleitelemente auch bei einer nicht verdrillten Flamme eingesetzt werden, wobei die Strömungsleitelemente die Abgase in einer Bewegung mit zumindest rotatorischen Bestandteil in Richtung auf die Flamme lenken.It is not excluded that the flow guide elements can also be used with a non-twisted flame, whereby the flow guide elements direct the exhaust gases in a movement with at least a rotational component towards the flame.

Das Strömungsleitelement kann mit einem oder mehreren Rohren der Kühleinrichtung beispielsweise verschweißt sein.The flow guide element can be welded to one or more pipes of the cooling system, for example.

Es können mehrere Strömungsleitelemente entlang eines Umfangs um die Längsachse der Flamme angeordnet sein. Entlang des Umfangs benachbarte Strömungsleitelemente können dabei abstandsgleich angeordnet sein.Several flow-guiding elements can be arranged along a circumference around the longitudinal axis of the flame. Flow-guiding elements adjacent to each other along the circumference can be arranged at the same distance from one another.

Eine mit Strömungsleitelementen ausgebildete Ausführungsform des Kühlungselements sieht vor, dass das Kühlungselement zumindest ein mäanderförmig verlaufendes Rohr und mindestens ein Strömungsleitelement aufweist, welches zwischen Schlingen des Mäanders verbindenden Rohrabschnitten angeordnet ist. Das Strömungsleitelement kann zwischen entlang des Umfangs des Kühlelements einander benachbarten Schlingen des Mäanders verbindenden Rohrabschnitten angeordnet sein. Ein solches Strömungsleitelement ist somit als eine sogenannte "Flosse" in Form eines Steges bzw. Blechs ausgebildet, welches zwischen zwei miteinander mit einer Schlinge des Mäanders verbundenen Rohren der Kühleinrichtung angeordnet ist und an wenigstens einem dieser Rohre bzw. Rohrabschnitte an diesen fixiert ist.An embodiment of the cooling element designed with flow-guiding elements provides that the cooling element has at least one meandering pipe and at least one flow-guiding element which is positioned between loops of the meander. The flow guide element is arranged between connecting pipe sections. It can be positioned between pipe sections connecting adjacent loops of the meander along the circumference of the cooling element. Such a flow guide element is thus designed as a so-called "fin" in the form of a web or sheet, which is arranged between two pipes of the cooling device connected to each other by a loop of the meander and is fixed to at least one of these pipes or pipe sections.

Dabei kann das Kühlelement die beschriebene Hohlzylinderform oder auch die hohle Kegelstumpfform aufweisen.The cooling element can have the described hollow cylindrical shape or the hollow truncated cone shape.

Des Weiteren können mit einer Schlinge des Mäanders verbundene Rohre der Kühleinrichtung, zwischen denen ein Strömungsleitelement angeordnet ist, in einer Ebene angeordnet sein, die entlang einer Sekante verläuft, um Rauchgas in Richtung auf ein Zentrum der Kühleinrichtung zu lenken.Furthermore, pipes of the cooling device connected by a loop of the meander, between which a flow guide element is arranged, can be arranged in a plane that runs along a secant to direct flue gas towards a center of the cooling device.

Die Sekante verläuft dabei in einem Querschnitt der Kühleinrichtung, der senkrecht zur Längsachse der Flamme ausgerichtet ist. Das Zentrum der Kühleinrichtung befindet sich bei einer im Wesentlichen mit einem inneren Hohlraum ausgestatteten Kühleinrichtung, wie z.B. einer Hohlzylinderform oder einer Hohlkegelstumpfform, auf der Längsachse der Flamme.The secant runs in a cross-section of the cooling device that is oriented perpendicular to the longitudinal axis of the flame. In a cooling device that essentially consists of an internal cavity, such as a hollow cylinder or a hollow frustocone, the center of the cooling device is located on the longitudinal axis of the flame.

Des Weiteren kann eine Ausführungsform mit Strömungsleitelement auch mit der Wendelform kombiniert sein, sodass das Kühlungselement zumindest ein helixförmig um die Längsachse angeordnetes Rohr aufweist und mindestens ein Strömungsleitelement, welches in wenigstens einer Winkelposition am Umfang des Kühlelements zwischen den Rohrabschnitten in dieser Winkelposition angeordnet ist, aufweist.Furthermore, an embodiment with a flow guide element can also be combined with the helical shape, such that the cooling element has at least one helically arranged tube around the longitudinal axis and at least one flow guide element which is arranged in at least one angular position on the circumference of the cooling element between the tube sections in this angular position.

Dieses Strömungsleitelement kann dabei der Steigung der vom Rohr ausgebildeten Wendel folgen und sich teilweise oder auch vollständig über den Umfang erstrecken.This flow guide element can follow the slope of the helix formed by the pipe and extend partially or completely around the circumference.

Das Strömungsleitelement kann dabei in einer Winkelposition lediglich an einem Rohrabschnitt fixiert sein und eine Leitfläche ausbilden, die bereichsweise die Mantelfläche einer ideellen hohlen Kegelform ausbildet.The flow guide element can be fixed in an angular position on only one pipe section and form a guide surface that, in some areas, forms the lateral surface of an ideal hollow cone shape.

Dabei kann an einem Rohrabschnitt der Wendel beidseitig jeweils ein Strömungsleitelement angeordnet sein, deren Leitflächen entlang derselben ideellen hohlen Kegelform ausgerichtet sind.In this process, a flow guide element can be arranged on both sides of a pipe section of the helix, the guide surfaces of which are aligned along the same ideal hollow cone shape.

Das Strömungsleitelement kann der Wendelform folgend durch ein Flächenelement ausgebildet sein, dessen Oberfläche in einem Winkel von 20° bis 70° in Bezug zur Längsachse der Flamme verläuft.The flow guide element can be formed by a surface element following the helical shape, the surface of which runs at an angle of 20° to 70° in relation to the longitudinal axis of the flame.

Das Flächenelement kann innen und/ oder außen am wendelförmigen Rohr angeordnet sein.The surface element can be arranged inside and/or outside the helical tube.

Bei mehreren Rohren, die die Kühlelement ausbilden und die Wendelform aufweisen, können auch mehrere Rohre mit derartigen Strömungsleitelementen ausgebildet sein.In the case of multiple pipes that form the cooling element and have a helical shape, multiple pipes with such flow guide elements can also be formed.

Des Weiteren kann das Kühlelement auch derart ausgestaltet sein, dass das Kühlelement wenigstens ein Strömungsleitelement umfasst, das von einem Kühlmedium durchströmt oder durchströmbar sind, wobei sich das Strömungsleitelement mit zumindest einer Komponente seiner Längserstreckungsrichtung parallel zur Längsachse erstreckt und strömungstechnisch mit einer Verteileinrichtung zur Verteilung von Kühlmedium auf die Strömungsleitelemente verbunden ist.Furthermore, the cooling element can also be designed in such a way that the cooling element comprises at least one flow guide element through which a cooling medium flows or can flow through, wherein the flow guide element extends with at least one component of its longitudinal direction parallel to the longitudinal axis and is fluidically connected to a distribution device for distributing cooling medium onto the flow guide elements.

