VERBRENNUNGSVERFAHREN SOWIE VORMISCHVORRICHTUNG UND

DAMIT VERSEHENER BRENNER

Die Erfindung betrifft ein Vorm isch verfahren zum Vormischen von Brennstoff mit Luft vor Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches, ein

Verbrennungsverfahren, bei dem zunächst ein solches Vormischverfahren durchgeführt wird, eine Vormischvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, ein Brennerkopf mit einer solchen Vormischvorrichtung und einen damit versehenen Brenner.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Brennern für Gebäude, Gewerbe und Industrie sowie von damit durchführbaren Verbrennungsverfahren und

Mischverfahren zum Mischen von Brennstoff und Luft. Zum technologischen Hintergrund wird insbesondere auf die folgenden Druckschriften verwiesen:

D1 Firmenbroschüre„WM 50 für Öl, Gas und Zweistoff",

Max Weishaupt GmbH, Druck-Nr. 83215201 , Dezember 2016;

D2 Firmenbroschüre„WM 30 für Öl, Gas und Zweistoff",

Max Weishaupt GmbH, Druck-Nr. 8321 1601 , Dezember 2016;

D3 Firmenbroschüre„WM 20 für Öl, Gas und Zweistoff",

Max Weishaupt GmbH, Druck-Nr. 8321 1501 , September 2016;

D4 Firmenbroschüre„WM 10 für Öl, Gas und Zweistoff",

Max Weishaupt GmbH, Druck-Nr. 8321 1401 , November 2015;

D5 Ausdruck aus Wikipedia, wikipedia.org, Begriffsdefinition

„Verbrennungsluftverhältnis"; D6 EP 2 713 105 A1

D7 EP 2 525 150 A1

D8 EP 2 286 149 B1 .

Aus den Broschüren gemäß den Dokumenten D1 bis D4 sind Brenner für Öl, Gas und Zweistoff (insbesondere Gas und Öl) bekannt, deren Leistungsabgabe über einen großen Bereich einstellbar ist. Zum Beispiel sind Leistungen zwischen 800 kW und 1 100 kW einstellbar; bei der kleineren Bauart WM 10 sind Leistungen zwischen 55 kW und 1250 kW einstellbar. Die Druckschriften D1 bis D4 zeigen Gebläsebrenner. Mit den Technologien, wie sie in den Dokumenten D1 bis D4 gezeigt sind, sind NOx-Werte von weniger als 80 mg/kWh für Gas und weniger als 120 mg/kWh erreichbar.

NOx-Emissionen spielen eine Rolle bezüglich des Abbaus von Ozon, der globalen Erwärmung, der Erzeugung von saurem Regen und der Bildung von Smog.

Aufgrund dessen werden die gesetzlichen Bestimmungen in unterschiedlichen Regionen auf der Welt hinsichtlich der zulässigen NOx-Emissionen immer strenger.

Während in dem Jahrzehnt zwischen 2000 und 2010 NOx-Emissionen von 150 mg/Nm ³ Luft (gemessen bei 3% Sauerstoff ohne Abgasrückführung) zulässig waren, wurden seit dem Jahre 2010 vielfach bereits Emissionen von maximal 100 mg/Nm ³ (Nm ³ bezeichnet Normkubikmeter) gefordert. Seit dem Jahre 2015 werden in einigen Regionen bereits 60 mg/Nm ³ gefordert. Es wird erwartet, dass in einigen Regionen bereits weniger als 30 mg/Nm ³ gefordert werden.

Die Erfindung zielt darauf ab, derartige Werte bei den Brennern, wie sie von der Bauart in den Dokumenten D1 bis D4 gezeigt sind, betriebssicher zu erreichen.

Als eine Option zum Erzielen von derart niedrigen NOx-Emissionen wurden Vormisch-Brenner mit Metallgeweben vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in den Dokumenten D7 und D8 gezeigt sind. Ein weiterer Brenner mit einer perforierten Oberfläche am Auslass einer vorgemischten Brennstoff-Luft-Mischung ist in dem Dokument D6 gezeigt.

Bei einem Vormisch-Brenner werden Brennstoff und Luft bereits innerhalb des Brennerkopfes und somit meist innerhalb eines Brennerrohres oder Flammrohres vor der Verbrennung durchmischt. Ein Vorm ischverfahren ist ein in einem solchen Vormisch-Brenner ablaufendes Verfahren zum Vormischen von Brennstoff und Luft.

Das Konzept eines Vormisch-Brenners mit einem äußeren Reaktionskörper, wie insbesondere einem Metallgewebe, bietet sehr gute NO _x -Reduktionen, jedoch ist diese Bauart nur für Gas geeignet und auch nur für Brennerkapazitäten bis maximal 3 MW verwendbar. Die Brenner können nur mit hohem Luftüberschuss arbeiten (O2 > 6%). Sie haben insbesondere Probleme mit kontaminierter

Verbrennungsluft. Daher wendet sich die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen ohne derartige Reaktionskörper zu. Bevorzugt sind erfindungsgemäße Brenner nicht mit Metallgewebe und auch nicht mit sonstigen Reaktionskörpern versehen.

