DE19520650A1

DE19520650A1 - Burner-technical device for reducing nitrogen oxide formation in industrial furnace lighting

Info

Publication number: DE19520650A1
Application number: DE1995120650
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Hegewald; Peter Dr Ing Hemmann; Helmut Dipl Ing Heelemann
Original assignee: Software & Tech Glas GmbH
Current assignee: Software & Tech Glas GmbH
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1996-12-12
Also published as: WO1996041989A1

Abstract

A burner device reduces primary NOx formation in high temperature furnaces and implies the direct supply of gas into the furnace by means of an injector with a closed design and an opening angle of 19 DEG . The device consists of three elements known per se, i.e. a burner nozzle, an orifice cap (2) and a burner orifice (3). The invention is characterised by the closed enveloping line of the injector formed by said three elements and by their single axis. In order to achieve this characteristic, the device has only cylindrical guides (4) that allow no deviations between the burner elements. In one example, the combined effect of suppression of inleaked air and dampening of initial reaction reduces thermal NO by 50 % in relation to the state-of-the-art.

Description

Die Erfindung betrifft eine sogenannte Primärmaßnahme zur Min derung der Stickoxidbildung bei Industrieofenbefeuerungen in Form einer Vorrichtung zur Brenngaseinbringung an Wannenöfen, bestehend aus den Bauteilen Brennerdüse, Brennerdüsenstein und einer dazwischen angeordneten Düsensteinvorsatzplatte und da durch gekennzeichnet, daß deren Aneinanderreihung eine zwangs geführte, gemeinsame Achse des Gasstrahlraumes aufweist, daß dieser Gasstrahlraum eine geschlossene Mantellinie besitzt und in Form eines Diffusors mit einen Öffnungswinkel von etwa 19 Grad ausgebildet ist.The invention relates to a so-called primary measure for min Change in nitrogen oxide formation in industrial furnace firing in Form of a device for the introduction of fuel gas in furnace furnaces, consisting of the components burner nozzle, burner nozzle block and an intermediate nozzle block plate and there characterized in that their stringing together is a forced guided, common axis of the gas jet chamber has that this gas jet chamber has a closed generatrix and in the form of a diffuser with an opening angle of approximately 19 Degree is formed.

Da Hochtemperaturöfen, wie beispielsweise Glasschmelzwannen, Prozeßtemperaturen um 1600°C aufweisen, liegen die erforderli chen Temperaturen der Wärmequelle, also die Flammentemperatu ren, zwangsläufig deutlich über diesem Niveau. In der Folge ist die Bildung des überwiegend für die Gesamtausbringung ver antwortlichen, sogenannten thermischen NO, die bei 1600°C ein setzt und sehr stark mit steigender Temperatur zunimmt, nicht vollständig vermeidbar, solange Luft an der Verbrennung betei ligt ist.Since high-temperature furnaces, such as glass melting tanks, Process temperatures around 1600 ° C are the required Chen temperatures of the heat source, i.e. the flame temperature ren, inevitably well above this level. Subsequently is the formation of the predominantly ver for the total output responsible, so-called thermal NO, which at 1600 ° C sets and increases very strongly with increasing temperature, not completely avoidable as long as there is air on the combustion is.