Es können mehrere derartiger Strömungsleitelemente vom Kühlelement umfasst sein. Auch diese Strömungsleitelemente sind derart angeordnet, dass sie eine Führungsfunktion von rezirkuliertem Abgas von radial außen in die Flamme haben. Dabei können diese Strömungsleitelemente mit ihrer Längserstreckungsrichtung parallel zur Längsachse ausgerichtet sein.Several such flow guide elements can be encompassed by the cooling element. These flow guide elements are also arranged to guide recirculated exhaust gas from the radial outside into the flame. The longitudinal direction of these flow guide elements can be aligned parallel to the longitudinal axis.

In alternativer Ausgestaltung sind die Strömungsleitelemente radial aufgeweitet, so dass sie im Wesentlichen die Form eines am Umfang unterbrochenen Hohlkegels ausbilden. In dieser Ausführungsform können sich die Strömungsleitelemente mit zunehmenden Abstand vom Brennermund entlang der Ausbreitungsrichtung der Flamme verbreitern, so dass sie in einem Bereich einer größeren radialen Aufweitung eine längeres Maß entlang des Umfangs aufweisen als in einem Bereich einer geringeren radialen Aufweitung.In an alternative embodiment, the flow guide elements are radially expanded, so that they essentially form the shape of a hollow cone interrupted at the circumference. In this embodiment, the flow guide elements can widen with increasing distance from the burner mouth along the direction of flame propagation, so that in an area of greater radial expansion they have a longer circumference than in an area of lesser radial expansion.

Die Strömungsleitelemente können strömungstechnisch optimierte Anströmflächen aufweisen. Beispielsweise können die Strömungsleitelemente abschnittsweise im Querschnitt jeweils ein NACA-Profil ausbilden. Dabei kann die Flügelnase des NACA-Profils eben ausgeführt sein. Diese Profile bewirken in strömungstechnisch optimierter Weise die Einströmung von Abgas in den von dem Kühlelement ausgebildeten Hohlraum und damit zur Flamme bzw. zum Verbrennungsprozess.The flow guide elements can have aerodynamically optimized inlet surfaces. For example, the flow guide elements can form a NACA airfoil in sections of their cross-section. The leading edge of the NACA airfoil can be flat. These airfoils ensure the aerodynamically optimized flow of exhaust gas into the cavity formed by the cooling element and thus to the flame or combustion process.

Entlang des Umfangs angeordnete Strömungsleitelemente können einander dabei radial und entlang des Umfangs bereichsweise überlagern.Flow guide elements arranged along the circumference can overlap each other radially and in certain areas along the circumference.

In dieser Ausführungsform sind somit im Unterschied zu der oben genannten Ausführungsformen mit wenigstens einem Rohr, welches das Kühlelement ausbildet bzw. von dieser umfasst ist, bis auf die Verteileinrichtung kein Rohr vorgesehen, an welchem die Strömungsleitelemente angeordnet sind.In this embodiment, unlike the embodiments mentioned above with at least one pipe which forms or is encompassed by the cooling element, no pipe is provided, except for the distribution device, on which the flow guide elements are arranged.

Weiterhin kann die Kesselanlage eine Fluid-Zuführungseinrichtung aufweisen, mit der radial in Richtung auf die Längsachse gerichtet ein Fluid, wie z.B. Brennstoff, Luft und/ oder rückgeführtes Abgas, durch die Kühleinrichtung hindurch ausgebbar ist. Gegebenenfalls handelt es sich dabei um eine ringförmige Fluid-Zuführungseinrichtung. Mit der Fluid-Zuführungseinrichtung wird erreicht, dass durch Mitnahme von Rauchgas durch das ausgegebene bzw. ausströmende Fluid mehr Rauchgas an die Kühleinrichtung herangeführt wird und demzufolge je Zeiteinheit mehr Rauchgas abkühlbar ist.Furthermore, the boiler system may have a fluid supply device with which a fluid, such as fuel, air, and/or recirculated exhaust gas, can be discharged radially along the longitudinal axis through the cooling device. This may be an annular fluid supply device. With the fluid supply device This is achieved by carrying away flue gas with the discharged or outflowing fluid, so that more flue gas is brought to the cooling device and consequently more flue gas can be cooled per unit of time.

In einer Ausführungsform der Kesselanlage ist vorgesehen, dass das mediumdurchströmte Rohr bzw. mediumdurchströmbare Rohre um eine Achse rotierbar angeordnet ist. Gegebenenfalls ist diese Achse die Längsachse der vom Brenner erzeugten Flamme. Bei Ausgestaltung der Kühleinrichtung mit mehreren Rohren sind demzufolge auch die mehreren Rohre um die Längsachse der Flamme rotierbar angeordnet. Zur Zu- und Ableitung des Kühlmediums in das Rohr bzw. die Rohre kann das Rohr bzw. die Rohre mit entsprechenden Drehdurchführungen an ein Reservoir bzw. an Rohre in der Feuerraumwand angeschlossen sein. Diese Ausgestaltung bewirkt eine zusätzliche Effizienz-Erhöhung in der Kühlwirkung des rückgeführten Abgases.In one embodiment of the boiler system, the medium-flowing pipe(s) are arranged to rotate about an axis. This axis may be the longitudinal axis of the flame generated by the burner. Consequently, if the cooling system is configured with multiple pipes, these pipes are also arranged to rotate about the longitudinal axis of the flame. For supplying and discharging the cooling medium into and out of the pipe(s), the pipe(s) can be connected to a reservoir or to pipes in the combustion chamber wall via appropriate rotary unions. This configuration results in an additional increase in the efficiency of the cooling effect of the recirculated exhaust gas.

Weiterhin kann die Kesselanlage eine Eindüseeinrichtung aufweisen, mit der ein Fluid wie z.B. Speisewasser in den Bereich der Rückführung von Abgas in den Feuerraum einspritzbar ist. Dadurch kann ein weiterer Abkühlungseffekt des Rezirkulats bewirkt werden. In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Spritzeinrichtung derart ausgestaltet, dass von ihr ausgebrachtes Fluid auf die Kühleinrichtung gelangt, sodass gegebenenfalls beim Einspritzen nicht verdampftes Fluid einen zusätzlichen Kühlungseffekt auf der Kühleinrichtung bewirkt. Ein Reservoir für das einzuspritzende Fluid kann dabei strömungstechnisch mit dem Rohr bzw. den Rohren der Kühleinrichtung gekoppelt sein.Furthermore, the boiler system can have a single-injection device with which a fluid, such as feedwater, can be injected into the exhaust gas recirculation area in the combustion chamber. This can cause a further cooling effect on the recirculated fluid. In an advantageous embodiment, the injection device is designed such that the fluid dispensed by it reaches the cooling device, so that any fluid that does not evaporate during injection provides an additional cooling effect on the cooling device. A reservoir for the injected fluid can be fluidically coupled to the pipe(s) of the cooling device.

