DE4134979A1 - BURNER WITH REDUCED POLLUTANT EMISSION - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Brenner zur schadstoffarmen Verbrennung eines Brennstoffes mit einem Oxidationsgas mit einem Zuleitungskanal für den Brennstoff und mindestens einem Zuleitungskanal für das Oxidationsgas.The invention relates to a burner for low pollution Combustion of a fuel with an oxidizing gas a supply channel for the fuel and at least one Supply channel for the oxidizing gas.
Brenner, die eine reduzierte Emission an Schadstoffen, insbesondere an den umweltschädlichen Stickoxiden, aufweisen sollen, müssen einer Verbrennungstechnik angepaßt sein, die die Entstehung solcher Schadstoffe herabzusetzen sucht.Burners that have a reduced emission of pollutants, in particular on the environmentally harmful nitrogen oxides are to be adapted to a combustion technology that seeks to reduce the generation of such pollutants.
Stickoxide entstehen beim Verbrennungsvorgang im wesentlichen aus dem in der Verbrennungsluft oder im Brennstoff (z. B. Erdgas) vorhandenen molekularen Stickstoff ("thermisches NOx") und aus dem im Brennstoff (z. B. Kohle, Heizöl) gebundenen Stickstoff ("Brennstoff-NOx"). Thermisches Stickoxid entsteht im Bereich der Flammenwurzel oder in heißen Flammenzonen bei Temperaturen oberhalb 1300°C aus dissoziierten Sauerstoff- und Stickstoff- Molekülen. Die thermische NOx-Bildung ist von der Konzentration des molekularen Stickstoffs sowie des dissoziierten Sauerstoffs und stark von der Temperatur abhängig. Für die Brennstoff- NOx-Bildung ist in erster Linie die Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft bzw. des Oxidationsgases maßgebend. Somit ist in beiden Fällen die Luftzahl λ eine Hauptein flußgröße bei der NOx-Bildung.Nitrogen oxides arise during the combustion process essentially from the molecular nitrogen ("thermal NO x ") present in the combustion air or in the fuel (e.g. natural gas) and from the nitrogen ("fuel -NO x "). Thermal nitrogen oxide is generated in the area of the flame root or in hot flame zones at temperatures above 1300 ° C from dissociated oxygen and nitrogen molecules. The thermal NO x formation depends on the concentration of molecular nitrogen and dissociated oxygen and strongly on the temperature. The oxygen concentration of the combustion air or the oxidizing gas is primarily decisive for the fuel NO x formation. Thus, in both cases the air ratio λ is a major factor in NO x formation.
Untersuchungen zeigen, daß die Konzentration der Stickoxide mit der Ofenraumtemperatur steigt sowie exponentiell mit der Verbrennungslufttemperatur, ein Maximum im nahstöchio metrischen Verbrennungsbereich (Luftzahl λ ungefähr 1,1) besitzt und zum unter- und überstöchiometrischen Bereich (λ=0,6 bzw. λ=1,6) hin stark absinkt. Die Konzen tration der Stickoxide kann durch Rezirkulation der Abgase gesenkt werden, wobei die NOx-Minderung exponentiell mit der Menge des zurückgeführten Abgasstroms zusammenhängt (Gas Wärme International 38, (1989), Heft 10, Dezember).Studies show that the concentration of nitrogen oxides increases with the furnace temperature and exponentially with the combustion air temperature, has a maximum in the near-stoichiometric combustion range (air ratio λ approximately 1.1) and to the sub-stoichiometric range (λ = 0.6 or λ = 1.6) drops sharply. The concentration of nitrogen oxides can be reduced by recirculating the exhaust gases, the NO x reduction being associated exponentially with the amount of the exhaust gas stream returned (Gas Wärme International 38, (1989), number 10, December).
In der Verbrennungstechnik werden zur Reduktion der Stickoxide eine Erniedrigung der Sauerstoff- und Stickstoff-Partialdrücke und der Verbrennungstemperatur angestrebt.In combustion technology, the reduction of Nitrogen oxides a decrease in oxygen and Nitrogen partial pressures and the combustion temperature sought.
