CZ208192A3

CZ208192A3 - burner with reduced emission of harmful substances

Info

Publication number: CZ208192A3
Application number: CS922081A
Authority: CZ
Inventors: Werner Dr Ing Stutzenberger; Wilfried Ing Lissack; Erich Ing Czajka; Arne Herfeldt
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 1991-07-05
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1993-08-11
Also published as: AU1932692A; DE4122253A1; AU648183B2; EP0521522A3; CA2073223A1; EP0521522A2

Abstract

A burner for low-pollutant combustion of a fuel with an oxidising agent is proposed, the end of each fuel feed channel being fitted, according to the invention, with a projection of a section of length L beyond the end of each feed channel for the oxidising agent. In this way, stagewise combustion and aspiration of furnace waste gases for reducing the flame temperature can be accomplished, especially in order to avoid the formation of nitrogen oxides. The emission of pollutants can be further reduced by conical widening of the outside of the end piece of this feed channel.

Description

Vynález se týká hořáku se sníženou emisí škodlivin, zejména oxidů dusíku, které jsou škodlivé pro životní prostředí. Tyto hořáky musí být přizpůsobeny technice spalování, jejíž snahou je snížení vzniku těchto škodlivin. Oxidy dusíku vznikají v procesu spalování v podstatě z molekulárního dusíku pří tomného ve vzduchu a dusíku vázanéhn v. palivu. Tepelný oxid dusíku vzniká u kořene plamene nebo' v horkých pásmech plamene při teplotách nad 1300°C z disociovaných molekul kyslíku a dusíku. Tvoření tepelného NO závisí na koncentraci molekulárního dusíku a rovněž disociovaného kyslíku a silně závisí na teplotě. Pro tvoření NO z paliva je v první řadě rozhodujícíThe invention relates to a burner with reduced emission of pollutants, in particular nitrogen oxides, which are harmful to the environment. These burners must be adapted to the combustion technique which seeks to reduce the generation of these pollutants. Nitrogen oxides are formed in the combustion process essentially from the molecular nitrogen present in the air and the nitrogen bound in the fuel. Thermal nitrogen oxide is formed from dissociated oxygen and nitrogen molecules at the root of the flame or in hot flame zones at temperatures above 1300 ° C. The formation of thermal NO depends on the concentration of molecular nitrogen as well as the dissociated oxygen and strongly depends on the temperature. For the formation of NO from fuel, it is primarily crucial

Λ koncentrace kyslíku ve spalovacím vzduchu, resp. v oxidačním plynu. Hlavní ovlivňující veličinou je tak v obou případech součinitel pro vzduch!. Pokusy ukazují, že koncentrace oxidů dusíku stoupá s tg>3otou spalovacího prostoru a rovněž exponenciálně s teplotou spalovacího vzduchu. Maxima je dosaženo v blízkosti atechSaetrické oblasti spalování /součinitel ! je asi 1,1/ a směrem k oblasti podstechiometrické a nadste^lometrické /1= 0,6, resp.X= 1,6/ silně klesá.Λ oxygen concentration in combustion air, resp. in oxidizing gas. The main influencing variable in both cases is the air coefficient !. The experiments show that the concentration of nitrogen oxides increases with the tg> 3ot of the combustion space and also exponentially with the temperature of the combustion air. The maximum is reached near the atechSetric combustion / coefficient range! is about 1.1) and decreases strongly towards the region of the substoichiometric and extra-micrometeric (1 = 0.6 and X = 1.6, respectively).