Bei Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kesselanlage als Flammrohrkessel ist die Kühlanlage vorzugsweise an einer Stirnseite des Flammenrohrs angeordnet, an der sich auch der Brenner bzw. Brennermund befindet. Dabei kann die Stirnfläche bis auf die Kühleinrichtung mit Feuerfestmaterial ausgekleidet sein, wobei das Rohr bzw. die Rohre der Kühleinrichtung durch das Feuerfestmaterial hindurchführen.In an embodiment of the boiler system according to the invention as a fire-tube boiler, the cooling system is preferably arranged on an end face of the fire tube, where the burner or burner mouth is also located. The end face can be lined with refractory material up to the cooling device, with the pipe(s) of the cooling device passing through the refractory material.

Ein solcher Flammenrohrkessel kann durch zusätzliche konvektive Heizflächen, vorzugsweise in Rohren, um den Brennerkopf bzw. die Kühleinrichtung herum ergänzt werden, wodurch sich die Wirkung der Kühlung der Abgasrezirkulation weiter erhöht. Bei Flammrohrkesseln mit wassergekühlter Front können die Rohre der Kühleinrichtung aus dieser wassergekühlten Front gespeist werden und das erwärmte Fluid kann der wassergekühlten Front wieder zugeführt werden.Such a flame-tube boiler can be supplemented by additional convective heating surfaces, preferably in tubes, around the burner head or the cooling unit, thereby further increasing the cooling effect of the exhaust gas recirculation. In flame-tube boilers with a water-cooled front, the tubes of the cooling unit can be supplied from this water-cooled front, and the heated fluid can be returned to the water-cooled front.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels einer beschriebenen Kesselanlage, bei dem in dem Feuerraum der Kesselanlage mit dem Brenner eine Flamme entlang der Längsachse erzeugt wird und dabei entstehendes Abgas zur Flamme intern zurückgeführt wird, wobei mittels der Kühleinrichtung Wärme vom rückgeführten Abgas aufgenommen und abgeleitet wird, und mittels der Positionierungseinrichtung das kühlmediumführende Kühlelement der Kühleinrichtung vor oder während der Abgasrückführung im Wesentlichen entlang der Längsachse der vom Brenner erzeugten Flamme verschoben wird und die Position des Kühlelements im Wesentlichen entlang der Längsachse eingestellt wird.Another aspect of the present invention is a method for generating heat by combustion of at least one fuel using a described boiler system, in which a flame is generated along the longitudinal axis in the combustion chamber of the boiler system with the burner and the resulting exhaust gas is internally recirculated to the flame, wherein heat from the recirculated exhaust gas is extracted by means of the cooling device. is received and diverted, and by means of the positioning device the cooling element carrying the cooling medium of the cooling device is moved substantially along the longitudinal axis of the flame generated by the burner before or during exhaust gas recirculation and the position of the cooling element is adjusted substantially along the longitudinal axis.

Mittels der Positionierungseinrichtung kann eine Nachjustierung der axialen Position des Kühlelements beim Betrieb der Kesselanlage erfolgen, um einen minimalen NOx im Abgas einzustellen.The positioning device allows for readjustment of the axial position of the cooling element during operation of the boiler system in order to set a minimum NOx level in the exhaust gas.

Dadurch ergeben sich in beschriebener Weise die Möglichkeit der Intensivierung der feuerrauminternen Abgasrezirkulation und eine Minderung der NOx-Emissionen.This results, as described, in the possibility of intensifying the combustion chamber's internal exhaust gas recirculation and reducing NOx emissions.

Zudem wird durch die Temperaturminderung des rückgeführten Abgases eine Mitnahme dieses Abgases begünstigt, da Dichte und Viskosität von im Verbrennungsprozess im selben Zeitfenster entstehenden Abgases und in diesem Zeitfenster zurückgeführten Rezirkulats aneinander angeglichen werden.Furthermore, the reduction in temperature of the recirculated exhaust gas promotes its entrainment, as the density and viscosity of the exhaust gas produced in the combustion process within the same time window and the recirculated gas within this time window are aligned.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung der Kesselanlage bei Kühlung des rückgeführten Abgases rotiert. Zusätzlich zur mit der Kühlungseinrichtung bewirkten Kühlung kann mittels einer Eindüseeinrichtung Fluid in den Bereich der Abgas-Rückführung in den Feuerraum eingespritzt werden.Furthermore, the cooling system of the boiler may be designed to rotate while cooling the recirculated exhaust gas. In addition to the cooling effect of the cooling system, fluid can be injected into the combustion chamber via a single-injection device in the exhaust gas recirculation area.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.The invention will be explained below with reference to the exemplary embodiments shown in the accompanying drawings.

