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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmigen Brennstoff für Prozesserwärmung. Speziell
betrifft die vorliegende Erfindung einen Brenner für Prozesserwärmung, der
sehr niedrige (ultraniedrige) Emissionen von Stickoxiden (NOx) liefert.
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Energieintensive
Industriezweige stehen wachsenden Anforderungen gegenüber, um
die Einhaltung von NOx Emissionen lediglich
mit der Brennerausrüstung
zu erfüllen.
Diese Brenner verwenden üblicherweise Erdgas
als einen Brennstoff wegen seiner sauberen Verbrennung und der geringen
Gesamtemissionen. Hersteller für
industrielle Brenner haben die Ausführung der Brennerausrüstung verbessert,
um sehr niedrige NOx Emissionen zu erzeugen,
und benennen sie mit dem allgemeinen Namen "Low NOx Burners" (LNBs) oder den verschiedenen
Handelsbezeichnungen. Tabelle 1 (Quelle: North American Air Pollution
Control Equipment Market, Frost & Sullivan)
gibt den LNB-Marktanteil auf Industrie-Basis für das Jahr 2000 an. Eine Aufgabe
für neue
Brenner ist es, auf die industriellen Sektoren abzuzielen, die den
größten Bedarf
für LNBs
auf der Basis der geografischen Region und der örtlichen Luftemissionsbestimmungen
haben.
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Gemäß Tabelle
1 nutzen öffentliche
Versorgungsbetriebe und Raffinerien (chemische und Erdölindustrien)
den größten Anteil
der Brenner mit niedrigem NOx Ausstoß. Diese
Brenner werden in industriellen Dampfkesseln, Roh- und Verfahrensheizvorrichtungen
(atmosphärische
und Unterdruck-Öfen)
und Wasserstoff-Reformern (Dampf-Methan-Reformer) verwendet.
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Unter
den hauptsächlichen
Luftverschmutzungsschadstoffen, die bei Verbrennungsverfahren ausgestoßen werden,
befinden sich Stickoxide (NOx). NOx Emissionen wurden als jene erkannt, die
zur Umweltschädigung,
speziell der Schädigung
der Luftqualität,
der Bildung von Smog (schlechte Sicht) und zum sauren Regen beitragen.
Infolgedessen wurden durch verschiedene Behörden Luft-Qualitätsstandards auferlegt, die
die Menge von NOx Gasen begrenzen, die in
die Atmosphäre
ausgestoßen
werden dürfen.
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Hauptsächliche
Ziele bei Verbrennungsverfahren, die das oben Gesagte betreffen,
sind
- (1) das Absenken der NOx Emissionspegel
auf < 9 Teile pro
Million des Volumens (parts per million by volume – ppmv)
und
- (2) die Verbesserung der gesamten Wärmeübertragung-Gleichförmigkeit
und der Verbrennungseffizienz von Verfahrensheizvorrichtungen, Dampfkesseln
und Industrieöfen.
Zum Beispiel ist es in Südkalifornien für Prozessheizvorrichtungen
mit einer Feuerungskapazität
von mehr als 21,1 GJ/h (20 MM Btu/hr) erforderlich, dass die NOx Emissionen niedriger als 7 ppmv sind und
dass der Abgasstrom aus den Verfahrensheizvorrichtungen in eine
selektive katalytische Reduktionseinheit (Selective Catalytic Reduction – SCR) entlüftet werden
muss. Zurzeit ist dies nur mittels der besten verfügbaren Steuertechnologie
wie einem SCR-System möglich.
Das SCR-System verwendet die Nachbehandlung von Rauchgas durch Reaktion von
Ammoniak in der Gegenwart eines Katalysators, um NOx zu
Stickstoff abzubauen. Zusätzlich
fordert das kalifornische Gesetz außerdem ein festes Temperaturfenster
(315,6°C
bis 426,7°C)
(600°F bis
800°F) für > 90% Entfernungswirksamkeit
sowie die Vermeidung, dass Ammoniak unter 5 ppmv absinkt. Eine typische
SCR-Einheit für
eine 105,5 GJ/h (100 Millionen Btu/hr) Prozessheizvorrichtung würde Investitionskosten
von näherungsweise
700.000 $ bei jährlichen
Betriebskosten von 200.000 $ bedeuten. Siehe zum Beispiel Tabelle
2 von R. K. Agrawal und S. C. Wood, "Cost-Effective NOx Reduction", Chemical Engineering,
Februar 2001.
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Die
oben genannten Kosten zur Einhaltung erzeugen eine höhere Kostenlast
für die
Betreiber von Ofen-/Prozessanlagen oder die Versorgungsunternehmen.
Im Allgemeinen werden die Kosten zur Emissionssteuerung auf die Öffentlichkeit
in Form von höheren
Gesamt-Produktionskosten, örtlichen
Steuern und/oder Anwender-Gebühren übertragen.
Deshalb suchen Energieversorgungsbetriebe und Verfahrenanlagen nach kosteneffektiveren
NOx Reduktionstechnologien, die die NOx Emissionen von der Quelle steuern würden, und keine
Nachbehandlung von Rauchgasen erfordern, nachdem NOx bereits
gebildet wurde.
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Um
den NOx Emissionen kostengünstig zu
genügen,
haben viele Hersteller von Verbrennungsanlagen LNBs entwickelt.
Siehe z. B. D. Keith Patrick, "Reduction
and Control of NOx Emissions from High Temperature Industrial
Processes", Industrial
Heating, März
1998. Die Kosteneffektivität
eines LNB im Vergleich zum SCR-System würde im Allgemeinen von der
Art des Brenners, den gleich bleibenden NOx Emissionen
vom Brenner, den Brennerkosten und dem örtlichen Einhaltungswerten
abhängen.
In vielen Ozon-Sicherheitsbereichen waren die LNBs (für > 42,2 GJ/h (40 MM Btu/hr))
nicht in der Lage, NOx Emissionen zu erzeugen,
die niedrig genug sind, um den Vorschriften zu entsprechen oder
eine Alternative zu den SCR-Einheiten zur Verfügung zu stellen. Daher bleibt
SCR heute die einzige beste verfügbare
Steuertechnologie für
große
Verfahrensheizvorrichtungen und Versorgungs-Dampfkessel.
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Die
größte Herausforderung
beim Entwerfen eines Brenners mit niedrigem NOx Ausstoß ist es,
die NOx Emissionen gleich bleibend bei unter
9 ppmv oder vergleichbar mit NOx Emissionen
am Auslass des SCR-Systems zu halten. Der Stand der Technik enthält Brenner
mit niedrigem oder sehr niedrigem NOx Ausstoß, die niedrige
NOx Emissionen unter Verwendung verschiedener
Mischverfahren von Brennstoff/Oxidationsmittel, Abstufungsverfahren
von Brennstoff/Oxidationsmittel, Rauchgas-Rezirkulation, stoichometrische
Variationen, Fluid-Oszillationen, Gas-Wiederverbrennung und verschiedenen
Modifikationen von Verbrennungsverfahren erzeugen. Die meisten Brenner
sind jedoch nicht in der Lage, NOx Emissionen
von weniger als 9 ppmv zu erzeugen, wobei die, die das im Labor
können,
solche NOx Pegel in einer industriellen
Anlagen nicht wiederholen können.
Die technischen Gründe
oder Herausforderungen beim Entwerfen eines Brenners mit niedrigem
NOx Ausstoß von weniger als 9 ppmv werden
offenkundig, wie unten beschrieben wird.
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Die
meisten mit gasförmigem
Brennstoff befeuerten industriellen Brenner mit großer Kapazität, die für Anwendungen
von Prozessheizvorrichtungen verwendet werden, sind Düsenmischbrenner.
Wie der Name besagt, werden der gasförmige Brennstoff und die Verbrennungsluft
nicht vermischt, bis sie aus den verschiedenen Brennstoff/Oxidationsmittel-Öffnungen
dieser Art von Brenner austreten. Die grundsätzlichen Vorteile von Düsenmischbrennern
gegenüber
Vormischbrennern sind:
- (1) die Flammen können nicht
zurückschlagen,
- (2) ein breiterer Bereich einer betrieblichen Stoichometrie
und
- (3) eine größere Flexibilität bei der
Brenner-/Flammen-Ausführung.