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Koncentrace oxidů dusíku může být snížena recirkulací spa lín, přičemž úbytek ΝΌ souvisí exponenciálně se zpětně přiváΛ děným^- proudem spalin /Gas WSrme International 38» 1989, sešit 10, prosinec/. V technice spalování se projevuje snaha o redukci oxidů dusíku ve snižování parciálních tlaků kyslíku a du siku a spalovací teploty. Jako oxidačního plynu se proto použí vé vzduchu obohaceného kyslíkem nebo čistého kyslíku k minimalizování celkového obsahu dusíku. To mé však za následek vyšší teplotu plamene a vyšší parciální tlak kyslíku. Ke snížení celkového obsahu kyslíku se používá zpětného přivádění spalindo spalovacího vzduchu, resp. oxidačního plynu, čímž se jednak redukuje obsah kyslíku jeho zředěním a jednak se snižuje teplota spalování vlivem zátěže spalin, které odebírají plameni teplo. Účinně se přitom projevuje přívod ochlazených spalin do oblasti kořene plamene. Ke snížení teploty plamene se také používá chladících hořákových vložek. K témuž účelu je také vhodné stupňové spalování /Gas Wárme International, 39, 1990, sešit 6, červen/. Chladící hořákové vložky, které přicházejí do styku s plamenem, musí mít určitou geometrii, musí být zhotoveny ze speciálních materiálů a musí být přesně umístěny na hořáku. Když tyto chladící vložky nejsou optimálně přizpůsobeny hořáku a spalování, může dojít buá jenom k nedostatečnému chlazení plamene bez podstatného snížení N0„ nebo také k silnému snížení teploty plamene, s čímž je spojena vysoká emise CO.The concentration of nitrogen oxides can be reduced by recirculating The flue gas, which decrease exponentially related ΝΌ backwashed přiváΛ undiluted ^- exhaust gas stream / Gas WSRM International 38 »1989, No. 10, December /. In the combustion technique, efforts have been made to reduce nitrogen oxides by reducing the partial pressures of oxygen and nitrogen and the combustion temperature. Therefore, oxygen-enriched air or pure oxygen is used as the oxidizing gas to minimize the total nitrogen content. However, this results in a higher flame temperature and higher oxygen partial pressure. In order to reduce the total oxygen content, the return of combustion or combustion air is used. oxidation gas, which on the one hand reduces the oxygen content by diluting it and, on the other hand, decreases the combustion temperature due to the load of the flue gases that take heat away from the flame. The supply of cooled flue gas to the region of the flame root is effective. Cooling burner inserts are also used to reduce the flame temperature. Staged combustion is also suitable for this purpose (Gas Ware International, 39, 1990, workbook 6, June). Cooling burner liners that come into contact with the flame must have a certain geometry, be made of special materials, and must be accurately placed on the burner. If these coolants are not optimally matched to the burner and combustion, either the flame may be inadequately cooled without a significant reduction in NO 2 or the flame temperature may be greatly reduced, resulting in a high CO emission.

Hořáky ke stupňovému spalování mají ve směru po proudu, t.j. ve směru plamene natažené přívodní kanálky pro přívod spalovacího vzduchu, resp. oxidačního plynu, které dovolují přívod jenom nepatrného množství kyslíku primárními otvory ve spodní části v blízkosti horáku, dále přívod množství kyslíku odpovídající spalování blížícímu se stechiometrickému spalování, sekundárními a terciálními vzduchovými otvory v horní části. Teplota plamene tak zůstává hluboko pod teplotou při jednostupňovém spalování. Toto stupňové spalování s tak zvanými překážkami sekundárního vzduchu' provedenými v přívodním kanálku pro spalovací vzduch má nevýhody v tom, že tyto překážky obklopující hořák ve formě pláště, jsou vystaveny silnému působení horka, protože jsou umístěny po proudu od otvoru pro spalovací plyn, a že tvar pláště má silný vliv na emisi CO, která musí být vždy stanovena před použitím hořáku, a že některé tvary provedení jsou neúčinné kvůli příliš vysokým emisím COThe burners for the staged combustion have downstream channels, i.e. flame direction, inlet ducts for supplying combustion air, respectively. oxidant gas which allows only a small amount of oxygen to be fed through the primary openings in the lower part near the burner, and an amount of oxygen corresponding to the combustion approaching stoichiometric combustion, secondary and tertiary air openings in the upper part. The flame temperature thus remains well below the temperature of the single-stage combustion. This staged combustion with the so-called secondary air barriers provided in the combustion air supply duct has the disadvantage that the barriers surrounding the burner in the form of a shell are subjected to severe heat because they are located downstream of the combustion gas opening and that the shape of the shell has a strong influence on CO emissions, which must always be determined before the burner is used, and that some designs are ineffective due to too high CO emissions