Es zeigenThey show

  • Figur 1: eine Schnittansicht eines Teilbereichs der Kesselanlage einer 1. Ausführungsform, Figure 1 : a sectional view of a section of the boiler system of a first embodiment,
  • Figur 2: eine Kühleinrichtung einer ersten Ausführungsform in Schnittansicht, Figure 2 : a cooling device of a first embodiment in sectional view,
  • Figur 3: eine Kühleinrichtung einer zweiten Ausführungsform in Schnittansicht, Figure 3 : a cooling device of a second embodiment in sectional view,
  • Figur 4: eine Kühleinrichtung einer dritten Ausführungsform in Schnittansicht, Figure 4 : a cooling device of a third embodiment in sectional view,
  • Figur 5: ein den Zusammenhang zwischen der Temperatur und der NOx- Konzentration darstellendes Diagramm, Figure 5 : a diagram illustrating the relationship between temperature and NOx concentration,
  • Figur 6: eine Schnittansicht eines Teilbereichs der Kesselanlage einer zweiten Ausführungsform, Figure 6 : a sectional view of a section of the boiler system of a second embodiment,
  • Figur 7: eine Kühleinrichtung einer vierten Ausführungsform in Seitenansicht, Figure 7 : a cooling device of a fourth embodiment in side view,
  • Figur 8: die Kühleinrichtung der vierten Ausführungsform in Draufsicht, Figure 8 : the cooling device of the fourth embodiment in top view,
  • Figur 9: eine Kühleinrichtung einer fünften Ausführungsform in Draufsicht, Figure 9 : a cooling device of a fifth embodiment in top view,
  • Figur10: die Kühleinrichtung der fünften Ausführungsform in Seitenansicht, Figure 10 : the cooling device of the fifth embodiment in side view,
  • Figur 11: eine Kühleinrichtung einer sechsten Ausführungsform in Seitenansicht, Figure 11 : a cooling device of a sixth embodiment in side view,
  • Figur 12: die Kühleinrichtung der sechsten Ausführungsform in Draufsicht, Figure 12 : the cooling device of the sixth embodiment in top view,
  • Figur 13: die Kühleinrichtung der sechsten Ausführungsform in Schnittansicht entlang des in Figur 12 angedeuteten Schnittverlaufs, Figure 13 : the cooling device of the sixth embodiment in sectional view along the in Figure 12 indicated cutting line,
  • Figur 14: eine Kühleinrichtung einer siebten Ausführungsform in Seitenansicht, Figure 14 : a cooling device of a seventh embodiment in side view,
  • Figur 15: die Kühleinrichtung der siebten Ausführungsform in Schnittansicht entlang des in Figur 14 angedeuteten Schnittverlaufs, Figure 15 : the cooling device of the seventh embodiment in sectional view along the in Figure 14 indicated cutting line,
  • Figur 16: eine Kühleinrichtung einer achten Ausführungsform in Seitenansicht, Figure 16 : a cooling device of an eighth embodiment in side view,
  • Figur 17: die Kühleinrichtung der achten Ausführungsform in Draufsicht, Figure 17 : the cooling device of the eighth embodiment in top view,
  • Figur 18: die Kühleinrichtung der achten Ausführungsform in Schnittansicht entlang des in Figur 17 angedeuteten Schnittverlaufs, Figure 18 : the cooling device of the eighth embodiment in sectional view along the in Figure 17 indicated cutting line,
  • Figur 19: eine Kühleinrichtung einer neunten Ausführungsform in Seitenansicht, und Figure 19 : a cooling device of a ninth embodiment in side view, and
  • Figur 20: die Kühleinrichtung der neunten Ausführungsform in Draufsicht. Figure 20 : the cooling device of the ninth embodiment in top view.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kesselanlage wird Bezug genommen auf Figur 1. Hier ist dargestellt, dass sich ein Brenner 30 im Inneren eines Brennerkorbs 20 befindet. Aus dem Brennermund 31 bzw. Brenneraustritt tritt die Flamme 40 entlang ihrer Längsachse 41 aus, die sich in den Feuerraum 1 der Kesselanlage erstreckt. Die Kesselanlage ist dabei derart konzipiert, dass entstehendes Abgas 50 in einer Abgas-Rückführung 51 in einer Einsaugstelle 52 wieder dem Verbrennungsprozess bzw. der Flamme zugeführt wird, wie zum Beispiel durch eine hier nicht dargestellte, dem Brenner 30 gegenüberliegende Kesselwand, an der die Rauchgase umgelenkt und derart zurück in Richtung auf den Brenner 30 gelenkt werden, wie es durch die Strömungspfeile der Abgas-Rückführung 51 angedeutet ist. Dabei tritt das Rauchgas zumindest teilweise zwischen den Rohren 70 der Kühleinrichtung 60 hindurch und/oder um strömt diese.To explain the functioning of the boiler system according to the invention, reference is made to Figure 1 This figure shows a burner 30 located inside a burner basket 20. The flame 40 emerges from the burner mouth 31 along its longitudinal axis 41, which extends into the combustion chamber 1 of the boiler system. The boiler system is designed such that the resulting exhaust gas 50 is fed back into the combustion process or the flame via an exhaust gas recirculation system 51 at an intake point 52. This recirculation can occur, for example, through a boiler wall (not shown) opposite the burner 30, where the flue gases are deflected and directed back towards the burner 30, as indicated by the flow arrows of the exhaust gas recirculation system 51. The flue gas passes at least partially between and/or around the pipes 70 of the cooling device 60.

Durch den einstellbaren Abstand zwischen der Kühleinrichtung 60 und dem Brenner 30 bzw. der Einsaugstelle 52 erfolgt die Zuführung von Abgas 50 über die Abgas-Rückführung 51 somit auch in den Kühlbereich der Kühleinrichtung 60.Due to the adjustable distance between the cooling unit 60 and the burner 30 or the intake point 52, exhaust gas 50 is supplied via the exhaust gas recirculation 51, thus also into the cooling area of the cooling unit 60.

Durch die Abkühlung des rückgeführten Abgases 50 mittels der Kühleinrichtung 60 wird eine Minderung der Temperatur des Abgases 50 bewirkt, sodass der Abgas-Massestrom erhöht werden kann und demzufolge je Zeiteinheit mehr Abgas 50 in den Verbrennungsprozess rezirkuliert werden kann als bei herkömmlichen Einrichtungen. Gleichzeitig wird dadurch die Temperatur des Verbrennungsprozesses gesenkt. Wie bereits beschrieben lassen sich durch diese Auswirkungen die NOx- Emissionen deutlich verringern.By cooling the recirculated exhaust gas 50 by means of the cooling device 60, a reduction in the temperature of the exhaust gas 50 is achieved, so that the exhaust gas mass flow can be increased and consequently more exhaust gas 50 can be fed into the combustion process per unit of time. The combustion process can be recirculated more efficiently than in conventional systems. At the same time, this lowers the temperature of the combustion process. As previously described, these effects significantly reduce NOx emissions.

Eine weitere Minderung der Temperatur lässt sich durch den Einsatz der dargestellten Eindüseeinrichtung 80 bewirken, mit der gespritztes Fluid 81 in den Verbrennungsprozess bzw. in dessen Nähe ausbringbar ist.A further reduction in temperature can be achieved by using the illustrated single-nozzle device 80, with which injected fluid 81 can be applied to the combustion process or in its vicinity.

Die Rohre 70 sollten dabei einen Abstand aufweisen, der eine ausreichende Wärmeabgabe vom Abgas 50 auf die Kühleinrichtung 60 ermöglicht.The pipes 70 should have a distance that allows sufficient heat transfer from the exhaust gas 50 to the cooling device 60.

Es ist ersichtlich, dass die Wirkung der Kühleinrichtung im Wesentlichen in dem Bereich erzeugt wird, in dem auch die Flamme 40 aus dem Brenner 30 austritt und in dem auch das Abgas 50 wieder dem Verbrennungsprozess zugeführt wird.It is evident that the effect of the cooling device is essentially generated in the area where the flame 40 exits the burner 30 and where the exhaust gas 50 is also fed back into the combustion process.

Des Weiteren ist erkennbar, dass die Kühleinrichtung 60 in den Feuerraum 1 auskragt.Furthermore, it can be seen that the cooling device 60 projects into the combustion chamber 1.

Das Maß dieser Auskragung bzw. die Position der Rohre 70, die gleichzeitig das Kühlelement 70 ausbilden, in Bezug zu einer Stirnseite 11 der Feuerraumwand 10, kann durch eine Positionierungseinrichtung 90 eingestellt werden, mit der die Kühleinrichtung 60 entlang der Längsachse 41 der Flamme 40 bewegt werden kann, um einen optimalen, minimalen Wert von NOx- Emissionen einzustellen.The extent of this projection, or the position of the tubes 70, which simultaneously form the cooling element 70, in relation to an end face 11 of the combustion chamber wall 10, can be adjusted by a positioning device 90, with which the cooling device 60 can be moved along the longitudinal axis 41 of the flame 40 in order to set an optimal, minimum value of NOx emissions.