Für Brenner mit höheren Leistungen werden daher Vormisch-Verfahren

untersucht, bei denen ein vorgemischtes Brennstoff-Luft-Gemisch in dem

Brennerrohr oder Flammrohr vorgemischt wird und noch vor dem Austritt aus dem Rohr verdrallt wird. Auf derartige Brenner und Betriebsverfahren hierfür ist die Erfindung gerichtet.

Beispiele für bekannte Brenner einer derartigen Bauart sind die auf dem Markt erhältlichen Brenner„Nova Premix" und„Ultra C-Max" der Firma Powerflame sowie der auf dem Markt erhältliche Brenner SWRLmatic der Firma S.T. Johnson (www.johnsonburners.com).

Ein Problem mit Vormisch-Brennern ohne Metallgitter wird im Folgenden anhand der Fig. 5 und 6 dargestellt. In den Fig. 5 und 6 ist ein Brennerkopf 10 mit einem Flammrohr oder Brennerrohr 12 und einer Vormischvorrichtung 14 zum Vormischen von Brennstoff und Luft dargestellt, wobei von der Vormischvorrichtung 14 nur ein Drallerzeuger 16 dargestellt ist.

In der Vormischvorrichtung 14 werden Brennstoff und Luft vorgemischt und mittels des Drallerzeugers 16 verdrallt, um eine gute Durchmischung zu erzielen. Fig. 5 stellt dabei den gewünschten Betriebszustand dar, wonach sich eine Flamme 20 außerhalb des Brennrohres 12 und somit außerhalb einer Vormischzone 20 in der Brennkammer 22 einstellt, wobei bevorzugt ist, dass eine interne Abgaszirkulation 24 stattfindet. Dies lässt sich durch Optimieren der Betriebsparameter des

Brenners, wie insbesondere Leistung eines Luftgebläses,

Strömungsgeschwindigkeit und hinzugefügtem Brennstoff, erreichen. Wird jedoch der Leistungspunkt, auf den der Brenner hin optimiert ist, verlassen, besteht die Gefahr eines Flammenrückschlages, wie er in Fig. 6 dargestellt ist. Dies ist insbesondere bei niedrigen Leistungen und geringen Luftströmen der Fall. Durch einen Flammenrückschlag können Innenteile des Brenners, wie insbesondere Sensoren oder dergleichen, beschädigt werden. Flammenrückschläge sollen daher möglichst vollständig vermieden werden.

Aus diesem Grunde können bisherige Vormischbrenner, die besonders niedrige NOx-Emissionen auch bei höheren Leistungen aufzeigen, nur in einem relativ schmalen Leistungsbereich um die Nennleistung herum sicher betrieben werden.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Verfahren und Vorrichtungen zur Reduzierung des NO _x -Ausstoßes bei Brennern derart zu schaffen, dass auch bei unterschiedlichen Leistungsabgaben ein sicherer Betrieb ermöglicht ist.

Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Vormischverfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vormischvorrichtung nach dem nebengeordneten

Anspruch. Vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren nebengeordneten Ansprüchen angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schafft ein Vornnischverfahren zum Vormischen von Brennstoff mit Luft vor Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches, umfassend:

a) Erzeugen eines fetten Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Brennstoff-Luft- Verhältnis oberhalb eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Verhältnisses, und b) Zuführen von Luft zu dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch, um ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch zu erhalten,

und

c) Verdrallen des zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs.

In einer besonders bevorzugten Variante schafft die Erfindung ein

Vornnischverfahren zum Vormischen von Brennstoff mit Luft vor Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches, umfassend:

a) Erzeugen eines fetten Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Brennstoff-Luft-

Verhältnis oberhalb eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Verhältnisses, und b1 ) Erzeugen eines mageren Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Brennstoff- Luft-Verhältnis unterhalb eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Verhältnis und Vermischen des fetten Brennstoff-Luft-Gemischs und des mageren Brennstoff- Luft-Gemischs, um so ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch zu erhalten und c) Verdrallen des zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs.

Vorzugsweise wird das Vormisch verfahren in einem Brenner, insbesondere Gebläsebrenner, in Gebäuden oder Schiffen, oder einem Industriebrenner durchgeführt. Insbesondere betrifft die Erfindung Vornnischverfahren zur

Verbrennung zu Heizzwecken oder zur Erwärmung in Industrieprozessen, ausgenommen in Gasturbinen. Weiter betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur Durchführung des Vormischverfahrens, ausgenommen Vorrichtungen von

Gasturbinen.

Die besonders bevorzugte Variante kann stellt eine Ausführungsform des obigen Aspekts des Vormischverfahrens dar, bei der Schritt b) den Schritt

b1 ) Erzeugen eines mageren Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Brennstoff- Luft-Verhältnis unterhalb eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Verhältnis umfasst, wobei das Zuführen von Luft zu dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch durch Zuführen des mageren Brennstoff-Luft-Gemisches zu dem fetten Brennstoff- Luft-Gemisch erfolgt, um so das zündfähige Brennstoff-Luft-Gemisch zu erhalten.

Vorzugsweise umfasst Schritt a): Erzeugen eines Luftstroms und Hinzufügen von Brennstoff, insbesondere gasförmigen Brennstoff, zu dem Luftstrom und

Vermischen von Luft und Brennstoff entlang einer sich in Luftströmungsrichtung erstreckenden Vormischzone.

