DE60014663T2

DE60014663T2 - Industriebrenner für brennstoffe

Info

Publication number: DE60014663T2
Application number: DE60014663T
Authority: DE
Inventors: Brian Middlestown Crowther; Michael Holmes
Original assignee: Hotwork Combustion Technology Ltd
Current assignee: Hotwork Combustion Technology Ltd
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: AU6001300A; EP1203188A1; DE60014663D1; EP1203188B1; WO2001007833A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Industriebrenner für Brennstoff. Anfang der 80er Jahre wurden kompakte, regenerative Brenner entwickelt, die einen hohen Anteil vorgewärmter Verbrennungsluft verwenden. Typische Anwendungen für regenerative Hochgeschwindigkeitsbrenner beinhalten Nachwärmschmiedeöfen und Nachwärmdurchlauföfen, die bei sehr hohen Temperaturen von typischerweise 1350°C arbeiten, sowie Bandstahl-Wärmebehandlungsanlagen und Aluminiumschmelzöfen.
Der Umwelteinfluss von Stickstoffoxiden, die durch Verbrennung bei hoher Temperatur gebildet werden, hat die Anwendung derartiger energieeffizienter Verbrennungstechniken eingeschränkt.
Die US-A-5092761 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von NO_x-Emissionen von Ofenvormischbrennern durch Zurückführen von Rauchgas. Durch die Ansaugwirkung von durch einen Venturi-Teil eines Sperrrohrs der Vorrichtung strömenden Verbrennungsgas und Verbrennungsluft wird Rauchgas aus einem Ofen durch Rohre der Vorrichtung gezogen. Vor der Verbrennung vermischt sich das Rauchgas mit der Verbrennungsluft in einer primären Kammer, um die O₂-Konzentration in der Verbrennungsluft zu verdünnen. Dadurch werden die Flammentemperatur und somit die NO_x-Emissionen verringert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Brenner anzugeben, der selbst bei kompakter regenerativer Verbrennung nur geringe oder keine NO_x Emissionen verursacht.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass, wenn Abgase vor dem gestuften Mischen in die Brennstoffzufuhr gezogen werden, sich die NO_x-Entwicklung verringert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff angegeben, um niedrige NO_x-Emissionen zu erzielen, wobei das Verfahren umfasst:

– Erzeugen eines Hochgeschwindigkeitsstroms aus Brennstoff und Ableiten des Stroms aus einer Düse mit geringem Durchmesser, die dem Einlass eines Durchgangs gegenüberliegt, der zu einem Ofen führt;
– Vereinigen des austretenden Stroms mit Abgas, das aus dem Ofen zugeführt wird, und Einleiten des vereinigten Stroms in den Durchgang, der einen sich vergrößernden Durchmesser hat, wobei sich der vereinigte Strom in seinem Volumen ausdehnt;
– Führen des ausgedehnten Stroms durch die Hauptöffnung eines warmen Prallblechs in einen Einlass des Ofens, wobei das Prallblech Hilfsöffnungen hat, die an den Umfang des Blechs angrenzen;
– Schneiden des ausgedehnten Stroms in dem Bereich des Prallblechs mit einem tangentialen Strom aus Verbrennungsluft, um die Luftzufuhr zu stufen und eine Rotationsstörung in dem Gemisch zu erzeugen, bevor es zu der Hauptöffnung geleitet wird, um die Rückstände der Verbrennungsluft und der Abgase in dem Ofen zu verbinden und die Verbrennung abzuschließen.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Brennerzubehör gemäß dem Anspruch 7 angegeben.
Die Verdünnung der Verbrennungsluft erfolgt vorzugsweise nach dem Induktionsprinzip innerhalb der Verbrennungskammer, um die Mindestabmessungen des Brenners beizubehalten.
Vorzugsmesse sind vermessene Lufteinblaspunkte vorgesehen. Durch Verwendung von vermessenen Lufteinblaspunkten kann jegliche auch noch so geringe inhärente Kälteinstabilität vermieden werden, ohne dabei die NO_x-Reduzierung bei der Arbeitstemperatur zu gefährden.
Zur Reduzierung von NO_x werden vorzugsweise andere Parameter gesteuert, zu denen die Flammenspitzentemperatur, die Verweilzeit bei Spitzentemperatur und die Sauerstoffkonzentration in bestimmten Reaktionszonen gehören.
Der Brenner enthält vorzugsweise einen Brennerstein, der so geformt ist, dass er ausreichend Flamme zur UV-Abtastung zurückbehält, während er zudem einen Hochgeschwindigkeitsausstoß von reagierenden Gemischen erzeugt. Die Optimierung sowohl der Ladungsdurchdringung zum Schmelzen als auch der Kammerzirkulation für die Produkteinheitlichkeit ist durch diesen kontrollierten Ausstoß sichergestellt.