Zahlreiche bekanntgewordene Verfahren und Vorschläge zur pri mären NOx-Minderung mittels Flammentemperaturabsenkung sind für Hochtemperaturprozesse damit nicht anwendbar, wenig wirk sam oder sogar kontraproduktiv. Obwohl der grundlegende Me chanismus der thermischen NO-Bildung durch J.A. Zeldovich (1948) und Baulch (1991) aufgeklärt ist, sind die Erfolge primärer NOx-Minderung im Hochtemperaturbereich bescheiden im Vergleich mit kälteren Öfen, insbesondere weil der Zugriff über die Absenkung der Flammentemperatur hier verbrennungs technisch nur sehr begrenzt möglich ist und diese Maßnahme, sobald sie allein ausgeführt wird, schmelztechnologisch mit unakzeptablen Nachteilen bei Brennstoffverbrauch und Ofen leistungsparametern verbunden ist. Der hier insbesondere in Betracht kommende Stand der Technik primärer NOx-Minderung bei Hochtemperaturöfen ist gekennzeichnet zum einen durch die Aushaltung von Luft bei der Verbrennung, wobei diese durch möglichst reinen Sauerstoff ersetzt wird (oxy-fuel-Verfah ren), zum andern durch nah- oder unterstöchiometrische Luftzu führung zur Verbrennung, die ggf. auch stufenweise vorgenommen wird (u. a. Luftstufungsverfahren). Darüber hinaus sind Brenner bekannt geworden, die die Minderung örtlich überhöhter Tempe raturen der Flamme durch Stelleingriffe am Brenner bezüglich der Zerstäubercharakteristik ermöglichen und damit die empi rische Ermittlung günstiger Einstellparameter durch den Be treiber zulassen, wobei die ofentechnologischen Rückwirkungen anderweitig aufzufangen oder hinzunehmen sind. Die Wirksam keit der Methode beruht dann zumeist auf der Nutzung bislang unerkannter Reserven im zufälligen Arbeitsbereich, der ledig lich durch das zusätzliche Stellglied um einen oder mehrere Freiheitsgrade erweitert wird. Damit bleiben gerade im Hoch temperaturbereich die Effekte von an sich bekannten Zerstäu bern, die nur um die Regelbarkeit angereichert wurden, nach folgend innovativer Arbeit überlassen. Bei Gasbrennern weist die seit langem bekannte, oft modifizierte, sogenannte Gasdüse in diesem beschränkten Rahmen relativ günstige Werte auf. Mit P 42 25 257 DE und P 195 20 649.5 sind darüberhinaus stickoxidmindernden Verfahren für Industrieöfen bekannt gewor den, die den Widerspruch zwischen der Flammentemperaturabsen kung und der Leistung des Ofens dadurch auflösen, daß kältere Flammen mit einer veränderten Flammenlage im Ofen kombiniert werden, wobei sich beide Aspekte gegebenenfalls gegenseitig begünstigen. Damit eröffnen diese Verfahren prinzipiell die Aufgabenstellung für zwei Arbeitsrichtungen; zum einen für "kältere" bzw. im Temperaturprofil optimierte Flammen und zum anderen für intensivierte Wärmeübertragung unter diesen Be dingungen. Die genannten Erfindungen beinhaltet jedoch keine dazu und für Gas geeignete Brennervorrichtung. Numerous procedures and proposals for pri are NOx reduction by lowering the flame temperature not applicable for high temperature processes, little effect sam or even counterproductive. Although the basic Me mechanism of thermal NO formation by J.A. Zeldovich (1948) and Baulch (1991) are the successes modest primary NOx reduction in the high temperature range compared to colder stoves, especially because of the access about lowering the flame temperature here combustion is technically very limited and this measure, as soon as it is carried out alone, with melting technology unacceptable disadvantages in terms of fuel consumption and furnace performance parameters. The one here in particular State of the art considered primary NOx reduction High temperature furnaces are characterized on the one hand by the Withstanding air during combustion, this by pure oxygen is replaced as far as possible (oxy-fuel process ren), on the other hand through near or substoichiometric air Guide to combustion, which may also be carried out in stages will (including air grading). They are also burners become known, which is the reduction of locally excessive tempe the flame by adjusting the burner enable the atomizer characteristics and thus the empi The determination of favorable setting parameters by the operator Allow drivers, the furnace technological repercussions are otherwise to be absorbed or accepted. The effective The method is then mostly based on its use up to now undetected reserves in the random work area, the single Lich by the additional actuator by one or more Degrees of freedom is expanded. So stay high temperature range the effects of known atomization bern that were only enriched by the controllability left to innovative work. With gas burners the long-known, often modified, so-called Gas nozzle in this limited range relatively cheap values on. With P 42 25 257 DE and P 195 20 649.5 are beyond that Nitric oxide reducing process for industrial furnaces has become known the one that contradicts the flame temperature decrease kung and the performance of the oven by making colder Combined flames with a changed flame position in the furnace , both aspects mutually mutually favor. In principle, these procedures open up the Task for two work directions; on the one hand for "colder" or in the temperature profile optimized flames and others for intensified heat transfer among these be conditions. However, the inventions mentioned do not include any burner device suitable for this and for gas.