Vorzugsweise wird das Vorm ischverfahren in einem Brennerkopf durchgeführt, an dessen Brennerkopfende die Verbrennung stattfindet. Insbesondere wird das Vormischverfahren in einem Flammrohr oder Brennerkopfrohr durchgeführt.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) Vermischen eines Brennstoffes mit Luft zu dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch entlang einer Fett-Gemisch-Vormischzone, die sich zur Durchführung einer guten Vermischung über eine Strecke in

Strömungsrichtung erstreckt.

Vorzugsweise umfasst Schritt b1 ) Vermischen eines Brennstoffes mit Luft zu dem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch entlang einer Mager-Gemisch-Vormischzone, die sich zur Durchführung einer guten Vermischung über eine Strecke in

Strömungsrichtung erstreckt.

Vorzugsweise sind die Fett-Gemisch-Vormischzone und die Mager-Gemisch- Vormischzone räumlich getrennt, so dass die Mischung des fetten Gemischs und die Mischung des mageren Gemischs räumlich getrennt voneinander erfolgt.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

Erzeugen des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches mit einem

Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 ,5.

Zur Definition des Verbrennungsluftverhältnisses λ wird auf das Dokument D5 verwiesen. Es ist bevorzugt, dass Schritt b1 ) umfasst:

Erzeugen des mageren Brennstoff-Luft-Gemisches mit einem

Verbrennungsluftverhältnis λ < 0,5.

Besonders bevorzugt wird das fette Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem

Verbrennungsluftverhältnis 1 ,5 < λ < 20 erzeugt.

Besonders bevorzugt wird das magere Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem

Verbrennungsluftverhältnis 0,05 < λ < 0,5 erzeugt.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) in einer sich in einer Luftströmungsrichtung erstreckenden Fett-Gemisch-Vormischzone durchgeführt wird, an deren in

Luftströmungsrichtung vorderen Ende eine Fett-Gemisch-Brennstoffzufuhr und eine Fett-Gemisch-Luftzufuhr erfolgt und an deren in Strömungsrichtung hinteren Ende das Zuführen von Luft des Schrittes b) erfolgt.

Es ist bevorzugt, dass Schritt b1 ) in einer sich in einer Luftströmungsrichtung erstreckenden Mager-Gemisch-Vormischzone durchgeführt wird, an deren in Luftströmungsrichtung vorderen Ende eine Mager-Gemisch-Brennstoffzufuhr und eine Mager-Gemisch-Luftzufuhr erfolgt und an deren in Strömungsrichtung hinteren Ende das Zuführen des fetten Brennstoff-Luft-Gemischs erfolgt.

Es ist bevorzugt, dass das fette Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Fett-Gemisch- Vormischzone und das magere Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Mager-Gemisch- Vormischzone in einer sich in Luftströmungsrichtung erstreckenden Mischzone vermischt werden und einer in Luftströmungsrichtung hinter der Mischzone angeordneten Drallerzeugungseinrichtung zum Durchführen des Schritts c) zugeführt werden.

Es ist bevorzugt, dass die Mager-Gemisch-Vormischzone einen zentralen Bereich aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Mager-Gemisch-Vormischzone mehrere äußere Bereiche aufweist, die den zentralen Bereich herum verteilt angeordnet sind. Es ist bevorzugt, dass die Fett-Gemisch-Vormischzone mehrere getrennte Kanäle aufweist, die sich in einer vorzugsweise ringförmigen, verteilten Anordnung um einen zentralen Bereich der Mager-Gemisch-Vormischzone befinden. Es ist bevorzugt, dass in Umfangsrichtung die getrennten Kanäle der Fett-Gemisch- Vormischzone und die äußeren Bereiche der Mager-Gemisch-Vormischzone alternierend angeordnet sind.

Es ist bevorzugt, dass Luft oder mageres Brennstoff-Luft-Gemisch an einem stromaufwärtigen Ende eines jeden Kanals zugeführt wird und das fette

Brennstoff-Luft-Gemisch durch Zuführen von Brennstoff in dem Kanal,

insbesondere an dem stromaufwärtigen Ende, zu der Luft oder dem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch und Vermischen entlang der Erstreckung des Kanals erzeugt wird.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) mageres Brennstoff-Luft-Gemisch aus dem zentralen Bereich verdrallt wird und dass das Verdrallen des zündfähigen

Brennstoff-Luft-Gemischs durch Hinzufügen zu dem verdrahten mageren

Brennstoff-Luft-Gemisch erfolgt und/oder durch Hinzufügen von fettem Brennstoff- Luft-Gemisch zu dem verdrahten mageren Brennstoff-Luft-Gemisch, so dass zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch in der verdrahten Strömung erzeugt wird und das Verdrallen des zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs gleichzeitig mit seiner Erzeugung erfolgt.

Es ist bevorzugt, dass der Schritt a) und/oder b1 ) umfasst:

Zuführen von Abgas, so dass das fette bzw. magere Brennstoff-Luft-Gemisch ein fettes bzw. mageres Brennstoff-Luft-Abgas-Gemisch ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches, umfassend Durchführen des Vormischverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und

Verbrennen des verdrahten zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs.

