[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur flammen losen Stufenverbrennung und eine Vorrichtung dazu.

[0002] Aus der EP 0 698 764 A2 ist ein Brenner zur flam menlosen Verbrennung eines Brenngas/Luft-Gemisches zur Er wärmung von Wasser bekannt. Um eine flammenlose Oxidation in der Brennkammer aufrecht zu erhalten, ist zwischen einem Wassermantel und dem Brennkammerinneren eine Isolierung vorgesehen, um die zur flammenlosen Oxidation nötigen hohen Temperaturen in der Brennkammer erreichen zu können.

[0003] Aus der WO 01/11215 Al ist eine Brennkammer für eine Gasturbine bekannt, wobei die Brennkammer mit gestuf ter Oxidation arbeitet. In der Brennkammer wird eine groß räumige Zirkularströmung aufrechterhalten, in die Verbren nungsluft sparsam an verschiedenen Stellen zugegeben wird. Hierdurch soll eine extrem stabile Flamme erzielt werden.

[0004] Aus der US 7 062 917 B2 ist eine für Gasturbinen vorgesehene Brennkammer bekannt, die ebenfalls mit einer großräumigen Zirkularströmung arbeitet, jedoch auf einen stabilen flammenlosen Betrieb eingerichtet ist.

[0005] Die US 5 154 599 offenbart einen Brenner zur Be heizung einer Brennkammer mittels flammenloser Oxidation.

In dem Brenner ist eine Brennkammer ausgebildet, in der ei ne Flamme gezündet werden kann. Dies dient der Vor- und Aufheizung des Ofenraums, d.h. zum Anfahren des Brenners.

In stationärem Betrieb ist die Brennkammer inaktiv und die Oxidation des Brennstoffs findet ausschließlich in dem Ofenraum statt.

[0006] Aus der EP 1 995 515 Bl ist Beheizung einer

Brennkammer mittels flammenloser Oxidation bei einer Tempe ratur bekannt, die unterhalb der sonst für flammenlose Oxi dation nötigen 850°C liegt. Zur Erzeugung und Aufrechter haltung der flammenlosen Oxidation weist der Brenner eine Brennkammer auf, in der eine Flamme stabil brennt. Das von der Brennkammer abgegebene heiße Abgas wird gemeinsam mit Luft und Brennstoff in den Ofenraum eingeleitet, in dem dann eine flammenlose Oxidation des Brennstoffs stattfin det .

[0007] Die US 3 309 866 beschreibt eine Gasturbine mit flammenlos oxidierender Brennkammer zur Oxidation eines Gas/Luft-Gemischs . Dazu ist eine torusförmige Brennkammer vorgesehen. Dieser Brennkammer wird ein aus einem Vergaser stammendes Gas/Luft-Gemisch zugeführt.

[0008] Weiter ist aus der US 5 727 378 eine Gasturbine bekannt, deren Brennkammer ein aus einer Zerstäubervorrich tung stammendes brennstoffreiches Gemisch und über viele Luftzuführöffnungen zusätzlich Luft erhält, so dass sich in der Brennkammer eine flammenfreie primäre Mischzone und nachgeschaltet eine Verbrennungszone ausbildet. Die Oxida tion des Brennstoffs findet in der Verbrennungszone statt. Hingegen dient die Mischzone der Zerstäubung des Kraft stoffs. Die Flammenfront ist von der Mischzone weg verla gert .

[0009] In der US 6 234 092 Bl ist eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung unbrennbarer Flüssigkeiten beschrie- ben, die mit flammenloser Oxidation arbeitet. In die mit flammenloser Oxidation beheizte Ofenkammer wird die ther misch zu behandelnde, nicht brennbare Flüssigkeit einge düst.

[0010] Bei den mit flammenloser Oxidation arbeitenden, aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsverfahren wird die Flammenbildung unterdrückt, womit auch die thermi sche NOx-Bildung vermieden wird. Zugleich ermöglichen ent sprechend ausgebebildete Brenner die Luftvorwärmung, bei spielsweise unter Nutzung von Abgasenergie, auf hohe Tempe raturen, ohne dass dadurch eine thermische NOx-Bildung zu verzeichnen wäre. Jedoch ist eine Voraussetzung zur Sicher stellung einer flammenlosen Oxidation in einem Heizraum die Einhaltung einer Heizraumtemperatur, die oberhalb der

Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs zuzüglich eines Sicherheitszuschlags liegt. Im Folgenden wird unter der Bezeichnung „Selbstzündtemperatur" immer die eigentli che Selbstzündtemperatur zuzüglich eines Sicherheitszu schlags verstanden, der z.B. bei Erdgas etwa 150 Kelvin be trägt. Dies bedeutet bei üblichen Brennstoffen, wie bei spielsweise Methan (Erdgas) , dass die Heizraumtemperatur über 850°C liegen muss.