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Die
meisten Düsenmisch-Luft-Brennstoff-Brenner
erfordern eine gewisse Art von Flammenhalter/Flammenrückschlagsicherung,
um die Flammenstabilität
aufrechtzuerhalten. Ein allgemeiner Düsenmischbrenner nach dem Stand
der Technik wird in 1 gezeigt, wo eine metallische
Flammenhalter-Scheibe verwendet wird, um Flammenstabilität zur Verfügung zu
stellen. Hier wird die Verbrennungsluft angesaugt, die das Haupt-Brennstoffrohr
mit Flammenhalter in einem großen
kastenartigen Brennergehäuse
umgibt.
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Der
Beispielbrenner von 1 verwendet außerdem einen
Abstufungsbrennstoff für
eine sekundäre Verbrennung,
um die gesamte Bildung von NOx zu reduzieren.
Für erfolgreich
abgestufte Verbrennungsverfahren ist es jedoch sehr wichtig, eine
stabile primäre
Flamme zu haben, die am Flammenhalter angebracht ist. 2 zeigt
eine typische Flammenhalter-Geometrie, in der sich eine Brennstoffdüse mit mehreren
Löchern
in der Mitte befindet, wobei mehrere perforierte Schlitze an der
konischen Flammenhalter-Scheibe außerhalb davon verwendet werden,
um eine kleine Menge von Verbrennungsluft zum Mischen mit dem injizierten
Brennstoff hindurchzuführen.
Der Phantomform-Flammenhalter erzeugt gemäß 2 eine Luftstrom-Umkehrung. Der
Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung erzeugt einen fast stillstehenden
Zustand (axiale Geschwindigkeit von Null) zum Vermischen von Luft
und Brennstoff im Inneren des Hohlraums des Flammenhalter-Kegels.
Dieses stillstehende Luft-Brennstoff-Gemisch
mit nahezu keiner positiven Geschwindigkeitskomponente auf der Feuerungsachse
wird zum Anbringen der Hauptflamme an der Flammenhalter-Basis genutzt.
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Es
werden Flammenhalter mit verschiedenen Lochmustern und äußeren Formen
(konisch, perforierte Scheibe, Ring, usw.) verwendet, um die Flammen
zu verankern. Zum Beispiel beschreiben das US Patent Nr. 5 073 105
(Martin et al) und das US Patent Nr. 5 275 552 (Schwartz et al)
Brennervorrichtungen mit niedrigem NOx Ausstoß, in denen
solche Flammenhalter verwendet werden, um die Flamme zu verankern.
Im US Patent Nr. 5 073 105 wird ein primärer Brennstoff (30–50% des
gesamten Brennstoffs) über
die Flammenhalter-Scheibe mit der Einbindung von Rauchgas (durch
ein Loch in der Brennerplatte) zum Verankern der primären Flamme
radial nach innen injiziert. Der verbleibende sekundäre Brennstoff
wird injiziert, wobei er die Oberfläche des äußeren Brennerblocks (Platte)
für die
Abstufung des Brennstoffs und Rezirkulation des Ofengases umgibt und
darauf aufprallt. Das Mischen der Verbrennungsluft mit dem primären Brennstoff
findet im Brennerblock über
dem Flammenhalter statt, wobei etwas NOx auf
Grund des Wärme-Ableitungsvolumens
im Hohlraum des Brennerblocks und auf Grund der Erzeugung von örtlich brennstoffreichen
Regionen gebildet wird.
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Ein
sehr ähnlicher
Ansatz, der den Flammenhalter, die Injektion von primärem Brennstoff
und sekundärem
Brennstoff einschließt,
wird im US Patent Nr. 5 275 552 verwendet. Hier wird das primäre Gas mit
dem eingebundenen bzw. mitgerissenen Ofengas durch Löcher in
der Brennerplatte im Hohlraum des Brennerblocks verwirbelt, um besser
vermischt zu werden. Das verwirbelte primäre Brennstoff/Rauchgas-Gemisch
ermöglicht
ein besseres Verankern der Flamme an der Oberfläche des Flammenhalters.
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Ein
Hauptnachteil, der mit den Flammenhaltern für die Verwendung bei Brennern
mit sehr niedrigem NOx Ausstoß verbunden
ist, sind die örtlichen
stillstehenden Zonen der brennstoffreichen Verbrennung, die im Allgemeinen
an der inneren Basis eines Flammenhalter-Kegels oder einer -Scheibe
verankert sind. Diese Zonen befinden sich an den festen Rändern zwischen
benachbarten Luftschlitzen/-löchern
auf Grund der Druckbedingungen, die durch den äußeren Luftstrom erzeugt werden.
Die brennstoffreichen oder unter-stoichometrischen Gemische, die
an der Flammenhalter-Basis zur Stabilität der Flamme zu finden sind,
sind durch die Reaktion von CH + N2 = HCN
+ N unglücklicherweise
ideal für
die Bildung von C-N-Verbindungen.
Die anschließende
Oxidation von HCN führt
zu einem Flammenhalter, der auf die sofortige Bildung von NO zurückzuführen ist.
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Ein
weiterer Hauptnachteil, der mit Flammenhaltern für die Verwendung bei Brennern
mit sehr niedrigem NOx Ausstoß verbunden
ist, ist die begrenzte Flammenstabilität, wenn der gleiche Brenner äußerst brennstoffmager
betrieben wird, um die sofortige Bildung von NO zu vermeiden. Das
gesamte Äquivalenzverhältnis (phi)
ist für
die meisten auf dem Flammenhalter basierenden Brenner auf 0,2 bis
0,4 begrenzt.
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Schließlich ist
ein dritter Hauptnachteil, der mit Flammenhaltern für die Verwendung
bei Brennern mit sehr niedrigem NOx Ausstoß verbunden
ist, dass die Überhitzung
oder thermische Oxidation von Flammenhaltern auf Grund der Flammen-Verankerung
bei hohen Temperaturen, der örtlichen
Verringerung der Atmosphäre
und der Verzunderung an der Halterbasis, und eine Strahlungsbeschädigung des
Ofens, wenn es eine Unterbrechung der Versorgung mit Verbrennungsluft
zum metallischen Flammenhalter gibt, ziemlich häufig ist. Um die obigen Nachteile
des Flammenhalters zu überwinden,
wurden in der Vergangenheit mehrere Versuche unternommen. Siehe
zum Beispiel die US Patente Nr. 5 195 884 (Schwartz et al), 5 667
376 (Robertson et al), 5 957 682 (Kamal et al) und 5 413 477 (Moreland).
Diese Vorrichtungen verwenden eine leichte Vormisch-Verbrennung
oder ein Vermischen des rezirkulierten Rauchgases (FGR) statt der
Verwendung einer Flammenhalter-Vorrichtung
(zum Beispiel US Patent Nr. 6 027 330 (Lifshits)). Die Probleme
des Flammenrückschlags
und des eingeschränkten
Bereiches der Flammenstabilität
für Vormisch-Brenner
(oder für
FGR-Brenner) bieten keine vollständige
Lösung
angesichts der erweiterten Stoichometrie, der Einfachheit des Betriebs,
des Betriebs bei niedrigen Kosten und des äußerst brennstoffmageren Betriebs
(phi < 0,1), der
erforderlich ist, um eine Leistung für sehr niedrigen NOx Ausstoß (z.
B. < 5 ppmv) zu
erzielen. Der Mangel an Flammenstabilität ist besonders nachteilig
während
des Anlaufens/Erwärmens
der Verfahrensheizvorrichtung/des Verfahrensofens. In einem kalten
Ofen können
Brenner mit einer eingeschränkten
Flammenstabilität
auf ein Wegblasen der Flammen stoßen, wobei dadurch eine Gefährdung und
eine verzögerte
Produktion erzeugt werden. Ein Gegenmittel könnte die Verwendung eines zweiten
Brennersatzes sein, der speziell für die Aufwärmbedingungen ausgelegt ist,
der jedoch kostspielig sowie arbeitsintensiv sein kann.
