DE19603482A1 - Low-NOx-Brenner mit verbessertem Betriebsverhalten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung umfassend einen Brennerkopf, eine Primärgaszufuhr und eine Sekundärgaszufuhr, die in mindestens eine Sekundärlanze mündet, wobei sich die Sekundärlanze bis nahe an den Brennerkopf erstreckt. Des weiteren betrifft die vor­ liegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung.

In petrochemischen Anlagen wird die Befeuerung von Spaltöfen unter anderem durch Installation von Seitenwandbrennern bewerkstelligt. Die gestufte Verbrennung von Heizgas in selbstansaugenden Low-NOx-Bren­ nern hat sich als Instrument zur Minderung der NOx-Bildung bewährt. Unter NOx als Sammelbegriff sollen im folgenden Stickstoff-Oxide ver­ standen werden, vor allem NO und NO₂.

In US 5 275 552 A (Schwartz et al.) wird eine Gasbrennervorrichtung sowie Verfahren zum Verbrennen von Gas-Luft-Gemischen beschrieben. Insbesondere wird die Vermischung von Heizöl und Luft in einer Misch­ zone beschrieben.

In US 5 271 729 A wird ein Brenner mit geringer NOx-Bildung be­ schrieben, in dem zwei verschiedene Gemische an unterschiedlichen Positionen in eine Brennkammer eingeleitet werden.

In der GB 2 224 823 A wird eine Brennervorrichtung beschrieben, bei der das zu verbrennende Gas aufgetrennten Wegen zu einem Bren­ nerkopf geführt wird. Dabei wird in einem ersten Zweig das zu ver­ brennende Gas in einer Venturidüse mit Luft gemischt und dem Bren­ nerkopf zugeführt. Über einen zweiten Zweig wird zu verbrennendes Gas direkt an den Brennerkopf geführt, wo es ausströmt.

In der Praxis werden solche Heizbrenner in einer Brennkammer instal­ liert. Beispielsweise können in einer 12 m langen und 8 m hohen Kam­ mer mit einer Breite von 2 m 150 Brenner installiert sein. Dabei steigen die Wandtemperaturen des Brennraums in Abhängigkeit vom ausgeübten Verfahren auf 1200 bis 1300°C. Die Lanzen der bekannten Brennerty­ pen enden in der heißen Kammer, wo es durch Verkokung am Bren­ nerkopf und besonders am Ende der zusätzlichen Gaslanzen, wo kein Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht, zu einer nachhalti­ gen Störung des Betriebsverhaltens kommt. Die hohe Temperatur, die die Neigung des Gasgemisches zur Zersetzung und damit Rußbildung ver­ ursacht, resultiert vorwiegend aus der Strahlung des mit den Seitenwand­ brennern befeuerten Ofenraums. Eine wiederholte, aufwendige Reinigung der blockierten Gaslanzen und des Brennerkopfs ist unumgänglich. Das Phänomen tritt verstärkt bei der Verfeuerung von spezifisch schwererem Heizgas (Gehalt an C₂₊-Kohlenwasserstoffen < 1 Vol.-%) auf.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner bereitzustellen, der ein verbessertes Betriebsverhalten aufweist. Insbeson­ dere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Brenner bereitzustellen, bei dem die Verkokung der Sekundärgaslanze im Brennraum reduziert wird.

Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfeuerung von Gasen in Brennern bereitzustellen, bei dem die eingangs geschilderten Probleme vermieden werden.

Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Brenner, wie er in Anspruch 1 definiert ist. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, wie es in Anspruch 6 dargestellt ist. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Brenneranordnung umfassend einen Brennerkopf, eine Primärgaszufuhr zum Zuführen von Primärgas zum Brennerkopf und eine Sekundärgaszufuhr, die in minde­ stens eine Sekundärgaslanze mündet, wobei sich die Sekundärgaslanze bis nahe an den Brennerkopf erstrecken kann, wobei Sekundärgaszufuhr und Sekundärgaslanze derart ausgebildet und angeordnet sind, daß Sekundär­ gas mit Schallgeschwindigkeit aus der mindestens einen Sekundärgaslanze austreten kann. Da das Sekundärgas nun mit Schallgeschwindigkeit aus der Lanze austreten kann, d. h. daß es zur überkritischen Entspannung des Sekundärgases an dem Sekundärgaslanzenende kommt, verringert sich die Verweilzeit, in der sich das Sekundärgas am Ende der Lanze zerset­ zen könnte. Auf diese Weise wird die Verweilzeit des Heizgases in der Sekundärgaslanze verringert, wodurch die Temperatur an der heißen Spitze der Lanze entscheidend abgesenkt werden kann. Des weiteren wird die Lanze durch den hohen Durchsatz am - im Vergleich zum Brennraum kalten - Gas zusätzlich gekühlt. Die Neigung zur Koksbildung wird durch die erfindungsgemäße Brenneranordnung vollkommen ver­ mieden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung ist eine Brenneranordnung vorgesehen, bei der an der Sekundär­ gaslanze eine Blende zum Einrichten des Sekundärgasstroms vorgesehen ist. Durch diese Blende kann die Geschwindigkeit und das Mischungs­ verhältnis von Primär- und Sekundärheizgas eingestellt werden. Die Blende ist auch eine einfache Möglichkeit, um im Zusammenspiel mit dem anstehenden Druck für eine überkritische Entspannung des Sekun­ därheizgases an der Blende zu sorgen. Besonders bevorzugt wird die Blende am Ende der Sekundärgaslanze vorgesehen. Auf diese Weise wird die überkritische Entspannung des Sekundärgases nächstmöglich des Brennerkopfes erfolgen, so daß die Ausströmgeschwindigkeit des Gases am Ende der Lanze nahe des Brennerkopfs maximal ist. Durch die Blende wird auch das Mischungsverhältnis zwischen Sekundärgaszufuhr und Primärgaszufuhr geregelt. Bevorzugt ist hierbei eine Aufteilung des Heizgases zu 20 Teilen auf die Sekundärgaszufuhr und zu 80 Teilen auf die Primärgaszufuhr. In der Primärgaszufuhr werden die 80 Teile Heizgas überstöchiometrisch mit Luft gemischt und dem Brennerkopf direkt zugeführt. Die 20 Teile Heizgas in der Sekundärgaszufuhr werden bevor­ zugt ungemischt über die Sekundärgaslanze in den Brennraum geführt.

Die Blende kann beispielsweise aus einer Bohrung von 1,7 mm bestehen, wobei die Sekundärgaslanze einen Innendurchmesser von 4 mm aufweisen kann.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brenneranordnung vorgesehen, bei der der Vektor der Hauptausströmrich­ tung des Sekundärgasstromes mit dem Vektor der Längsachse des Bren­ ners in Richtung der Hauptströmungsrichtung des Primärgases einen Winkel von mehr als 30°, besonders bevorzugt 45°, aufweist. Auf diese Weise kann die Strömungsrichtung des sich überkritisch entspannenden Sekundärgases eingestellt werden. Da es sich beim Sekundärgas bevorzugt um reines Heizgas handelt, ist es vorteilhaft, dieses nicht direkt an den zugeordneten Brennerkopf bzw. dessen Hauptflamme einzuleiten, sondern das Gas direkt in den Brennraum zu führen. Durch die Wahl des Winkels kann das Sekundärgas somit an der Hauptflamme des Brenner­ kopfes der einzelnen Brenner vorbeigeführt werden, d. h. daß der Winkel so gewählt ist, daß das Sekundärgas vom Brennerkopf weggeleitet wird. Auf diese Weise kann die Verbrennung des Sekundärheizgases im we­ sentlichen im Brennraum stattfinden und nicht unmittelbar im primär am Brennerkopf erzeugten Flammenbereich. Das bedeutet, es wird eine Temperaturspitze vermieden und die Bildung von Stickoxiden (NOx) kann noch weiter reduziert werden.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Brenneranordnung vorgesehen, bei der nur eine Se­ kundärgaslanze pro Brennerkopf vorgesehen ist. Durch die Reduzierung der Anzahl der Sekundärgaslanzen kann für jeden einzelnen Brenner eine spezielle Ausblasrichtung für das Sekundärgas vorgesehen werden. Auf diese Weise läßt sich durch gezieltes Einrichten der einzelnen Brenner in einem Ofenraum ein spezielles Abbrandverhalten einstellen. Durch den anstehenden Druck an der einzelnen Lanze wird zusätzlich vermieden, daß sich weitere Lanzen der gleichen Sekundärgaszufuhr zusetzen. bzw. verstopfen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennung von Primärgas und Sekundärgas in einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung vorgesehen, bei der das Sekundär­ gas mit Schallgeschwindigkeit aus der Sekundärgaslanze in einen den Brennerkopf umgebenden Brennraum eingeleitet wird. Durch dieses Verfahren können die Vorteile der geringen Verkokung und der geringen Bildung von Stickoxiden erreicht werden. Durch die hohe Geschwindigkeit des Sekundärgasstromes wird zweierlei erreicht: Zuerst wird das Sekun­ därgas schnell durch den heißen Abschnitt hindurchgeleitet, in dem sich das Gas leicht zersetzen könnte, und zweitens wird durch den hohen Durchsatz an Gas erreicht, daß die Sekundärgaszufuhr, bevorzugt die Sekundärgaslanze, gekühlt wird, um auch so eine Zersetzung zu verhin­ dern.

