DE2908448C2 - Brenner zur Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen, bestehend aus einem Kernluftrohr mit zentrisch angeordneter ölzerstäuberlanze, einem das Kernluftrohr umgebenden Staubrohr, einem das Staubrohr umgebenden Mantelluftrohr mit einem am Lufteintritt angeordneten axial verschiebbaren Drallschaufelkranz sowie einem sich vom Mantelluftrohr aus zum Feuerraum hin konisch erweiternden Brennerkelch, wobei das Kernluftrohr und das Mantelluftrohr aus einem Hauptluftkanal gespeist sind.

Ein Brenner mit den vorgenannten Konstruktionsmerkmalen, wie er aus der VGB-Kraftwerkstechnik 57, Heft 10, Okt. 1977, Bild 5, S. 672, bekannt ist, erzeugt Rauchgase mit einer beträchtlichen Konzentration von NO_x.

Die Reaktionsmechanismen, die die Bildung von Stickoxiden in technischen Feuerungen verursachen, sind weitgehend bekannt. Man unterscheidet heute im wesentlichen zwei verschiedene Bildungsreaktionen:

— die thermische ΝΟχ-Bildung, die auf der Oxidation von molekularem Stickstoff beruht, der z. B. reichlich in der Verbrennungsluft vorkommt. Da die Oxidation von molekularem Stickstoff atomaren Sauerstoff oder aggressive Radikale (z. B. OH) erfordert, ist sie stark temperaturabhängig, daher thermiscnesNOx;

— die Bildung von Brennstoff-ΝΟχ, die über die Oxidation im Brennstoff gebundener Stickstoffverbindungen erfolgt. Während der Pyrolyse eines flüssigen oder staubförmigen Brennstoffes bilden sich aus diesen Stickstoffverbindungen Stickstoff-Kohlenstoff- und Stickstoff-Wasserstoffradikale (ζ. B. HCN), die wegen ihrer Reaktionsfähigkeit mit molekularem Sauerstoff schon bei relativ niedrigen Temperaturen, bei der Anwesenheit von Sauerstoff, zu NOx oxidieren.

Eine Verringerung der thermischen ΝΟχ-Bildung erreicht man daher vor allem durch Absenken der Verbrennungstemperatur und der Verweilzeiten bei hohen Temperaturen. Da bei der Verbrennung von flüssigen oder staubförmigen Brennstoffen mit gebundenem Stickstoff jedoch ein großer Anteil der gesamten ΝΟχ-Bildung über die Brennstoff-NOx-Reaktion entsteht, sind bei solchen Brennstoffen vorgenannte Maßnahmen zur Erreichung der in einigen Ländern

ίο bestehenden Emissionsrichtwerte nicht ausreichend. Hierfür ist es notwendig, die Stickstoffverbindungen noch während der Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff zu molekularem Stickstoff (N2) zu reduzieren. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Reduktions-

reaktionen zu molekularem Stickstoff z.B. dann stattfinden, wenn die Brennstoffe unter unterstöchiometrischen Bedingungen, d. h. mit weniger Sauerstoff- bzw. Luftzugabe als zur vollständigen Verbrennung nötig, verbrannt werden.

Zur Erzielung optimaler Ergebnisse ist für diese primäre Verbrennungszone in Abhängigkeit von den Randbedingungen (z. B. Wandtemperatur des Brennraumes) ein Luftverhältnis zwischen 0,9 und 0,5 zu wählen. Zum Erreichen eines vollständigen Abbrandes der Kohlenwasserstoffverbindungen des Brennstoffes müssen die im unterstöchiometrischen Primärbereich entstehenden Reaktionsprodukte dann in einer sekundären Verbrennungszone nachverbrannt werden.
Untersuchungen haben gezeigt, daß mit einer solchen Zweistufenverbrennung sowohl die Brennstoff-ΝΟχ-Bildung, bei gleichzeitigem Wärmeentzug aus dem unterstöchiometrischen Bereich, aber auch die thermische ΝΟχ-Bildung erheblich vermindert werden kann. Bei Versuchen wurde über die Anwendung der

j5 Zweistufenverbrennung ein Absenken der NOx-Emissionswerte gegenüber ungestufter Verbrennung ungefähr auf bis zu 70% erzielt.