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Ein
weiterer NOx Brenner für einen Ofen und ein Verfahren
zum Betreiben des Brenners sind aus dem US Patent Nr. 4 505 666
bekannt. Der NOx Brenner hat eine primäre und eine
sekundäre
Verbrennungszone, in der abgestufter Brennstoff und Luft für beide
Verbrennungszonen zur Verfügung
gestellt werden. Etwa 40 bis 60% des flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs
werden zusammen mit etwa 90% der gesamten erforderlichen Luft in
der ersten Reaktionszone verbrannt, die eine zentrale Zone ist.
Der übrige Brennstoff
wird zusammen mit den verbleibenden 10% der gesamten erforderlichen
Luft in einer oder mehreren sekundären Reaktionszonen in der Nähe der zentralen
Zone verbrannt. Der Brenner nach dem US Patent Nr. 4 505 666 ist
ein Brenner mit niedrigem NOx Ausstoß, der nicht
geeignet ist, um unter 20 ppmv NOx betrieben
zu werden, wobei dies nicht niedrig genug ist.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brenner für gasförmigen Brennstoff mit sehr
niedrigem (ultraniedrigem) NOx Ausstoß für Anwendungen
bei der Prozessheizung wie zum Beispiel Versorgungs-Dampfkessel, Prozessheizvorrichtungen
und Industrieöfen.
Der neue Brenner nutzt zwei einzigartige, unabhängige abgestufte Verfahren
zur Erzeugung einer nicht leuchtenden, gleichförmigen und den Verbrennungsraum
ausfüllenden
Flamme mit äußerst niedrigen
(< 9 ppmv) NOx Emissionen. Dies wird erfüllt durch:
- (1) einen stromaufwärts gelegenen Flammenstabilisator
wie einer großformatigen
Vortex- bzw. Wirbelvorrichtung, um eine gut gemischte, Niedrig-Temperatur-
und äußerst brennstoffmagere
(phi 0,05 bis 0,3) Flamme mit einer niedrigen Feuerungsrate zur
Aufrechterhaltung der gesamten Flammenstabilität zu erzeugen, und
- (2) mehrere stromabwärts
gelegene, gleichförmig
beabstandete und auseinander laufende Brennstoff-Lanzen, um ausgeglichenen
Brennstoff in verschiedene Wirbeldüsen im Inneren des Ofenraums
zur Erzeugung einer massiven internen Rauchgas-Rezirkulation zu
injizieren. Die sich ergebende Flamme stellt verschiedene nützliche
Eigenschaften wie zum Beispiel eine nicht sichtbare Strahlung, eine
gleichförmige Wärmeübertragung,
niedrige Flammentemperaturen, den Verbrennungsraum ausfüllende Wärmefreigabe und
die Erzeugung von sehr niedrigen NOx Emissionen
zur Verfügung.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem
(ultraniedrigem) NOx Ausstoß zur Verfügung gestellt,
der einen fluidbasierten Flammenstabilisator, der eine brennstoffmagere
Flamme bei einem Äquivalenzverhältnis im
Bereich von phi = 0,05 bis phi = 0,3 zur Verfügung stellt, und Brennstoff-Lanzen
mit gestufter Feuerungsführung
(fuel staging lances) aufweist, die den Flammenstabilisator umgeben,
wobei jede Lanze ein Rohr mit einer Abstufungsdüse an ihrem Feuerende hat,
wobei jede Lanze wenigstens ein Loch für die abgestufte Brennstoffinjektion
und jedes Loch einen radialen Divergenzwinkel und einen axialen
Divergenzwinkel hat, wobei dadurch das wenigstens eine Loch und
die Divergenzwinkel angepasst sind, um eine vollständige Umfangsabdeckung
der brennstoffmageren Flammen zur Verfügung zu stellen. Der Brenner
erzeugt NOx Emissionen von weniger als 9
ppmv bei nahezu stoichometrischen Bedingungen.
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Nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind das wenigstens eine Loch und die Divergenzwinkel angepasst,
um ein flaches Flammmuster zur Verfügung zu stellen. Nach einem
dritten Ausführungsbeispiel
sind das wenigstens eine Loch und die Divergenzwinkel angepasst,
um ein lastformendes Flammmuster zur Verfügung zu stellen.
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Vorzugsweise
werden zwischen 4 und 16 Abstufungslanzen verwendet, wobei jede
Abstufungsdüse zwischen
1 Loch und 4 Löchern
hat. Vorzugsweise beträgt
der radiale Divergenzwinkel zwischen 8° und 24°, wobei der axiale Divergenzwinkel
zwischen 4° und
16° beträgt. Die
Geschwindigkeit des Brennstoffs, der aus der Düse austritt, beträgt vorzugsweise
zwischen 91,44 m/s bis 274,33 m/s (300 bis 900 Fuß pro Sekunde)
für Erdgas-Abstufungsbrennstoff.
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Vorzugsweise
beträgt
der Abstand vom vorderen Ende des Brenners zu einem Punkt, wo das
Mischen der Abstufungsflamme und der Flamme des Flammenstabilisators
auftritt, näherungsweise
0,2032 m bis 1,2192 m (8 bis 48 Zoll). Schließlich beträgt die Brennstoffrate der Abstufung
für Erdgas-Brennstoff
von 70% bis 95% der gesamten Brennstoff-Feuerungsrate des Brenners.
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Der
Flammenstabilisator ist vorzugsweise eine großformatige Vortex- bzw. Wirbelvorrichtung,
in der die Flamme eine Spitzenflammentemperatur von näherungsweise
1093°C (2000°F) hat. Das Äquivalenzverhältnis für den Flammenstabilisator
liegt vorzugsweise im Bereich von phi = 0,05 bis phi = 0,1.
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Der
Brenner kann einen Brennerblock aufweisen, der zu dem Flammenstabilisator
koaxial ist. Vorzugsweise hat der Brennerblock eine zylindrische
oder leicht konische oder rechtwinklige Form.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines Luft-Brennstoff-Brenners
mit einem Flammenhalter nach dem Stand der Technik;
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2 eine
vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines Flammenhalters für einen
Luft-Brennstoff-Brenner nach dem Stand der Technik;
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3 eine
vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines fluid-basierten großformatigen
Vortex-Flammenstabilisators für
die Verwendung mit einem Brenner mit sehr niedrigem NOx Ausstoß der vorliegenden
Erfindung;
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4A eine
grafische Darstellung von NOx Emissionen
im Vergleich zu der durchschnittlichen Flammentemperatur;
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4B eine
grafische Darstellung von NOx Emissionen
im Vergleich zum überschüssigen Sauerstoff im
Abgas;
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5A eine
vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines Brenners mit sehr niedrigem
NOx Ausstoß in einer zirkularen bzw.