Als Oxidationsgas werden deshalb sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff verwendet, um das Angebot an Stickstoff zu minimieren. Dies hat jedoch höhere Flammen temperaturen und einen höheren Sauerstoff-Partialdruck zur Folge. Zur Senkung des Sauerstoffangebots macht man von der Rückführung ausgebrannter Abgase in die Verbrennungsluft bzw. das Oxidationsgas Gebrauch, wodurch einerseits der Sauerstoff gehalt durch Verdünnung reduziert wird, andererseits die Verbrennungstemperatur aufgrund des Abgasballastes abgesenkt wird, der der Flamme Wärme entzieht. Effizient ist hierbei die Zufuhr abgekühlter Abgase in den Bereich der Flammen wurzel. Oxygen-enriched air is therefore used as the oxidizing gas or pure oxygen used to supply Minimize nitrogen. However, this has higher flames temperatures and a higher oxygen partial pressure Episode. To reduce the oxygen supply one makes of the Return of burned exhaust gases to the combustion air or use the oxidizing gas, which in turn causes oxygen content is reduced by dilution, on the other hand the Combustion temperature reduced due to the exhaust gas ballast that draws heat from the flame. It is efficient here the supply of cooled exhaust gases in the area of the flames root.
Geeignet zum gleichen Zweck ist auch die Stufenverbrennung (Gas Wärme International, 39 (1990), Heft 6, Juni). Brenner zur Stufenverbrennung weisen stromabwärts, d. h. in Flammen richtung, gezogene Zuleitungskanäle für die Verbrennungsluft bzw. das Oxidationsgas auf, die durch Primärluftöffnungen im unteren brennernahen Teil den Zutritt einer nur geringen Sauerstoffmenge, im oberen Teil durch Sekundär- und Tertiärluftöffnungen den Zutritt der nahstöchiometrischen Verbrennung entsprechenden Sauerstoffmenge erlauben. Die Flammentemperatur bleibt dadurch weit unterhalb der bei einstufiger Verbrennung auftretenden.Staged combustion is also suitable for the same purpose (Gas Wärme International, 39 (1990), No. 6, June). burner to stage combustion have downstream, d. H. ablaze direction, drawn supply ducts for the combustion air or the oxidizing gas, which through primary air openings in the lower part near the burner only a small access Amount of oxygen, in the upper part by secondary and Tertiary air vents allow access to the near stoichiometric Allow combustion appropriate amount of oxygen. The As a result, the flame temperature remains far below single-stage combustion occurring.
Diese mit sogenannten "Sekundärluft-Hindernissen" in den Zufuhrkanal für die Verbrennungsluft verwirklichte Stufen verbrennung hat die Nachteile, daß diese Hindernisse, die den Brenner in Form einer Ummantelung umgeben, starker Hitze einwirkung ausgesetzt sind, da sie stromabwärts von der Brenngasöffnung liegen, und daß die Form der Ummantelung starken Einfluß auf die CO-Emission hat, die jeweils vor Einsatz des Brenners bestimmt werden muß und viele Ausführungsformen wegen zu hohen CO-Emissionen unbrauchbar macht.These with so-called "secondary air obstacles" in the Steps for supplying combustion air Combustion has the disadvantages that these are obstacles to the Burner surrounded in the form of a jacket, intense heat are exposed as they are downstream of the Fuel gas opening and that the shape of the casing has a strong influence on the CO emissions, each before Use of the burner must be determined and many Embodiments unusable due to excessive CO emissions makes.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es folglich, einen verbesserten Brenner zu entwickeln, der die geschilderten Möglichkeiten zur Reduktion von Schadstoffen optimal auszunutzen gestattet und die genannten Nachteile bekannter Brennerausführungen vermeidet.The object of the present invention is therefore a to develop an improved burner that complies with the described Optimal ways to reduce pollutants allowed to exploit and known disadvantages Avoid burner designs.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Brenner mit einem Zuleitungskanal für den Brennstoff und mindestens einem Zuleitungskanal für das Oxidationsgas die Austrittsöffnungen eines jeden Zuleitungskanals für das Oxidationsgas in ihrem Querschnitt länglich ausgebildet sind. This object is achieved in that a burner with a feed channel for the fuel and at least one supply channel for the oxidizing gas the outlet openings of each supply channel for the Oxidation gas are elongated in their cross section.
Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme werden sämtliche Möglichkeiten zur Schadstoffverringerung optimal genutzt. Die länglichen Öffnungsquerschnitte besitzen im Vergleich zu den bisherigen kreisförmigen einen größeren Umfang bei gleicher Querschnittsfläche und ermöglichen daher, eine größere Menge von Ofenabgasen in den Oxidationsgasstrahl zurückzuführen. Dieser in die Oxidationsgasstrahlen gesaugte inerte Abgasballast senkt die Flammentemperatur und den Sauerstoff partialdruck stärker als bisher und verhindert damit effektiv eine NOx-Bildung.This measure according to the invention makes optimal use of all options for reducing pollutants. The elongated opening cross-sections have a larger circumference than the previous circular ones with the same cross-sectional area and therefore make it possible to return a larger amount of furnace exhaust gases into the oxidizing gas jet. This inert exhaust gas ballast sucked into the oxidizing gas jets lowers the flame temperature and the oxygen partial pressure more than before and thus effectively prevents NO x formation.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners besteht darin, daß der Durchmesser des Brennerkopfes trotz der vergrößerten Ansaugfläche für Ofenabgase kleingehalten werden kann. Bisher mußten nämlich, um eine große Menge an Ofenabgasen zurückzusaugen, die Oxidationsgasöffnungen möglichst weit von der Brenngasöffnung entfernt sein, wodurch die Dimensionen des Brennerkopfes beträchtlich zunahmen. Zusätzlich waren dann noch schmale Zuleitungskanäle für Oxidationsgas in unmittelbarer Nähe der Brenngasöffnung notwendig, um die Flamme stabil am Brennermund zu halten und ein Abreißen der Flamme zu verhindern. Diese aufwendigen und umständlichen Maßnahmen werden beim erfindungsgemäßen Brenner überflüssig. Durch die erfindungsgemäße Geometrie der Querschnittsöffnungen für das Oxidationsgas kann sowohl eine große Menge Ofenabgase in die Flamme zurückgesaugt werden als auch die Flamme stabil am Brennermund gehalten werden, ohne daß der Durchmesser des Brennerkopfes nennenswert vergrößert werden muß.Another advantage of the burner according to the invention is in that the diameter of the burner head despite the enlarged suction area for furnace exhaust gases can be kept small can. So far, namely, had to order a large amount To suck back furnace exhaust gases, the oxidizing gas openings be as far away from the fuel gas opening as possible the dimensions of the burner head increased considerably. In addition, there were narrow supply channels for Oxidation gas in the immediate vicinity of the fuel gas opening necessary to keep the flame stable at the burner mouth and to prevent the flame from breaking off. This elaborate and cumbersome measures are the burner according to the invention superfluous. Due to the geometry of the invention Cross-sectional openings for the oxidizing gas can be both large quantities of furnace exhaust gases are sucked back into the flame also the flame can be held steadily on the burner mouth without that the diameter of the burner head increases significantly must become.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Austrittsöffnungen eines jeden Zuleitungskanals für das Oxidationsgas in ihrem Querschnitt keilförmig ausgebildet sind. Damit läßt sich eine Stufenverbrennung realisieren, insbesondere dann, wenn die Austrittsöffnungen der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas konzentrisch um die Achse des Zuleitungskanals für den Brennstoff angeordnet sind und mit ihrer Längsachse in radialer Richtung auf diese Achse ausgerichtet sind.It proves to be advantageous if the outlet openings of each supply channel for the oxidizing gas in their Cross-section are wedge-shaped. So that one can Realize stage combustion, especially if the Outlet openings of the supply channels for the oxidizing gas concentric around the axis of the supply channel for the Fuel are arranged and with their longitudinal axis in radial direction are aligned on this axis.