Die flammenlose Reaktion wird vorzugsweise gesteuert, um einen einheitlichen Wärmefluss zu erzielen, der zusammen mit den gewünschten Geschwindigkeitskonturen um die Last herum eine einheitliche Temperaturregelung ermöglicht.
Es ist ein Vorteil, dass die anfängliche Erzeugung des brennstoffreichen Gemischs eine beständige Verbrennung über den gesamten Betriebsbereich des Brenners sicherstellt. Der Luftstrom beträgt vorzugsweise weniger als 10% des Stroms, der für eine stöchiometrische Verbrennung des Brennstoffs bei maximalem Strom benötigt wird.
Das Abgasstrom wird vorzugsweise entweder durch eine Venturi- oder Strahlpumpenwirkung über die Brennstofffördergeschwindigkeit, oder durch ein externes Fördersystem erleichtert und durch einen geringvolumigen Hochgeschwindigkeitsluftstrom unterstützt.
Die tangentiale gestufte Verbrennungsluftzufuhr ermöglicht eine beständigere Verbrennung bei niedrigen Betriebstemperaturen, d.h. unter 800°C, zusätzlich dazu, dass die äußeren Schichten des Gemischs aus Luft, Brennstoff und Abgas bei höheren Temperaturen herumgewirbelt werden. (Die Volumenströmungsrate dieses tangentialen Luftstroms kann weniger als 20% der Luft betragen, die für die stöchiometrische Verbrennung benötigt wird.)
Der Kaltlufteinlass ermöglicht es, dass bis zu 20% der zur Verbrennung benötigten Luft bei unter 800°C an der Position zugeführt werden kann, die für gewöhnlich von dem induzierten Abgasstrom bei höheren Temperaturen eingenommen wird.
Die Verbrennungsluft kann druckbeaufschlagt durch ein Gebläsesystem zugeführt werden und entweder kalt oder auf Temperaturen über 1000°C vorgewärmt sein.
Um die Erfindung zu verdeutlichen, wird sie nun an Hand der beiliegenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Schnittansicht eines Zubehörs ist, dass an einer Seite eines Ofens montiert ist;
2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 eingekreisten Bereichs A ist, bei der der Abgasstrom durch kurze Pfeile und der Brennstoffstrom durch lange Pfeile dargestellt ist;
3 eine Ansicht ist, die den Brennstoffstrom aus der Düse in den Durchgang und das Hineinziehen der Abgase in den Brennstoffstrom zeigt;
4A eine Ansicht ist, die den Brennstoff- und Abgasgemischstrom zu dem Prallblech zeigt, und 4B eine Schnittansicht entlang der Linien AA-AA der 4A ist, die die Rotationsstörung zeigt, die durch die Stufung der Verbrennungsluft hervorgerufen wird;
5 eine Seitenansicht der heißen Fläche des Prallblechs und der Brennstofflanze ist und eine örtlich begrenzte sichtbare Verbrennung zeigt;
6 das Innere des Ofens stromabwärts des Prallblechs und den Strom der Verbrennungsluft, des Abgases und des brennbaren Gemischs zeigt, mit Darstellung der sichtbaren und flammenlosen Verbrennung.
Der in 1 dargestellte Brenner umfasst einen Brennerkörper 1, der mit einem Einlass 2 in dem Brennerstein 3 einer Ofenwand 4 dicht verbunden ist. Der Einlass 2 enthält ein kreisförmiges Prallblech 5. Wie in 5 dargestellt, hat das Blech eine zentrale, relativ große Öffnung 6 und mehrere, radial voneinander beabstandete kleinere Öffnungen 7 nahe dem Umfang.
Der Körper 1 umfasst ein äußeres Gehäuse 10 mit einer Stirnwand 11. In dem Gehäuse ist eine zylindrische feuerfeste Auskleidung 12 untergebracht, deren vorderes Ende 13 auf dem Prallblech 5 in dem Bereich zwischen der zentralen Hauptöffnung 6 und der Reihe äußerer Hilfsöffnungen 7 sitzt. Das hintere Ende der Auskleidung ist eine Wand 14 mit größerem Durchmesser, die von der Innenseite der Stirnwand 11 beabstandet ist, um eine Kammer 15 zu bilden.
