EP0947770A2 - Gasbrenner - Google Patents

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EP0947770A2
EP0947770A2 EP99105813A EP99105813A EP0947770A2 EP 0947770 A2 EP0947770 A2 EP 0947770A2 EP 99105813 A EP99105813 A EP 99105813A EP 99105813 A EP99105813 A EP 99105813A EP 0947770 A2 EP0947770 A2 EP 0947770A2
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burner
gas
burner body
air mixture
fuel gas
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Juergen Waidner
Marcus Bienzle
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone

Definitions

  • the invention relates to a gas burner with a burner body by a porous structure is at least partially penetrated, and in the one Fuel gas-air mixture is combustible, and a method for combustion of a fuel gas-air mixture in a gas burner.
  • the porous burner body for example one Foam ceramic, a bed of solids or a wire mesh on one Distribution plate attached. It can be a cylindrical, for example cube or have a cuboid shape.
  • the fuel gas-air mixture becomes the burner body fed via the distributor plate.
  • the reaction zone When the burner output is low, the reaction zone extends only a little into the burner body, starting from the distributor plate. With increasing burner output, the combustion zone, as seen in the direction of flow, increasingly spreads in the burner body. When designing the burner body, its volume is dimensioned such that combustion processes take place in almost the entire burner body at maximum burner output. At low burner capacities, the temperature in the reaction zone decreases transversely to the direction of flow as a result of heat extraction processes. Due to the low temperatures prevailing in the peripheral areas, CO can no longer react to CO 2 . This creates an undesirable high CO production.
  • This object is achieved in that the cross to the flow direction of the cross-sectional area of the fuel gas-air mixture of the reaction zone of the burner body in which the combustion takes place, in the direction of flow enlarged at least in a partial area of the burner body.
  • the method according to the invention provides that at a low Burner performance of the gas burner a higher temperature volume load in the Burner body is generated than with a higher burner output.
  • the design of a gas burner according to the invention enables an increased temperature surface or volume load with a low burner output.
  • a temperature level in the burner body at which CO can react to CO 2 can thus also be achieved in this operating state.
  • a higher modulation range for the burner output can also be achieved than with conventional gas burners. Controlled combustion can take place here even at low fuel gas / air mixture concentrations.
  • the Cross-sectional area of the reaction zone continuously increased.
  • the entrance cross-sectional area via the burner body the fuel gas-air mixture flows in is formed by the smaller circular area of the burner body.
  • the measure The conicity of the burner body is determined by the desired modulation range of the gas burner.
  • the fuel gas-air mixture in the burner body Can be introduced via a supply line and here via a cylindrical or spherical Distributor is delivered.
  • the fuel gas-air mixture can be ring or flow spherically into the burner body and ignite here.
  • the cross-sectional area of the reaction zone can also be provided enlarged over one or more increments. Then there are certain ones Performance areas assigned to the various increments. For example the use of three increments has proven itself, one first step jump covers 0 to 40% of the burner output, a second 40 to 60% and the third step jump 60 to 100% of the burner output.
  • the burner body two or more cylindrical or circular disc-shaped fuel elements has a different diameter, and that the Central longitudinal axes of the partial fuel elements are arranged in alignment with one another.
  • the partial fuel body in the flow direction of the fuel gas-air mixture have different thicknesses. It is also conceivable that a burner body has such a cross-sectional geometry in the reaction zone that partly continuously and partly over one or more increments enlarged.
  • a burner body 10 is shown, which is a stump-shaped Has geometry.
  • the burner body 10 is of a lateral lateral surface 13, an inlet surface 11 and an exhaust gas outlet surface 12.
  • the Entry surface 11 and exhaust gas exit surface 12 are circular.
  • a combustible gas / air mixture is supplied to the burner body 10 via the inlet surface 11 forwarded. Here it flows into the porous burner body 10 and ignites yourself.
  • the reaction zone in which the The fuel gas-air mixture is converted starting from the entry surface 11 only low into the burner body 10.
  • Due to the conical geometry of the Burner body 10 the available combustion volume at the low Burner output kept low. This creates a high temperature area or - volume load. With increasing burner output, too the volume flow of the fuel gas-air mixture that flows into the burner body 10 elevated.
  • the reaction zone extends increasingly into the burner body 10 in. This also enlarges the reaction zone.
  • the Temperature areas or volume loads then decrease.
  • a burner body 10 is illustrated in FIG. 2, the two partial burner bodies 14.1, 14.2.
  • the partial fuel body 14.1 has a frustoconical shape Geometry.
  • the partial fuel body 14.2 is cylindrical.
  • the two Partial burners 14.1, 14.2 can be manufactured individually or it can be provided that these are integrally connected.
  • In the partial firing element 14.1 is a continuous enlargement of the cross-sectional area the burner body 10 realized.
  • a certain performance range can be found here extend the gas burner.
  • the power can be from 0 up to 40% of the total output of the gas burner.
  • Following the Partial fuel body 14.1 shifts the reaction zone over the entry surface 11 '' in the second partial fuel body 14.2. In this area the rest Power of the gas burner.
  • Fig. 3 illustrates a gas burner 10 in which the cross-sectional area enlarged in the direction of flow of the gas-air mixture by increments.
  • three partial fuel elements 14.1, 14.2, 14.3 are used.
  • This part-firing body 14.1, 14.2, 14.3 have a cylindrical shape and are of the Shell surfaces 13 limited.
  • the central longitudinal axes of the partial fuel elements 14.1, 14.2, 14.3 are arranged in alignment with one another.
  • the extension of the part-firing element 14.1, 14.2, 14.3 in the flow direction is the same in each case.
  • Every part of the burner 14.1, 14.2, 14.3 is a specific service area of Assigned to the gas burner. Serve in a medium performance range, for example the partial fuel element 14.1 and partly also the partial fuel element 14.2 as a reaction zone.
  • FIG. 4 illustrates an alternative embodiment to the burner body 10 3.
  • the cylindrical partial fuel elements 14.1, 14.2, 14.3 different extensions in the direction of the flow of the gas-air mixture on.
  • To an increased in the lower power range of the gas burner To be able to achieve variability in the temperature-volume load are two partial fuel elements 14.1, 14.2 are narrow.
  • FIG. 5 shows a burner body 10 with a cylindrical shape.
  • Burner body 10 can be connected via a feed line 15 and a distributor 16
  • Fuel gas-air mixture can be introduced. This flows out of the distributor 16 in the porous burner body 10 and ignites here.
  • the fuel gas-air mixture escapes from the distributor and flows into the burner body 10.
  • the reaction zone is tight around the distributor 16 arranged around.
  • the reaction zone extends at higher burner capacities also increasingly ring-shaped into the burner body 10.
  • the Exhaust gases generated during combustion escape through the outer surface 13, which serves as the exhaust gas outlet surface 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner mit einem Brennkörper, der von einer porösen Struktur zumindest teilweise durchdrungen ist, und in dem ein Brenngas-Luftgemisch verbrennbar ist. Zur Verwirklichung geringer CO-Emissionen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß sich die quer zur Strömungsrichtung des Brenngas-Luftgemisches verlaufende Querschnittsfläche der Reaktionszone des Brennerkörpers in Strömungsrichtung zumindest in einem Teilbereich des Brennerkörpers vergrößert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner mit einem Brennerkörper, der von einer porösen Struktur zumindest teilweise durchdrungen ist, und in dem ein Brenngas-Luftgemisch verbrennbar ist, sowie ein Verfahren zur Verbrennung eines Brenngas-Luftgemisches in einem Gasbrenner.
Bei solchen Gasbrennern wird der poröse Brennerkörper, beispielsweise eine Schaumkeramik, eine Schüttung aus Festkörpern oder ein Drahtgestrick auf eine Verteilerplatte aufgesetzt. Er kann eine zylindrische, beipielsweise würfel- oder quaderförmige Gestalt haben. Dem Brennerkörper wird das Brenngas-Luftgemisch über die Verteilerplatte zugeleitet.
Bei niedriger Brennerleistung erstreckt sich die Reaktionszone ausgehend von der Verteilerplatte nur wenig in den Brennerkörper hinein. Mit steigender Brennerleistung breitet sich die Verbrennungszone, in Strömungsrichtung gesehen, zunehmend in dem Brennerkörper aus. Bei der Auslegung des Brennerkörpers wird dessen Volumen so dimensioniert, daß bei maximaler Brennerleistung nahezu im gesamten Brennerkörper Verbrennungsvorgänge stattfinden. Bei niedrigen Brennerleistungen verringert sich infolge von Wärmeauskopplungs-Vorgängen die Temperatur in der Reaktionszone quer zur Srömungsrichtung. Aufgrund der in den Rand-bereichen vorherrschenden niedrigen Temperaturen kann CO nicht mehr zu CO2 ausreagieren. Damit entsteht eine unerwünschte hohe CO-Produktion.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gasbrenner der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bzw. ein Verbrennungsverfahren Zu Verfügung zu stellen, bei dem eine niedrige CO-Produktion verwirklicht werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sich die quer zur Strömungsrichtung des Brenngas-Luftgemisches verlaufende Querschnittsfläche der Reaktionszone des Brennerkörpers, in der die Verbrennung stattfindet, in Strömungsrichtung zumindest in einem Teilbereich des Brennerkörpers vergrößert. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, daß bei einer niedrigen Brennerleistung des Gasbrenners eine höhere Temperatur-Volumenbelastung im Brennerkörper erzeugt wird als bei einer höheren Brennerleistung.
Die erfindungsgemäße Bauform eines Gasbrenners ermöglicht bei geringer Brennerleistung eine erhöhte Temperatur-Flächen, bzw. -Volumenbelastung. Damit läßt sich auch in diesem Betriebszustand ein Temperaturniveau im Brennerkörper verwirklichen, bei dem CO zu CO2 ausreagieren kann. Bei solchen Gasbrennern ist auch ein höherer Modulationsbereich für die Brennerleistung verwirklichbar als bei konventionellen Gasbrennern. Es kann hier schon bei geringen Brenngas-Luftgemisch-Konzentrationen eine kontrollierte Verbrennung erfolgen.
Bei einem erfindungsgemäßen Gasbrenner kann es vorgesehen sein, daß sich die Querschnittsfläche der Reaktionszone kontinuierlich vergrößert. Dies laßt sich beispielsweise durch eine solche Ausgestaltungsvariante verwirklichen, bei der der Brennerkörper eine stumpfkegelförmige Geometrie aufweist, wobei die Eintritts-Querschnittsfläche über die dem Brennerkörper das Brenngas-Luftgemisch zuströmt, von der kleineren Kreisfläche des Brennerkörpers gebildet ist. Das Maß der Konizität des Brennerkörpers wird dabei durch den gewünschten Modulationsbereich des Gasbrenners bestimmt.
Denkbar ist es jedoch auch, daß das Brenngas-Luftgemisch in den Brennerkörper über eine Zuleitung einleitbar und hier über einen zylindrischen oder kugelförmigen Verteiler abgegeben wird. Das Brenngas-Luftgemisch kann ring- bzw. kugelförmig in den Brennerkörper einströmen und sich hier entzünden. Abhängig von der Brennerleistung füllt die Reaktionszone den Brennerkörper mehr oder weniger aus.
Es kann auch vorgesehen sein, sich die Querschnittsfläche der Reaktionszone über eine oder mehrere Stufensprünge vergrößert. Dabei sind dann bestimmte Leistungsbereiche den verschiedenen Stufensprüngen zugeordnet. Beispielsweise hat sich die Verwendung von drei Stufensprüngen bewährt, wobei ein erster Stufensprung 0 bis 40% der Brennerleistung abdeckt, ein zweiter 40 bis 60% und der dritte Stufensprung 60 bis 100% der Brennerleistung.
Zur Fertigungsvereinfachung kann es vorgesehen sein, daß der Brennerkörper zwei oder mehrere zylindrische oder kreisscheibenförmige Teil-Brennkörper aufweist, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, und daß die Mittellängsachsen der Teil-Brennkörper zueinander fluchtend angeordnet sind.
Um bestimmte Leistungsbereiche festlegen zu können, kann es vorgesehen sein, daß die Teil-Brennkörper in Strömungsrichtung des Brenngas-Luftgemisches unterschiedliche Dicken aufweisen. Denkbar ist es auch, daß ein Brennerkörper eine solche Querschnittsgeometrie in der Reaktionszone aufweist, die sich teilweise kontinuierlich und teilweise über ein oder mehrere Stufensprünge vergrößert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
in schematischer Seitenansicht einen Brennerkörper mit stumpfkegelförmiger Geometrie,
Fig. 2
in schematischer Seitenansicht einen Brennerkörper mit teilweise stumpfkegelförmiger und teilweise zylindrischer Geometrie,
Fig. 3
in schematischer Seitenansicht einen Brennerkörper, der aus drei Teilbrennkörpern zusammengesetzt ist,
Fig.4
in schematischer Seitenansicht einen weiteren Brennerkörper der aus drei Teil-Brennkörpern zusammengesetzt ist und
Fig. 5
in perspektivischer Schemazeichnung einen scheibenförmigen Brennerkörper mit einer Zuleitung.
In der Fig. 1 ist ein Brennerkörper 10 dargestellt, der eine stumpfkelgeförmige Geometrie aufweist. Der Brennerkörper 10 wird von einer seitlichen Mantelfläche 13, einer Eintrittsfläche 11 und einer Abgasaustrittsfläche 12 begrenzt. Die Eintrittsfläche 11 und die Abgasaustrittsfläche 12 sind kreisförmig ausgebildet. Dem Brennerkörper 10 wird ein Brenngas-Luftgemisch über die Eintrittsflache 11 zugeleitet. Hier strömt es in den porösen Brennerkörper 10 ein und entzündet sich. Bei geringen Brennerleistungen erstreckt sich die Reaktionszone, in der das Brenngas-Luftgemisch umgesetzt wird, ausgehend von der Eintrittsfläche 11 nur gering in den Brennerkörper 10 hinein. Aufgrund der konischen Geometrie des Brennerkörpers 10 wird das verfügbare Verbrennungsvolumen bei der niedrigen Brennerleistung gering gehalten. Hierdurch entsteht eine hohe Temperatur-Flächen bzw. - Volumenbelastung. Bei zunehmender Brennerleistung wird auch der Volumenstrom an Brenngas-Luftgemisch, der in den Brennerkörper 10 einströmt erhöht. Die Reaktionszone erstreckt sich zunehmend in den Brennerkörper 10 hinein. Dadurch wird auch die Reaktionszone vergrößert. Die Temperatur-Flächen bzw. - Volumenbelastung nimmt dann ab.
In der Fig. 2 ist ein Brennerkörper 10 veranschaulicht, der zwei Teil-Brennkörper 14.1, 14.2 aufweist. Der Teil-Brennkörper 14.1 hat eine stumpfkegelförmige Geometrie. Der Teil-Brennkörper 14.2 ist zylindrisch ausgebildet. Die beiden Teilbrennkörper 14.1, 14.2 können einzeln gefertigt werden oder es kann vorgesehen sein, daß diese einstückig miteinander verbunden sind. In dem Teil-Brennkörper 14.1 ist eine kontinuierliche Vergrößerung der Queschnittsfläche des Brennerkörpes 10 verwirklicht. Hier läßt sich ein bestimmter Leistungsbereich des Gasbrenners ausfahren. Beispielsweise kann die Leistung hier von 0 bis 40% der Gesamtleistung des Gasbrenners betragen. Im Anschluß an den Teil-Brennkörper 14.1 verlagert sich die Reaktionszone über die Eintrittsfläche 11'' in den zweiten Teil-Brennkörper 14.2. In diesem Bereich kann die restliche Leistung des Gasbrenners ausgefahren werden.
Fig. 3 veranschaulicht einen Gasbrenner 10, bei dem sich die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung des Gas-Luftgemisches über Stufensprünge vergrößert. Hierzu werden drei Teil-Brennkörper 14.1, 14.2, 14.3 verwendet. Diese Teil-Brennkörper 14.1, 14.2, 14.3 haben eine zylindrische Form und sind von den Mantelflachen 13 begrenzt. Die Mittellängsachsen der Teil-Brennkörper 14.1, 14.2, 14.3 sind fluchtend zueinander angeordnet. Die Erstreckung der Teil-Brennkörper 14.1, 14.2, 14.3 in Strömungsrichtung ist jeweils gleich. Jeder Teil-Brennkörper 14.1, 14.2, 14.3 ist einem spezifischem Leistungsbereich des Gasbrenners zugeordnet. In einem mittleren Leistungsbereich dienen beispielsweise der Teil-Brennkörper 14.1 und teilweise auch der Teil-Brennkörper 14.2 als Reaktionszone.
Fig. 4 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltung zu dem Brennerkörper 10 gemäß Fig. 3. Hier weisen die zylindrischen Teil-Brennkörper 14.1, 14.2, 14.3 unterschiedliche Erstreckungen in Richtung der Strömung des Gas-Luftgemisches auf. Um im unteren Leistungsbereich des Gasbrenners eine erhöhte Variabilität der Temperatur-Volumenbelastung erreichen zu können, sind die beiden Teil-Brennkörper 14.1, 14.2 schmal ausgebildet.
In der Fig. 5 ist ein Brennerkörper 10 mit zylindrischer Gestalt dargestellt. In den Brennerkörper 10 kann über eine Zuleitung 15 und einen Verteiler 16 ein Brenngas-Luftgemisch eingeleitet werden. Dieses strömt aus dem Verteiler 16 in den porösen Brennerkörper 10 ein und entzündet sich hier. Das Brenngas-Luftgemisch entweicht dem Verteiler und strömt in den Brennerkörper 10 ein. Bei niedrigen Brennerleistungen ist die Reaktionszone dicht um den Verteiler 16 herum angeordnet. Bei höheren Brennerleistungen erstreckt sich die Reaktionszone ebenfalls ringförmig zunehmend in den Brennerkörper 10 hinein. Die bei der Verbrennung entstandenen Abgase entweichen über die Mantelfläche 13, die als Abgasaustrittsfläche 12 dient.

Claims (9)

  1. Gasbrenner mit einem Brennerkörper, der von einer porösen Struktur zumindest teilweise durchdrungen ist, und in dem ein Brenngas-Luftgemisch verbrennbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich die quer zur Strömungsrichtung des Brenngas-Luftgemisches verlaufende Querschnittsfläche der Reaktionszone des Brennerkörpers (10), in der die Verbrennung stattfindet, in Strömungsrichtung zumindest in einem Teilbereich des Brennerkörpers (10) vergrößert.
  2. Gasbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich die Querschnittsfläche der Reaktionszone kontinuierlich vergrößert.
  3. Gasbrenner anch Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Brennerkörper (10) eine stumpfkegelförmige Geometrie aufweist, und
    daß die Eintritts-Querschnittsfläche (11), über die dem Brennerkörper (10) das Brenngas-Luftgemisch zuströmt, von der kleineren Kreisfläche des Brennerkörpers (10) gebildet ist.
  4. Gasbrenner nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Brenngas-Luftgemisch in den Brennerkörper (10) über eine Zuleitung (15) einleitbar und hier über einen, beispielsweise zylindrischen oder kugelförmigen Verteiler (16) in den Brennerkörper (10) abgebbar ist.
  5. Gasbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich die Querschnittsfläche der Reaktionszone über eine oder mehrere Stufensprünge vergrößert.
  6. Gasbrenner nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Brennerkörper (10) zwei oder mehrere zylindrische oder kreisscheibenförmige Teil-Brennerkörper (14.1, 14.2. ... 14.n) aufweist, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, und
    daß die Mittellängsachsen der Teil-Brennerkörper (14.1, 14.2 ... 14.n) zueinander fluchtend angeordnet sind.
  7. Gasbrenner nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Teil-Brennerkörper (14.1, 14.2 ... 14.n) in Strömungsrichtung des Brenngas-Luftgemisches unterschiedliche Dicken aufweisen.
  8. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich die Querschnittsfläche der Reaktionszone teilweise kontinuierlich und teilweise über einen oder mehrere Stufensprünge vergrößert.
  9. Verfahren zum Verbrenner eines Brenngas-Luftgemisches in einem Gasbrenner, wobei das Brenngas-Luftgemisch einem porösen Brennerkörper zugeleitet und in diesem verbrannt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß bei einer niedrigen Brennerleistung des Gasbrenners eine höhere Temperatur-Volumenbelastung im Brennerkörper (10) erzeugt wird als bei einer höheren Brennerleistung.
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