In einem weiteren vorteilhaften Verfahren der vorliegenden Erfindung wird als Primärgas und/oder Sekundärgas ein Heizgas, insbesondere eine methanreiche Gasfraktion mit einem Methangehalt von mehr als 90 Vol.-% eingesetzt. Dabei ist es besonders bevorzugt, für sowohl das Primär­ gas- als auch das Sekundärgasgemisch dieselbe Quelle zu verwenden. Der im Sekundärgas anstehende Druck kann dabei auch für die Primärgas­ zufuhr verwendet werden. Besonders bevorzugt wird ein Druck von weniger als 10 bar, insbesondere 4 bar, in der Primärgaszufuhr und der Sekundärgaszufuhr verwendet. In der Anfeuerungsphase kann auch eine ethylenreichere Gasfraktion eingesetzt werden. Die methanreiche Gas­ fraktion kann beispielsweise aus dem Rohgas der Naphthaspaltung gewon­ nen werden.

In einem weiteren Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das Se­ kundärgas unter einem Winkel zwischen dem Vektor der Hauptausström­ richtung des Sekundärgasstromes und dem Vektor der Längsachse des Brenners von mehr als 30°, besonders bevorzugt 45°, weggerichtet von der Längsachse des Brenners in den Brennraum eingeleitet. Durch dieses "Vorbeiführen" des Sekundärgasstromes an dem Brennerkopf wird verhin­ dert, daß das Sekundärgas direkt in die heiße Flamme des Brennerkopfs geleitet wird und sich dort zersetzen könnte. Durch die Wahl des Win­ kels kann somit erreicht werden, daß der Sekundärgasstrom in den Brennraum gelangt und erst dort gezündet wird.

In der folgenden Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung genauer beschrieben, wobei auf weitere vorteilhafte Fort­ bildungen eingegangen wird.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brenner­ anordnung im schematischen Aufbau.

In Fig. 1 ist eine Brenneranordnung mit einem Brennerkopf 1 gezeigt, der in der Ausmauerung 10 eines Ofenraums angebracht ist. Über eine Primärgaszufuhr 6 wird Heizgas in einen Mischraum 11 zugeführt, in den auch Verbrennungsluft über einen Verbrennungslufteinlaß 9, der als Schalldämpfer 12 ausgebildet ist, angesaugt wird. Die Menge der ange­ saugten Verbrennungsluft kann durch die Luftklappe 7 eingestellt werden. Zwischen dem Mischraum 11 und dem Brennerkopf 1 ist eine Venturidü­ se 4 vorgesehen. Weiterhin ist eine Sekundärgaszufuhr 5 vorgesehen, die sich durch die Ausmauerung 10 erstreckt und an deren Ende eine Gaslanze mit einer Blende 2 vorgesehen ist. Der Auslaß der Blende 2 ist so eingestellt, daß ausströmendes Gas aus der Sekundärgaszufuhr mit der Längsachse des Brennerkopfs 1 einen Winkel 8 von ca. 45° bilden.

Im Betrieb wird Primärgas über die Primärgaszufuhr 6 in den Mischraum 11 geleitet. Mittels der Luftklappe 7 wird das Mischungsverhältnis mit der über den Verbrennungslufteinlaß 9 angesaugten Luft eingestellt. Dieses Gemisch von Primärgas und Verbrennungsluft wird über die Venturidüse 4 dem Brennerkopf 1 zugeführt, wo es austritt. Gleichzeitig wird über die Sekundärgaszufuhr bevorzugt reines Heizgas in den Bren­ nraum eingeblasen. Durch die Wahl der Gasblende 2 wird erreicht, daß das mit Schallgeschwindigkeit einströmende Sekundärgas die Sekund­ ärgaslanze 3 verläßt und am Brennerkopf vorbei in den Brennraum eingeleitet wird. So verbrennt das Sekundärgas nicht schon am Ende der Sekundärgaslanze, sondern entzündet sich erst im Flammenbereich des Brennerkopfes bzw. dahinter. Auf diese Weise wird nicht nur die Tempe­ ratur an der Sekundärgaslanzenspitze abgesenkt, sondern es wird auch vermieden, daß sich das Sekundärgas schon zwischen Brennerkopf und Ausmauerung zersetzt und auf diese Weise Ruß bildet.

Die Sekundärgaszufuhr 5 kann von der Primärgaszufuhr 6 getrennt sein, so daß auch verschiedene Heizgastypen über die Primärgaszufuhr und die Sekundärgaszufuhr in den Brennraum eingespeist werden können. Bevor­ zugt wird die Primärgaszufuhr 6 und die Sekundärgaszufuhr 5 aus dersel­ ben Quelle gespeist und die Verteilung von Primärgas zu Sekundärgas durch die Gasblende eingestellt. Die Mischungsverhältnisse zwischen Primärgas und Verbrennungsluft werden hierbei in Abhängigkeit des anstehenden Gasdruckes durch die Luftklappe 7 eingestellt.

BEISPIEL

Mit dem erfindungsgemäßen Low-NOx-Brenner mit verbessertem Betriebs­ verhalten wird ein Brenner bereitgestellt, bei dem Verkokung am Bren­ nerkopf und besonders am Ende der zusätzlichen Gaslanzen, wo kein Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht, vermieden wird. Es wurde weiterhin ein Verfahren angegeben, bei dem trotz der hohen Temperaturen vorwiegend aufgrund der Strahlung des mit den Seiten­ wandbrennern befeuerten Ofenraums die Neigung des Gasgemisches zur Zersetzung und damit zur Rußbildung vermieden werden kann. Eine wiederholte, aufwendige Reinigung der blockierten Gaslanzen und des Brennerkopfes ist somit nicht mehr notwendig. Insbesondere konnte die Verkokung auch bei der Verfeuerung von spezifisch schwererem Heizgas vermieden werden. Auf diese Weise wurde ein Brenner zur Verfügung gestellt, der die zur Verbrennung erforderlichen Ressourcen effektiver und damit sparsamer einsetzt und durch die reduzierte Stickoxidbildung von 80 auf 75 mg/Nm³ Rauchgas bei voller Feuerungsleistung eine umweltschonendere Befeuerung ermöglicht.

Claims (9)

1. Brenneranordnung umfassend

• - einen Brennerkopf (1),
• - eine Primärgaszufuhr (6) zum Zuführen von Primärgas zum Brennerkopf, und
• - eine Sekundärgaszufuhr (5), die in mindestens eine Sekundärgas­ lanze (3) mündet,

dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärgaszufuhr (5) und Sekundär­ gaslanze (3) derart ausgebildet und angeordnet sind, daß Sekundär­ gas mit Schallgeschwindigkeit aus der mindestens einen Sekundärgas­ lanze (3) austreten kann.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Sekundärgaslanze (3) eine Blende zum Einrichten eines Sekun­ därgasstromes vorgesehen ist.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende am Ende der Sekundärgaslanze (3) vorgesehen ist.

4. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor der Hauptausströmrichtung des Sekundärgasstromes mit dem Vektor der Längsachse des Brenners einen Winkel (8) von mehr als 30°, besonders bevorzugt 45°, auf­ weist.

5. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Sekundärgaslanze (3) pro Brennerkopf (1) vorgesehen ist.

6. Verfahren zur Verbrennung von Primärgas und Sekundärgas in einer Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärgas mit Schallgeschwindigkeit aus der Sekundärgaslanze (3) in einen den Brennerkopf (1) umgebenden Brennraum eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Primär­ gas und/oder Sekundärgas methanreiche Gase mit einem Methange­ halt von mehr als 90 Vol.-% eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sekundärgas unter einem Winkel (8) zwischen dem Vektor der Hauptausströmrichtung des Sekundärgasstromes und dem Vektor der Längsachse des Brenners von mehr als 30°, besonders bevorzugt 45°, weggerichtet von der Längsachse des Brenners in den Brennraum eingeleitet wird.