[0011] Bei vielen Anwendungsfällen sind derart hohe Heizraumtemperaturen nicht gewünscht, beispielsweise weil der Heizraum zur Erwärmung empfindlicher Güter dient und bestimmte Grenztemperaturen nicht überschreiten darf. Sol che Anwendungsfälle sind z.B. die Trocknung von Gütern, das Anlassen von Metallgegenständen, das Hartlöten von Alumini um oder die anderweitige Wärmebehandlung von Metallen, ins besondere niedrigschmelzender Metalle oder die Dampferzeu gung. Die Wärmeerzeugung für solche Prozesse beruht typi scherweise auf Brenner mit Flammenhaltung, bei denen eine thermische NOx-Bildung unvermeidlich ist. [0012] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zur NOx-armen Wärmeerzeugung für Niedertemperaturprozesse anzu geben .

[0013] Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach An spruch 1 gelöst und mit der Vorrichtung nach Anspruch 9 um gesetzt .

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin dungsgemäße Vorrichtung gestatten die Beheizung einer Herz kammer mit einer Temperatur, die auch unterhalb der Selbst zündtemperatur des verwendeten Brennstoffs (plus Sicher heitszuschlag) liegenden Temperatur, wobei zumindest ein großer Teil der verwendeten Wärmeenergie in einem flammen losen Oxidationsprozess freigesetzt wird. Dazu wird ein we nigstens zweistufiger Oxidationsprozess vorgesehen, bei dem in einem ersten Schritt Brennstoff und Luft in nicht stöch iometrischem Verhältnis einer Brennkammer zugeführt und dort in flammenloser Oxidation zur Reaktion gebracht wer den. Die Brennkammer ist im Wesentlichen adiabatisch einge richtet, d.h., es wird ihr, bis auf unvermeidbare thermi sche Verluste, keine Wärmeenergie entzogen, insbesondere keine Nutzwärme ausgekoppelt. Wärmeaustrag findet Wesentli chen nur zusammen mit dem die Brennkammer verlassenden Gasstrom statt, nicht aber auf sonstigem Wege. Der Gasstrom verlässt die Brennkammer ungekühlt. Die flammenlose Oxida tion wird erreicht, indem in der Brennkammer eine großräu mige Rezirkulationsströmung aufrechterhalten wird, wobei kleinräumige Wirbel, wie sie an flammenhaltenden Strukturen entstehen könnten, vermieden werden. Die Brennkammer weist keine Flammenhalter oder sonstige flammenhaltende Struktu ren auf. Als flammenhaltende Strukturen werden alle Struk turen angesehen, die die Gaströmung soweit verlangsamen und kleinräumige stationäre Wirbel erzeugen können, sodass sich an der Struktur eine Flamme halten kann. [0015] Die Temperatur wird in der Brennkammer oberhalb der Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs einge stellt. Sie wird jedoch unterhalb einer Temperatur gehal ten, bei der verstärkt die Bildung von Stickoxiden zu ver zeichnen wäre. Die Einstellung solcher Verhältnisse erfolgt vorzugsweise über das Brennstoff/Luft-Verhältnis (kurz: Luftverhältnis l) in der Brennkammer.

[0016] Der aus der Brennkammer entlassene Reaktions gasstrom wird der Heizkammer zugeführt und dort bedarfswei se unter Zugabe von Luft und/oder Brennstoff vollständig oxidiert. Die Oxidation findet dabei vorwiegend in dem re aktionsfähigen Abschnitt des Reaktionsgasstroms statt, des sen Temperatur über der Selbstzündtemperatur des verwende ten Brennstoffs liegt. In der Heizkammer wird eine Zirkula tionsströmung aufrechterhalten, bei der sich der Strom hei ßen Reaktionsgases mit dem kühleren in der Heizkammer ent haltenen Gasvolumen mischt. Damit können empfindliche Güter erwärmt oder Heizschlangen eines Dampferzeugers beheizt werden, ohne dass das zu erwärmende Gut oder der Dampfer zeuger Schaden nehmen. Zugleich ist dafür Sorge getragen, dass eine thermische NOx-Erzeugung weitgehend unterbleibt. Insbesondere wird der Oxidationsprozess sowohl in der

Brennkammer als auch in der Heizkammer so geführt, dass an keiner Stelle eine Temperaturgrenze überschritten würde, ab der verstärkt Stickoxidbildung zu verzeichnen ist, wie bei spielsweise 1400°C.