Bekanntermaßen ist die Aushaltung von Falschluft, insbesondere in der Umgebung der Flammenwurzel, z. B. am Brennerdüsenstein eine effektive Stickoxid-Primärminderungsmaßnahme bei Hochtem peraturindustrieöfen. Die diesbezüglich dem Ziel der Erfindung am nächsten stehende Lösung des Problems ist die Anordnung ei ner Brennerdüsensteinvorsatzplatte. Die Ausrichtung der Flam men in einer vorwiegend vom Ofenbau abhängigen, optimalen Win kelung in der vertikalen Ebene ist inzwischen als effektive Maßnahme erkannt worden. Den Stand der Technik auf diesem Ge biet bestimmen, wegen der widerspruchsfreien Erfüllung beider Gesichtspunkte, die genannten Vorsatzplatten speziell mit ei ner sphärischen Kontaktfläche zur Brennerlanze hin. Diese hat die Gestalt eines konkaven Kugelabschnitts, der einen zylin drischen Gasdurchtritt aufweist. Die verbleibenden Luftspalten zum anschließenden, stirnseits gleichmäßigen, aber kugelkon vexen Kopf der Brennerlanze hin, können somit in einem weiten Auswinkelungsbereich der Lanzen klein gehalten werden. Ähnlich gestaltete Anordnungen an Rohrleitungen werden üblicherweise als Kugel-Pfanneverbindung bezeichnet. Die, von üblichen Vor richtungen zur Brennerhalterung, bezweckte Auswinkelbarkeit der Brennerlanzen gegenüber dem Brennerdüsenstein bleibt somit erhalten und ist ausdrückliches Ziel der Vorrichtung. Nachtei lig an dieser und ähnlichen bekannten Lösungen ist aber gerade diese durchweg beabsichtigte und mit der inneren Auswinkelbar keit verbundene, wechselnde Gestalt der Gaseinbringung, die insbesonders verbunden ist mit Abrißkanten der Gasströmung an den Übergangsstellen zwischen den Vorrichtungsbauteilen. Da durch werden, infolge erhöhter Quermischungsimpulse nun eben falls nachteilige, frühe Lufteinmischungen in die Flammenwur zel verursacht. Bei entsprechenden Auswinkelungen wird die ser Nachteil in der Regel nicht separat erkannt, da er stets mit dem Winkeleinfluß gekoppelt in Erscheinung tritt. Entspre chend dem bekannten Stand der Technik werden diese negativen Effekte ebenso von den ohnehin danach stets vorhandenen Dis kontinuitäten im Strömungsweg zusätzlich überlagert. Diesbe züglich schließt sich an die zumeist unvorteilhaft zylindrisch gestalteten Düsen von Brennerlanzenkopf und Düsensteinvorsatz platte der Brennerdüsenstein an, der zumeist als Diffusor mit einem nachteiligen Öffnungswinkel deutlich größer als 20°, ausgeführt ist. Der Übergang, von der Zylinderform in die des überkritischen Diffusors am Düsenstein, überlagert ebenfalls, die Strömungsturbulenz erhöhend und dadurch mit NO-steigerndem Ergebnis, die Effekte von Brennerlanzenauswinklungen, so daß dieser negative Aspekt bislang nicht explizit offenkundig war.As is well known, the keeping of bad air, in particular in the vicinity of the flame root, e.g. B. on the burner nozzle block an effective nitrogen oxide primary reduction measure at high temperatures temperature industrial stoves. In this regard, the aim of the invention The closest solution to the problem is the arrangement ner burner nozzle stone plate. The alignment of the flam in an optimal win that is primarily dependent on furnace construction Tilting in the vertical plane has become effective Measure has been recognized. The state of the art on this Ge determine offer because of the contradictory fulfillment of both Points of view, the above-mentioned face plates specifically with egg spherical contact surface towards the burner lance. This has the shape of a concave spherical section that a cylin has gas passage. The remaining air gaps for subsequent, evenly on the end face, but spherical vexen head of the burner lance, can thus in a wide Angulation range of the lances can be kept small. Similar Designed piping arrangements are common referred to as a ball-socket connection. The, from usual before directions to the burner holder, intended angularity the burner lance in relation to the burner nozzle block remains received and is the express goal of the device. Night egg lig on this and similar known solutions is straight these were all intended and with the inner angle bar connected, changing shape of the gas supply, the is particularly associated with tear edges of the gas flow the transition points between the device components. There due to increased cross-mixing impulses if adverse early air interferences in the flame sausage zel caused. With appropriate angles, the This disadvantage is usually not recognized separately as it is always appears coupled with the influence of the angle. Correspond According to the known prior art, these become negative Effects as well from the disks that are always present afterwards continuities in the flow path additionally superimposed. This quickly joins the mostly unfavorable cylindrical designed nozzles of burner lance head and nozzle stone attachment flattened the burner nozzle stone, which is usually used as a diffuser an adverse opening angle significantly larger than 20 °, is executed. The transition from the cylindrical shape to that of the supercritical diffuser on the nozzle block, also superimposed, increasing the turbulence of the flow and thereby increasing the NO Result, the effects of torch lance angles so that this negative aspect has not yet been explicitly apparent.