Ein ölbrenner, in dessen Flamme sich eine unterstöchiometrische Verbrennungszone und stromab davon eine sekundäre Verbrennungszone ausbildet, der ein erstere konzentrisch umgebender Restluftstrom zur Vervollständigung der Verbrennung zuführbar ist, geht aus der US-PS 40 23 921 hervor. Die NOx-Verminderung resultiert bei diesem Brenner zu einem erheblichen Teil aus der zusätzlichen Einführung von kaltem Rauchgas in die primäre Verbrennungszone.

In einem bekanntgewordenen Kohlenstaub-Brenner (DE-GM 18 68 003) wird der aus dem Hauptluftkanal abzweigende mantelförmige Sekundärluitstrom in zwei direkt benachbarten, ringförmig angeordneten, über Klappen getrennt steuerbaren Rohren zugegeben, um z. B. den inneren und damit dem Staubstrahl unmittelbar benachbarten Sekundärluftstrom mit niedriger und den äußeren Sekundärluftstrom mit höherer Geschwindigkeit austreten zu lassen.

Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß eine Verlängerung der Flamme eintritt, die dadurch größere Feuerräume zur Folge hat, und daß bei der lastbedingten Absenkung der Sekundärluft die Sekundärluftgeschwindigkeit unter die Staubluftgeschwindigkeit abgesenkt wird, wodurch sich der Charakter und die Form der Flamme ändern. Unter Umständen kann hierbei die Zündung nachteilig beeinflußt werden.
Bei einem anderen bekanntgewordenen Kohlen-

b5 staub-Brenner (CH-PS 3 46 313) sind an den Seiten des Brennstoffmündungsteiles Zweithftführungselemente vorgesehen, welche schräg nach vorn auf den Brennstoffstrahl zulaufen. Zusatzluft wird über zwei

außen am Brenner liegende schlitzartige Kanäle zugeführt Sei diesem Brenner werden wegen der sich ausbildenden langen, schmalen Flamme größere Feuerräume benötigt Charakter und Form der Flamme sind leicht zu verändern und stören schnell den Betriebsablauf. Es treten sogar leichte Zündschwierigkeiten auf.

Weiterhin ist bekannt eine Primärverbrennung unter unterstöchiometrischen Verhältnissen in einer Vorkammer des Feuerraumes mit Rauchgasrezirkulation vorzunehmen und die zum vollständigen Ausbrand erforderliche Luft den Feuergasen, die die Vorkammer verlassen, zuzumischen (GB-PS 15 30 831). Der Nachteil dieser Anordnung besteht in der Gefahr von Rohrwandkorrosion der unterstöchiometrisch betriebenen Vorkammer.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt einen Brenner der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, bei dem unter Ausbildung einer unterstöchiometrischen primären Verbrennungszone unmittelbar am Brenneraustritt und einer daran anschließenden Nachverbrennungszone zum Restausbrand bei überstöchiometrischen Verhältnissen eine Verminderung der ΝΟχ-Bildung durch Einflußnahme auf die Zugabe der Verbrennungsluft für die Nachverbrennungszone erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß um den Brennerkelch in konzentrischer Anordnung mindestens zwei, maximal sechs Luftdüsen vorgesehen sind, die über Kanäle mit dem Hauptluftkanal verbunden sind und deren Gesamtluftstrom über eine Klappe regelbar ist und daß die Luftdüsen auf einem Teilkreis angeordnet sind, dessen Durchmesser mindestens das l,5fache und maximal das 3fache des Durchmessers des Mantelluftrohres besitzt.

Die Luftdüsen können dabei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als Lochdüsen oder als Schlitzdüsen ausgebildet sein, wobei z. B. die schlitzartigen öffnungen durch Entfernen der Flossen zwischen den Rohren hergestellt werden.