kreisförmigen
Abstufungskonfiguration entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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5B eine
vereinfachte Stirnseitenansicht einer vorderen Feuerung eines Brenners
mit sehr niedrigem NOx Ausstoß in einer
flachen Abstufungskonfiguration entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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5C eine
vereinfachte Stirnseitenansicht einer vorderen Feuerung eines Brenners
mit sehr niedrigem NOx Ausstoß in einer
weiteren flachen Abstufungskonfiguration entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
vereinfachte vordere und Seitenansicht von Brennstoffdüsen und
dem Flammmuster des Flammenstabilisators nach 3 in
Kombination mit dem Brenner mit sehr niedrigem NOx Ausstoß nach 5A;
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7A eine
Querschnitts-Draufsicht einer in dem Brenner nach 5A verwendeten
Brennstoff-Abstufungsdüse;
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7B eine
Seiten-Aufrissansicht im Querschnitt von der Brennstoff-Abstufungsdüse nach 7A;
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7C eine
rechte Seitenansicht der Brennstoff-Abstufungsdüse nach 7B;
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8 eine
vereinfachte Seiten-Aufrissansicht des Brenners nach 5A,
die das Zusammenwirken der Brennstoffflamme eines Flammenstabilisators
und der Abstufungs-Brennstoffflamme darstellt;
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9 eine
grafische Darstellung von NOx Emissionen
mit Bezug auf Oxidationsmittel/Sauerstoff unter abgeschwächten Bedingungen;
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10 eine
grafische Darstellung von Labormessungen einer Brennerflamme unter
Verwendung eines Ansaug-Pyrometers, die die Flammentemperatur im
Vergleich zum radialen Abstand darstellt;
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11A bis 11D schematische
Veranschaulichungen von verschiedenen flachen Abstufungskonfigurationen
von Brennern mit sehr niedrigem NOx Ausstoß entsprechend
der vorliegenden Erfindung, die in einem Laborofen getestet wurden;
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12A eine vereinfachte Veranschaulichung von einer
lastformenden Abstufungskonfiguration in einem industriellen Dampfkessel
unter Verwendung mehrerer Flammenstabilisatoren;
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12B eine vereinfachte Veranschaulichung einer
lastformenden Abstufungskonfiguration in einem industriellen Dampfkessel
unter Verwendung eines einzelnen Flammenstabilisators;
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13A eine vereinfachte Veranschaulichung einer
Feuerungskonfiguration eines von der Wand befeuerten Leistungsdampfkessels
mit Reihen von Stabilisatoren und Brennstoff-Abstufungslanzen;
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13B eine vereinfachte Veranschaulichung einer
Feuerungskonfiguration eines tangential befeuerten Leistungsdampfkessels
mit Reihen von Stabilisatoren und Brennstoff-Abstufungslanzen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Teilenummern
auf gleiche Elemente in allen verschiedenen Ansichten beziehen,
wird gemäß 3 eine
Vorrichtung zur Stabilisierung einer Flamme in der Form einer Vorrichtung
für großformatige
Verwirbelung (large scale vortex – LSV) 12 für die Verwendung
mit einem Brenner mit sehr niedrigem (ultraniedrigem) NOx Ausstoß 10 (siehe 5A und 8)
entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die LSV Vorrichtung 12 besteht
aus einem inneren (sekundären)
Luft- oder Oxidationsmittelrohr 14, das im Inneren eines
Brennstoffrohrs 16 eingelassen ist, das des Weiteren im Inneren
eines äußeren (primären) Luft-
oder Oxidationsmittelrohrs 18 eingelassen ist. Das primäre Oxidationsmittel
(z. B. Luft) wird axial mit relativ hoher Geschwindigkeit und Strömungsrate
in den äußeren Oxidationsmittel-Ringraum 20 eingeführt, während das
sekundäre
Oxidationsmittel (z. B. Luft) durch das sekundäre Oxidationsmittelrohr 14 bei
einer niedrigeren Geschwindigkeit und Strömungsrate gerichtet wird. Auf
Grund der bevorzugten Verbrennung bei hoher Geschwindigkeit im äußeren Oxidationsmittel-Ringraum 20 und
der viel niedrigeren Geschwindigkeit durch das sekundäre Oxidationsmitterohr 14 wird
um das sekundäre
Oxidationsmitterohr 14 ein Druck-Ungleichgewicht entwickelt.
Dies bewirkt, dass gemäß 3 stromabwärts eine
stromweise Verwirbelung entwickelt wird. Tabelle 1 gibt ein Beispiel
von spezifischen Geschwindigkeitsbereichen und dimensionslosen Verhältnissen
zum Erreichen einer stabilen stromweisen Verwirbelung im primären Oxidationsmittelrohr 18.
Hier ist Vpa = die Geschwindigkeit des primären Oxidationsmittels,
Vf = die Geschwindigkeit des Brennstoffs,
Vsa = die Geschwindigkeit des sekundären Oxidationsmittels,
Df = der Durchmesser des Brennstoffrohrs 16,
Lf = der Abstand zwischen dem vorderen Ende
des Brennstoffrohrs 16 und dem vorderen Ende des primären Oxidationsmitterohrs 18,
Dpa = der Durchmesser des primären Oxidationsmitterohrs 18,
Lsa = der Abstand zwischen dem vorderen
Ende des sekundären
Oxidationsmitterohrs 14 und dem vorderen Ende des Brennstoffrohrs 16 und
Dsa = der Durchmesser des sekundären Oxidationsmitterohrs 14.
Die bevorzugten durchschnittlichen Geschwindigkeitsbereiche betragen
für Brennstoff
etwa 0,610 m/s bis 1,829 m/s (2 bis 6 Fuß/sec), für das primäre Oxidationsmittel 9,144 m/s
bis 27,432 m/s (30 bis 90 Fuß/sec)
und für
das sekundäre Oxidationsmittel
4,572 m/s bis 13,716 m/s (5 bis 45 Fuß/sec).
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Die
LSV Vorrichtung 12 ist ein fluid-basierter Flammenstabilisator,
der eine sehr brennstoffmagere Flamme bei einem Äquivalenzverhältnis nicht
niedriger als phi = 0,05 zur Verfügung stellt. Bei diesem Verhältnis beträgt die Verbrennungsluft
fast 20 mal mehr als die theoretisch erforderliche Luftströmung. Die
LSV Flammenstabilität
wird bei einem hohen Luftströmungsüberschuss
auf Grund der Umkehrung der Fluid-Strömung, die
durch eine stromweise Verwirbelung verursacht wird, die wiederum
eine interne Rauchgas-Rezirkulation verursacht und ein Vorwärmen des
Luft/Brennstoff-Gemisches und ein intensives Vermischen von Brennstoff, Luft,
und Verbrennungsprodukten zur Verfügung stellt, um ideale Bedingungen
für die Flammenstabilität zu erzeugen,
aufrechterhalten. Man hat festgestellt, dass die LSV Flamme an der
Spitze des Brennstoffrohrs 22, d. h. an seinem vorderen
Ende verankert ist. Bei normalem Betrieb verbleiben die meisten
internen LSV Komponenten bei weniger als 537,8°C (1000°F). Der Betrieb der LSV Vorrichtung 12 auf
der Basis des stromweisen Verwirbelungsprinzips macht sie bei einer
niedrigeren Feuerungsrate und bei äußerst niedrigen Äquivalenzverhältnissen
von Natur aus stabiler. Dies ist für niedrigere Spitzenflammentemperaturen
vorteilhaft. Bei einer niedrigen Feuerungsrate und einer äußerst brennstoffmageren
Stoichometrie wird eine Flamme mit äußerst niedrigen Spitzentemperaturen
(weniger als 871,7°C
(1600°F))
und NOx Emissionen von weniger als 2 bis
3 ppmv erzeugt. Es werden geringere NOx Emissionen,
die mit niedrigeren Flammentemperaturen und einem äußerst brennstoffmageren
Betrieb verbunden sind, deutlich. 4A und 4B zeigen
allgemeine NOx Trends als eine Funktion
der Flammentemperatur und des überschüssigen Sauerstoffs,
die im Abgas gemessen wurden.
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Der
Betrieb der LSV Vorrichtung 12 bei äußerst brennstoffmageren Bedingungen
für sehr
niedrige NOx Emissionen macht es erforderlich,
dass die Verbrennung des verbleibenden Brennstoffs stromabwärts in einer strategischen
Weise durchgeführt
werden sollte, um die Verbrennung abzuschließen, so dass eine zusätzliche Bildung
von NO oder CO vermieden und das Brennersystem mit einem leichten
Gesamtüberschuss
von Sauerstoff (2 bis 3%) im Abgas betrieben wird.
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5A zeigt
eine schematische Darstellung des Brenners mit sehr niedrigem NOx Ausstoß 10 entsprechend
der vorliegenden Erfindung, der die zuvor erwähnte LSV Vorrichtung 12 mit
strategischen Brennstoff-Abstufungslanzen 24 in einer zirkularen
bzw. kreisförmigen
Konfiguration kombiniert. Der gesamte Brennerprozess kann in drei
Prozesselementen beschrieben werden: 1) äußerst brennstoffmagere Verbrennung, 2)
großformatige
Verwirbelung für
die Flammenstabilität
und 3) Brennstoff-Abstufung mittels strategisch angeordneter Brennstofflanzen 24.