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Úkolem tohoto vynálezu je vyvinout zlepšený hořák, který dovoluje optimálně využít uvedených možností k redukování škodlivin, a který odstraní uvedené nevýhody provedení známých horáků. Tento úkol je vyřešen hořákem podle vynálezu, jehož pod- 3 statou je, že konec každého přívodního kanálku pro palivo je uspořádán tak, že přesahuje o vzdálenost délky L konec každého přívodhíhď*’kaň‘álku .prď kyslíknebo plyn' obsahující'kyslík. Hořák podle vynálezu se skládá například, ze středového přívodního kanálku pro palivo a několika přívodních kanálků pro oxidační plyn s obsahem kyslíku, které soustředně obklopují tento středový přívodní kanálek. Tím, že přívodní kanálek pro palivo je uspořádán s přesahem, mohou paprsky oxidačního plynu vystupující z jednotlivých trysek, nasávat vlivem jejich sacího účinku spaliny ze spalovacího prostoru a také ineriuií produkty spalování, přeď jejich smícháním s proudem paliva. Čím delší je délka přesahu přívodního kanálku pro palivo, tím silněji se sníží parciální tlak kyslíku v důsledku jeho zředění, lýto paprsky obsahující kyslík a rozšiřující se směrem po proudu , které například obklopují středový proud paliva, zaručujíSUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an improved burner which makes it possible to make optimum use of the abovementioned possibilities for reducing pollutants, and which overcomes the disadvantages of the prior art burners. This object is achieved by a burner according to the invention, the essence of which is that the end of each fuel supply passage is arranged so that it extends by a distance L along the end of each inlet towards the oxygen or gas-containing gas canister. The burner according to the invention consists, for example, of a central fuel feed duct and several oxygen-containing oxidant gas feed ducts that concentrically surround the central feed duct. By providing an overlapping fuel feed channel, the oxidizing gas jets emanating from the individual nozzles can suck up the combustion products from the combustion chamber as well as the inert combustion products due to their suction effect, prior to mixing them with the fuel stream. The longer the length of the fuel feed channel overhang, the stronger the partial pressure of the oxygen due to its dilution, the downstream oxygen-containing beams that extend downstream, for example, surrounding the central fuel stream, guarantee

TQIIlC¹ kromě') dlouhoi^ráhw. promíchávání, která zaručuje rovnoměrné promíchání paliva a oxidačního plynu a zabraňuje tvoření hot spots /horkých bodů/, t.j'. horkých pásem v plameni. Dále se může nasáváním inertních produktů spalování snížit teplota plamene a zaručit ve velkém rozsahu podstechiometrické spalování, čímž se celkově účinně působí proti tvoření oxidů dusíku. Projevuje se jako výhodné, když délka L přesahující vzdálenosti přívodního kanálku pro palivo je několikanásobek, zejména.alespoň osminásobek průměru d^ přívodního kanálku pro kyslík nebo plyn s obsahem kyslíku. Při obvyklé vzdálenosti přívodních kanálků pro oxidační plyn od přívodního kanálku pro palivo o velikosti jedno až trojnásobku průměru d^ přívodního kanálku pro oxidační plyn vyplývá již při délce L vzdálenosti přesahu, která činí osminásobek průměru d^ , značné snížení emitovaných oxidů dusíku. Větší snížení nastává s přibývající délkou L. Průměrem d^ je zde a v dalším popisu míněn tak zvaný hydraulický průměr otvorů přívodních kanálků pro oxidační plyn. Tento hydraulický průměr se spočítá ze čtyřnásobku plochy průřezu A dělené obsahem U přívodních kanálků, tedy d_b= 4A/U. Přitom se přihlíží k tomu, šéxmůže použít také přívodních kanálků, které nemají kruhový ‘průřez otvoru.TQII1C ¹ except long). agitation which ensures uniform mixing of the fuel and oxidizing gas and avoids the formation of hot spots, i.e., " hot spots " hot zones in flame. Furthermore, the flame temperature can be lowered by suction of inert combustion products and a substoichiometric combustion can be ensured to a large extent, thereby effectively counteracting the formation of nitrogen oxides. It is advantageous if the length L over the distances of the fuel feed channel is several times, in particular at least eight times the diameter d of the oxygen or oxygen-containing feed channel. With the usual distance of the oxidant gas feed channels from the fuel feed channel of one to three times the diameter d of the oxidant gas feed channel, a considerable reduction in the emission of nitrogen oxides emitted already over a distance L of eight times the diameter dsob. A greater reduction occurs with increasing length L. The diameter d d is here and in the following description the so-called hydraulic diameter of the oxidation gas inlet duct openings. This hydraulic diameter is calculated from four times the cross-sectional area A divided by the content U of the supply ducts, i.e. d _b = 4A / U. In this connection, it is contemplated that the feed ducts which do not have a circular opening cross section can also be used.