Vorzugsweise wird das Verbrennungsverfahren mit Hilfe eines Brenners, vorzugsweise eines Gebläsebrenners, durchgeführt, wobei das Vormisch verfahren in einem Brennerkopfrohr durchgeführt wird und das Verbrennen außerhalb des Brennerkopfrohrs, stromabwärts von dessen Ende, erfolgt.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vormischvorrichtung, insbesondere eine Vormischvorrichtung zum Durchführen des Vornnischverfahrens nach einem der voranstehenden Ausgestaltungen.

Die erfindungsgemäße Vormischvorrichtung umfasst:

eine Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung zum Erzeugen eines fetten Brennstoff- Luft-Gemisches, wobei die Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung eine Fett-Gemisch- Luftzufuhreinrichtung zum Zuführen von Luft, eine Fett-Gemisch- Brennstoffzufuhreinrichtung zum Zuführen von Brennstoff und eine Fett-Gemisch- Vormischzone zum Vermischen von Luft aus der Fett-Gemisch- Luftzufuhreinrichtung und Brennstoff aus der Fett-Gemisch- Brennstoffzufuhreinrichtung aufweist, sowie eine Mischzone zum Vermischen des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches mit zusätzlicher Luft, um ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, und eine Drallerzeugungseinrichtung zum Verdrallen des zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs.

In einer besonders bevorzugten Variante schafft die Erfindung eine

Vormischvorrichtung, umfassend

eine Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung zum Erzeugen eines fetten Brennstoff- Luft-Gemisches, wobei die Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung eine Fett-Gemisch- Luftzufuhreinrichtung zum Zuführen von Luft, eine Fett-Gemisch- Brennstoffzufuhreinrichtung zum Zuführen von Brennstoff und eine Fett-Gemisch- Vormischzone zum Vermischen von Luft aus der Fett-Gemisch- Luftzufuhreinrichtung und Brennstoff aus der Fett-Gemisch- Brennstoffzufuhreinrichtung aufweist,

eine Mager-Gemisch-Vormischeinrichtung zum Erzeugen eines mageren

Brennstoff-Luft-Gemisches, wobei die Mager-Gemisch-Vormischeinrichtung eine Mager-Gemisch-Luftzufuhreinrichtung zum Zuführen von Luft, eine Mager- Gemisch-Brennstoffzufuhreinrichtung zum Zuführen von Brennstoff und eine Mager-Gemisch-Vormischzone zum Vermischen von Luft aus der Mager- Gemisch-Luftzufuhr und Brennstoff aus der Mager-Gemisch-Brennstoffzufuhr aufweist,

eine Mischzone zum Vermischen des fetten Brennstoff-Luft-Gemischs aus der Fett-Gemisch-Vormischzone und des mageren Brennstoff-Luft-Gemischs aus der Mager-Gemisch-Vormischzone, zwecks Erzeugen eines zündfähigen Brennstoff- Luft-Gemischs und

eine Drallerzeugungseinrichtung zum Verdrallen des zündfähigen Brennstoff-Luft- Gemischs.

Diese besonders bevorzugte Variante stellt eine besonders bevorzugte

Ausgestaltung der oben erwähnten erfindungsgemäßen Vormischvorrichtung dar.

Es ist demnach bevorzugt, dass neben der Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung auch eine Mager-Gemisch-Vormischeinrichtung vorgesehen ist, wobei beide Vormischeinrichtungen gemeinsam in die Mischzone münden, um das fette Brennstoff-Luft-Gemisch und das magere Brennstoff-Luft-Gennisch zum Bilden des zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches zu vermischen. Mit anderen Worten erfolgt das Zufügen von Luft zu dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch vorzugsweise durch Hinzufügen von Luft, die in einem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch enthalten ist.

Es ist bevorzugt, dass eine Abgasrückführeinrichtung zum Zuführen von Abgas zu der Fett-Gemisch-Luftzufuhreinrichtung und/oder der Mager-Gemisch- Luftzufuhreinrichtung vorgesehen ist.

Es ist bevorzugt, dass die Fett-Gemisch-Vormischzone und/oder die Mager- Gemisch-Vormischzone mehrere sich in einer Luftströmungsrichtung erstreckende Kanäle aufweisen, die nebeneinander oder alternierend nebeneinander

angeordnet sind.

Es ist bevorzugt, dass die Mager-Gemisch-Vormischzone einen zentralen Bereich aufweist, wobei zumindest Bereiche der Fett-Gemisch-Vormischzone um den zentralen Bereich herum angeordnet sind. Insbesondere sind die Kanäle um den zentralen Bereich herum verteilt angeordnet. Vorzugsweise ist zwischen benachbarten Kanälen jeweils ein äußerer Bereich der Mager-Gemisch- Vormischzone angeordnet.