Die Auskleidung hat eine Einlassöffnung 16, die sich bei 17 in eine breitere Kammer 18 aufweitet. In der Seitenwand des Gehäuses 10 ist eine Öffnung 19 so angeordnet, dass sie den kleinen Öffnungen 7 in dem Prallblech Verbrennungsluft zuführt. In der Stirnwand sind zwei Einlässe vorgesehen, von denen einer ein mit 21 bezeichneter Kaltstart-Luftzufuhreinlass ist. Eine Brennstofflanze 23 ist in einer Öffnung 22 montiert und hat eine kegelstumpfförmige Nase 24, die mit einem Abstand 25 in die Einlassöffnung 16 der Auskleidung 12 ragt. Der Durchmesser der Düse ist so gewählt, dass der Brennstoff mit einer hohen, vorzugsweise maximalen Befeuerungsrate ausgelassen wird. Ein Brennstoffzufuhreinlass 26 ist in einer Seite der Lanze 23 vorgesehen, und eine Luftstromvorrichtung 27 erstreckt sich durch die Düse bis kurz vor das Auslassende 20 der Brennstofflanze 23.
Ein Durchgang 28 ist in der Wand 4 des Ofens und/oder des Brennersteins 3 neben dem Einlass 2 gebildet und führt zu einem oder mehreren Durchgängen 29, die in die Kammer 15 führen, die durch die Stirnwand 11 des Gehäuses ist und die gegenüberliegende hintere Wand 14 der Auskleidung 12 gebildet ist.
Bei Gebrauch wird Brennstoff dem Brenner über die Lanze 23 zugeführt und durch die einzige durchmesserkleine Düse 20 gedrückt, um einen Brennstoffstrom mit hoher Geschwindigkeit von etwa 80 bis 110 m/s zu bilden, um einen Sog um die Düse herum in dem Bereich 15 zu bewirken. Luft wird über den Luftstrom 27 mit etwa 80 bis 120 m/s zugeführt und erhält den Sog und leitet ein brennbares Gemisch bei niedrigen Flussraten von etwa 10 bis 13% der Maximalrate ein. Durch den Sog werden Abgase durch die Durchgänge 29 in den Brennstoffstrom an der Verbindung zwischen der Düse und der Brennerauskleidung 12 gezogen, d.h. in den Bereich 16. Folglich wird ein brennstoffreiches Hochgeschwindigkeitsgemisch an dem Eingang zu dem Brenner durch einen Luftstrahl erzeugt, der als Hochgeschwindigkeitsstrom mit geringem Volumen konzentrisch strömt. Bei Verwendung eines Flüssigbrennstoffs wird der Luftstrahl mit dem Brennstoffstrom vermischt. Der Abgasstrom wird aus dem Ofen genommen und in den brennstoffreichen Hochgeschwindigkeitsstrom eingeleitet, um ein Gemisch aus Brennstoff, Abgas und Luft zu bilden.
Der Gasstrom strömt axial zu dem Brenner vorwärts und besteht nun aus Brennstoff, Luft und Abgasen, kann sich nun innerhalb des Bereichs 18 der Auskleidung 12 ausdehnen und sich mit einem tangentialen Verbrennungsluftstrom 9 (aus dem Einlass 19) nahe dem in die Verbrennungskammer führenden Ausgang nahe dem Prallblech 5 schneiden. Das brennbare Gemisch vermischt sich nun auf dem Umfang dieses Stroms weiter mit gestufter Verbrennungsluft 8 auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Prallblechs 5, wobei der äußere Abschnitt des Stroms 9 gedreht wird. Die abprallende Luft strömt im kalten Zustand mit etwa 40 m/s und im erwärmten Zustand mit etwa 300 m/s. Anders gesagt, wird das teilweise reagie rende Gemisch aus Luft, Brennstoff, und Abgas durch eine Öffnung in einem Luftverteilerblech gerichtet, wo der Rest der für die vollständige Verbrennung benötigten Luft mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird. Das restliche brennbare Gemisch gelangt an der heißen Fläche des Brennerprallblechs in die Verbrennungskammer, dehnt sich dort aus und verbrennt dann sichtbar örtlich bei den Verbrennungsströmen 7 abprallender Luft. Durch das sich daraus ergebende Vermischen des Brennstoffgemischs mit der restlichen Verbrennungsluft kann die Verbrennung innerhalb des Retentionsbrennersteins und des Ofenvolumens im Wesentlichen flammenlos abgeschlossen werden.
Die Geschwindigkeit der aus dem Prallblech 5 austretenden Luftströme leitet Abgase in die Verbrennungsluft ein und verdünnt diese dadurch. Die Verbrennung ist erst abgeschlossen, wenn ein Geschwindigkeits- und Mischungsgleichgewicht ein Stück weit in die Verbrennungskammer hinein hergestellt ist, wenn die flammenlose Verbrennung 30 (6) erfolgt.
Es ist erkennbar, dass die Erfindung eine Industriebrenner- und Brennersteinanordnung angibt, die geringere Stickstoffoxid-(NO_x)-Emissionen verursacht, indem sie Brennstoff und intern zurückgeführte Abgase vorab vermischt, die direkt aus der Verbrennungskammer in den Brennerkörper gezogen werden, bevor sie gestuft mit der für die Verbrennung benötigten Luft vermischt werden. Die Verdünnung des Brennstoffs mit den Abgasen erfolgt innerhalb des Brennerkörpers durch Venturi-Induktion unter Verwendung einer Brennstofflanze. Sowohl die Flammenstabilität als auch die Induktion von Abgasen, die den Brennstoffstrom verdünnen, werden bei niedrigen Feuerungsraten durch einen Luftstrahl oder Luftstrahlen unterstützt.
Der Brennerstein ist dazu bestimmt, ein stabiles Flammenmuster beizubehalten und einen Hochgeschwindigkeitsausstoß des reagierenden Gemischs zu erzeugen.
Der Brennstoff kann Erdgas, Flüssiggas oder ein brennbares, gasförmiges, industrielles Nebenprodukt sein. Der Brennstoff kann zudem eine Flüssigkeit oder atomisierte Flüssigkeit wie Heizöl sein.
Die Verbrennungsluft kann kalt oder vorgewärmt sein. Falls erforderlich wird die Verbrennungsluft in einem kompakten Regenerator vorgewärmt, der direkt mit dem Brennerkörper verbunden ist.

Claims

Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff, um niedrige NO_x Emissionen zu erzielen, wobei das Verfahren umfasst: a) Erzeugen eines Hochgeschwindigkeitsstroms aus Brennstoff und Ableiten des Stroms aus einer Düse (20) mit geringem Durchmesser, die dem Einlass (16) eines Durchgangs (18) gegenüberliegt, der zu einem Ofen führt; b) Vereinigen des austretenden Stroms mit Abgas, das aus dem Ofen zugeführt wird, und Einleiten des vereinigten Stroms in den Durchgang (18), der einen sich vergrößernden Durchmesser hat, wobei sich der vereinigte Strom in seinem Volumen ausdehnt; c) Führen des ausgedehnten Stroms durch die Hauptöffnung (6) eines warmen Prallblechs (5) in einen Einlass des Ofens, wobei das Prallblech (5) Hilfsöffnungen (7) hat, die an den Umfang des Blechs (5) angrenzen; d) Schneiden des ausgedehnten Stroms in dem Bereich des Prallblechs (5) mit einem tangentialen Strom aus Verbrennungsluft, um die Luftzufuhr zu stufen und eine Rotationsstörung in dem Gemisch zu erzeugen, bevor es zu der Hauptöffnung (6) geleitet wird, um die Rückstände der Verbrennungsluft und der Abgase in dem Ofen zu verbinden und die Verbrennung abzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Luftstrom so eingestellt wird, dass er eine beständige Verbrennung für den gesamten Arbeitsbereich des Brenners sicherstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der Hochgeschwindigkeitsbrennstoffstrom mit 80 bis 120 m/s bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 bis 120 m/s eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in dem Bereich des Prallblechs (5) für kalte Luft etwa 40 m/s und für warme Luft etwa 300 m/s beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennungsluft nach dem Induktionsprinzip verdünnt wird.
Brennerzubehör für einen Ofen mit einem Einlass (2), der ein Prallblech (5) enthält, das eine Hauptöffnung (6) und Hilfsöffnungen (7) hat, die nahe dem Umfang des Prallblechs (5) angeordnet sind, wobei das Zubehör umfasst: ein Gehäuse, das eine Düse (20) mit geringem Durchmesser enthält, die so angeordnet ist, dass sie einen Hochgeschwindigkeitsbrennstoffstrom und einen Abgasstrom zu dem Einlass (16) eines Durchgangs (18) führt, der einen zu dem Prallblech (5) führenden durchmessergrößeren Abschnitt hat; Mittel zum Zuführen von Brennstoff zu der Düse (20), um den Hochgeschwindigkeitsstrom durch Nutzen des Förderdrucks des Brennstoffs zu Mittel (28, 29) zum internen Abführen der Abgase aus dem Ofen, damit sich diese mit dem Hochgeschwindigkeitsstrom vereinen; Mittel (12), die eine physikalische Grenze zwischen der Verbrennungsluft und dem vereinigten und ausgedehnten Strom definieren; und Mittel, um die Verbrennungsluft über einen den Durchgang enthaltenden Liner zu dem Durchgang nahe dem Prallblech zu leiten, wobei die Mittel so angeordnet sind, dass sie den vereinigten und ausgedehnten Strom in dem Bereich des Prallblechs (5) mit einem tangentialen Strom aus Verbrennungsluft schneiden, um die Luftzufuhr zu stufen und eine Rotationsstörung in dem Gemisch zu erzeugen, bevor es zu der Hauptöffnung (6) geleitet wird, um die Rückstände der Verbrennungsluft und der Abgase in dem Ofen zu verbinden und die Verbrennung abzuschließen.