Gemäß 5A ist
die LSV Vorrichtung 12 in einer käfigartigen Konstruktion von mehreren
Brennstoff-Abstufungslanzen 24 umgeben. Die Lanzen sind
lange Stahlrohre mit speziell ausgeführten Abstufungsdüsen 26 am
Feuerungsende. Gemäß Laborversuchen
kann die optimale Anzahl von Abstufungslanzen 24 von 4
bis 16 variieren, wobei jede Abstufungslanze 24 mehrere
auseinander laufende Löcher 28 (siehe 7A, 7B und 7C,
wie unten beschrieben wird) für
die Abstufungs- Brennstoffinjektion
hat. Die Anzahl der Löcher 28 pro
Abstufungsdüse 26 kann
von einem einzelnen Loch für
einen Brenner von weniger als 1,055 GJ/h (1 MM Btu/hr) bis zum Beispiel
4 Löchern
für Brenner
mit einer höheren
Feuerungsrate variieren. Die Anzahl der Abstufungslöcher 28 und
deren Divergenzwinkel (Alpha und Beta, wie unten beschrieben wird)
werden so gewählt,
dass sie eine vollständige
Umfangsabdeckung der LSV Flamme für eine kreisförmige Konfiguration
(5A), eine flache Konfiguration (siehe 5B und 5C)
oder ein lastformendes Muster (siehe 12A und 12B) ausführen.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung für
einen Brenner von 4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr) bei einem Brennerblock
mit einem Durchmesser von 0,254 m (10 Zoll). Acht gleichförmig verteilte
Abstufungs-Brennstofflanzen 24 (mit einem Lochkreisradius
von 0,178 m (7 Zoll)) und zwei auseinander laufenden Löchern pro
Abstufungslanze stellen ein kreisförmiges Muster zur Verfügung. 7A, 7B und 7C zeigen
eine typische Ausführung
der Düse 26 einer
Abstufungslanze und die Geometrie von Abstufungslöchern 28 (beachte die
Winkel Alpha und Beta).
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Die
Löcher 28 werden
in einem Verbundwinkel mit Bezug auf zwei orthogonale Achsen gebohrt.
Die Aufgabe ist es, den Abstufungsbrennstoff gleichförmig über die
brennstoffmagere LSV Flammenhülle
zu verteilen. 6 zeigt, wie eine Düse 24 mit
zwei Löchern,
die in acht gleichförmig
angeordneten Lanzen des oberen Beispiels mit einem radialen Divergenzwinkel
Alpha = 7° und
einem axialen Divergenzwinkel Beta = 15° installiert ist, die LSV Flamme
vollständig
bei einem Abstand von X = 0,610 m (24 Zoll) umgeben kann. Dieser Überschneidungs-
oder Verschmelzungsabstand X (siehe 6) wurde
während
der Labor-Feuerung bestätigt.
Die vollständige
Hülle aus
abgestuftem Brennstoff, die mit Verbrennungsgasen erheblich abgeschwächt ist,
erzeugt eine sehr niedrige Temperatur und eine den Verbrennungsraum
ausfüllende
Flamme. Der bevorzugte Bereich liegt für den Winkel Alpha zwischen
8° und 24° und für den Winkel
Beta zwischen 4° und
16°. Die
Löcher 28 variieren
in der Größe abhängig vom
Geschwindigkeitsbereich der Abstufungs-Brennstoffinjektion. Der
bevorzugte Geschwindigkeitsbereich am Düsenaustritt liegt zwischen
91,44 m/s bis 274,32 m/s (300 bis 900 Fuß pro Sekunde) für Erdgas-Abstufungsbrennstoff.
Für eine
Abstufungsdüse
mit einem einzelnen Loch wird vorzugsweise nur ein axialer Divergenzwinkel
Alpha verwendet. Die oben genannten Geschwindigkeiten (oder Düsenloch-Größen) variieren
abhängig
von der Brennstoffzusammensetzung (und dem Heizwert) und der Feuerungskapazität des Brenners.
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Der
vollständige
Brenner mit sehr niedrigem NOx Ausstoß mit LSV
Flamme stromaufwärts
und Brennstoff-Abstufung stromabwärts ist in 8 veranschaulicht.
Die verschiedenen Verbrennungsprozesse werden ebenfalls gezeigt.
Mit Bezug auf 8 werden nun die verschiedenen
Brennerflammenprozesse beschrieben:
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LSV FLAMME
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Die
LSV Flamme wird äußerst brennstoffmager
(z. B. phi = 0,05) gehalten und ist am LSV Brennstoffrohr 16 verankert.
Diese Flamme wird stabiler, wenn die primäre Luftströmung durch den relativ schmalen äußeren Oxidationsmittel-Ringraum 20 erhöht ist.
Die LSV Flamme hat eine sehr niedrige Spitzenflammentemperatur (weniger
als 1093°C
(2000°F))
und erzeugt sehr geringe NOx Emissionen.
Dies liegt am hervorragenden Mischen, der Vermeidung von brennstoffreichen
Zonen für
eine sofortige NOx Bildung (wie sie bei
herkömmlichen
Flammenhaltern beobachtet wurde) und der Beendigung der gesamten
Verbrennung unter äußerst brennstoffmageren
Bedingungen. Die Rückführung des
Abgases in die LSV Vorrichtung 12 verringert ebenfalls
die Flammentemperatur auf Grund der Abschwächung des Produktgases. Tabelle
II gibt Labor-Feuerungsdaten an der LSV Vorrichtung 12 unter
brennstoffmageren Feuerungsbedingungen an. Hier wird deutlich, dass
die LSV Vorrichtung 12 sehr niedrige NOx Emissionen
bei niedrigen Feuerungsraten und unter äußerst brennstoffmageren Bedingungen
erzeugt. Man beachte, dass die hohe Sauerstoffkonzentration und
die niedrige CO2 Konzentration einen Betrieb
mit Luftüberschuss
anzeigt, der vom Austreten von Außenluft durch Risse im feuerfesten
Material im Laborofen begleitet wird.
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Zusätzlich gibt
es wichtige Beobachtungen bezüglich
der LSV Flamme. Die LSV Vorrichtung 12 wird im Allgemeinen
bei Äquivalenzverhältnissen
von 0,05 bis 0,1 befeuert. Wenn es zum Beispiel eine gesamte Feuerungsrate
von 4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr) gibt, feuert die LSV Vorrichtung 12 bei
0,422 GJ/h (0,4 MM Btu/hr), wobei die Brennstoff-Abstufungslanzen 24 so
eingestellt sind, dass sie Brennstoff bei 3,80 GJ/h (3,6 MM Btu/hr)
injizieren, wobei die LSV Vorrichtung 12 dann die gesamte
Verbrennungsluft für
4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr) oder Luft bei 90% des Niveaus für eine Feuerungsrate
von 0,422 GJ/h (0,4 MM Btu/hr) zuführt. Bei dieser Bedingung,
wobei die LSV Flamme äußerst brennstoffmager
ist, wird sie mit Verbrennungsluft und Verbrennungsprodukten von
der Verwirbelungsaktion abgeschwächt,
wobei die sich ergebende Spitzenflammentemperatur (die durch eine
Thermoelement-Sonde gemessen wird, bevor die Düsenstrahlen des Abstufungsbrennstoffs
auf die LSV Flamme treffen) kleiner als 1093,3°C (2000°F) ist.
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Wie
am besten in 6 zu sehen ist, wird der Verschmelzungsabstand
X zwischen der LSV Flamme und den Abstufungs-Düsenstrahlen von der Ofenwand
auf näherungsweise
0,2032 m bis 1,2192 m (8 bis 48 Zoll) vom Ende des Brenners aufrechterhalten,
wobei dieser Abstand von der Brenner-Feuerungsrate und vom Divergenzwinkel
(Beta) des Abstufungsbrennstoffs abhängt. Für eine gesamte Feuerungsrate
von 4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr) betrug der gemessene Verschmelzungsabstand
näherungsweise
0,610 m (24 Zoll). Dieser Abstand ist entscheidend, um die Flammen
von sichtbarer Strahlung freizuhalten, dem Verbrennungsraum füllende Eigenschaften
mit niedrigen Spitzenflammentemperaturen zur Verfügung zu
stellen und sehr niedrige NOx Emissionen
zu erzeugen.