Zeigen die Spitzen der keilförmigen Austrittsöffnungen für das Oxidationsgas auf die Achse des Zuleitungskanals für den Brennstoff, wird der dort austretende Brennstoff mit einer nur geringen Menge an Oxidationsgas gemischt, so daß die Flamme dort unterstöchiometrisch brennt und gleichzeitig stabil am Brennermund gehalten wird. Der sich radial nach außen verbreiternde keilförmige Querschnitt der Oxidations gasstrahlen bewirkt dann, daß erst mit wachsendem Abstand vom Brennermund das Brenngas mit einer der nahstöchiometrischen Verbrennung entsprechenden Oxidationsgasmenge verbrannt wird. Außerdem nimmt bei dieser Anordnung die zum Ansaugen von Ofenabgasen benötigte Fläche der Oxidationsgasstrahlen in radialer Richtung nach außen hin zu.Show the tips of the wedge-shaped openings for the oxidizing gas on the axis of the feed channel for the Fuel, the fuel escaping there becomes a mixed only a small amount of oxidizing gas, so that the Flame burns sub-stoichiometrically and at the same time is held stable at the burner mouth. The radially after widening wedge-shaped cross section of the oxidation on the outside then gas jets causes that only with increasing distance from Brennermund the fuel gas with one of the near-stoichiometric Combustion corresponding amount of oxidizing gas is burned. In addition, this arrangement takes the suction of Furnace exhaust area of the oxidizing gas jets required radial direction outwards.
Die unterstöchiometrische Verbrennung im Bereich der Flammenwurzel mit der sich flammabwärts vervollständigenden Verbrennung trägt erheblich zur Senkung der Stickoxidwerte bei.The substoichiometric combustion in the area of Flame root with the flame completing one Combustion significantly reduces nitrogen oxide levels at.
In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der innere Abstand zwischen der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals für den Brennstoff und den Austritts öffnungen der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas mindestens 20% des Durchmessers der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals für den Brennstoff beträgt. Meist ist es schon ausreichend, wenn dieser Abstand weniger als 50% des Durchmessers der Austrittsöffnung für den Brennstoff beträgt. Einerseits kann die Flamme dann stabil am Brennermund gehalten werden, andererseits entsteht eine genügend große Ansaugfläche für Ofenabgase, ohne den Brennermund über zudimensionieren.In this context, it proves advantageous if the inner distance between the outlet opening of the Supply channel for the fuel and the outlet Openings of the supply channels for the oxidizing gas at least 20% of the diameter of the outlet opening of the Supply channel for the fuel is. Most of the time it is sufficient if this distance is less than 50% of the Diameter of the outlet opening for the fuel. On the one hand, the flame can then remain stable at the burner mouth are kept, on the other hand a sufficiently large one arises Intake surface for furnace exhaust gases without leaving the burner mouth dimension.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel den erfindungs gemäßen Brenner näher erläutern und seine Vorteile beschreiben.The following is an embodiment of the Invention modern burner and explain its advantages describe.
Die Zeichnung zeigt schematisch die Aufsicht auf den Brennermund 4 eines erfindungsgemäßen Brenners mit einem in der Mitte des Brennermundes 4 angeordneten Zuleitungskanal 2 für den Brennstoff Erdgas und um die Achse 3 dieses Zuleitungskanals 2 konzentrisch angeordneten Zuleitungs kanälen für das Oxidationsgas, als welches reiner Sauerstoff verwendet wird. Die Austrittsöffnung des Zuleitungskanals 2 für den Brennstoff ist in diesem Fall kreisförmig, wohingegen die Austrittsöffnungen 1 der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas erfindungsgemäß keilförmig ausgebildet sind. Die Längsachsen dieser keilförmigen Austrittsöffnungen 1 sind in radialer Richtung auf die Achse 3 des Zuleitungskanals 2 für den Brennstoff ausgerichtet.The drawing shows schematically the top view of the burner mouth 4 of a burner according to the invention with a feed channel 2 arranged in the middle of the burner mouth 4 for the fuel natural gas and about the axis 3 of this feed channel 2 concentrically arranged feed channels for the oxidizing gas, as which pure oxygen is used . The outlet opening of the feed channel 2 for the fuel is circular in this case, whereas the outlet openings 1 of the feed channels for the oxidizing gas are wedge-shaped according to the invention. The longitudinal axes of these wedge-shaped outlet openings 1 are aligned in the radial direction with the axis 3 of the supply channel 2 for the fuel.