An dem Kühlelement 70 bzw. an dessen Rohren sind in der hier dargestellten Ausführungsform zwei Leitungselemente 12 strömungstechnisch angeschlossen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse 41 der Flamme 40 ausgerichtet sind und die strömungstechnische Verbindungen 13 durch die Feuerraumwand 10 hindurch realisieren, um die Kühleinrichtung 60 strömungstechnisch mit einem hier nicht dargestellten Kühlmedium-Reservoir zu verbinden. Um eine Relativbewegung der Leitungselemente 12 zur Feuerraumwand 10 zu ermöglichen sind in dieser Einschubhülsen 95 vorgesehen, durch die hindurch die Leitungselemente 12 führen.In the embodiment shown here, two conduit elements 12 are fluidically connected to the cooling element 70 or its tubes. These conduits are oriented essentially parallel to the longitudinal axis 41 of the flame 40 and establish fluid connections 13 through the combustion chamber wall 10 to fluidically connect the cooling device 60 to a cooling medium reservoir (not shown). To allow relative movement of the conduit elements 12 to the combustion chamber wall 10, insertion sleeves 95 are provided in the wall, through which the conduit elements 12 pass.

In der in Figur 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung 60 ebenfalls durch einen Brennerkorb 20 gebildet, der durch mehrere, parallel zueinander verlaufende ersten Abschnitte 71 von Rohren 70 realisiert ist. Diese Rohre 70 sind auch hier strömungstechnisch mit Leitungselementen 12 durch die Feuerraumwand 10 hindurchgeführt, wie zu Fig. 1 beschrieben.In the Figures 2 and 3 In the illustrated embodiment, the cooling device 60 is also formed by a burner basket 20, which is realized by several parallel first sections 71 of tubes 70. These tubes 70 are also guided through the combustion chamber wall 10 by means of guide elements 12, as shown in the illustration. Fig. 1 described.

Diese ersten Abschnitte 71 der Rohre 70 sind alle mit einem ringförmigen Verteiler 74 strömungstechnisch verbunden, der es ermöglicht, dass von den Rohren geführte Kühlmedium 61 in den Rohren 70 zu verteilen und weiterzuleiten.These first sections 71 of the pipes 70 are all fluidically connected to an annular distributor 74, which makes it possible to distribute and convey the cooling medium 61 carried by the pipes in the pipes 70.

In der in Figur 4 dargestellte Ausführungsform ist die Kühleinrichtung 60 ebenfalls durch einen Brennerkorb 20 gebildet, der hier jedoch einen ersten Windungsbereich 75 eines Rohres 70 sowie einen zweiten Windungsbereich 76 des Rohres 70 umfasst, wobei der erste Windungsbereich 75 radial innerhalb des zweiten Windungsbereiches 76 angeordnet ist. Diese Ausführungsform ließe sich auch mit lediglich einem Windungsbereich realisieren. Die beiden Windungsbereiche 75, 76 sind mittels eines Übergangs 77 strömungstechnisch miteinander verbunden. Des Weiteren sind sie über strömungstechnische Verbindungen 13 mit Leitungselementen der Feuerraumwand 10 verbunden.In the Figure 4 In the illustrated embodiment, the cooling device 60 is also formed by a burner basket 20, which here, however, comprises a first winding section 75 of a tube 70 and a second winding section 76 of the tube 70, wherein the first The winding section 75 is arranged radially within the second winding section 76. This embodiment could also be realized with only one winding section. The two winding sections 75 and 76 are fluidically connected to each other by means of a transition 77. Furthermore, they are connected to duct elements of the combustion chamber wall 10 via fluidic connections 13.

Es ist vorgesehen, dass die in den Figuren 2-4 dargestellten Kühleinrichtungen 60 ebenfalls mit einer zu Figur 1 beschriebene Positionierungseinrichtung 90 zusammenwirken, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren 2-4 nicht dargestellt ist.It is planned that the in the Figures 2-4 The cooling devices 60 shown also have a Figure 1 The described positioning device 90 interacts, but for the sake of clarity, it is shown in the Figures 2-4 not shown.

Figur 5 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Temperatur des Verbrennungsprozesses und der NOx- Konzentration des Abgases. Es ist ersichtlich, dass bei Senkung der Temperatur eine entsprechend deutliche Verringerung der NOx-Konzentration im Abgas zu verzeichnen ist, welche mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung realisierbar ist. Figure 5 The diagram shows the relationship between the temperature of the combustion process and the NOx concentration in the exhaust gas. It is evident that a reduction in temperature leads to a correspondingly significant decrease in the NOx concentration in the exhaust gas, which can be achieved with the cooling device according to the invention.

Figur 6 zeigt im Schnitt zwei unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Kühleinrichtung 60. Beide Varianten sind dabei derart ausgestaltet, dass die einzelnen Rohre 70 bzw. Abschnitte des Rohres 70 radial außerhalb des Brenners 30 angeordnet sind und dessen Brennermund 31 axial überlagern. In der oberhalb der Längsachse 41 dargestellten Ausführungsvariante sind die Rohre 70 im Wesentlichen derart angeordnet, dass sie zusammen eine Hohlzylinderform ausbilden. In der unterhalb der Längsachse 41 dargestellten Ausführungsvariante sind die Rohre 70 derart angeordnet, dass sie eine konische Form definieren, wobei der Bereich der Kühleinrichtung 60, der der Stirnseite 11 zugewandt ist, einen geringeren Durchmesser aufweist als die Seite der Kühleinrichtung 60, die davon abgewandt ist und demzufolge an der Seite des Brennermundes 31 angeordnet ist. Figure 6 The cross-sectional view shows two different configurations of the cooling device 60. Both variants are designed such that the individual tubes 70 or sections of the tube 70 are arranged radially outside the burner 30 and axially overlap its burner mouth 31. In the configuration shown above the longitudinal axis 41, the tubes 70 are essentially arranged to form a hollow cylindrical shape. In the configuration shown below the longitudinal axis 41, the tubes 70 are arranged to define a conical shape, with the area of the cooling device 60 facing the end face 11 having a smaller diameter than the side of the cooling device 60 facing away from it, and therefore located on the side of the burner mouth 31.