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Die
Abschwächung
der Verbrennungsluft unter Verwendung von LS Verbrennungsprodukten
ist außerdem
sehr wichtig bei der Reduzierung der örtlichen Verfügbarkeit
von Sauerstoff. Wenn zum Beispiel 1019,59 m3/s
(36.000 scfh) der Verbrennungsluft (bei Umgebungstemperatur) mit
Verbrennungsprodukten von näherungsweise
815,5°C
(1500°F)
aus einer LSV Vorrichtung 12, die bei einer Feuerungsrate von 0,422
GJ/h (0,40 MM Btu/hr) befeuert wird, vermischt werden, gibt es eine örtliche
Abschwächung
der Verbrennungsluft. Zusätzlich
verringert sich die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft
von etwa 21 % auf 19%. Diese Reduktion der Verfügbarkeit von Sauerstoff (die
auf Grund der volumetrischen Gasexpansion örtlich höher sein kann) kann NOx Emissionen weiter reduzieren, wenn bereits
abgeschwächter
Abstufungsbrennstoff mit vorgewärmter
Luft mit reduzierter Sauerstoffkonzentration reagiert. Diese Doppelwirkung
der Brennstoffabschwächung
und der Luftabschwächung
wird unten bei der kreisförmigen
Abstufungskonfiguration erläutert.
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Die
Spitzentemperaturen der weiträumigen
Flamme treten außerhalb
des zentralen Kernbereiches der gesamten Flamme auf. Das Temperaturprofil
ist eine Widerspiegelung des kreisförmigen Abstufungsmusters, wobei
die niedrigeren Temperaturen auf Grund der brennstoffmageren LSV
Verbrennungsprodukte im Kernbereich existieren. Während der
Labormessungen (bei einer Ofentemperatur von 891,7°C (1600°F), bei einer Feuerungskapazität von 4,22
GJ/h (4 MM Btu/hr)) überstiegen
die Spitzenflammentemperaturen niemals 1148,9°C (2100°F) bei einem beliebigen quer
gerichteten Querschnitt entlang der Länge des Ofens.
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ZIRKULARE BZW. KREISFÖRMIGE ABSTUFUNG
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Gemäß 8 wird
die Brennstoffabstufung unter Verwendung einer kreisförmigen Abstufungskonfiguration
mit mehreren auseinander laufenden Lanzen 24 durchgeführt, die
um die LSV Vorrichtung 12 oder das Äußere des Brennerblocks 17 herum
eingebaut sind. Die Brennstoff-Düsenstrahlen
werden in den Ofenraum unter Verwendung der Düsen 26 mit einer speziellen
Lochgeometrie injiziert. Siehe 7A, 7B und 7C.
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Bei
diesem Verfahren der Brennstoffabstufung wird die sich ergebende
Verbrennung (über
der Selbstzündungstemperatur)
durch chemische Kinetik und durch Brennstoff-Düsenstrahlen
gesteuert, die mit den Ofengasen und dem Oxidationsmittel vermischt
werden. Der im Brennstoff enthaltene Kohlenstoff wird abgezogen,
um die Oxidation mit dem abgeschwächten Oxidationsmittelstrom
an Stelle der rußbildenden
pyrolytischen Reaktionen einer herkömmlichen Vorderseite der Flamme
zu beenden. Es wird hier angenommen, dass die Verbrennung in zwei
Stufen stattfindet. In der ersten Stufe wird Brennstoff zu CO und
H2 bei abgeschwächten brennstoffreichen Bedingungen
umgewandelt. Hier unterdrückt
die Abschwächung
die Spitzenflammentemperaturen und die Bildung von Rußsorten,
die ansonsten eine leuchtende Flamme erzeugen würden. In der zweiten Stufe
reagieren CO und H2 mit dem abgeschwächten Oxidationsmittel
stromabwärts,
um die Verbrennung zu beenden und CO und H2O
zu bilden. Diese auf dem Raum basierende Abschwächung und die abgestufte Verbrennung
führen
zu einem Raumfüllverfahren,
wo ein viel größerer Raum,
der die Flamme umgibt, genutzt wird, um den gesamten Verbrennungsprozess
zu beenden.
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Um
die Wirkungen der Abschwächung
der Brennstoff-Düsenstrahlen
zu veranschaulichen, werden in Tabelle III theoretische Berechnungen
zum Einbinden bzw. zum Mitreißen
der Erdgas-Düsenstrahlen
dargestellt. Hier wird ein freier Wirbelgasstrahl bei einer Geschwindigkeit
von 176,48 m/s (579 Fuß pro
Sekunde) in eine unbewegte Ofenumgebung injiziert, die bei 1093,3°C (2000°F) aufrechterhalten
wird. Der Brennstoff-Düsenstrahl
setzt die Einbindung von Ofengasen entlang der Feuerungsachse fort,
bis er eine Einbindungsgrenze erreicht. Zum Beispiel hat der Düsenstrahl
bei einem axialen Abstand von zwei Fuß (ca. 61 cm) des 24 fache seiner
Masse eingebunden bzw. mitgerissen, wobei die durchschnittliche
Brennstoffkonzentration pro Volumeneinheit auf weniger als 5% reduziert
wurde.
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Damit
kann in diesem Fall ein Brennstoff-Düsenstrahl, der (mit N2, CO2 und H2O) abgeschwächt ist, unter Verwendung der
Einbindung von Ofengas ohne weiteres mit dem Ofen-Oxidationsmittel
reagieren, um eine den Raum füllende
Flamme mit niedriger Temperatur zu bilden. Das Handbook of Combustion,
Band II, veranschaulicht die Bildung von niedrigem NOx Ausstoß unter
abgeschwächten
Bedingungen gemäß 9.
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In 9 wird
gezeigt, dass der verfügbare
Sauerstoff unter abgeschwächten
Bedingungen für
die Bildung von NOx weiter verkürzt ist,
wenn das Oxidationsmittel auf höhere
Vorwärmtemperaturen
vorgewärmt wird.
Im vorliegenden Fall führt
die LSV Vorrichtung 12 einen vorgewärmten Oxidationsmittelstrom
zu, der ebenfalls in der Sauerstoffkonzentration auf Grund des Mischens
mit seinen eigenen Verbrennungsprodukten abgeschwächt ist.
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Der
Grad der Brennstoffabstufung (für
Erdgas-Brennstoff) kann irgendwo von 70% bis 95% der gesamten Feuerungsrate
des Brenners liegen. Dieser Bereich stellt äußerst niedrige NOx Emissionen
(1 bis 9 ppmv) zur Verfügung.
Ein Brennstoff-Abstufungsbereich
von weniger als 70% kann für
eine weiträumige
Verbrennung verwendet werden, wenn NOx Emissionen
nicht von Belang sind. Der Brennstoff-Abstufungsbereich von mehr als 95% kann
für Gase
verwendet werden, die Wasserstoff, CO oder andere leicht entzündbare Gase enthalten.
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Die
kombinierte Wirkung der oben genannten zwei Abschwächungsverfahren,
(1) die Brennstoff-Düsenstrahl-Abschwächung unter
Verwendung der strategischen Abstufung und (2) die Oxidationsmittel-Abschwächung unter
Verwendung von LSV ist die Reduzierung der Spitzenflammentemperaturen,
der NOx Emissionen und die Erzeugung eines
den Verbrennungsraum ausfüllenden
Verbrennungsverfahrens. Ein weiteres Anzeichen von niedrigen Spitzenflammentemperaturen
wurde durch direkte Messung der Flammengastemperatur unter Verwendung
einer Ansaug-Pyrometersonde im Laborofen erzielt. Gemäß 10 gibt
es bei einer gesamten Feuerungsrate von 4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr)
(einer LSV Feuerung bei 0,422 GJ/h (0,4 MM Btu/hr) und einer Brennstoffabstufung
bei 101,96 m3/s (3600 scfh)), einer durchschnittlichen
Ofentemperatur von näherungsweise
871,7°C
(1600°F)
und unter Verbrennungsraum füllenden
Flammenbedingungen ein radiales Temperaturprofil, das aus Spitzentemperaturen
von weniger als 1093,3°C
(2000°F)
bei einem axialen Abstand von 2,134 m (7,5 Fuß) von der Austrittsebene des
Brenners besteht. Die Emissionsergebnisse im Laborofen sind in der
Tabelle IV bei verschiedenen Feuerungsraten veranschaulicht.