Die Vorteile, die mit der Erfindung erreicht werden, bestehen darin, daß durch die Zugabe eines Teiles der Sekundärluft über außerhalb des Mantelluftrohres des Brenners befindliche Luftdüsen in die Nachverbrennungszone im Feuerraum der Verbrennungsablauf des zur Verbrennung gelangenden stickstoffhaltigen Brennstoffes so erfolgt daß die ΝΟχ-Werte auf ein Minimum herabgesetzt sind, ohne daß dabei die Zündung des Brenners über den gesamten Lastbereich gefährdet wird, Verschlackungen und Korrosionen an den Feuerraumrohren entstehen und der Ausbrand beeinträchtigt wird.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigt

ίο F i g. 1 schematisch einen Brenner im Längsschnitt

F i g. 2 eine Ansicht auf den Brenner in Pfeilrichtung F.

Der Brenner besteht aus einem zentralen Kernluftrohr 1, das geeignet ist zur Aufnahme einer ölzerstäuberlanze 5 für Zündfeuerung bzw. alternative Leistungsfeuerung für öl. Das Kernluftrohr 1 ist mit dem Kanal 2 über die Klappe 3 mit dem Hauptluftkanal 4 verbunden. Koaxial zu dem Kernluftrohr ist das Staubluftrohr 6 angeordnet welches mi; der Staubverteilerkammer 7 an die Staubleitung 8 angeschlossen ist Diese wird von einem Kohlenstaubrohr mit dem zur Verbrennung vorgesehenen Staubluftgemisch versorgt Um das Staubluftrohr 6 ist koaxial ein Mantelluftrohr 9 angeordnet, das über die Klappen 13 mit dem Hauptluftkanal 4 verbunden ist. Ein von der Mantelluft axial durchströmter Drallschaufelring 10 kann über mehrere Spindeln 11 und das Handrad 12 axial verschoben werden. Das Mantelluftrohr 9 ist über den sich konisch erweiternden Brennerkelch 14 mit dem

jo Feuerraum verbunden. Aus dem Hauptluftkanal 4 werden über mehrere Kanäle 15 Luftdüsen 16 mit sogenannter Stufenluft versorgt, die über einen gedachten Teilkreis des Brennerumfangs gleichmäßig verteilt sind. Der Brennerkelch 14 ist aus keramischer

π Masse gefertigt. Er wird in einem Rohrkorb 18 eingebaut der aus den Rohren der Wandberohrung des Feuerraumes gebildet wird.

Die Luftdüsen 16 können entweder als Lochdüsen oder als Schlitzdüsen ausgebildet sein. Die Schlitzdüsen

•to entstehen durch Entfernen der aus Rohr-Steg-Rohr gebildeten Berohrung der Feuerraumwand.

Der Stufenluftstrom, der über den Kanal 15 mit den Düsen 16 i:i den Feuerraum gelangt, ist über eine Klappe 17 regelbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brenner zur Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen, besteh :nd aus einem Kernluftrohr mit zentrisch angeordneter ölzerstäuberlanze, einem das Kernluftrohr umgebenden Staubrohr, einem das Staubrohr umgebenden Mantelluftrohr mit einem am Lufteintritt angeordneten axial verschiebbaren Drallschaufelkranz sowie einem sich vom Mantelluftrohr aus zum Feuerraum hin konisch erweiternden Brennerkelch, wobei das Kernluftrohr und das Mantelluftrohr aus einem Hauptluftkanal gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß um den Brennerkelch (14) in konzentrischer Anordnung mindestens zwei, maximal sechs Luftdüsen (16) vorgesehen sind, die über Kanäle (15) mit dem Hauptluftkanal (4) verbunden sind und deren Gesamtluftstrom über eine Klappe (17) regelbar ist und daß die Luftdüsen (16) auf einem Teilkreis angeordnet sind, dessen Durchmesser mindestens das l,5fache und maximal das 3fache des Durchmessers des Mantelluftrohres (9) besitzt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüsen (16) als Lochdüsen oder als Schützdüsen ausgebildet sind.