Vorzugsweise weist jeder Kanal rohrförmige Begrenzungswände auf, wobei ein stromaufwärtiges Ende eine Eintrittsöffnung aufweist und ein stromabwärtiges Ende eine Austrittsöffnung aufweist. Vorzugsweise ist an einem stromabwärtigen Ende eines jede Kanals innerhalb der Begrenzungswände eine Brennstoffdüse vorgesehen.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Brennerkopf umfassend ein Brennerrohr und eine in dem Brennerrohr angeordnete Vormischvorrichtung gemäß einer der zuvorstehend erläuterten Ausgestaltungen.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Brenner, insbesondere Gebläsebrenner, umfassend einen Brennerkopf der zuvorstehend erläuterten Ausgestaltung und/oder eine Vormischvorrichtung nach einer der oben erläuterten Ausgestaltungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vormischvorrichtung zum

Vormischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Brennerkopf mit einem Brennerrohr,

innerhalb dem die Vormischvorrichtung von Fig. 1 untergebracht ist;

Fig. 3 eine schematische, teils geschnittene Darstellung durch einen

Brennerkopf gemäß einer alternativen Ausgestaltung zur Erläuterung des Funktionsprinzips der hier dargestellten Vormischvorrichtungen;

Fig. 4 einen Schnitt durch den Brennerkopf von Fig. 3, wobei

unterschiedliche Brennstoffkonzentrationen, die sich im Betrieb einstellen, dargestellt sind; Fig. 5 einen Brennerkopf mit einer Vormischvornchtung gemäß dem Stand der Technik in einem erwünschten Betriebszustand;

Fig. 6 den bekannten Brennerkopf von Fig. 5, wobei ein Flammenrückschlag angedeutet ist, wie er bei niedrigerer Leistung unterhalb der Nennbetriebsleistung auftreten kann.

Zunächst wird anhand der Darstellungen der Fig. 1 bis 4 das Prinzip von bevorzugten Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen erläutert.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer Vormischvornchtung 14 zum Vormischen von Brennstoff mit Luft vor Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches dargestellt, die verschiedene Vormischzonen 36, 44 aufweist. Fig. 2 zeigt die Vormischvornchtung 14 in einem Brennerkopf 10. Die Fig. 3 und 4 zeigen

Varianten der Vormischvornchtung 14 und des Brennerkopfes 10.

Insbesondere ist bei den gezeigten Ausführungsformen der Vormischvornchtung 14 eine Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung 30 zum Erzeugen eines fetten

Brennstoff-Luft-Gemisches, das ein Brennstoff-Luft-Verhältnis oberhalb eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Verhältnisses hat, sowie eine Mischzone 32 zum Vermischen des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches mit zusätzlicher Luft, um ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, vorgesehen.

Weiter ist eine Drallerzeugungseinrichtung 34 zum Erzeugen eines Dralls an dem zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisch vorgesehen.

Die Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung 30 hat eine Fett-Gemisch-Vormischzone 36, die räumlich getrennt von anderen Zonen der Vormischvornchtung 14 angeordnet ist.

Weiter weist die Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung 30 eine Fett-Gemisch- Luftzuführeinrichtung 38 und eine Fett-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 40 auf. Die Fett-Gemisch-Luftzuführeinrichtung 38 führt Luft der Fett-Gemisch- Vormischzone 36 zu, und die Fett-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 40 führt Brennstoff der Fett-Gemisch-Vormischzone 36 zu.

Wie Fig. 2, 3 und 4 zeigen, ist die Vormischvorrichtung 14 insbesondere dazu ausgebildet, in einem Brennerrohr 12 eines Brennerkopfes 10 eines

Gebläsebrenners angeordnet zu werden, worin sich durch das Gebläse eine Fluidströmung entlang des Brennerrohres 12 einstellt. Die Fett-Gemisch- Vormischzone 36 erstreckt sich stromabwärts der Fett-Gemisch- Luftzuführeinrichtung 38 und der Fett-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 40, so dass sich die zugeführte Luft und der zugeführte Brennstoff auf der

Strömungsstrecke der Fett-Gemisch-Vormischzone 36 zu dem fetten Brennstoff- Luft-Gemisch vermischt.

Bei nicht näher dargestellten Ausgestaltungen der Vormischvorrichtung 14 wird der Mischzone 32 reine Verbrennungsluft zugeführt, so dass sich erst in der Mischzone 32 ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch einstellt und durch die Drallerzeugungseinrichtung 34 verdrallt wird.

Bei den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen der

Vormischvorrichtung 14 wird die zusätzliche Luft, die in der Mischzone zum Vermischen des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem zündfähigen

Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt wird, nicht als reine Verbrennungsluft zugeführt, sondern als Luftüberschuss in einem mageren Brennstoff-Luft- Gemisch, welches ein Brennstoff-Luft-Verhältnis unterhalb eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Verhältnisses hat.

Hierzu weist die Vormischvorrichtung 14 der dargestellten Ausführungsformen zum Bilden einer weiteren Vormischzone eine Mager-Gemisch- Vormischeinrichtung 42 auf, die eine räumlich von der Fett-Gemisch- Vormischzone 36 getrennte Mager-Gemisch-Vormischzone 44 hat, in der das magere Brennstoff-Luft-Gemisch mit dem Brennstoff-Luft-Verhältnis unterhalb eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Verhältnisses gebildet wird. Diese Mager- Gemisch-Vormischeinrichtung 42 und die entsprechende Mager-Gemisch- Vormischzone 44 münden ebenfalls in die Mischzone, so dass in der Mischzone das fette Brennstoff-Luft-Gemisch und das mageren Brennstoff-Luft-Gemisch zu dem zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisch gemischt werden, wobei die

Drallerzeugungseinrichtung 34 dazu dient, einen Drall an dem zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen.