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Die
Daten in Tabelle IV zeigen an, dass die gesamten NOx Emissionen
geringer als 5 ppmv (korrigiert bei 3% Sauerstoffüberschuss)
für eine
Feuerungskapazität
von 1,055 bis 6,33 GJ/h (1 bis 6 MM Btu/hr) sind. Die Flamme war
vollständig
nicht leuchtend, wobei der Verbrennungsraum mit einer Feuerungskapazität zwischen
2,11 bis 6,33 GJ/h (2 bis 6 MM Btu/hr) gefüllt war. Die Brennstoff-Abstufungslanzen
(8 insgesamt) verwendeten eine Brennstoffdüse mit einer ähnlichen
Geometrie (gemäß 7 mit zwei Löchern) mit einem radialen Divergenzwinkel
Alpha = 15° und
einem axialen Divergenzwinkel Beta = 7°. Der Durchmesser des Brennstoff-Abstufungslochs für die oben
genannten Tests betrug 2,794 mm (0,11 Zoll). Dies stellte eine durchschnittliche
Geschwindigkeit der Erdgas-Injektion von 91,11 m/s bis 274,32 m/s
(300 bis 900 Fuß pro
Sekunde) im Feuerungsbereich von 2,11 bis 6,33 GJ/h (2 bis 6 MM
Btu/hr) zur Verfügung.
Der Brenner verwendete außerdem
weniger als 32,1 mm (1,5 Zoll) der Wassersäule Druckabfall für die Verbrennungsluft
in der LSV Vorrichtung.
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Die
bevorzugte Konstruktion des Brenners mit sehr niedrigen NOx Ausstoß verwendet
konzentrische übliche
Stahlrohre oder übliche
Röhren,
die in einer teleskopartigen Weise verschweißt sind, um der LSV-Schlüsselströmung, der
Geschwindigkeit und den dimensionslosen Verhältnissen (siehe oben) zu entsprechen.
Zum Beispiel kann eine LSV Vorrichtung 12 mit einer nominalen
Feuerungsrate von 4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr) unter Verwendung eines üblichen
0,0762 m (3 Zoll) Schedule 40 Rohrs für das sekundäre Oxidationsmittelrohr 14,
eines 0,1524 m (6 Zoll) Schedule 40 Rohrs für das Brennstoffrohr 16 und
eines 0,2032 m (8 Zoll) Schedule 40 Rohrs für das primäre Oxidationsmittelrohr
aufgebaut werden. Der Brennerblock 17 (siehe 8)
kann unter Verwendung eines üblichen
0,254 m (10 Zoll) Schedule 40 Rohrs aufgebaut werden. Die Lanzen 24 können ein
0,127 m (1/2 Zoll) Schedule 40 Rohr mit daran angeschweißten oder
angeschraubten Düsen 26 sein.
Diese Rohre können
zum Beispiel aus allgemeinem Baustahl, aluminiumbeschichtetem Stahl, rostfreiem
Stahl oder Hochtemperatur-Legierungsstählen hergestellt
sein.
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Wie
oben angegeben ist, wird der zylindrische Brennerblock 17 für die LSV
Flamme mittels einer üblichen
Rohrgröße dimensioniert.
Der Brennerblock 17 kann ein oder zwei Rohrgrößen größer dimensioniert sein
als das primäre
Oxidationsmittelrohr 18 in der LSV Vorrichtung 12.
Zum Beispiel kann, wie oben angegeben ist, für einen Brenner mit einer nominellen
Kapazität
von 4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr) das primäre Oxidationsmittelrohr 18 ein
0,203 m (8 Zoll) Schedule 10 Rohr sein. Damit wurde der
Brennerblock als ein 0,254 m (10 Zoll) 40 Rohr (eine übliche Rohrgröße größer) ausgewählt. Die
Länge des
Brennerblocks 17 ist im Allgemeinen die gleiche wie die
Wanddicke des Ofens (z. B. etwa 0,305 m (12 Zoll) bis 0,356 m (14
Zoll)). Die Entwurfsaufgabe des Zylinderblocks ist es, eine Beeinträchtigung
der LSV Flamme an der inneren Oberfläche des Brennerblocks zu vermeiden,
das Material des Brennerblocks kühl
zu halten (eine Wärmebeschädigung zu
verhindern) und den Reibungs-Druckabfall für die ankommende Verbrennungsluft
zu verringern. Der Hohlraum des Brennerblocks hat aus verschiedenen
Gründen
vorzugsweise eine zylindrische oder leicht konische Form (halber
Kegelwinkel von weniger als 10°).
Erstens wird ein Eindringen eines beliebigen Abstufungs-Brennstoffs (Rückfluss)
in den Hohlraum des Brennerblocks vermieden. Für große, konisch auseinander laufende
Blöcke ist
es sehr wahrscheinlich, dass der Abstufungsbrennstoff in den Bereich
der Niederdruck-Rezirkulation im Hohlraum des Brennerblocks eindringt,
so dass er eine vorzeitige Verbrennung und Überhitzung auslöst. Zweitens
wird die Symmetrie der LSV Flammenhülle mit der entsprechenden
Brennstoff-Abstufungsgeometrie
in einer kreisförmigen
Abstufungskonfiguration aufrechterhalten. Schließlich wird der LSV Flammimpuls
vollständig
aufrechterhalten, um eine stärkere
großformatige
Verwirbelung und ein verzögertes
Vermischen mit abgeschwächten
Brennstoff-Düsenstrahlen
zu erzeugen.
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FLACHE ABSTUFUNG
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Weitere
Abstufungskonfigurationen arbeiten ebenso entsprechend der vorliegenden
Erfindung annehmbar gut. Zum Beispiel wurden zusätzliche Brennstoff-Abstufungsversuche
für flache
Abstufungskonfigurationen ausgeführt.
Schematische grafische Darstellungen von flachen Abstufungskonfigurationen
werden in 5B und 5C gezeigt.
Hier werden die Abstufungslanzen 24a, 24b in einer
linearen bzw. linienförmigen Art
sowohl an der linken als auch an der rechten Seite einer LSV Vorrichtung 12a, 12b angeordnet.
Außerdem werden
Brennerblöcke 17a (5B)
und 17b (5C) gezeigt. Die Flammenhüllen 30a, 30b werden
in gestrichelten Linien gezeigt. Die Trennungsabstände "s" (siehe 5B) und "h" (siehe 5C) wurden
auf der Basis der NOx Reduktion und der
geringsten Menge der CO Bildung experimentell bestimmt. Der optimale
Abstand auf der Basis des Feuerungsbereiches des Brenners liegt
zwischen 5,08 cm (2 Zoll) und 0,305 m (12 Zoll). 11A bis 11D zeigen
mehrere flache Abstufungskonfigurationen für eine gesamte Feuerungsrate von
4,22 GJ/h (4 MM Btu/hr) und eine durchschnittliche Ofen-Betriebstemperatur
von näherungsweise 815,5°C (1500°F). Die LSV
Vorrichtungen 12c, 12d, 12e, 12f wurden
bei 0,528 GJ/h (0,5 MM Btu/hr) befeuert, wogegen die Brennstofflanzen 24c, 24d, 24e, 24f bei
einer Feuerungsrate von 3,69 GJ/h (3,5 MM Btu/hr) und einem Trennungsabstand
von s = 11,84 cm (4,66 Zoll) eingestellt wurden. Die Lanzen 24c, 24d, 24e, 24f hatten verschiedene
Lochgrößen, Anzahl
von Löchern
und verschiedene radiale und axiale Divergenzwinkel. Diese Werte
sind in 11A bis 11D vermerkt.
Die Orte der Lanzen und die Lochgeometrie wurden verändert, um
die Wirkung des Zuführungsdrucks
des Abstufungsbrennstoffs sowie die Emissionen von NO und CO zu verstehen.
Es wurde beobachtet, dass ein höherer
Zuführungsdruck
des Abstufungsbrennstoffs geringere NOx Emissionen
erzeugte und umgekehrt. Die Emissionsergebnisse zeigen weniger als
6 ppmv NO Emissionen und niedrige CO Emissionen (< 50 ppmv) bei einem
Zuführungsdruck
des Brennstoffs zwischen 137,9 kPa und 344,7 kPa (2 und 5 psig)
an.