[0017] Vorzugsweise wird die Oxidation in der Brennkam mer stark unterstöchiometrisch oder stark überstöchiomet risch durchgeführt, wodurch die Temperatur zwar oberhalb der Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs, dabei jedoch weit entfernt von der höheren, für die Bildung von Stickoxiden erforderlichen Temperatur gehalten werden kann. Beispielsweise kann die Temperatur in der Brennkammer über das Luftverhältnis auf Temperatur innerhalb eines Tempera turbereichs von zum Beispiel 1000°C bis 1300°C geregelt werden. Die Nachoxidation in der Heizkammer durch zusätzli che Lufteinleitung (bei unterstöchiometrischer Brennkammer) oder durch Brennstoffeinleitung (bei überstöchiometrischer Brennkammer) wird dabei ebenfalls vorzugsweise so geführt, dass die in der Nachoxidationszone auftretenden Temperatu ren besagten Temperaturgrenzwert von 1300 bis 1440° C nicht überschreiten. Dazu werden die für die Nachoxidation erfor derliche Luft und/oder der erforderliche Brennstoff mög lichst großräumig verteilt in den Strahl aus Reaktionsgasen eingeleitet, der aus der Brennkammer kommt. Die großräumige Verteilung von Luft- oder Brennstoff in diesen Strahl kann erreicht werden, indem dazu mehrere Brennstoff- und/oder Luftdüsen vorgesehen werden und/oder indem die in Strö mungsgeschwindigkeiten und Impulse des Reaktionsgasstroms sowie für die Nachoxidation erforderlichen BrennstoffStroms oder Luftstroms so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Verteilung der Luft oder des Brennstoffs in dem Reaktions gasstrahl erreicht wird, bevor eine lokale vollständige Oxidation erfolgen kann.

[0018] Vorzugsweise wird in der Brennkammer ein adiaba tischer Prozess mit flammenloser Teilverbrennung des einge setzten Brennstoffs geführt. Die in der Brennkammer erzeug te Wärme wird allein von dem Brenngasstrom aus der Brenn kammer heraus- und der Heizkammer zugeführt. Während aus der Brennkammer keine Nutzwärme entnommen wird, dient die nachgeschaltete Heizkammer der Auskopplung der Nutzwärme.

[0019] Beim Betrieb der Wärmeerzeugungseinrichtung er folgt eine Temperaturregelung der Brennkammer vorzugsweise über die geeignete Festlegung und Einstellung des Verhält nisses zwischen dem zugeführten Brennstoffström und dem zu- geführten Luftstrom. Dies kann auf Basis der Massenströme oder auch der Volumenströme erfolgen.

[0020] Im Volllastbetrieb wird die Brennkammer vorzugs weise unterstöchiometrisch betrieben, wobei einer Erhöhung der Temperatur durch eine Verminderung des Luftverhältnis ses l entgegengewirkt wird. Im Teillastbetrieb kann die Brennkammer auch überstöchiometrisch betrieben werden, wo bei einer Erhöhung der Temperatur dann vorzugsweise durch eine Erhöhung des Luftverhältnisses l begegnet wird.

[0021] Der Übergang von unterstöchiometrischem zu übers töchiometrischem Betrieb, zum Beispiel zur Anpassung an ei nen Lastwechsel, wird vorzugsweise unter Meldung eines Be reichs für das Luftverhältnis l vollzogen, der in der Nähe von l=1 liegt. Beispielsweise kann um l=1 herum ein Be reich, zum Beispiel von l=0,8 bis l=1,6 festgelegt sein, in dem die Steuereinrichtung keinen dauerhaften Betrieb zu lässt. Dieser Bereich ist hier lediglich beispielhaft ge nannt und kann brennstoffabhängig unterschiedlich festge legt sein.

[0022] Durch Meldung eines solchen Betriebsbereichs kön nen eine Überhitzung der Brennkammer und somit auch eine unerwünschte NOx-Erzeugung wirksam vermieden werden.

[0023] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der er findungsgemäßen Einrichtung wird die zu erzeugende Wärme leistung vorzugsweise vorwiegend in der adiabatisch betrie benen Brennkammer erzeugt, in der der Brennstoff flammenlos oxidiert wird. Dies erfolgt vorzugsweise unterstöchiomet risch, weil sich dadurch gegenüber dem überstöchiometri schen Betrieb ein geringerer Gasvolumenstrom ergibt. Die adiabate Reaktionstemperatur des zugeführten Brenn

stoff/Luft-Gemisches wird vorzugsweise unter einem Grenz- wert von zum Beispiel 1400°C gehalten. Ist der Brennstoff Erdgas, liegt das Luftverhältnis l beispielsweise in der Nähe von 0,5. Die mittlere Gastemperatur in der Brennkammer liegt dann deutlich unter dem genannten Grenzwert.

[0024] In der nachgeschalteten Heizkammer werden die heißen Reaktionsgase aus der Brennkammer und Luft oder Brennstoff so zugeführt, dass in der Heizkammer eine groß räumige Rezirkulationsströmung ausgebildet wird, in der vorzugsweise eine flammenlose Verbrennung stattfindet. Die hohe Temperatur der Reaktionsgase aus der Brennkammer si chert die Verbrennung in der Heizkammer, obwohl die Tempe ratur des wärmeaufnehmenden Mediums oder der zu erwärmenden Gütern sowie auch die durchschnittliche Heizraumtemperatur unter der Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs liegt. In dem Heizraum wird im Anschluss an den Reaktions gasübertritt aus der Brennkammer eine Zone erhöhter Tempe ratur aufrechterhalten, die über der Selbstzündtemperatur des Brennstoffs liegt und die von Zonen niedrigerer Tempe ratur umgeben ist, deren Temperaturen unter der Selbstzünd temperatur liegen.

[0025] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Verbrennung von sogenannten Schwachgasen, die insbeson dere bei wechselnder Zusammensetzung Schwierigkeiten bei der Flammenstabilisierung bereiten.

[0026] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Einrichtung veranschaulicht. Es zeigen:

[0027] Figur 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung, in schematischer Darstellung,

[0028] Figur 2 eine abgewandelte erfindungsgemäße Ein richtung, in schematischer Darstellung, [0029] Figur 3 Brennkammer und Heizkammer einer erfin dungsgemäßen Einrichtung, in schematischer Längsschnittdar stellung,

[0030] Figur 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Last regelung der Einrichtung nach Figur 1 bis 3.

[0031] Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfah rens wird auf die Einrichtung 10 nach Figur 1 verwiesen, die eine gegen Wärmeverluste thermisch isolierte Brennkam mer 11 und eine Heizkammer 12 enthält, an der Nutzwärme entnommen werden kann. Die Wärmeauskopplung aus der Herz kammer 12 kann durch Wärmeentnahme, beispielsweise über ei ne Heizschlange 13, in der ein Wärmeträgerfluid erhitzt o- der verdampft wird, oder andere technische Mittel erfolgen. Beispielsweise kann die Heizkammer 12 zur Trocknung von Produkten, zur Erwärmung von Produkten, beispielweise zum Löten oder zu anderen Zwecken genutzt werden, die eine Er wärmung von Fluiden oder Gegenständen auf moderate Tempera turen erfordern, die unterhalb der Selbstzündtemperatur ei nes verwendeten Brennstoffs liegen können, zum Beispiel 850 °C .

[0032] Der Brennkammer 11 werden über eine Brennstoff leitung 14 und eine Luftleitung 15 Brennstoff und Luft zu geführt. Das Verhältnis von Brennstoff und Luft ist dabei so festgelegt, dass das Luftverhältnis lFI ist. Vorzugswei se ist l deutlich kleiner als 1, d.h., es wird mit Brenn stoffüberschuss gearbeitet. Zur Einleitung der Oxidation in der Brennkammer 11 ist diese vorzugsweise mit einer nicht weiter veranschaulichten Zündeinrichtung, beispielsweise mit einer Funkenzündeinrichtung oder einem Pilotbrenner versehen. Dieser kann im Dauerbetrieb laufen oder nach der Etablierung der flammenlosen Oxidation in der Brennkammer 11 auch abgeschaltet werden.

[0033] Vorzugsweise weist die Wandung der Brennkammer 11 einen hohen Wärmewiderstand auf. Zum Beispiel kann die Brennkammer 11 mit Keramik ausgekleidet sein oder aus Kera mik bestehen. Auf diese Weise sollte nach dem Zünden des Brennstoffs in der Brennkammer 11 ein schnelles Aufheizen derselben und ein schnelles Erreichen einer Betriebsart mit flammenloser Oxidation ermöglicht werden.

[0034] Die in der Brennkammer 11 entstehenden Reaktions gase werden über einen Reaktionsgasübertritt 16 in die Heizkammer 12 eingeleitet. Außerdem werden über eine Lei tung 17 Luft und/oder Brennstoff in die Heizkammer 12 ein geleitet, um sich dort mit den heißen Reaktionsgasen zu vermischen und eine vollständige Oxidation des eingesetzten Brennstoffs zu bewirken. Die Heizkammer 12 ist vorzugsweise wesentlich größer als die Brennkammer 11, wobei sich in der Heizkammer 12 eine mittlere Temperatur einstellt, die we sentlich niedriger ist als in der Brennkammer 11 und die vorzugsweise auch unter der Selbstzündtemperatur des ver wendeten Brennstoffs liegen kann. Die entstehenden Abgase werden über eine Leitung 18 aus der Heizkammer 12 ausgelei tet .

[0035] Vorzugsweise wird die Brennkammer 11 in einem Temperaturbereich betrieben, der wenigstens so hoch ist, dass die Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs überschritten ist, wobei sie jedoch zugleich so niedrig ist, dass Stickoxiderzeugung nahezu vollständig unterdrückt wird. Der nutzbare Temperaturbereich der Brennkammer 11 kann zum Beispiel so festgelegt sein, dass die untere Tem peraturgrenze zwischen 800°C und 1100°C, vorzugsweise 850°C und 1100°C liegt, während die obere Temperaturgrenze zum Beispiel zwischen 1100°C und 1400°C, vorzugsweise 1100°C und 1300°C liegt und beispielsweise 1200°C beträgt. Der ge wünschte Temperaturbereich wird vorzugsweise durch entspre chende Festlegung oder Regulierung des Luftverhältnisses l eingestellt. Die Brennkammer 11 arbeitet dabei z.B. (und vorzugsweise) mit Luftunterschuss. Damit lassen sich rela tiv kleine Bauformen der Brennkammer 11 erreichen. Außerdem steht der Impuls der über die Leitung 17 zuzuführenden, für die vollständige Oxidation erforderlichen Sekundärluft für die Etablierung einer großräumigen und ausreichend schnel len Rezirkulationsströmung in der nachgeschalteten Herzkam mer 12 zur Verfügung.

[0036] Die Temperatur in der Brennkammer 11 hängt bei adiabatem Betrieb nur vom Brennstoff/Luft-Verhältnis, d.h., dem Luftverhältnis und somit vom Querschnittsverhältnis der Lufteinlassdüsen der Brennkammer 11 und der Sekundärluftdü sen der Heizkammer 12 ab. Bei einem Verhältnis von zum Bei spiel 1:1, was einem Luftunterschuss von ca. 50% ent spricht, stellt sich bei Erdgas als Brennstoff in der nahe zu adiabaten Brennkammer 11 eine Temperatur von ca. 1100 °C ein. Es kann darüber hinaus eine Temperaturregelung etab liert werden, die die Stöchiometrie, d.h., das Luftverhält nis in der Brennkammer 11 beeinflusst, um die Temperatur in der Brennkammer 11 innerhalb eines gewünschten Bereiches zu halten. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Schwachga sen mit wechselndem Heizwert als Brennstoff zweckmäßig. Es kann dann die Temperatur der Brennkammer 11 über das Luft verhältnis l geregelt werden.

[0037] Die Regelung der Temperatur der Brennkammer 11 durch geeignete Festlegung der Stöchiometrie (des Luftver hältnisses l) lässt sich auch für den Kaltstart anwenden, sodass die Brennkammer 11 schnell auf die gewünschte Be triebstemperatur von zum Beispiel 1000°C gebracht werden kann. Zum Kaltstart kann die Brennkammer 11 beispielsweise in stöchiometrischen Betrieb (l=1) betrieben werden, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist, wonach der Betrieb unterstöchiometrisch fortgesetzt wird. Um in der Brennkam mer 11 den gewünschten flammenlosen Betrieb zu ermöglichen, ist die Brennkammer 11 auf die Ausbildung eines großräumi gen Rezirkulationswirbels eingerichtet. Flammenhaltende Strukturen sind hingegen nicht vorhanden. In der Brennkam mer 11 können dazu geeignete Strömungsleiteinrichtungen an geordnet werden, die die Ausbildung einer Rezirkulations- strömung fördern.

[0038] Flammenloser Betrieb kann bedarfsweise auch in der nachgeschalteten Heizkammer 12 realisiert werden, ob wohl deren Temperatur im Bereich der wärmeauskoppelnden Strukturen, z.B. der Heizschlange 13, niedriger als die Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs ist. Es wird dazu auf Figur 3 verwiesen, in der ein schematischer Längsschnitt der Brennkammer 11 und der Heizkammer 12 ver anschaulicht ist. In der Brennkammer 11 wird mittels einer Leiteinrichtung, zum Beispiel in Gestalt eines Hohlzylin ders, ein Rezirkulationswirbel 19 etabliert, in dem Brenn stoff unterstöchiometrisch oxidiert wird. Die über die Lei tung 17 in die Heizkammer 12 eingeblasene Luft 20 überträgt ihren Impuls auf einen Gasstrahl 21, der aus den aus der Brennkammer 11 ausgeleiteten Reaktionsgasen besteht. In dieser Zone kann in dem sich ausbildenden Gasstrahl 21 eine flammenlose Oxidation der im Gasstrahl 21 noch vorhandenen Brennstoffe erfolgen, wodurch eine weitere Wärmefreisetzung erfolgt. Der Gasstrahl 21 mischt sich im Rahmen seiner Re- zirkulation in der Heizkammer 12 jedoch mit dort vorhande nem kühleren Restgas und bildet damit kühlere Zonen, sodass die Durchschnittstemperatur in der Heizkammer 12 trotz zu sätzlicher Energiefreisetzung in dem Gasstrahl 21 unter der Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs, zum Bei spiel unterhalb von 850°C, liegen kann.