In dieser Ausführungsform ist auch gezeigt, dass die Abgas-Rückführung 51 zwischen den Rohren 70 hindurch verläuft, sodass Wärme vom Abgas in das Kühlmedium in den Rohren 70 übertragen werden kann. Die konische Ausgestaltung der Kühleinrichtung 60 hat insbesondere den Vorteil, dass dadurch zumindest teilweise die stirnseitige Feuerraumwand 10 vor Strahlungswärme geschützt ist, so dass dieser Bereich eine geringere Temperatur hat und dadurch der Kühlungseffekt verstärkt wird. Auch hier ist die Positionierungseinrichtung 90 vorgesehen, mit der die Kühleinrichtung 60 entlang der Längsachse 41 der Flamme 40 verschoben und flexibel positioniert werden kann. Die dargestellten Positionierungseinrichtungen 90 können Feststelleinrichtungen (hier nicht im Detail dargestellt) aufweisen, mit denen die Positionen der Kühleinrichtungen 60 fixiert werden können.In this embodiment, it is also shown that the exhaust gas recirculation 51 runs between the pipes 70, allowing heat to be transferred from the exhaust gas to the cooling medium in the pipes 70. The conical design of the cooling device 60 has the particular advantage that it at least partially protects the end wall of the combustion chamber 10 from radiant heat, so that this area has a lower temperature and thus the cooling effect is enhanced. Here, too, the positioning device 90 is provided, with which the cooling device 60 can be moved and flexibly positioned along the longitudinal axis 41 of the flame 40. The positioning devices 90 shown can have locking devices (not shown in detail here) with which the positions of the cooling devices 60 can be fixed.

Die Figuren 1-4 und 6 zeigen Kühleinrichtungen 60 in rotationssymmetrischen Ausgestaltungen 100, wobei die Figuren 1-4 Kühlelemente darstellen, die jeweils im Wesentlichen eine Hohlzylinderform 101 aufweisen. Figur 6 zeigt als Variante oberhalb der Längsachse 41 die Kühleinrichtung 60 ebenfalls in Hohlzylinderform 101. Unterhalb der Längsachse 41 zeigt Figur 6 die Kühleinrichtung 60 in einer hohlen Kegelstumpfform 102 bei der die axiale Seite, die der Feuerraumwand 10 abgewandt ist, eine größere radiale Weite aufweist, als die axiale Seite, die der Feuerraumwand 10 zugewandt ist.The Figures 1-4 and 6 show cooling devices 60 in rotationally symmetrical designs 100, wherein the Figures 1-4 Represent cooling elements, each essentially having a hollow cylindrical shape 101. Figure 6 As a variant, the cooling device 60, also in the form of a hollow cylinder 101, is shown above the longitudinal axis 41. Below the longitudinal axis 41, it shows Figure 6 the cooling device 60 in a hollow truncated cone shape 102 in which the axial side, which is away from the combustion chamber wall 10, has a larger radial width than the axial side, which is towards the combustion chamber wall 10.

Die Figuren 7-19 zeigen weitere mögliche Ausgestaltungsformen der Kühleinrichtung 60 bzw. deren Kühlelements 70.The Figures 7-19 show further possible designs of the cooling device 60 or its cooling element 70.

Figur 7 zeigt das Kühlelement 70 mit daran angeschlossenen Leitungselementen 12 in einer Mäanderform 110, welche parallele Abschnitte 111 des Rohres 70 des Kühlelements aufweist, die durch Schlingen 113, die ebenfalls durch das Rohr 70 des Kühlelements ausgebildet sind, strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Die parallelen Abschnitte 111 bildend somit auch Schlingen 113 verbindende Rohrabschnitte 112 aus. Die hier dargestellte Kühleinrichtung ist ebenfalls im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgestaltet, und ist dazu eingerichtet, koaxial zur Längsachse der Flamme ausgerichtet zu werden. Figur 8 zeigt die Draufsicht auf die in Figur 7 dargestellte Mäanderform. Figure 7 Figure 1 shows the cooling element 70 with connected conductor elements 12 in a meandering shape 110, which has parallel sections 111 of the tube 70 of the cooling element that are fluidically connected to each other by loops 113, which are also formed by the tube 70 of the cooling element. The parallel sections 111 thus also form tube sections 112 connecting the loops 113. The cooling device shown here is also essentially designed in a hollow cylindrical shape and is designed to be aligned coaxially with the longitudinal axis of the flame. Figure 8 shows the top view of the in Figure 7 depicted meander shape.

Die Figuren 9 und 10 zeigen eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Figur 7 dahingehend, dass hier die dargestellte Kühleinrichtung bzw. das Kühlelement 70 nicht mehr im Wesentlichen eine Hohlzylinderform ausbildet, sondern im Wesentlichen eine hohle Kegelstumpfform 102, die ebenfalls durch eine Mäanderform 110 ausgebildet ist. Allerdings sind hier die die Schlingen 113 verbindenden Rohrabschnitte 112 nicht parallel zueinander ausgerichtet. Diese Mäanderform 110 ist dazu eingerichtet, koaxial zur Längsachse der Flamme ausgerichtet zu werden, wobei die radial weiter geöffnete Seite an der der Feuerraumwand 10, wie sie in den Figuren 1 und 6 dargestellt ist, abgewandten Seite anzuordnen ist.The Figures 9 and 10 show a modification of the embodiment according to Figure 7 in that the cooling device or cooling element 70 shown here no longer essentially forms a hollow cylindrical shape, but essentially a hollow truncated cone shape 102, which is also formed by a meander shape 110. However, the pipe sections 112 connecting the loops 113 are not aligned parallel to each other. This meander shape 110 is designed to be aligned coaxially with the longitudinal axis of the flame, with the radially wider open side against the combustion chamber wall 10, as shown in the Figure 1 and 6 It is shown that it should be arranged on the opposite side.

Die Figuren 11-13 zeigen wiederum eine alternative Ausführungsform der Kühleinrichtung bzw. dessen Kühlelements 60, welches hier durch einen ersten Windungsbereich 75 des Rohres 70 des Kühlelements ausgebildet ist, sodass die Kühleinrichtung eine Wendelform aufweist. Es ist hierbei nicht ausgeschlossen, dass eine derartige Kühleinrichtung auch einen zweiten Windungsbereich 76, wie er in Figur 4 dargestellt ist, umfasst.The Figures 11-13 Figure 1 shows an alternative embodiment of the cooling device or its cooling element 60, which here is formed by a first coiled section 75 of the tube 70 of the cooling element, such that the cooling device has a helical shape. It is not excluded that such a cooling device could also have a second coiled section 76, as shown in Figure 2. Figure 4 The depicted image includes...

Figuren 14 und 15 zeigen eine mit Strömungsleitelementen 130 ergänzte Ausführungsform der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsform der Kühleinrichtung. Die Figuren 16-18 zeigen eine mit einem Strömungsleitelement 130 ergänzte Ausführungsform der in den Figuren 11-13 dargestellten Ausführungsform der Kühleinrichtung. Figures 14 and 15 show an embodiment supplemented with flow-guiding elements 130 of the in the Figures 7 and 8 illustrated embodiment of the cooling device. Figures 16-18 show an embodiment supplemented with a flow guide element 130 of the Figures 11-13 illustrated embodiment of the cooling device.

In der in den Figuren 14 und 15 dargestellten Ausführungsform der Kühleinrichtung ist diese ebenfalls in einer Hohlzylinderform 101 mit Mäanderform 110 ausgebildet. Hier befinden sich allerdings zwischen entlang des Umfangs einander benachbarten parallelen Abschnitten 111 des Rohres 70 Strömungsleitelemente 130. Die einander benachbarten parallelen Abschnitte 111 des Rohres 70 sind entlang von Sekanten 120 ausgerichtet, sodass auch die daran angeordneten Strömungsleitelemente 130 entsprechend dieser Sekanten 120 ausgerichtet sind. Die Strömungsleitelemente 130 bewirken eine strömungstechnische optimierte Zuführung von Abgasen in Richtung auf die Flamme bzw. deren Längsachse.In the Figures 14 and 15 In the illustrated embodiment of the cooling device, it is also designed in a hollow cylindrical shape 101 with a meandering shape 110. However, here, flow-guiding elements 130 are located between adjacent parallel sections 111 of the tube 70 along its circumference. The adjacent parallel sections 111 of the tube 70 are aligned along secants 120, so that the flow-guiding elements 130 arranged thereon are also aligned according to these secants 120. The flow-guiding elements 130 ensure a flow-optimized supply of exhaust gases in the direction of the flame or its longitudinal axis.

In der in den Figuren 16-18 dargestellten Ausführungsform der Kühleinrichtung sind an deren ersten Windungsbereich 75 zwei Strömungsleitelemente 130 angeschlossen, die der Wendel-Form des ersten Windungsbereichs 75 folgen. Die beiden Strömungsleitelemente 130 sind an gegenüberliegenden Seiten des Rohres 70 angeschlossen und verlaufen partiell in ideellen Kegelmantelflächen. Auch mit diesen Strömungsleitelementen 130 ist eine strömungstechnische optimierte Zuführung des Abgases in die Flamme möglich.In the Figures 16-18 In the illustrated embodiment of the cooling device, two flow guide elements 130 are connected to its first coil section 75, following the helical shape of the first coil section 75. The two flow guide elements 130 are connected to opposite sides of the tube 70 and partially extend within ideal conical surfaces. Even with these flow guide elements 130, a flow-optimized supply of the exhaust gas to the flame is possible.

Die Figuren 19 und 20 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der Kühleinrichtung dahingehend, dass diese bis auf die Leitungselemente 12 im Bereich der Anströmung des Abgases keine Rohre aufweist, sondern lediglich durch Strömungsleitelemente 130 ausgebildet ist, welche entlang eines Umfangs angeordnet sind. Diese Strömungsleitelemente 130 umfassen strömungstechnische optimierte Anströmflächen, die das Einströmen von Abgas in den Innenraum der Kühleinrichtung und eine Umlenkung in Richtung auf die Längsachse der Flamme strömungstechnisch erleichtern. Des Weiteren können diese Strömungsleitelemente 130 auch derart ausgestaltet sein, dass sie von einem Kühlmedium zur Kühlung der Strömungsleitelemente durchströmbar sind. Diese Ausführungsform umfasst weiterhin eine Verteileinrichtung 140 zur Verteilung von Kühlmedium auf die Strömungsleitelemente 130.The Figures 19 and 20 Figure 1 shows a modified embodiment of the cooling device in that, apart from the guide elements 12 in the area of the exhaust gas flow, it has no pipes but is formed solely by flow guide elements 130, which are arranged along a circumference. These flow guide elements 130 comprise flow-optimized inlet surfaces that facilitate the flow of exhaust gas into the interior of the cooling device and its deflection towards the longitudinal axis of the flame. Furthermore, these flow guide elements 130 can also be designed such that a cooling medium can flow through them for cooling the flow guide elements. This embodiment further includes a distribution device 140 for distributing the cooling medium to the flow guide elements 130.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Feuerraumfirebox
1010
Feuerraumwandfirebox wall
1111
StirnseiteFront
1212
LeitungselementConduit element
1313
Strömungstechnische VerbindungFluid dynamic connection
2020
Brennerkorbburner basket
3030
Brennerburner
3131
BrennermundBrenner mouth
4040
Flammeflame
4141
LängsachseLongitudinal axis
5050
Abgasexhaust
5151
Abgas-RückführungExhaust gas recirculation
5252
Einsaugstellesuction point
6060
KühleinrichtungCooling device
6161
KühlmediumCooling medium
7070
Rohr, Kühlelementpipe, cooling element
7171
erster Abschnittfirst section
7474
ringförmiger Verteilerring-shaped distributor
7575
erster Windungsbereichfirst winding area
7676
zweiter Windungsbereichsecond winding area
7777
Übergang zwischen dem ersten Windungsbereich und dem zweiten WindungsbereichTransition between the first winding area and the second winding area
8080
EindüseeinrichtungSingle-injector device
8181
Gespritztes FluidSprayed fluid
9090
PositionierungseinrichtungPositioning device
9595
EinschubhülseInsertion sleeve
100100
rotationssymmetrische Ausgestaltungrotationally symmetric design
101101
HohlzylinderformHollow cylinder shape
102102
hohle Kegelstumpfformhollow truncated cone shape
110110
Mäanderformmeander shape
111111
paralleler Abschnittparallel section
112112
verbindender Rohrabschnittconnecting pipe section
113113
Schlingeloop
120120
Sekantesecant
130130
StrömungsleitelementFlow guide element
131131
Anströmflächeflow surface
140140
VerteileinrichtungDistribution system

Claims (15)