Zum Erzeugen des mageren Brennstoff-Luft-Gemisches weist die Mager- Gemisch-Vormischeinrichtung 42 eine Mager-Gemisch-Luftzuführeinrichtung 46 zum Zuführen von Luft zu der Mager-Gemisch-Vormischzone 44 und eine Mager- Gemisch-Brennstoffeinrichtung 48 zum Zuführen von Brennstoff zu der Mager- Gemisch-Vormischzone 44 auf.

Die Mager-Gemisch-Vormischzone 44 erstreckt sich räumlich getrennt von der Fett-Gemisch-Vormischzone 36 ebenfalls in Strömungsrichtung über eine gewisse Strecke hinweg, wobei am stromaufwärtigen Ende die Mager-Gemisch- Luftzuführeinrichtung 46 und die Mager-Gemisch-Brennstoffeinrichtung 48 ausgebildet sind und sich so auf der Strecke der Mager-Gemisch-Vormischzone 44 eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft zu dem mageren Brennstoff- Luft-Gemisch ergibt.

Beispielsweise erstrecken sich die Vormischzonen 36, 44 über wenigstens 10%, bevorzugt wenigstens 20%, der Längserstreckung der Vormischvorrichtung 14 oder des Brennerrohrs 12.

Die Fig. 1 und 2 zeigen dabei eine erste Ausführungsform der

Vormischvorrichtung 14, und die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere

Ausführungsform der Vormischvorrichtung 14. Wie durch Vergleich ersichtlich, können die unterschiedlichen Vormischzonen 36, 44 zum Mischen des fetten Brennstoff-Luft-Gemischs und des mageren Brennstoff-Luft-Gemischs

unterschiedlich angeordnet sein. Während bei der Ausgestaltung der Fig. 3 und 4 die Fett-Gemisch-Vormischzone 36 zentral angeordnet ist und die Mager- Gemisch-Vormischzone 44 um die Fett-Gemisch-Vormischzone 36 herum angeordnet ist, ist bei der in der Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Vormischvorrichtung 14 vorgesehen, dass die Mager-Gemisch-Vormischzone 44 einen zentralen Bereich 50 innerhalb eines rohrförmigen Innenkörpers 52 und mehrere äußere Bereich 54 aufweist, die sich zwischen Kanälen 56 erstrecken.

Das Innere der Kanäle 56 bildet Bereiche der Fett-Gemisch-Vormischzone 36.

Die Kanäle 56 sind durch rohrförmige Begrenzungswände 58 gebildet, die an ihrem stromaufwärtigen Ende 60 offen sind, um eine Eintrittsöffnung 62 zu bilden, und an ihrem stromabwärtigen Ende 64 abgeschrägt und offen sind, um schräg nach außen gerichtete Austrittsöffnungen 66 zu bilden.

Stromaufwärts der stromaufwärtigen Enden 60 der Kanäle 56 sind

Brennstoffdüsen der Mager-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 48 in Form von ersten Gasdüsen 68 ausgebildet.

Die ersten Gasdüsen 68 sind durch radialabstrebende Röhrchen gebildet, die seitliche Gasaustrittsöffnungen haben. So wird Brennstoff, insbesondere gasförmiger Brennstoff, dem Luftstrom zugeführt, der sich aufgrund des Gebläses durch das Brennerrohr 12 einstellt, wobei die Brennstoffzufuhr der Mager- Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 48 bei der in Fig. 1 dargestellten

Ausführungsform stromaufwärts der Eintrittsöffnungen 62 der einzelnen durch die Kanäle 56 gebildeten Bereiche der Fett-Gemisch-Vormischzone 36 eingeleitet werden.

Die stromaufwärtigen Enden 60 bilden die Fett-Gemisch-Luftzuführeinrichtung 38. Die Fett-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 40 ist durch Brennstoffdüsen gebildet, die im Endbereich an den stromaufwärtigen Enden 60 innerhalb der Kanäle 56, und zwar innerhalb der Begrenzungswand 58, münden. Diese

Brennstoffdüsen sind in den dargestellten Ausführungsformen durch zweite Gasdüsen 66 gebildet.

Die Brennstoffzuführeinrichtungen 40, 48 weisen zusätzlich zu den Gasdüsen 66 einen Gasverteiler 68 auf. Der Gasverteiler 68 ist beispielsweise ein Gasrohr, das sich im Inneren des rohrförmigen Innenkörpers 52 durch die Vormischvorrichtung 14 erstreckt. Die dargestellte Vormischvornchtung 14 weist an ihrem stromabwärts gerichteten Endbereich dritte Gasdüsen 70 auf, die ebenfalls durch den Gasverteiler 68 gespeist werden.

Die dargestellte Vormischvornchtung 14 ist eine Vormischvornchtung für einen Zweistoff-Brenner. Hierzu ist auch wenigstens eine Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff, z.B. Öldüse 72, mit einem Düsenkopf dargestellt.

Die Öldüse 72 ist beispielsweise eine zentrale Öldüse, die im Zentrum des stromabwärtigen Endes der Vormischzone 20 an einem Düsenkopf 74 mündet.

An diesem Düsenkopf 74, wo auch die dritten Gasdüsen 70 münden, ist weiter wenigstens eine Zündelektrode 74 vorgesehen.

Die Drallerzeugungseinrichtung 34 weist wenigstens einen Drallerzeuger 16 auf. In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drallerzeuger 16 am stromabwärtigen Ende des rohrförmigen Innenkörpers 52 ausgebildet und weist eine Drallstauscheibe 76 auf.

Stromaufwärts der Brennstoff-Zuführ-Einrichtungen 40, 48 ist ein Gitter 78 vorgesehen, durch dessen Gitteröffnungen die Verbrennungsluft durchströmen kann, das aber eine Restgefahr von Flammenrückschlägen hin zu einem Bereich stromaufwärts des Gitters 78 verringert.

Fig. 2 zeigt den mit der Vormischvornchtung 14 gemäß Fig. 1 versehenen

Brennerkopf 10, wobei die Vormischvornchtung 14 in einem Flammenrohr oder Brennerrohr 12 des Brennerkopfes 10 angeordnet ist.

Das Brennerrohr 12 umgibt die Kanäle 56 und begrenzt die zwischen den Kanälen 56 ausgebildeten äußeren Bereiche 54 der Mager-Gemisch-Vormischzone 44. In Fig. 2 sind deutlich die Gasrohre zum Bilden der ersten Gasdüsen 68 der Mager- Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 48 und die Gasrohre zum Bilden der zweiten Gasdüsen 66 der Fett-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 40 zu sehen. Das Brennerrohr 12 sitzt auf einem Schwenkflansch 80, der mit einem Gaseinlass 82 versehen ist, und der auf einem der Gebläsebrenner, wie sie in den

Dokumenten D1 bis D4 gezeigt und im Einzelnen erläutert sind, anstelle der dort dargestellten Schwenkflansche und der dort dargestellten Brennerrohre aufgesetzt werden kann. Durch das Ersetzen der entsprechenden Brennerköpfe der

Gebläsebrenner aus den Dokumenten D1 bis D4 mit einem Brennerkopf gemäß Fig. 2 (oder Fig. 3 oder 4) ergeben sich Ausführungsformen eines

erfindungsgemäßen Brenners. Es wird für weitere Einzelheiten zu dem

entsprechenden Brenner ausdrücklich auf die Dokumente D1 bis D4 verwiesen.

Im Folgenden werden anhand der Fig. 1 und 2 ein mit dem entsprechenden Brenner und dem Brennerkopf 10 durchführbares Vormisch-Verfahren und ein dieses verwendendes Verbrennungsverfahren näher erläutert.

Im Betrieb des mit dem Brennerkopf 10 versehenen Brenners wird durch das Gebläse eine Luftströmung innerhalb des Schwenkflansches 80 und innerhalb des Flammrohrs bzw. Brennerrohrs 12 erzeugt. Durch den Gaseinlass 82 und den Gasverteiler 38 wird gasförmiger Brennstoff zu den ersten Gasdüsen 68 der Mager-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung 48 in einem derartigen Verhältnis zugeführt, dass sich stromabwärts der ersten Gasdüsen 68 in der Mager- Gemisch-Vormischzone 44, die durch den Bereich stromaufwärts der

stromaufwärtigen Enden 60 der Kanäle 56, die äußeren Bereiche 54 zwischen den Kanälen 56 und dem zentralen Bereich 50 innerhalb des rohrförmigen

Innenkörpers 52 gebildet ist, einstellt. Hierdurch wird in der Mager-Gemisch- Vormischzone 44 ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch so erzeugt, dass es zu wenig Brennstoff enthält und somit nicht zündfähig ist.

Eine explosive Luft-/Gasmischung und somit ein zündfähiges Brennstoff-Luft- Gemisch liegt bei Erdgas mit einer Konzentration von 4,5 bis 13,5% vor, bei Propan mit einer Konzentration von 2,1 bis 9,5% und bei Butan mit einer

Konzentration von 1 ,5 bis 8,5% vor. Die Zündpunkte für Erdgas liegen zwischen 575°C bis 625°C und für Propan bei 470°C und für Butan bei 365°C. Durch Dimensionierung der ersten Gasdüsen 68 wird sichergestellt, dass durch die ersten Gasdüsen nur so viel gasförmiger Brennstoff zugeführt wird, dass sich ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch mit einer Konzentration unterhalb der oben genannten zündfähigen Gaskonzentrationen einstellt. Zum Beispiel wird Erdgas mit weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 4%, zugeführt, Propan wird mit weniger als 2% zugeführt, und im Fall von Butan wird weniger als 1 ,5% zugeführt.

Insbesondere wird eine Gas-Luft-Mischung in der Mager-Gemisch-Vormischzone 44 mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ von weniger als 0,5 erzeugt.

Selbstverständlich können geringere Verbrennungsluftverhältnisse vorgesehen sein.

Es ist jedoch vorteilhaft, so viel Gas zu der Mager-Gemisch-Vormischzone 44 zuzuführen, dass gerade kein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird, jedoch bereits eine gute Brennstoff-Luft-Vermischung erfolgt.