[0039] Die Einrichtung 10 und das anhand derselben er läuterte Verfahren haben gegenüber konventionellen insbe sondere auf dem Betrieb mit Flamme beruhenden Heizeinrich tungen und Heizverfahren zahlreiche Vorteile. Durch Betrieb der Brennkammer 11 in flammenloser Oxidation und _V orzugs- weise auch der Heizkammer 12 mit flammenloser Oxidation können die thermische NOx-Bildung nahezu vollständig unter drückt und somit Werte von unterhalb 10 mg/m ³ erreicht wer den. Dies gilt unabhängig von der Temperatur der zur Wär- meauskopplung dienenden Zonen der Heizkammer 12, die auch unterhalb der Selbstzündtemperatur des verwendeten Brenn stoffs, beispielsweise unter 850°C liegen kann.

[0040] Bei Verwendung von Schwachgasen mit wechselndem Heizwert, lassen sich sonst vorhandene Probleme der Flam menstabilisierung durch den Betrieb der Brennkammer 11 mit flammenloser Oxidation vermeiden. Es zeigt sich, dass die Brennkammer 11 in einfacher Weise an unterschiedliche Leis tungsbereiche von 10 kW bis zu einigen MW baugleich und kostengünstig angepasst werden kann.

[0041] In der ohne Wärmeauskopplung betriebenen Brenn kammer 11 kann die Temperatur auch bei Teillast annähernd konstant gehalten werden, sodass sich ohne besonderen Auf wand ein großes Regelverhältnis ergibt.

[0042] Wenn die Brennkammer 11 mit einer wärmedurch gangshemmenden Auskleidung, zum Beispiel einer Keramikaus kleidung, versehen ist oder selbst auf Keramik oder einem anderen Material mit einem hohen Wärmeleitwiderstand be steht, kann die Brennkammer 11 schon beim Kaltstart flam menlos arbeiten. Mit der Technik der flammenlosen Oxidation werden lokale Temperaturspitzen in Flammen vermieden, was sich sowohl auf die Brennkammer 11 als auch die Heizkammer 12 materialschonend auswirkt.

[0043] In Figur 2 ist eine auf der Einrichtung 10 nach Figur 1 und 3 beruhende Anlage 22 veranschaulicht, zu deren Beschreibung unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen auf die vorige Beschreibung verwiesen wird. Bei der Anlage 22 ist an die Abgasleitung 18 ein Wärmetau scher 23 angeschlossen, der der Luftvorwärmung dient und an einem Auslass 24 abgekühltes Abgas abgibt. Der Wärmetau scher 23 erwärmt über einen Frischlufteinlass 25 zugeführte Frischluft und gibt diese an die Leitungen 15 und/oder 17 erwärmt ab. In zumindest einer der Leitungen 15, 17 kann eine Durchflussreguliereinrichtung 26, 27 zum Beispiel in Gestalt eines Schiebers, eines Ventils, eines Gebläses oder ähnlicher, die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussenden Mittel vorgesehen sein. Die Durchflussreguliereinrichtungen 26, 27 sind an eine Steuerung 28 angeschlossen. Diese ist im Weiteren mit einer Durchflussreguliereinrichtung 29 ver bunden, die in der Leitung 14 angeordnet ist, um den Brenn stoffzustrom zu der Brennkammer 11 zu regulieren. Die

Durchflussreguliereinrichtung 29 kann wiederum ein Schie ber, ein Ventil, eine Pumpe, ein Gebläse oder dergleichen sein .

[0044] Die Brennkammer 11 kann mit einem Temperatursen sor 30 versehen sein, der mit der Steuerung 28 verbunden ist. Eine Aufgabe des Temperatursensors 30 ist die Überwa chung des Betriebs der Brennkammer 11, an der herkömmliche Flammensensoren wegen der bei flammenloser Oxidation feh lenden Flammen nicht einsetzbar sind. Vorzugsweise ist der Temperatursensor ein „schneller" Sensor, das heißt er weist eine besonders geringe thermische Trägheit auf.

[0045] Bei der Anlage nach Figur 2 wird die der Brenn kammer 11 und/oder der Heizkammer 12 zugeführte Luft von dem Wärmetauscher 23 vorgewärmt. Der Wärmetauscher 23 ist allerdings optional, es sind auch Ausführungsformen mög lich, die ohne diesen Wärmetauscher und somit ohne Luftvor wärmung für die Heizkammer 12 und insbesondere auch ohne Luftvorwärmung für die Brennkammer 11 auskommen. Die für die flammenlose Oxidation notwendige Temperatur in der Brennkammer 11 resultiert dann aus der fehlenden Nutzwär- meauskopplung, d.h., der thermischen Isolationen der Brenn kammer 11.

[0046] Die in Figur 2 veranschaulichte Anlage 22 kann beispielsweise wie folgt arbeiten:

[0047] Es wird zunächst ein Volllastbetrieb veranschau licht. Dazu stellt die Steuerung 28 mittels der Durchfluss reguliereinrichtung 29 den Brennstoffström entsprechend der gewünschten Leistung ein und reguliert dann mittels der Durchflussreguliereinrichtung 26 den Luftstrom, d.h., das Luftverhältnis so, dass die Temperatur in der Brennkammer 11 in einen gewünschten Arbeitsbereich zum Beispiel zwi schen 850°C und 1300°C, beispielsweise bei etwa 1100°C liegt. Dabei stellt sich in der Brennkammer 11 flammenlose Oxidation ein. Mittels des Temperatursensors 30 erfasst die Steuerung 28 die Temperatur und reduziert den Luftstrom in der Luftleitung 15, wenn die Temperatur über ein gewünsch tes Maß hinaus ansteigt und sie vergrößert den Luftstrom, wenn die Temperatur zu weit absinkt. Die Temperaturregelung erfolgt somit über eine Veränderung des Luftverhältnisses l, im unterstöchiometrischen Bereich. Dies ist in Figur 4 auf dem rechten Abschnitt der Abszisse zu sehen. Die Steue rung 28 ist dabei außerdem darauf eingerichtet, einen

Grenzwert von l _i in diesem Regelbereich nicht zu über schreiten, um somit eine übermäßige Temperaturerhöhung und somit die Erzeugung von Stickoxid zu vermeiden. Die Steue rung 28 gibt zugleich mit der Durchflussreguliereinrichtung 27 den Luftstrom in der Leitung 17 soweit frei, dass in der Heizkammer 12 der in dem Gasstrahl 21 vorhandene Restbrenn stoff mit der Luft 20 vollständig oxidiert wird. Die Oxida tion findet vorzugsweise flammenlos innerhalb des Gas strahls 21 statt. Dieser heizt die Heizkammer 12 obwohl er selbst eine Temperatur aufweist, die oberhalb der Selbst- zündtemperatur des Brennstoffs liegt, auf eine Temperatur auf, die unterhalb der Selbstzündtemperatur des verwendeten Brennstoffs liegt. Auch in der Heizkammer 12 ist dadurch keine thermische NOx-Bildung zu verzeichnen.

[0048] Bei Übergang in Teillastbetreib reduziert die Steuerung 28 den Brennstoff _Z ustrom mittels der Durchfluss reguliereinrichtung 29 auf niedrigere Werte. Das Luftver hältnis l wird dabei so eingestellt, dass die Selbstzünd temperatur in der Brennkammer 11 sicher überschritten bleibt. Eventuell noch nötige Luft für die vollständige Oxidation noch vorhandenen Restbrennstoffs in der Herzkam mer 12 wird wiederum für die Leitung 17 zugeführt.

[0049] Bei extremer Schwachlast kann die Steuerung von dem bislang beschriebenen unterstöchiometrischen Betrieb der Brennkammer 11 in überstöchiometrischen Betrieb dersel ben übergehen, wie in Figur 4 auf dem linken Teil der Abs zisse oberhalb des Luftverhältnisgrenzwerts l ₂ veranschau licht ist. Während bei unterstöchiometrischen Betrieb mit Verminderung des Luftverhältnisses l eine Temperaturernied rigung erzielt wurde, wird nun bei überstöchiometrischen Betrieb mit einer Erhöhung des Luftverhältnisses l eine Temperaturverminderung erzielt. Die Regelung 28 wirkt in diesem Bereich einer zu hohen Temperatur mit einer Vergrö ßerung des Luftverhältnisses und einer zu niedrigen Tempe ratur der Brennkammer 11 mit einer Verminderung des Luft verhältnisses entgegen.