Die Ausrichtung der keilförmigen Austrittsöffnungen 1 für das Oxidationsgas erlaubt den Zustrom einer von außen nach innen in radialer Richtung abnehmenden Sauerstoffmenge, so daß in der Nähe der Austrittsöffnungen des Zuleitungskanals 2 für das Erdgas dieses dort unterstöchiometrisch verbrannt wird, wobei gleichzeitig die Flamme stabil am Brennermund 4 gehalten werden kann. Die in radialer Richtung zunehmende aus den keilförmigen Austrittsöffnungen 1 ausströmende Sauerstoffmenge mischt sich erst weiter stromabwärts mit dem unvollständig verbrannten Erdgas und verbrennt dieses schließlich vollständig. Dadurch wird eine für die NOx-Minderung sehr effektive Stufenverbrennung realisiert.The alignment of the wedge-shaped outlet openings 1 for the oxidizing gas allows the inflow of an amount of oxygen decreasing from the outside inwards in the radial direction, so that in the vicinity of the outlet openings of the supply duct 2 for the natural gas, the latter is burned sub-stoichiometrically, the flame being stable at the burner mouth 4 at the same time can be held. The increasing amount of oxygen flowing out of the wedge-shaped outlet openings 1 in the radial direction only mixes further downstream with the incompletely burned natural gas and finally burns it completely. As a result, stage combustion which is very effective for NO x reduction is realized.
Öffnungswinkel und Querschnittsfläche der keilförmigen Austrittsöffnungen 1 für den Sauerstoff sowie die Anzahl der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas werden derart bemessen, daß die Flamme im Endbereich nahstöchiometrisch und an der Flammenwurzel unterstöchiometrisch brennt. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Zuleitungskanäle für den Sauerstoff sechs, die Querschnittsfläche einer jeden Austrittsöffnung 1 dieser Zuleitungskanäle etwa ein Drittel der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung für das Erdgas. Der Öffnungswinkel der keilförmigen Austrittsöffnungen 1 beträgt etwa 6°. Der innere Abstand zwischen den Austritts öffnungen 1 für den Sauerstoff und der Austrittsöffnung des Zuleitungskanals 2 für das Erdgas beträgt 25% des Durch messers der Austrittsöffnung dieses Zuleitungskanals 2.The opening angle and cross-sectional area of the wedge-shaped outlet openings 1 for the oxygen and the number of feed channels for the oxidizing gas are dimensioned such that the flame burns near-stoichiometric in the end region and under-stoichiometric at the flame root. In this exemplary embodiment, the number of supply channels for the oxygen is six, the cross-sectional area of each outlet opening 1 of these supply channels is approximately one third of the cross-sectional area of the outlet opening for the natural gas. The opening angle of the wedge-shaped outlet openings 1 is approximately 6 °. The inner distance between the outlet openings 1 for the oxygen and the outlet opening of the supply duct 2 for the natural gas is 25% of the diameter of the outlet opening of this supply duct 2 .
Die erfindungsgemäße geometrische Form der Austrittsöffnungen 1 für die Oxidation für die Sauerstoffstrahlen erlaubt das Ansaugen einer großen Menge von Ofenabgasen im Bereich der Flammenwurzel. Dadurch wird eine Abkühlung der Flamme und eine Herabsetzung des Sauerstoffpartialdruckes erzielt, ebenfalls zwei die NOx-Bildung verhindernde Mechanismen.The geometric shape of the outlet openings 1 according to the invention for the oxidation for the oxygen jets allows a large amount of furnace exhaust gases to be drawn in in the area of the flame root. As a result, the flame is cooled and the oxygen partial pressure is reduced, likewise two mechanisms that prevent NO x formation.
Abgasmessungen beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brenners bei einer Feuerungsleistung von 0.8 MW ergeben rund 160 mg NOx/Nm3 Abgas und etwa 120 mg CO bei einer Ofenraum temperatur von etwa 1350°C und einem Sauerstoffgehalt im Abgas von 4%. Eine deutliche Unterschreitung der entsprechenden TA-Luft-Grenzwerte ist hiermit gegeben.Exhaust gas measurements during operation of the burner according to the invention with a firing capacity of 0.8 MW result in approximately 160 mg NO x / Nm 3 exhaust gas and approximately 120 mg CO at an oven chamber temperature of approximately 1350 ° C. and an oxygen content in the exhaust gas of 4%. This means that the relevant TA-Luft limit values are clearly undercut.
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |