DE60018148T2 - Brenner mit gestufter Luft- und Brennstoffzufuhr - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, wie er in dem einleitenden Teil des Patentanspruches 1 definiert ist.
- Ein derartiger Brenner ist aus der US-A-4 645 449 bekannt. Dieser bekannte Brenner hat niedrige NOx-Emissionen. Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Brenner zu schaffen, der die NOx-Erzeugung weiter reduziert.
- Eine Ausführungsform eines Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung hat im allgemeinen einen Hauptbrennerkörper, der einen Innenhohlraum definiert, einen Luftanschluß, der fluidmäßig mit dem Innenhohlraum verbunden ist, und einen Verbrennungstunnel. In dem Innenhohlraum des Hauptbrennerkörpers kann eine Brennerdüse positioniert sein. Die Brennerdüse definiert eine Primärluftöffnung, einen Ringraum und eine Brennstofföffnung. Der Luftanschluß kann so gestaltet sein, dass er Versorgungsluft aufnimmt und die Versorgungsluft in eine Primärluft und eine Sekundärluft teilt, wobei das Verhältnis der Primärluft zur Sekundärluft ungefähr im Bereich von 40/60 bis 70/30 liegt, wobei ein Verhältnis von 50/50 bevorzugt wird. Die Primärluft fließt vorzugsweise durch die Primärluftöffnung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 91 bis 122 Meter/Sekunde (300 bis 400 Fuß/Sekunde).
- Der Hauptbrennerkörper erstreckt sich im allgemeinen in Längsrichtung um eine imaginäre Brennermittellinie und die Primärluftöffnung ist vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie gemessen von der imaginären Brennermittellinie einen konvergierenden Winkel bildet, wie beispielsweise einen Winkel von ungefähr 30 bis 60°, gemessen von der imaginären Brennermittellinie. Alternativ kann die primäre Luftöffnung so ausgebildet sein, dass sie in dem Verbrennungstunnel ein Wirbelmuster erzeugt, wobei der Wirbel ungefähr kleiner als oder gleich dem 0,7-fachen des Innendurchmessers des Verbrennungstunnels ist.
- Der Brenner kann auch eine Sekundärluftleitung aufweisen, die fluidmäßig mit dem Verteiler-T-Stück verbunden ist, wobei die Sekundärluftleitung einen Sekundärluftstrahl hat, der fluidmäßig mit einer sekundären Verbrennungszone verbunden ist. Der Hauptbrennerkörper erstreckt sich im allgemeinen in Längsrichtung um eine imaginäre Brennermittellinie und der Sekundärluftstrahl ist im wesentlichen parallel zu der imaginären Brennermittellinie ausgerichtet. Alternativ kann der Hauptbrennerkörper sich in Längsrichtung um die imaginäre Brennermittellinie erstrecken, wobei der sekundäre Luftstrahl in einem Winkel konvergierend zur imaginären Brennermittellinie ausgerichtet ist. Die Sekundärluft verläßt den Sekundärluftstrahl mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 46 bis 122 Meter/Sekunde (150–400 Fuß/Sekunde).
- Ein Brennstoffanschluß ist so gestaltet, dass er eine Brennstoffzufuhr erhält und die Brennstoffzufuhr in einen Primärbrennstoff und einen Sekundärbrennstoff unterteilt. Das Teilungsverhältnis von Primärbrennstoff zu Sekundärbrennstoff ist ein Teilungsverhältnis ungefähr im Bereich von 20/80 bis 40/60, wobei ein Teilungsverhältnis von 22/78 bevorzugt wird. Es können auch ein Primärbrennstoffweg und ein Sekundärbrennstoffweg enthalten sein, wobei der Primärbrennstoffweg mit dem Ringraum fluidmäßig verbunden ist, der Sekundärbrennstoffweg mit der Brennstofföffnung fluidmäßig verbunden ist und der Primärbrennstoffweg und der Sekundärbrennstoffweg fluidmäßig miteinander verbunden sind. Der Primärbrennstoff kann den Ringraum, welcher durch die Brennerdüse definiert ist, mit einer Geschwindigkeit von weniger als 30Meter/Sekunde (100 Fuß/Sekunde) verlassen. Der Sekundärbrennstoff kann die Brennstofföffnung, welche durch die Brennerdüse definiert ist, mit einer Geschwindigkeit ungefähr größer als 107 Meter pro Sekunde (350 Fuß/Sekunde) verlassen. Die Brennstofföffnung und der Brennstoffringraum können in der gleichen Ebene liegen, im wesentlichen rechtwinkelig zu einer imaginären Brennermittellinie und das Verteiler-T-Stück kann in der Nähe des Innenhohlraums des Hauptbrennerkörpers und gegenüber dem Verbrennungstunnel
52 positioniert sein. - Ein Verfahren zum Senken der NOx-Emissionen in einem Brenner mit einem Hauptbrennerkörper, der einen Verbrennungstunnel definiert, kann die Schritte aufweisen, Einströmen lassen von Versorgungsluft in den Hauptbrennerkörper, Teilen der Versorgungsluft in die Primärluft und die Sekundärluft, Strömenlassen der Primärluft in den Verbrennungstunnel mit vorgegebener Geschwindigkeit, Strömenlassen des Primärbrennstoffes in den Verbrennungstunnel mit einer Geschwindigkeit, die niederiger als die Geschwindigkeit der Primärluft ist, Strömenlassen des Sekundärbrennstoffes in den Verbrennungstunnel mit einer Geschwindigkeit, die höher als die Geschwindigkeit des Primärbrennstoffes ist, Strömenlassen der Sekundärluft in die sekundäre Verbrennungszone durch einen Sekundärluftstrahl mit einer Geschwindigkeit, die höher als die Geschwindigkeit des Primärbrennstoffes ist, und Zünden des Primärbrennstoffes, des Sekundärbrennstoffes und der Primärluft in den Verbrennungstunnel um die Verbrennungsprodukte zu erzeugen. Zusätzliche Schritte können Ausstoßen von Verbrennungsprodukten in die sekundäre Verbrennungszone und Ziehen der Verbrennungsprodukte in den Verbrennungstunnel und in den sekundären Luftstrahl, umfassen.
- Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung tragen dazu bei, die NOx-Emissionen des Brenners zu reduzieren.
- Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform anhand der anhängenden Zeichnungen klargestellt, in welchen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Seitenansicht teilweise im Schnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 ist eine Seitenansicht im Schnitt der in der1 gezeigten Ausführungsform, bei der die Sekundärluftstrahle der Klarheit halber weggelassen worden sind und der Ort des Primärluftanschlusses um 90° gedreht worden ist; und -
3 ist eine Vorderansicht einer Düse gemäß2 . - Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
- Die bevorzugte Ausführungsform eines Brenners
10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den1 bis3 gezeigt.2 zeigt den Brenner10 mit einem Hauptbrennerkörper22 , der einen Luftanschluß12 , einen Innenhohlraum13 und einen Verbrennungstunnel52 dezimiert. Es ist ein Brennstoffanschluß14 vorgesehen, durch welchen die Brennstoffzufuhr16 in den Brenner10 eintritt, mit Ausnahme für den Fall, dass durch eine Öffnung18 eine Gaszündflamme (nicht dargestellt) verwendet wird. Eine Elektrode (nicht dargestellt) wird dazu verwendet, den Brenner10 zu zünden; es könnte jedoch auch eine gasförmige Zündung verwendet werden. - Wie am besten in der
2 gezeigt, tritt die Versorgungsluft20 in den Luftanschluß12 ein, geht durch den Innenhohlraum13 , der durch den Hauptbrennerkörper22 definiert ist und wird in die Primärluft24 und die Sekundärluft26 geteilt. Eine Sekundärluftöffnung28 ermöglicht, dass die Sekundärluft26 in ein Sekundärluft-Verteiler-T-Stück30 eintritt, während die Primärluft24 durch wenigstens eine Primärluftöffnung32 hindurchgeht, die durch eine Brennerdüse46 dezimiert ist, die eine Anzahl von Primärluftöffnungen32 hat, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 8 Öffnungen32 . Die Primärluft24 wird durch die Primärluftöffnung oder Öffnungen32 auf eine Geschwindigkeit im Bereich von ungefähr 91 bis 122 Meter/Sekunde (300 bis 400 Fuß/Sekunde) beschleunigt, und zwar in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Luftvorheizung, dem nominellen Brennerverhältnis und dem Nenneingang. Die Primärluft24 ist vorzugsweise in konvergierender Art und Weise auf eine imaginäre Brennermittellinie C gerichtet; die Primärluftöffnung oder Öffnungen32 können jedoch auch leicht versetzt sein, um an der Primärluft24 ein Wirbelmuster hervorzurufen. Ein konvergierender Winkel α der Primärluftöffnung oder der Öffnungen32 kann ungefähr 30 bis 60° betragen, gemessen von der imaginären Brennermittellinie C. Der Wirbel oder der Versatz kann so groß wie das 0,7-fache der Primäröffnung, des Verbrennungstunnels, des Durchmessers D sein. - Der Versorgungsbrennstoff
16 , der in den Brennstoffanschluß14 eintritt, geht in einem Brennstoffspringler34 , der den Versorgungsbrennstoff16 über Löcher36 in den Primärbrennstoff38 und den Sekundärbrennstoff46 teilt. Der Primärbrennstoff38 läuft entlang einem oder mehrerer Primärbrennstoffwege42 , vorzugsweise parallel zum Sekundärbrennstoff40 , der durch einen Sekundärbrennstoffweg44 läuft. Der Primärbrennstoffweg42 ist fluidmäßig mit einem Ringraum47 verbunden, der durch die Brennerdüse46 definiert ist, die in dem Innenraum13 positioniert ist, welcher durch den Hauptbrennerkörper22 definiert ist. Der Sekundärbrennstoffweg44 ist fluidmäßig mit einer Brennstofföffnung48 verbunden, die ebenfalls durch die Brennerdüse46 definiert ist. Der Primärbrennstoff38 verläßt die Brennerdüse46 durch den Ringraum47 in den Verbrennungstunnel52 mit einer niedrigen Geschwindigkeit, idealerweise niedriger als 30 Meter/Sekunde (100 Fuß/Sekunde) in Abhängigkeit von dem Nenneingang. Der Sekundärbrennstoff46 geht nach unten durch den Sekundärbrennstoffweg44 und tritt durch die Brennstofföffnung48 in den Verbrennungstunnel52 aus, vorzugsweise auf eine Geschwindigkeit annähernd größer als 107 Meter/Sekunde (350 Fuß/Sekunde) beschleunigt, und zwar in Abhängigkeit von dem Nenneingang. Wie in der3 gezeigt, hat der Brennstoffringraum47 eine erste Weite W1 und die Brennstofföffnung48 eine zweite Weite W2, wobei die erste Weite W1 des Brennstoffringsraum47 kleiner als die zweite Weite W2 der Brennstofföffnung48 ist. - Erneut bezugnehmend auf
2 hängen die Geschwindigkeiten der Primär- und Sekundärbrennstoffe38 ,40 , die den Ringraum47 und die Brennstofföffnung48 der Brennerdüse46 verlassen, von der Geschwindigkeit der Primärluft24 ab, die an der Primärluftöffnung oder den Öffnungen32 austritt. Der Primärbrennstoff38 , der an dem Ringraum47 austritt, vermischt sich in einem hochturbulenten Bereich mit der Primärluft24 die an der Primärluftöffnung oder den Öffnungen32 austritt, erzeugt eine stark reduzierende Verbrennungsregion innerhalb des Verbrennungstunnels52 . Der Sekundärbrennstoff40 , der an der Brennstofföffnung48 austritt, ist bis zu dem Punkt beschleunigt, bei dem nur eine partielle Vermischung des Sekundärbrennstoffes40 mit der Primärluft24 und den Verbrennungsprodukten59 in einer Primärverbrennungszone50 des Verbrennungstunnels52 auftritt. Daher ist das Profil der Verbrennung, die am Verbrennungstunnel52 austritt, in Richtung auf den Umfang des Verbrennungstunnels52 zu mehr oxidierend und entlang der imaginären Brennermittellinie C mehr reduzierend. - Wie am besten in der
1 gezeigt, geht die Sekundärluft26 durch das Verteiler-T-Stück30 und in eine Sekundärluftleitung54 . Die Sekundärluftleitung54 leitet die Sekundärluft26 zu dem Sekundärluftstrahl56 , der vom Verbrennungstunnelausgang62 des Verbrennungstunnels52 beabstandet ist, und fluidmäßig mit einer Sekundärverbrennungszone60 in Verbindung steht. Die Sekundärluft26 läßt den Sekundärluftstrahl56 in Abhängigkeit von der Luft vor Erwärmung, der Konstruktionsnennleistung des Brenners10 und des Nenneingangs mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 46 bis 122 Meter pro Sekunde (150 bis400 Fuß/Sekunde) aus. - Der Brenner
10 kann mit einem einzigen Sekundärluftstrahl56 oder einer Anzahl von Sekundärluftstrahlen56 betrieben werden. Die Sekundärluftstrahle56 können parallel oder konvergierend zur imaginären Brennermittellinie C ausgerichtet sein, wie dies in der1 als Winkel β gezeigt ist. Die Sekundärluft26 tritt als Sekundärluftstrahle56 an einer Ofenwand58 aus und erzeugt einen Bereich mit Unterdruck, der die Verbrennungsprodukte59 von der Sekundärverbrennungszone60 zurück in die Sekundärluftöffnung56 zieht, wodurch die Sekundärluft26 stark verunreinigt wird, bevor die Sekundärluft26 , die das substöchiometrische Verhältnis erreicht, am Verbrennungstunnel52 austritt. Die resultierende Verbrennungsausdehnung in der Primärverbrennungszone50 des Verbrennungstunnels52 erzeugt auch einen Sog an der Ofenwand58 in der Nähe des Verbrennungstunnelausgangs62 , wodurch ebenfalls bewirkt wird, daß die Ofenprodukte der Verbrennung59 zurück in den Verbrennungstunnelausgang62 gelangen. - Die Konstruktion des Brenners
