DE2129357A1

DE2129357A1 - Verbrennungsverfahren bei Gasbrennern zum Unterdruecken der Bildung von Stickstoffoxiden und Brennvorrichtung zum Durchfuehren des Verfahrens

Info

Publication number: DE2129357A1
Application number: DE19712129357
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Iida; Kazubumi Watanabe
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1971-03-03
Filing date: 1971-06-14
Publication date: 1972-09-14
Also published as: DE2129357B2; GB1354591A; FR2127487A5; DE2129357C3; US3730668A

Description

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PATINTANWXLTI EL LEINWEBER dimming. H. ZIMMERMANN

H Juni Wl,

Wy/Va/Sd

TOKYO GAS CO.,LTD., Tokyo/Japan

Verbrennungsverfahren bei Gasbrennern zum Unterdrücken der Bildung von Stickstoffoxiden und Brennvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsverfahren bei in Boilern verschiedenen Industrieheizöfen, Trockenofen, Backöfen od. dgl. verwendeten Gasbrennern, durch das die in den Verbrennungsgasen enthaltenen Stickstoffoxidmengen auf ein Mindestmaß verringert werden; ferner auf eine Brennvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Als Hauptfaktoren, die die in den Verbrennungsgasen enthaltenen Stickstoffaengen beeinflussen, werden im wesentlichen die Flammentemperatur, das Luftüberschußvertfältnis und die Kühlungegeschwindigkeit der Flamme angesehen. In dieser Hinsicht werden in bekannten unbeweglichen Verbrennungsgeräten verschiedene Verfahren zum Unterdrücken der Bildung von Stickstoffoxiden angewandt,die ia wesetlihen in die folgenden beiden Arten eingeteilt werden tonnen: bei der einen Art werden die Verbrennungsgasβ _β

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zum Verringern der Flammentemperatur nochmals in Umlauf gebrachtj und bei der anderen Art wird die für die Verbrennung benötigte j Luftmenge langsam zugeführt, um die Verbrennungsgeschwindigkeit | schrittweise zu steuern. Das erstere Verfahren weist jedoch die Nachteile auf, daß die Stabilität der Flamme gering ist, daß Mittel zum Umwälzen der Verbrennungsgase vorgesehen sein müssen und daß der thermische Wirkungsgrad-· klein ist. Andererseits weist das letztere Verfahren den Nachteil auf, daß, da daa Mischverhältnis von Brenngas und Luft zur Unbeständigkeit neigt, das Luftüberschußverhältnis etwas größer sein muß als bei den üblichen Verbrennungsverfahren, mit dem Ergebnis, daß die Bildung von Stickstoffoxiden weiter erhöht wird. Weiterhin bestehen die Nachteile, daß Einrichtungen zum Zuführen von Nebenluft vorgesehen sein müssen und daß die Verbrennungsflamme unerwünscht lang wird.

Der Erfindung liegt ein völlig neuer Gedanke zum Unterdrücken der Bildung von Stickstoffoxiden zugrunde. Gemäß der Erfindung können die Nachteile der bekannten Verfahren völlig beseitigt und der thermische Wirkungsgrad kann beträchtlich erhöht werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Aif der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise vaanschaulicht, und zwar zeig«:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführongsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung,

2 in vergrößertem Maßstab eine andere Ausführungsform des Düsenteils und

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Fig. 3 die Verbrennungskennlinien in bezug auf die bei der ! Verbrennung erzeugten Stickstoffoxidmengen. i

Fig. 1 zeigt eine Verbrennungskammer 1 mit einem' sich verjüngenden Düsenabschnitt 2. Die Querschnittsfläche der I Verbrennungskammer 1 beträgt das 5- bis 20-fache der Quer- : schnittsfläche des Düsenabschnitts 2. Um die Verbrennungskammer 1 herum ist ein Nebenluftkanal 3 ausgebildet. Ein Ende des Nebenluftkanals 3 ist mit Nebenluftdurchlaß-Löehern 4 versehen und das andere Ende ist in der Nähe des Düsenabschnitts 2 offen! oder geschlossen. Wenn der Nebenluftkanal 3 in der Nähe des \ Düsenabschnitts 2 geschlossen ist, sind Nebenluftdurchlässe 11 zur Verbrennungskammer 1 hin ausgebildet. In diesem Fall ent-