Kesselanlage zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes, umfassend einen Brenner (30) zur Erzeugung einer entlang einer Längsachse (41) in einen Feuerraum (1) der Kesselanlage gerichteten Flamme (40), wobei die Kesselanlage dazu eingerichtet ist, eine interne Rückführung (51) von bei der Verbrennung erzeugten Abgases (50) in die Flamme (40) zu realisieren, wobei im Bereich der Abgas-Rückführung (51) eine Kühleinrichtung (60) angeordnet ist, mit der Wärme von rückgeführtem Abgas (50) aufnehmbar und ableitbar ist, wobei die Kühleinrichtung (60) wenigstens ein Kühlelement (70) aufweist, in welchem ein Kühlmedium (61) aufnehmbar oder aufgenommen ist, und wobei das kühlmediumführende Kühlelement (70) von rückgeführtem Abgas (50) umströmbar und mittels einer Positionierungseinrichtung (90) im Wesentlichen entlang der Längsachse (41) der Flamme (40) derart verschiebar ist, dass es an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse (41) der Flamme (40) positionierbar ist.Boiler system for generating heat by combustion of at least one fuel, comprising a burner (30) for generating a flame (40) directed along a longitudinal axis (41) into a combustion chamber (1) of the boiler system, wherein the boiler system is configured to provide internal recirculation (51) of exhaust gas (50) generated during combustion into the flame (40), wherein a cooling device (60) is arranged in the area of the exhaust gas recirculation (51) with which heat from recirculated exhaust gas (50) can be absorbed and dissipated, wherein the cooling device (60) has at least one cooling element (70) in which a cooling medium (61) can be absorbed or received, and wherein the cooling medium-carrying cooling element (70) can be surrounded by recirculated exhaust gas (50) and can be displaced by means of a positioning device (90) substantially along the longitudinal axis (41) of the flame (40) such that it can be positioned at different positions along the longitudinal axis (41) of the flame (40). Kesselanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (70) in wenigstens einer Position die Längsachse (41) der Flamme (40) zumindest teilweise radial umgebend ausgebildet ist.Boiler system according to claim 1, characterized in that the cooling element (70) is designed to at least partially radially surround the longitudinal axis (41) of the flame (40) in at least one position. Kesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselanalage eine Feuerraumwand (10) aufweist und die Positionierungseinrichtung (90) mindestens eine Einschubhülse (95) in der Feuerraumwand (10) umfasst, in welcher ein Leitungselement (12) der Kühleinrichtung (60), welches strömungstechnisch mit dem Kühlelement (70) verbunden ist, aufgenommen ist, sodass das Leitungselement (12) durch die Einschubhülse (95) führbar ist und somit die Kühleinrichtung (60) entlang der Längsachse (41) der Flamme (40) an unterschiedlichen Positionen positionierbar ist.Boiler system according to one of the preceding claims, characterized in that the boiler system has a combustion chamber wall (10) and the positioning device (90) comprises at least one insertion sleeve (95) in the combustion chamber wall (10) in which a line element (12) of the cooling device (60), which is fluidically connected to the cooling element (70), is received, so that the line element (12) can be guided through the insertion sleeve (95) and thus the cooling device (60) can be positioned at different positions along the longitudinal axis (41) of the flame (40). Kesselanlage nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (70) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Ausgestaltung (100) aufweist.Boiler system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cooling element (70) has a substantially rotationally symmetrical design (100). Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (70) im Wesentlichen eine Hohlzylinderform (101) ausbildet.Boiler system according to claim 4, characterized in that the cooling element (70) essentially forms a hollow cylindrical shape (101). Kesselanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (70) im Wesentlichen eine hohle Kegelstumpfform (102) ausbildet.Boiler system according to claim 4, characterized in that the cooling element (70) essentially forms a hollow truncated cone shape (102). Kesselanlage nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (70) wenigstens ein Rohr umfasst, das von Kühlmedium (61) durchströmt oder durchströmbar ist.Boiler system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cooling element (70) comprises at least one tube through which cooling medium (61) flows or can flow through. Kesselanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (70) helixförmig um die Längsachse (41) angeordnet ist.Boiler system according to claim 7, characterized in that the tube (70) is arranged helically around the longitudinal axis (41). Kesselanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (70) mäanderförmig um die Längsachse (41) der Flamme (40) verläuft.Boiler system according to claim 7, characterized in that the tube (70) meanders around the longitudinal axis (41) of the flame (40). Kesselanlage nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungselement (70) mindestens ein Strömungsleitelement (130) umfasst, welches derart angeordnet ist, dass es eine Führungsfunktion von rückgeführtem Abgas (50) von radial außen in die Flamme (40) hat.Boiler system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cooling element (70) comprises at least one flow guide element (130) which is arranged in such a way that it has a guiding function of recirculated exhaust gas (50) from radially outside into the flame (40). Kesselanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungselement (70) zumindest ein mäanderförmig verlaufendes Rohr und mindestens ein Strömungsleitelement (130) aufweist, welches zwischen Schlingen (113) des Mäanders verbindenden Rohrabschnitten (112) angeordnet ist.Boiler system according to claim 10, characterized in that the cooling element (70) has at least one meandering pipe and at least one flow guide element (130) which is arranged between loops (113) of the meander connecting pipe sections (112). Kesselanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungselement zumindest ein helixförmig um die Längsachse (41) angeordnetes Rohr (70) aufweist und mindestens ein Strömungsleitelement (130), welches in wenigstens einer Winkelposition am Umfang des Kühlelements (70) zwischen den Rohrabschnitten in dieser Winkelposition angeordnet ist, aufweist.Boiler system according to claim 10, characterized in that the cooling element has at least one helically arranged tube (70) around the longitudinal axis (41) and at least one flow guide element (130) which is arranged in at least one angular position on the circumference of the cooling element (70) between the tube sections in this angular position. Kesselanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement 70 wenigstens ein Strömungsleitelement 130 umfasst, das von einem Kühlmedium 61 durchströmt oder durchströmbar sind, wobei sich das Strömungsleitelement (130) mit zumindest einer Komponente seiner Längserstreckungsrichtung parallel zur Längsachse (41) erstreckt und strömungstechnisch mit einer Verteileinrichtung (140) zur Verteilung von Kühlmedium (61) auf die Strömungsleitelemente (130) verbunden ist.Boiler system according to claim 10, characterized in that the cooling element 70 comprises at least one flow guide element 130, through which a cooling medium 61 flows or can flow, wherein the flow guide element (130) extends with at least one component of its longitudinal direction parallel to the longitudinal axis (41) and is fluidically connected to a distribution device (140) for distributing cooling medium (61) onto the flow guide elements (130). Kesselanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (130) strömungstechnisch optimierte Anströmflächen (131) aufweisen.Boiler system according to claim 13, characterized in that the flow guide elements (130) have flow-optimized inflow surfaces (131). Verfahren zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes mittels einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 1-14, bei dem in dem Feuerraum (1) der Kesselanlage mit dem Brenner (30) eine Flamme (40) entlang der Längsachse (41) erzeugt wird und dabei entstehendes Abgas (50) zur Flamme (40) intern zurückgeführt wird, wobei mittels der Kühleinrichtung (60) Wärme vom rückgeführten Abgas (50) aufgenommen und abgeleitet wird, und mittels der Positionierungseinrichtung (90) das kühlmediumführende Kühlelement (70) der Kühleinrichtung (60) vor oder während der Abgasrückführung im Wesentlichen entlang der Längsachse (41) der vom Brenner (30) erzeugten Flamme (40) verschoben wird und die Position des Kühlelements (70) im Wesentlichen entlang der Längsachse (41) eingestellt wird.Method for generating heat by combustion of at least one fuel using a boiler system according to one of claims 1-14, in which a flame (40) is generated along the longitudinal axis (41) in the combustion chamber (1) of the boiler system with the burner (30) and the resulting exhaust gas (50) is internally recirculated to the flame (40), wherein heat is extracted from the recirculated exhaust gas by means of the cooling device (60). (50) is received and diverted, and by means of the positioning device (90) the cooling element (70) carrying the cooling medium of the cooling device (60) is moved before or during exhaust gas recirculation substantially along the longitudinal axis (41) of the flame (40) generated by the burner (30) and the position of the cooling element (70) is adjusted substantially along the longitudinal axis (41).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4415717A1 (en) * 1994-05-04 1995-11-09 Man B & W Diesel Ag Burner esp. for liquid fuels with support element pref. designed as support tube
WO2008119753A1 (en) 2007-03-30 2008-10-09 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Gasification reactor with slag deflector
EP3467383A1 (en) * 2017-10-06 2019-04-10 ERK Eckrohrkessel GmbH Boiler and method for the generation of heat through the combustion of at least one fuel

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