Das Problem wird durch eine dreiteilige erfinderische Vorrich tung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß vom Brenner kopf an bis zum Gasaustritt am Brennerdüsenstein ein durchgän giger Diffusor gebildet ist, der an der Brennermündung einen Öffnungswinkel von etwa 17 Grad aufweist und daß die Mantelli nie des Diffusors, dabei die Brennerdüsenvorsatzplatte mit einschließend, einen geschlossenen Kurvenzug bildet, daß die Austrittsöffnung des Diffusors am Brennerdüsenstein einen Öff nungswinkel um 20 Grad aufweist und daß die äußeren form schlüssigen Anschlüsse zwischen den drei Bauteilen zylindrisch ausgebildet sind, so daß eine Auswinkelung untereinander nicht zugelassen wird.The problem is solved by a three-part inventive device tion solved, which is characterized in that the burner Head through to the gas outlet on the burner nozzle block is formed diffuser, which at the burner mouth Opening angle of about 17 degrees and that the Mantelli never the diffuser, with the burner nozzle plate including a closed curve that forms the Outlet opening of the diffuser on the burner nozzle block an opening angle of 20 degrees and that the outer shape coherent connections between the three components cylindrical are formed so that an angle to each other is not is allowed.

Der Vorteil der Erfindung besteht in einer drastischen Senkung sowohl der Quermischimpulse wie der Injektorwirkung zum einen gegenüber der Luft im Ofeninnenraum nahe der Flammenwurzel und zum andern gegenüber der Umgebungsluft. Hohe Flammentemperatu ren an diesem Ort werden zugleich durch eine unterdrückte Startreaktion der Verbrennung vermieden und so das fatale Zu sammentreffen von hohem Sauerstoff/Stickstoffkonzentrations produkt mit hohen Temperaturen sicher vermieden.The advantage of the invention is a drastic reduction both the cross mixing impulses and the injector effect on the one hand towards the air inside the furnace near the flame root and on the other hand to the ambient air. High flame temperature at this place are also suppressed by a Start reaction of the combustion avoided and so the fatal Zu high oxygen / nitrogen concentration product safely avoided at high temperatures.

Zudem wird durch die unterdrückte Startreaktion in Flammenwur zelnähe eine vorteilhaft verzögert einsetzende Kettenreaktion erzielt, die auch im weiteren Verlauf der Flamme deutlich ab geschwächte Temperaturmaxima zur Folge hat. Die Bildung des thermischen- oder Zeldovich-NO wird stark unterdrückt.In addition, the suppressed start reaction is in flames near the cell, an advantageously delayed chain reaction achieved, which also significantly decreased in the further course of the flame weakened temperature maxima. The formation of the thermal or Zeldovich NO is strongly suppressed.

Der Nachteil fixierter Flammenrichtung wird allein durch den Effekt strenger Axialität der Bauteile bei weitem überwogen, zumal dieser Vorteil der Vorrichtung nicht generell verschlos sen ist, sondern vollständig, wenn auch mit zunächst erhöhtem manuellen Aufwand, durch gemeinsame Auswinkelung der Bauteil gruppe eingestellt werden kann. Durch die klare Trennung von den überlagernden Einflüssen vereinfacht die Eindeutigkeit der Ergebnisse jedoch das Ermitteln eines diesbezüglichen Optimum und verringert somit langfristig sogar den manuellen Aufwand beim Betreiber.The disadvantage of fixed direction of flame is only due to the Effect of strict axiality of the components far outweighed, especially since this advantage of the device is not generally closed sen, but complete, albeit with an initially increased manual effort, by jointly angulating the component group can be set. By clearly separating the overlapping influences simplifies the uniqueness of the However, results the determination of an optimum in this regard and thus even reduces the manual effort in the long term at the operator.