Ein Teil des mageren Brennstoff-Luft-Gemisches tritt durch die Eintrittsöffnungen 62 in die Kanäle 56 ein, wo durch die zweiten Gasdüsen 66 zusätzlicher

Brennstoff hinzugefügt wird. Die zweiten Gasdüsen 66 sind so dimensioniert, dass so viel Brennstoff hinzugefügt wird, dass ein Gemisch entsteht, das zu fett für eine Zündfähigkeit ist. Insbesondere wird so viel Gas zugeführt, dass sich

Gasmischungen oberhalb des oberen Wertes der oben genannten

Konzentrationen für zündfähige/explosive Gasmischungen einstellen.

Insbesondere wird eine Brennstoff-Luft-Mischung mit λ > 1 ,5 erzeugt.

Das Gas aus den zweiten Gasdüsen 66 mischt sich entlang der Durchströmung der Kanäle 56 sehr gut mit der Luft, die als Teil des mageren Brennstoff-Luft- Gemisches in die Eintrittsöffnung 62 eintritt, so dass an den Austrittsöffnungen 66 ein sehr gut durchmischtes fettes Brennstoff-Luft-Gemisch in die Mischzone 32 eintritt, die zwischen den Austrittsöffnungen 66 und dem stromabwärtigen Ende der Vormischvorrichtung 14 gebildet ist.

Durch den Drallerzeuger 16 wird der den rohrförmigen Innenkörper 52

durchströmende Teil des mageren Brennstoff-Luft-Gemisches verdrallt; diese Verdrallung verdrallt auch das sich in der Mischzone 32 einstellende Gemisch, so dass insgesamt durch die Vermischung des mageren Brennstoff-Luft-Gemisches und des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches ein zündfähiges Brennstoff-Luft- Gemisch erzeugt wird, an dem durch die Drallerzeugungseinrichtung 34 ein Drall erzeugt wird.

Dem durch das Innere des Innenkörpers 52 durchströmenden Anteil des mageren Brennstoff-Luft-Gemischs wird durch die dritten Gasdüsen 70 Brennstoff hinzugefügt, so dass sich hier ebenfalls erst am stromabwärtigen Ende der Vormischvorrichtung 14 ein zündfähiges Gemisch ergibt.

Weiter kann durch die Öldüse 72 flüssiger Brennstoff hinzugefügt werden.

So liegen innerhalb des Brennerrohres 12 räumlich getrennte Vormischzonen 36, 44 vor, in denen sich jeweils Brennstoff-Luft-Gemische befinden bzw. dort erzeugt und gemischt werden, deren Brennstoff-Luft- Verhältnisse außerhalb des zündfähigen Bereichs liegen. Dies vermeidet die Gefahr eines

Flammenrückschlags, selbst bei niedrigen Leistungen oder geringen

Strömungsgeschwindigkeiten.

Mit dieser Anordnung und dem hierdurch durchführbaren Vornnischverfahren kann demnach ein sicheres Verbrennungsverfahren durchgeführt werden, mit dem nur sehr wenig NOx-Emissionen entstehen und mit dem hohe Leistungen (auch oberhalb 3 MW) erzeugt werden können, wobei ein sehr großer Leistungsbereich (mehrere Größenordnungen) bei sicherem Betrieb ohne Flammenrückschlag eingestellt werden kann. Somit kann ein Low NO _x -Brenner mit hohem

Dynamikumfang geschaffen werden.

In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Ausgestaltung des Brennerkopfes 10 mit der Vormischvorrichtung 14 dargestellt, wobei hier die Fett-Gemisch-Vormischzone 36 zentral, beispielsweise innerhalb des Innenkörpers 52, ausgebildet ist, und die Mager-Gemisch-Vormischzone 44 außen angeordnet ist. Auch hier erfolgt eine Vermischung zu einem zündfähigen Gemisch erst nahe der Mündung des

Brennerrohres 12. Die Brenner der unterschiedlichen Ausführungsformen können mit reiner

Verbrennungsluft betrieben werden; es ist aber auch möglich, eine nicht dargestellte Abgasrückführung vorzusehen, die Abgase aus dem Brennraum stromaufwärts der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Luftzuführeinrichtungen 38, 46 der Verbrennungsluft zuführt.

Bezugszeichenliste:

10 Brennerkopf

12 Brennerrohr

14 Vorm isch Vorrichtung

16 Drallerzeuger

18 Drallströmung

20 Vormischzone

22 Brennkammer

24 interne Abgaszirkulation

26 Flamme

30 Fett-Gemisch-Vormischeinrichtung

32 Mischzone

34 Drallerzeugungseinrichtung

36 Fett-Gemisch-Vormischzone

38 Fett-Gemisch-Luftzuführeinrichtung

40 Fett-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung

42 Mager-Gemisch-Vormischeinrichtung

44 Mager-Gemisch-Vormischzone

46 Mager-Gemisch-Luftzuführeinrichtung

48 Mager-Gemisch-Brennstoffzuführeinrichtung

50 zentraler Bereich

52 rohrförmiger Innenkörper

54 äußere Bereich

56 Kanal

58 Begrenzungswand

60 stromaufwärtiges Ende

62 Eintrittsöffnung

64 stromabwärtiges Ende

66 Austrittsöffnung

68 erste Gasdüse

66 zweite Gasdüse

68 Gasverteiler

70 dritte Gasdüsen

72 Öldüse 74 Zündelektrode

76 Drallstauscheibe

78 Gitter

80 Schwenkflansch

82 Gaseinlass