[0050] Den Bereich zwischen den beiden Grenzwerten l ₂ und l ₂ meidet die Steuerung 28 zumindest sobald die Brenn kammer 11 aufgeheizt ist, indem sie diesen Bereich beim Um schalten von unterstöchiometrischem Betrieb zu überstöchio metrischem Betrieb in kurzer Zeit durchläuft oder ohne Übergang vom unterstöchiometrischen Betrieb in überstöchio- metrischen Betrieb (und umgekehrt) umschaltet. Dadurch wird das Ansteigen der Temperatur in der Brennkammer 11 über ei nen kritischen Grenzwert von zum Beispiel 1300°C oder 1400 °C und die damit einhergehende thermische NOx-Bildung vermieden .

[0051] An den vorgestellten Ausführungsformen sind zahl reiche Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann die Luft vorwärmung mittels des Wärmetauschers 23 auf die über die Leitung 15 der Brennkammer 11 zugeführte Luft beschränkt sein. Alternativ kann die Luftvorwärmung auf die der Herz kammer 12 über die Leitung 17 zugeführte Luft beschränkt sein. Es ist auch möglich, über die Leitung 15 und/oder die Leitung 17 ein Gemisch aus vorgewärmter und nicht vorge wärmter Luft zuzuführen. Weiter ist zumindest prinzipiell auch eine Vorwärmung des über die Leitung 14 der Brennkam mer 11 zugeführten Brennstoffs möglich. Außerdem kann ins besondere für einen unterstöchiometrischen Betrieb der Brennkammer 11 eine zusätzliche Brennstoff _Z uführung für die Heizkammer 12 vorgesehen sein, um einen vergrößerten Teil der Wärmeerzeugung in der Heizkammer 12 zu bewirken. Bei allen vorgestellten Ausführungsformen wird es jedoch als vorteilhaft angesehen, den überwiegenden Teil der Wärmeer zeugung in der Brennkammer 11 mittels flammenloser Oxidati on zu bewirken. Die weitere Oxidation kann in der Herzkam mer 12 mit oder ohne Flamme durchgeführt werden, wobei die flammenlose Oxidation die Senkung der Stickoxiderzeugung auf Werte unter 10 mg pro m ³ ermöglicht.

[0052] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beheizen einer Heizkammer 12 mit einer unterhalb der Selbstzündtem- peratur des verwendeten Brennstoffs liegenden Temperatur wird eine Brennkammer 11 vorgesehen, in der Brennstoff und Luft in flammenloser Oxidation in einem nicht stöchiometri schen Mischungsverhältnisses miteinander in Reaktion ge- bracht werden. Das Luftverhältnis l ist dabei mindestens so weit von dem stöchiometrischen Verhältnis l=1 entfernt, dass in der Brennkammer 11 eine Temperatur, ab der eine thermische Stickoxiderzeugung beginnt, nicht überschritten wird. Diese Temperatur liegt beispielsweise bei 1300°C bis 1400°C. Andererseits wird das Luftverhältnis l so festge legt, dass die Selbstzündtemperatur des verwendeten Brenn stoffs in der Brennkammer 11 sicher überschritten wird. Es ergeben sich somit zwei zulässige Luftverhältnisbereiche, nämlich ein erster Bereich zwischen X _min und li in unterstö chiometrischen Betreib und ein zweiter Bereich l ₂ bis X _max im überstöchiometrischen Betrieb der Brennkammer 11. Die aus der Brennkammer 11 entlassenen noch reaktionsfähigen Gase werden in einer Zone der Heizkammer 12 mit Zusatzluft und/oder zusätzlichem Brennstoff zur Reaktion gebracht, wo bei dies vorzugsweise mit flammenloser Oxidation erfolgt. Die genannte Zone ist insbesondere innerhalb des Gasstrahls 21 ausgebildet. Durch die flammenlose Oxidation wird auch in der Heizkammer 12 eine thermische Stickoxiderzeugung vermieden .

Be zugs Zeichen

10 Einrichtung

11 Brennkammer

12 Heiz kämmer

13 Heizschlange

14 Brennstoffleitung

15 Luftleitung

1 6 Reaktionsgasübertritt

17 Leitung

1 8 Abgasleitung

19-a Strömungs leiteinriehtung

1 9 Re zirkulationswirbel

20 Luft

21 Gasstrahl

22 Anlage

23 Wärmetauscher

24 Aus 1as s

25 Frischlufteinlass

2 6, 27 Durchflussregul iereinrichtung

2 8 Steuerung

l LuftVerhältnis

li, l ₂ , X _min , X _max , l _n Grenzwerte für das Luftverhältnis

2 9 Durchflussregul iereinrichtung

30 Temperatursensor