10 gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt in den primären und sekundären Verbrennungszonen50 ,60 eine solche Verunreinigung, daß die Stöchiometrie des Brenners10 auf der oxidierenden Seite sein muß, um in der Sekundärverbrennungszone60 unterhalb der Ofentemperatur von 649°C (1200° F) eine stabile Verbrennung auszulösen. Bei ungefähr 649°C kann die Stöchiometrie auf ungefähr 10% überschüssige Luft mit der daraus resultierenden Hauptflammenstabilität gebracht werden und die Sekundärverbrennungreaktionen schließen ohne die Erzeugung von freien brennbaren Stoffen ab. Bei Ofentemperaturen zwischen 649°C bis 760°C (1200°F und 1400°F) sind winzige Spuren von CO vorhanden. Das Teilungsverhältnis von Primärbrennstoff38 zu Sekundärbrennstoff40 kann ungefähr 20/80 bis 40/60 betragen, während das Teilungsverhältnis von Primärluft24 zu Sekundärluft26 40/60 bis 70/30 betragen kann. Das optimale Teilungsverhältnis von Primärbrennstoff38 zu Sekundärbrennstoff40 ist ungefähr 22/78 und das optimale Teilungsverhältnis von Primärluft24 zu Sekundärluft26 beträgt ungefähr 50/50. - Der Brenner
10 mit gestufter Luft- und Brennstoffzufuhr gemäß dieser ersten Ausführungsform verbessert signifikant das NOx-Emissionsvermögen, wie dies in der folgenden Tabelle dargestellt ist:
Claims (19)
- Brenner (
10 ) zur Reduzierung der NOx-Emissionen, mit einem Hauptbrennerkörper (22 ), der einen Innenhohlraum (13 ) definiert, einem Luftanschluss (12 ), der fluidmäßig mit dem Innenhohlraum (13 ) verbunden ist, einem Verbrennungstunnel (52 ) und einer Brennerdüse (46 ), die in dem Innenhohlraum (13 ) des Hauptkörpers (22 ) positioniert ist, wobei die Brennerdüse wenigstens eine primäre Luftöffnung (32 ) definiert, gekennzeichnet durch einen Brennstoffringraum (47 ) mit einer ersten Weite (W1), der eine Brennstofföffnung (48 ) umgibt, die eine zweite Weite (W2) hat, wobei die erste Weite (W 1) des Brennstoffringraumes (47 ) kleiner als die zweite Weite (W2) der Brennstofföffnung (48 ) ist, wodurch der primäre Brennstoff die Brennerdüse durch den Ringraum (47 ) verläßt und der sekundäre Brennstoff die Brennerdüse durch die Brennstofföffnung (48 ) verläßt. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnung, dass der Hauptbrennerkörper (22 ) sich in Längsrichtung um eine imaginäre Brennermittellinie (C) erstreckt und die primäre Luftöffnung (32 ) so ausgerichtet ist, dass sie von der imaginären Brennermittellinie (C) aus gemessen einen konvergierenden Winkel (α) bildet. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnung, dass der konvergierende Winkel (α) ungefähr 30–60° gemessen von der imaginären Brennermittellinie (C), beträgt. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnung, dass der Hauptbrennerkörper (22 ) sich in Längsrichtung um eine imaginäre Brennermittellinie (C) erstreckt und die primäre Luftöffnung (32 ) so ausgerichtet ist, dass sie in dem Verbrennungstunnel (52 ) ein Wirbelmuster erzeugt. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnung, dass der Wirbel ungefähr weniger oder gleich dem 0,7-fachen eines Innendurchmessers (D) des Verbrennungstunnels (52 ) beträgt. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch eine sekundäre Luftleitung (54 ), die fluidmäßig mit dem Innenhohlraum (13 ) verbunden ist, wobei die sekundäre Luftleitung (54 ) einen sekundären Luftstrahl (56 ) hat, der fluidmäßig mit einer sekundären Verbrennungszone (60 ) verbunden ist. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnung, dass der Hauptbrennerkörper (22 ) sich in Längsrichtung um eine imaginäre Brennermittellinie (C) erstreckt und der sekundäre Luftstrom (56 ) im wesentlichen parallel zu der imaginären Brennermittellinie (C) des Brennerhauptkörpers (22 ) ausgerichtet ist. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnung, dass der Hauptbrennerkörper (22 ) sich in Längsrichtung um eine imaginäre Brennermittellinie (C) erstreckt und der sekundäre Luftstrom (56 ) in einem Winkel (β) konvergierend zu der imaginären Brennermittellinie (C) des Hauptbrennerkörpers (22 ) ausgerichtet ist. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch einen primären Brennstoffweg (42 ) und einen sekundären Brennstoffweg (44 ), wobei der primäre Brennstoffweg (42 ) fluidmäßig mit dem Ringraum (47 ) verbunden ist, der sekundäre Fluidweg (44 ) fluidmäßig mit der Fluidöffnung (48 ) verbunden ist und der primäre Fluidweg (42 ) und der sekundäre Fluidweg (44 ) miteinander fluidmäßig verbunden sind. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnung, dass die Brennstofföffnung (48 ) und der Brennstoffringraum (47 ) in der gleichen Ebene, im wesentlichen rechtwinklig zu einer imaginären Brennermittellinie (C), liegen. - Brenner (
10 ) nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein Verteiler-T-Stück (30 ), das in der Nähe des Innenhohlraums (13 ) und zum Verbrennungstunnel (52 ) beabstandet positioniert ist, wobei das Verteiler-T-Stück (30 ) mit dem Innenhohlraum (13 ) in Fluidverbindung steht. - Verfahren zur Senkung der NOx-Emissionen in einem Brenner (
10 ) gemäß dem Anspruch 6, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: a. Ausstoßen von Verbrennungsprodukten (59 ) in eine sekundäre Verbrennungszone (60 ); und b. Ziehen der Verbrennungsprodukte (59 ) aus der sekundären Verbrennungszone (60 ) in einen Verbrennungstunnelausgang (62 ) und zu einer sekundären Luftquelle (26 ). - Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin gekennzeichnet durch die Schritte: c. Einströmenlassen von Versorgungsluft (
20 ) in den Hauptbrennerkörper (22 ); d. Teilen der Versorgungsluft (20 ) in die Primärluft (24 ) und die Sekundärluft (26 ); e. Strömenlassen der Primärluft (24 ) in den Verbrennungstunnel (52 ) mit vorgegebener Geschwindigkeit; f. Strömenlassen des primären Brennstoffes (38 ) in den Verbrennungstunnel (52 ) mit einer Geschwindigkeit, die niedriger als die Geschwindigkeit der Primärluft (24 ) ist; g. Strömenlassen des sekundären Brennstoffes (40 ) in den Verbrennungstunnel (52 ) mit einer Geschwindigkeit die höher als die Geschwindigkeit des primären Brennstoffes (38 ) ist; h. Strömenlassen der Sekundärluft (26 ) in die sekundäre Verbrennungszone (60 ) mit einer Geschwindigkeit, die höher als die Geschwindigkeit des primären Brennstoffes (38 ) ist; und i. Zünden des primären Brennstoffes (38 ), des sekundären Brennstoffes (40 ) und der Primärluft (24 ) in dem Verbrennungstunnel (52 ), um Verbrennungsprodukte (59 ) zu bilden. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnung, dass das Verhältnis von Primärluft (
24 ) zur Sekundärluft (26 ) ungefähr im Bereich von 40/60 bis 70/30 liegt. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnung, dass die Primärluft (
24 ) in dem Verbrennungstunnel (52 ) mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 91-122 Meter pro Sekunde (300–400 Fuß pro Sekunde) Nennaufnahme einströmt. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnung, dass die Sekundärluft (
26 ) in die sekundäre Verbrennungszone (60 ) mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 46–122 Meter/Sekunde (150–400 Fuß pro Sekunde) Nennaufnahme einströmt. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnung, dass das Teilungsverhältnis vom primären Brennstoff (
38 ) zum sekundären Brennstoff (40 ) im Bereich von ungefähr 20/80 bis 40/60 liegt. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnung, dass der primäre Brennstoff (
38 ) in den Verbrennungstunnel (52 ) mit einer Geschwindigkeit fließt, die geringer als ungefähr 30 Meter/Sekunde (100 Fuß pro Sekunde) Nennaufnahme ist. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnung, dass der sekundäre Brennstoff (
40 ) in den Verbrennungstunnel (52 ) mit einer Geschwindigkeit fließt, die ungefähr größer als 106,7 Meter/Sekunde (350 Fuß pro Sekunde) Nennaufnahme ist.
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