Das Ausführungsbeispiel der brennertechnischen Vorrichtung zur Gaseinbringung beinhaltet die Gestaltung einer Brenner düse (1) des sogenannten Gaszerstäubers in Form eines Diffu sors mit einem Öffnungswinkel von 17°, an die sich unmittelbar, bei Vermeidung einer Abrißkante und mit kontinuierlich fort geführter Mantellinie des Diffusors, eine Düsensteinvorsatz platte (2) anschließt, die den gleichen Diffusoröffnungswin kel aufweist, wobei dieser Abschnitt ebenso in einen Diffu sor einmündet, der nunmehr vom Düsenstein (3) gebildet wird. Dieser weist aber einen Öffnungswinkel auf, der sich von 17° ausgehend kontinuierlich erweitert und am Ende des Düsen steins 21° erreicht. Zur Gewährleistung strenger Axialität des dreiteiligen Diffusors ist die äußere Führung von Düsen steinvorsatzplatte und Brennerdüsenstein als zylindrische Auf nahmeführung (4) ausgeführt. Ebenso ist der Anschluß von Brennerdüse und Düsensteinvorsatzplatte gestaltet. Das Aus führungsbeispiel an einer Floatglaswanne mit mehreren bereits eingeführten anderweitigen und an sich bekannten Primärminde rungsmaßnahmen, unter anderem mit der bisher niveaubestimmen den Anordnung einer Vorsatzplatte, erbrachte eine Minderung des thermischen NO auf etwa die Hälfte des bislang realisier baren Niveaus nach dem Stand der Technik primärer NOx-Minde rung.The embodiment of the burner technical device for introducing gas includes the design of a burner nozzle ( 1 ) of the so-called gas atomizer in the form of a diffuser with an opening angle of 17 °, to which immediately, with avoidance of a tear-off edge and with a continuously extending surface line of the diffuser, one Nozzle block adapter plate ( 2 ) connects, which has the same Diffusoröffnungswin angle, this section also opens into a diffuser, which is now formed by the nozzle block ( 3 ). However, this has an opening angle that extends continuously from 17 ° and reaches 21 ° at the end of the nozzle stone. To ensure strict axiality of the three-part diffuser, the outer guide of the nozzle stone plate and burner nozzle stone is designed as a cylindrical guide ( 4 ). The connection of the burner nozzle and the nozzle stone plate is also designed. The exemplary embodiment of a float glass trough with several other and known primary mitigation measures already introduced, among other things with the previous level-determining arrangement of a facing plate, resulted in a reduction of the thermal NO to approximately half the previously realizable level according to the prior art NOx reduction.

BezugszeichenlisteReference list

1. Brennerdüse
2. Düsensteinvorsatzplatte
3. Brennerdüsenstein
4. Zylindrische Aufnahmeführung 1. Burner nozzle
2. Nozzle block attachment plate
3. Burner nozzle block
4. Cylindrical mounting guide

Claims

1. Apparatus for reducing nitrogen oxide formation in industrial furnace firing, in particular for gas-fired bath-type furnaces, consisting of the known components Bren ner nozzle, burner nozzle block and an intermediate nozzle block plate, characterized in that the alignment of the three nozzles in the form of burner nozzle, nozzle Senstein attachment plate and burner nozzle stone have a common axis of the gas jet chamber, this gas jet chamber has a closed surface line and is designed in the form of a diffuser with an opening angle of 19 degrees.

2. Device according to claim 1, characterized in that the diffuser at the burner mouth has an opening angle of about 17 degrees, the generatrix of the diffuser one forms a closed curve and that the outlet opening of the diffuser on the burner nozzle block an opening angle of 20 Degrees.

3. Device according to claim 1 for the suppression of axlesab softening of the components in the sequence, thereby ge indicates that between burner nozzle stone and nozzle stone front plate and between this plate and the burner nozzle cylindrical receiving guides are arranged.