V jedné výhodné variantě příkladu provedení je koncová část každého přívodního kanálku pro palivo provedena s kuželovým rozšířením na vnější straně. Tato rozšířená koncová část představuje překážku pro paprsek oxidačního plynu vystupujícího s velkým impulsem, na které se část tohoto paprsku zabrzdí.In one preferred variant of the exemplary embodiment, the end portion of each fuel feed channel is provided with a conical extension on the outside. This widened end portion constitutes an obstacle to the large-pulsed oxidizing gas beam upon which a portion of the beam is braked.

Toto snížení impulsu a současně vznikající vířeni zvyšuje kvalitu promíchávání paliva s oxidačním plynem a stabilitu plamene. Průměr D na konci kuželové rozšířené části každého přívodního kanálu je alespoň 1,3 krát větší než vnitřní průměr d přívodního kanálu pro palivo. V případě nekruhového průřezu je třeba tyto průměry opět chápat jako hydraulické průměry.This reduction of the pulse and the simultaneous turbulence increase the mixing quality of the oxidant gas fuel and the flame stability. The diameter D at the end of the conical widened portion of each fuel feed channel is at least 1.3 times greater than the internal diameter d of the fuel feed channel. In the case of a non-circular cross-section, these diameters must again be understood as hydraulic diameters.

Pro lepší realizaci principu stupňového spalování je výhodné, když je kuželovou rozšířenou koncovou částí každého přívodního kanálku pro palivo veden jeden nebo několik otvorů. Těmito otvory se vede menší část oxidačního plynu, proudícího kolem rozšířené koncové části přívodního kanálku pro palivo, která potom naráží přímo na proud paliva u ústí horáku. Množství kyslíku, které prochází těmito otvory, je . . určeno průměrem otvorů a je stanoveno tak, aby příao u kořene plamene nastalo podstechiometrické spalování. Plamen u ústí hořáku se udržuje stabilní a hoří při nízké teplotě.For a better implementation of the staged combustion principle, it is advantageous if one or more openings are guided through the conical widened end portion of each fuel feed channel. Through these openings, a smaller portion of the oxidant gas flowing around the expanded end portion of the fuel feed channel is guided directly into the fuel stream at the burner mouth. The amount of oxygen passing through these openings is. . It is determined by the diameter of the orifices and is determined so that a substoichiometric combustion occurs at the root of the flame. The flame at the burner mouth is kept stable and burns at a low temperature.

Část oxidačního plynu, která se obrací u kuželové rozšířené části se nakonec mísí se zbylým palivem ve vystupujícím plameni, kde se toto palivo spaluje s přibývajícím součinitelem ve směru plamene. Hlavní část plamene potom hoří téměř stechiometricky /JI asi 1.05/ s nižšími teplotami plamene než při jednostupňovém spalování.The portion of the oxidizing gas that is reversed at the conical widened portion is finally mixed with the remaining fuel in the emerging flame, where the fuel is combusted with an increasing coefficient in the flame direction. The main part of the flame then burns almost stoichiometrically (J 1 about 1.05) with lower flame temperatures than in single-stage combustion.

Hořák podle vynálezu dovoluje současné uskutečnění známých způsobů k redukování oxidů dusíku, jako je stupňové spalování, recirkulace spalin, snížení teploty spalování, rovnoměrné míšení paliva a oxidačního plynu, pomocí popsaných význaků a hodí se proto znamenitě k vytápění pecí při dodržování zostřených mezních hodnot pro oxidy dusíku a oxid uhelnatý.The burner according to the invention permits the simultaneous implementation of known methods for reducing nitrogen oxides, such as staged combustion, flue gas recirculation, lowering the combustion temperature, uniform mixing of fuel and oxidizing gas, using the described features and is therefore excellent for heating furnaces with nitrogen and carbon monoxide.

Fopis obrázků na výkreseFopis pictures on the drawing

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, kde na obr.1 je znázorněn bokorysný řez jednoho příkladu provedení hořáku podle vynálezu a na obr.2 je znázorněn pohled na ústí hořáku.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a side sectional view of one embodiment of a burner according to the present invention; and FIG. 2 is a view of a burner mouth.

, -pýf k-iady¹-provedeni' ~ vynál-éztf - ···-··· ' - /-·-··· ..... -.....<··-· -- · 4 ·', -pef k-iady ¹ -experienced - ··· - ··· '- / - · - ··· ..... -..... <·· - · - · 4 · '

Ra obr.2 je znázorněn příklad provedení se středově uspořádaným přívodním kanálkem J_ pro palivo, s pěti přívodními kanálky 2 pro přívod oxidačního plynu, soustředně uspořádanými kolem přívodního kanálku £ a rovněž s pěti otvory 3 procházejícími rozšířenou koncovou částí přívodního kanálku j_. Počet a geometrický tvar všech přívodních kanálků a 2. a otvorů 3_ se může měnit podle žádaného použití.Fig. 2 shows an exemplary embodiment with a centrally arranged fuel supply duct 7, with five oxidation gas supply ducts 2 concentrically arranged around the supply duct 6 and also with five openings 3 extending through the widened end portion of the supply duct. The number and geometric shape of all feed channels and openings 3 and openings 3 may vary according to the desired application.

Na obr.1 je znázorněn příklad provedení hořáku podle vynálezu se středovým přívodním kanálkem £ pro zemní plyn jako palivo, kde tento přívodní kanálek £ je obklopen přívodními kanálky 2 pro přívod oxidačního plynu, kterým je kyslík. Přívodní kanálek £ přesahuje podle vynálezu konce přívodních kanálků 2 o vzdálenost délky L. Jako délka L byla v tomto případě zvolena devatenáctinásobná hodnota průměru d^ přívodních kanálků £. Otvory 3, jsou vedeny kuželovité rozšířenou vnější stranou koncové části přívodního kanálku j_ pro palivo a umožňují průtok omezeného množství oxidačního plynu, který proudí z přívodních kanálků ,2. Průměr D na konci kuželovité rozšířené koncové části je asi 2,5 krát větší než vnitřní průměr dg přívodního kanálku £. Cestou ke koncové části přívodního kanálku nasávají paprsky kyslíku vystupující z přívodních kanálků 2 ochlazené spaliny plynu, které vznikají na konci plamene a zajišťují tak recirkulaci produktů spalování v peci. Část těchto oxidačních plynů proudících otvory J se promíchává u ústí hořáku se zemním plynem tvořícím palivo a tato směs tam shoří podstechiometricky. Zbývající část paprsku oxidačního plynu, proudící kolem koncové části přívodního kanálku J_ pro palivo, a která se směrem po proudu rozšiřuje, se promíchává s neúplně spáleným palivem v plameni a způsobí konečně jeho úplné spálení. Působením nasátých inertních produktů spalování, které odebírají plameni teplo, se dosáhne dalšího snížení teploty plamene. Současně se tímto uspořádáním může realizovat požadované stupňové spalování ke snížení emisí NO .1 shows an exemplary embodiment of a burner according to the invention with a central natural gas inlet channel 6 as a fuel, wherein the inlet channel 6 is surrounded by oxygen inlet channels 2 which are oxygen. In accordance with the invention, the supply channel 6 extends beyond the ends of the supply channels 2 by a distance L of length. The apertures 3 are guided conically by the widened outer side of the end portion of the fuel feed duct 1 and allow a limited amount of oxidizing gas to flow from the feed ducts 2. The diameter D at the end of the conical widened end portion is about 2.5 times greater than the inner diameter dg of the feed channel. On the way to the end portion of the inlet duct, the oxygen beams emerging from the inlet ducts 2 receive the cooled flue gases that are generated at the end of the flame and thus ensure the recirculation of the combustion products in the furnace. A part of these oxidizing gases flowing through the orifices J is mixed at the mouth of the burner with the natural gas forming the fuel and the mixture burns there by substoichiometry. The remaining portion of the oxidizing gas stream flowing around the end portion of the fuel feed channel 11 and widening downstream is mixed with the incompletely burned fuel in the flame and finally causes it to burn completely. The action of sucked-in inert combustion products which remove heat from the flame results in a further reduction of the flame temperature. At the same time, the desired staged combustion to reduce NO emissions can be realized by this arrangement.

3C3C

- 6 Při extrémně vysokých teplotách, které ohrožují tepelnou odolnost materiálu hořáku,, se může chladit přívodní kanálek j_At extremely high temperatures that compromise the heat resistance of the burner material, the inlet duct may be cooled.

V-*pro ’’·*^***«·***'^z 'ΧΓ'-Λ*·?ί<' -Instalování hořáku podle vynálezu vytváří dlouhý,, žlutý, měkký plamen s rovnoměrnějším rozdělením teploty bez hot spots” /horkých bodů/. V konečné části hoří plamen s koeficientem λV- * to '* ^ · *** "*** ·' ^z 'ΧΓ'-* · Λ? Ί <' -Instalování burner according to the invention creates a long ,, yellow soft flame with uniform distribution of temperature without hot spots ”/ Hot spots /. In the final part, a flame with a coefficient λ burns

1,05· Zpětně nasávané ochlazené produkty spalování a stupňové spalování zajišťují nízkou teplotu u kořene plamene. Stupňové spalování se u hořáku podle vynálezu dá uskutečnit při mnohem menších délkových rozměrech, než bylo dosud možné. Další výhodou je provoz spalování s nepatrným hlukem.1,05 · Back-cooled cooled combustion products and staged combustion ensure low temperature at the root of the flame. The staged combustion of the burner according to the invention can be carried out with much smaller length dimensions than previously possible. Another advantage is the operation of combustion with low noise.

Při provozu hořáku’ podle vynálezu bylo naměřeno při spalovacím výkonu 1 W asi 180 mg NO„/NnP spalin a asi 40 mg CO, při teplotě spalovacího prostoru v peci asi 1200°C a obsahu .kyslíku ve spalinách asi 5%· Tímto hořákem je s jistotou zajištěno, že se nepřekročí odpovídající mezní hodnota TA pro vzduch.In the operation of the burner according to the invention, about 180 mg NO2 / NnP flue gas and about 40 mg CO were measured at a combustion power of 1 W, at an oven temperature of about 1200 DEG C. and an oxygen content of about 5%. ensure with certainty that the corresponding TA limit value for air is not exceeded.

Claims

Burner ^ SOLUTION fuel combustion or plynenr containing ^- oxygen, with at least one supply channel for oxygen or oxygen-containing gas and at least one supply duct for the fuel, characterized in that the end of each supply duct / 1 / for the fuel is arranged that extends by the distance L over the end of each oxygen supply or oxygen-containing gas supply channel (2).

2. The burner according to claim 1, wherein the length L exceeds the length of the fuel inlet duct (1) several times, in particular at least eight times the diameter d of the inlet duct (2) for oxygen or oxygen-containing gas.

3. The burner according to claim 1, characterized in that the end portion of each fuel supply channel (1) is designed with a conical extension on its outer side.

The burner of claim 3, wherein the diameter D at the end of the conically widened end portion of each fuel feed channel (1) is at least 1.3 times greater than the internal diameter d of the fuel feed channel.

O

5. Burner according to claims 3 and 4, characterized in that the conically enlarged end portion of each supply duct ^- / l / fuel is passed one or several openings / 3 /.