steht ein Kühlungsluftstrom 12 an der Seite des Düsenabschnittsi 2, der.den aus einem metallischen Material bestehenden Düsen- | abschnitt 2 kühlt. Die Menge der durch den Nebenluftkanal 3 ! fließenden Neben^uft beträgt 10 bis 40 fi des theoretischen Luftbedarfs und wird durch die Nebenluftdurchlaß-Löcher 4 bestimmt. Ferner ist ein Abzugsrohr 5 zum Abziehen des Verbrennungsgases im Ofen durch den austretenden Verbrennungs- ! gasstrom vorgesehen. Das Abzugsrohr 5 verbreitert sich in seinem Vertikalschnitt nach oben, um die Abzugswirkung für die Verbrennungsgase im Ofen zu erhöhen, und es ist in einem geeigneten Abstand oberhalb des DüsenabSchnitts 2 angeordnet. Die Verbren-I nungskammer 1, der Nebenluftkanal 3 und das Abzugsrohr 5 bestehen aus einem metallischen bzw. einem feuerfesten Material. ' Eine zum Ausgleichen des Luftstroms bestimmte Platte 6 ist mit einer, großen Zahl von Primärluftlöchern 7 versehen und ist mit ] einem Gaszuführungsrohr 8 fest verbunden, in dem ein Sparbrenner 9 konzentrisch mit letzterem befestigt ist.

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Bei der oben beschriebenen Konstruktion wird zur Verbrennung erforderliche Luft durch einen Lufteinlaß 10 zugeführt. Ein Teil der Luft, d.h. eine Luftmenge von 60 bis 90 $> des theoretischen Luftbedarfs wird durch die in"der Platte 6 ausge+ bildeten Primärluftlöcher 7 in die Verbrennungskammer 1 einge-,_x führt. Der übrige Teil der Luft tritt durch die Nebenluft durch-· laß-Löcher 4 in den Nebenluftkanal 3 ein und erreicht nach Passieren dieses Kanals das Ende des Düsenabschnitts 2. Ein Brenngas wird durch das Gaszuführungsrohr 8 in die Verbrennungskammer 1 eingeführt, wo es mit der Primärluft gut vermischt und verbrannt wird.· Da die Verbrennungskammer, wie oben beschrieben, mit dem sich verjüngenden Düsenabschnitt 2 versehen ist, erreicht die Last in der Verbrennungskammer eine Höhe \ von etwa 5000 - 10 000 χ 10 Kcal/m h. Die Verbrennungsgase \ enthalten eine gewisse Menge unverbranntes Brenngas, da nur die Primärluft in die Verbrennungskammer 1 eingeführt wird, und sie werden mit einer hohen Geschwindigkeit von 50 - 200 m/sec. \ .durch den Düsenabschnitt 2 aus der Verbrennungskammer abgeführt. Die mit so großer Geschwindigkeit austretenden Verbrennungsgas^

! werden mit der Nebenluft gemischt, die die Außenwand der Ver- ;

j brennungskammer 1 gekühlt hat, während sie sich parallel oder

^! in einem Winkel zur Nebenluft bewegen, und fließen während der j Sekundärverbrennung in das Abzugsrohr 5 oberhalb des Düsenabschnitte 2. Wenn die Verbrennungsgase mit der Nebenluft gemischt und verbrannt werden,wird um den Düsenabschnitt 2 herum ein negativer Druck entsprechen der Energie des Ver- !» brennungsgasstrahls erzeugt und die Verbrennungsgase im Ofen werden unter der Wirkung dieses negativen Drucks, wie durch * die Pfeile angedeutet, abgezogen. Der Verbrennungsgasstrahl

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und' die Verbrennungsgase im Ofen werden so schnell gemischt, daß die Hochtemperatur-Schnellstrom-Verbrennungsgase, die eine gewisse Menge unverbrannten Brenngases enthalten, in steigender Menge ausströmen und gekühlt werden, wobei das darin enthaltene unverbrannte Brenngas vollständig verbrannt wird. Da die Menge des Verbrennungsgasstrahls in Abhängigkeit vom Fließwiderstand im Ofen etwa das 10- bis 200-fache der Menge der Begleitgase im Ofen beträgt, zirkuliert eine außerordentlich große Menge Verbrennungsgas im 0£en.

Die Kennlinie A in Fig. 3 stellt das Ergebnis der mit dem Verfahren und dar Vorrichtung gemäß der Erfindung erzielten Verbrennung dar. Aus dieser Kennlinie ergibt sich, daß durch die Erfindung die Stickstoffoxidmenge im Vergleich zu den bekannter Brennvorrichtungen, deren Kennlinie durch eine Kurve E bezeichnet ist, wesentlich verringert werden kann.

Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform der Nebenluftkanal 3 um die Verbrennungskammer 1 herum ausgebildet und das Abzugsrohr 5 oberhalb des Düsenabschnitts 2 angeordnet ist, können die sich bildenden Stickstoffoxidmengen im Vergleich zu denen bei dem bekannten Brenner gemäß Kurve E auch dann verringert werden, wenn die Verbrennungskammer 1 in der obigen Fora allein ohne den Nebenluftkanal 3 und das Abzugsrohr 5 verwendet wird. In diesem Fall wird die gesamte theoretische Luftmenge für die Verbrennung in die Verbrennungskammer 1 eingeführt, jedoch muß in diesem Fall das Querschnittsflächenverhältnis zwischen dem Düsenabschnitt 2 und der Verbrennungskammer 1 kleiner sein und die Aufenthaltsdauer der Luft in der Ver- * ' brerinungskammer 1 muß kürzer sein als bei Vorhandensein des

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Nebenluftkanals 3, damit die Verbrennung nicht vollständig innerhalb der Verbrennungskammer stattfindet. Die eine gewisse Menge an unverbranntem Brenngas enthaltenden Verbrennungsgase werden durch den Düsenabschnitt 2 mit großer Geschwindigkeit abgezogen. Die aus dem Düsenabschnitt 2 austretenden Verbrennungsgase üben eine Ansaugwirkung aus und werden mit den Verbrennungsgasen im Ofen gemischt, wodurch ihre Menge erhöht und ihre Temperatur verringert, und das darin enthaltene unverbrann|- te Brenngas in der Sekundärverbrennung vertrannt wird. In einem solchen Fall ist die aus dem Ofen abgesaugte Gasmenge etwas kleiner als im vorhergehenden Fall, da die Luft nicht schrittweise zugeführt wird und das Abzugsrohr 5 nicht vorhanden ist. Wie Kurve D in Fig. 3 zeigt, ist jedoch die sich bildende Stickstoffoxidmenge viel kleiner als beim bekannten Brenner nach Kurve E. Eine Kurve B in Fig. 3 stellt eine Verbrennungskennlinie einer Brennvorrichtung dar, bei der das Abzugsrohr 5 oberhalb der Verbrennungskammer 1 vorgesehen ist, " jedoch nicht der Nebenluftkanal 3_f wie im vorhergehenden Fall. In diesem Fall wird keine Nebenluft zugeführt, da aber die Menge der aus der Verbrennungskammer 1 abgezogenen Gase durch das lirhandensein des Abzugsrohrs 5 vergrößert wird, ist die Wirkung der Unterdrückung der Bildung von stickstoffoxidaa größer als bed einer Brennvorrichtung, die nur die Verbrennunga kammer 1 aufweist. Eine Kurve C in Fig. 3 zeigt die Verbrennung!» kennlinie einer Brennvorrichtung, bei der der Nebenluftkanal 3 die Verbrennungskammer 1 umgibt, bei der jedoch kein Abzugsrohr 5 oberhalb der Verbrennungskammer vorgesehen ist. In diis Fall ist die Menge der aus dem Qfen abgezogenen Gase kleiner als im erstgenannten Fall, da jedoch die N_ebenluft durch den Neben-i

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luftkanal 3 zugeführt und für die Nachverbrennung verwendet _: wird, kann die Bildung von Stickstoffoxid wesentlich verringern werden.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß aufgrund einer Kombination von Merkmalen, und zwar daß die Primärver- ; brennung eine brennstoffreiche Verbrennung ist, daß die Ver- j brennung durch die Primär- und die Sekundärverbrennung schrittweise erfolgt, daß die Sekundärverbrennungsreaktion durchgeführt wird, während die Tempaatur des Brenngases durch die Verbrennungsgase im Ofen verringert wird, daß die Aufenthaltsdauer I der Verbrennungsgase im Ofen lang ist und daß die Flamme kurz ist, durch die Erfindung eine beachtliche Wirkung in der Unterdrückung der Bildung von Stickstoffoxiden erzielt wird. Währenc ferner, wie Fig. 3 zeigt, bei bekannten Brennvorrichtungen die ^! sich·entsprechend dem Lastfaktor bildenden Stickstoffoxidmengen (die Stickstoffoxidmengen pro Wärmemengeneinheit )jn wesentlichen konstant sind, ergibt sich bei der erfindungsgemässen Brennvorrichtung bei höherem Lastfaktor eine höhere Geschwindigkeit der aus dem Düsenabschnitt 2 austretenden Verbrennungsgase und daher eine größere Menge aus der Verbrennungskammer abgezogener Gase, so daß die Stickstoffoxidbildung verringert wird.

Gemäß der oben beschriebenen Erfindung ist es nicht nur möglich, die Mengen der sich bildenden Stickstoffoxide zu verringern, sondern auch die Hitzeübertragtng zu verbessern, ' wodurch die Temperaturverteilung im Ofen ohne Spezialeinrich- ι tungen" gleichmäßig gemacht werden kann und die Abmessungen der ! Verbrennungskammer in einem Ofen verringert werden können bzw.j im Ofen eine besondere Verbrennungskammer nicht erforderlich is!t. Daher kann durch die Erfindung die ganze Heizvorrichtung verein¹-facht werden. 20883β/0576 ~ ^Ö "

Claims

- 8 ! Patentansprüche:

j j ή. Verbrennungsverfahren bei Gasbrennern zum Unterdrücken der Bildung von Stickstoffoxiden, dadurch gekennzeichnet, ^: daß man die theoretische Luftmenge für die Verbrennung im Ganzen in eine Verbrennungskammer (1) einführt, die einen Düsenabschnitt (2) aufweist und deren Querschnittsfläche das ! 5- bis 20-fache der Querschnittsfläche des Düsenabschnitts j beträgt, ferner daß man 60 bis 90 $ eines Brenngases in der Verbrennungskammer (1) verbrennt, daß man tlie unverbranntes Brenngas enthaltenden Verbrennungsgase mit großer Geschwindigkeit durch den Düsenabschnitt (2) abzieht und das unverbrannte Brenngas außerhalb der Brennvorrichtung während des Abziehens ; der Verbrennungsgase aus dem Ofen durch die aus dem Düsenab-

j schnitt (2) ausgestoßenen Verbrennungsgase vollständig verbrennt.

,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenluft in einer Menge von 10 bis 40 $> der theoretischen Luftmenge für die Verbrennung an der Außenwand der Verbrennungskammer (1) entlanggeführt und das in den aus dem Düsenabschnitt (2) austretenden Verbrennungsgas enthaltene unverbrannte Brenngas durch die Nebenluft außerhalb der Brennvorrichtung vollständig verbrannt wird.
3. Brennvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Verbrennungskammer (1) mit einem an ihrem einen Ende ausgebildeten sich verjüngenden Düsenabschnitt (2) und durch ein Abzugsrohr (5) zum Abführen der aus der Verbrennungskammer (1) austretenden Verbrennungsgase, ösb sich in seinem Vertikalschnitt nach oben

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verbreitert und das in einem geeigneten Abstand oberhalb des !

Düsenabschnitts (2) angeordnet ist. !
4. Brennvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch·gekenn- \ zeichnet, daß die Verbrennungskammer (1) von einem Nebenluft- j kanal (3) umgeben ist, dessen eines Ende in der Nähe des Düsenabahnitts (2) offen ist. (Fig. 1).
5. Brennvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeicbjnet, daß die Verbrennungskammer (1) von einem Nebenluftkanal

(3) umgeben ist, dessen eines Ende in der Nähe des Düsenabschnitts (2) geschlossen ist und der Nebenluftdurchlässe (11)
zur Verbrennungskammer (1) hin aufweist (Fig.2).

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