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Einige
Wasserstofföfen,
insbesondere Reformer, die direkt befeuerte chemische Reaktoren
sind, bestehen aus zahlreichen Rohren, die sich im Ofen (Brennkammer)
befinden und mit einem Katalysator gefüllt sind. Die Umwandlung von
Kohlenwasserstoff und Dampf in ein Gleichgewichtsgemisch aus Wasserstoff,
Kohlenstoffoxiden und restlichem Methan findet innerhalb der Katalysatorrohre
statt. Die Wärme
für die
höchst
endotherme Reaktion wird durch Brenner in der Brennkammer zur Verfügung gestellt.
Ein großer
Dampf-Methan-Reformer (Large Steam Methane Reformer – SMR) ist
in der Regel eine von oben befeuerte Ausführung. Von oben befeuerte Reformer
haben mehrere Reihen von Rohren in der Brennkammer. Die Brenner,
zum Beispiel nicht weniger als 150, befinden sich in einem Bogen
an jeder Seite der Rohre, wobei die Wärme durch Strahlung von den
Verbrennungsprodukten auf die Rohre übertragen wird. Ein Brenner,
der die flache Abstufung nutzt, würde für von oben befeuerte SMR Öfen ideal
sein.
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LASTFORMENDE
ABSTUFUNG
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Bei
einem dritten Ausführungsbeispiel
ist der Brenner mit sehr niedrigem NOx Ausstoß in der
Form konfiguriert, die mit der Lastgeometrie identisch ist. Hier
werden einzelne oder mehrere LSV Vorrichtungen 12g, die
eine brennstoffmagere Flamme bei einem Äquivalenzverhältnis im
Bereich von phi = 0,05 bis phi = 0,3 zur Verfügung stellen, und Brennstoff-Abstufungslanzen
strategisch innerhalb des Ofens angeordnet, so dass sie den gesamten
Last-Oberflächenbereich
mit Abstufungslanzen 24g abdecken. Jede Lanze 24g hat
ein Rohr mit einer Brennstoff-Abstufungsdüse an ihrem
Feuerende und wenigstens einem Loch am Ende für die Abstufungs-Brennstoffinjektion,
wie oben für
die früheren
Ausführungsbeispiele
beschrieben ist. Jedes Loch hat einen radialen Divergenzwinkel und
einen axialen Divergenzwinkel, wie für die früheren Ausführungsbeispiele oben beschrieben
ist. Das Loch oder die Löcher
und die Divergenzwinkel stellen eine Lastform-Abdeckung zur Verfügung. Der
Brenner nach dieser Konfiguration stellt außerdem NOx Emissionen
von weniger als 9 ppmv zur Verfügung.
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Das
obige Konzept kann durch Betrachtung eines typischen industriellen
gepackten bzw. kompakten Dampfkessels erläutert werden. Viele Dampfkessel
dieser Art (z. B. ein D-Dampfkessel) haben die Fähigkeit, die Vorderseite, Seitenwände, Boden-
und Rückwände mittels
Wasserrohre oder Lastoberfläche
mit Wasser zu kühlen.
Dieser Aufbau beseitigt die Notwendigkeit für feuerfeste Wände für die Ofenkonstruktion
und Hochtemperatur-Dichtungen. Die Ausführung stellt eine völlig wassergekühlte, geschweißte Ofenhülle zur
Verfügung,
um die Verbrennung stattfinden zu lassen. Die zusätzlichen
Oberflächenbereiche
zur Wärmeübertragung
erzeugen geringere NOx Emissionen und stellen
eine höhere
thermische Effizienz zur Verfügung.
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Gemäß 12A und 12B werden
einzelne oder mehrere LSV Vorrichtungen 12g und 12g' verwendet,
wobei Brennstoff-Abstufungslanzen 24g, 24g' strategisch
parallel zur Last wie zum Beispiel der Form der Wasserrohr-Hüllenoberfläche des
Dampfkessels 42a, 42b (quadratisch, rechteckig,
trapezförmig,
kreisförmig,
elliptisch oder mit einer beliebigen anderen Lastform durch die
Kombination von verschiedenen primären Formen) angeordnet sind.
Die Aufgabe der oben genannten Abstufungsstrategie ist es, relativ
kühlere
Ofengase in der Nähe
der Lastoberfläche
(z. B. Wasser- oder Verfahrensrohre) einzubinden bzw. mitzureißen und eine
gesamte weiträumige
Flamme mit niedriger Temperatur zu erzeugen.
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Es
werden wieder vorzugsweise zwischen 4 und 16 Abstufungslanzen 24g, 24g' pro LSV Vorrichtung 12g verwendet,
wobei jede Abstufungsdüse
zwischen 1 Loch und 4 Löchern
hat. Die Lanzen 24g, 24g' können parallel zur Lastgeometrie
konfiguriert und in mehreren parallelen Reihen positioniert sein.
Der radiale Divergenzwinkel beträgt
vorzugsweise zwischen 8° und
24°, wobei
der axiale Divergenzwinkel zwischen 0° und 16° beträgt. Die Geschwindigkeit des
Brennstoffs, der an der Düse
austritt, beträgt
vorzugsweise zwischen 91,44 m/s bis 274,32 m/s (300 bis 900 Fuß pro Sekunde)
für einen
Erdgas-Abstufungsbrennstoff.
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Für Leistungs-
oder Versorgungsdampfkessel kann die lastformende Abstufung unter
Verwendung von entweder einer Konfiguration eines durch die Wand
befeuerten Feuerungsdampfkessels 34, siehe 13A, oder einer tangential befeuerten Feuerungskonfiguration 36,
siehe 13B, ausgeführt werden. Die Kapazität der meisten
Leistungsdampfkessel ist viel größer, wobei
irgendwo von 10 bis 20 Brennern pro Feuerungswand verwendet werden
und die typische Feuerungskapazität etwa 1,055 GJ/h (1 Milliarde
Btu/hr) beträgt.
Gemäß 13A werden die Brenner in mehreren Reihen angeordnet
und teilen sich eine gemeinsame Rohrverteilung 38 für die Verbrennungsluft.
Die Brenner mit niedrigem NOx Ausstoß 12g können in ähnlichen geometrischen
Stellen angeordnet werden und teilen sich eine gemeinsame Verbrennungsluft-Zuführung durch
eine rechtwinklige Luft-Rohrverteilung 38. Der wichtigste
Entwurfsaspekt zum Erreichen niedriger NOx Emissionen
würde die
Anwendung mehrerer Brennstofflanzen 24g an der Feuerungswand
in mehreren Reihen zwischen LSV Vorrichtungen 12g sein,
um eine weiträumige
Flamme 32 zu erzeugen. Die Ofengase werden in den abgestuften
Brennstoff-Düsenstrahlen
vor der Verbrennung mit der Verbrennungsluft, die von der LSV Vorrichtung
abgegeben wird, eingebunden bzw. mitgerissen. Anders als bei kleineren
industriellen Dampfkesseln haben Leistungsdampfkessel eine feuerfest
ausgekleidete Verbrennungskammer oder Strahlungszone, wo das meiste
des Brennstoffs verbrannt wird, wobei sich dann die heißen Verbrennungsprodukte
nach oben zu Wärmewasserrohren
oder zur Last in der Konvektionszone und dann in die Vorwärmersektion
bewegen, bevor sie nach draußen
zum Schacht abgelassen werden. Bei den meisten Dampfkesseln wird
direkt hinter der Strahlungszone Oberluft (Anteil an der Verbrennungsluft
5 bis 25%) injiziert, um NOx Emissionen
zu reduzieren.
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13B zeigt einen tangential befeuerten Leistungsdampfkessel,
wo alle vier Ecken verwendet werden, um ein wirbelndes oder tangentiales
Strömungsmuster 40 innerhalb
einer quadratischen Strahlungszone 42 des Ofens zu erzeugen.
Die Verbrennungsluft, die durch Lüftungsgitter zugeführt wird,
und die vorgeschlagenen Brenner mit niedrigem NOx Ausstoß sind in
mehreren Reihen an allen vier Ecken angebracht. Die lastformenden
Brennstofflanzen 12g können
in mehreren Reihen zwischen den LSV Vorrichtungen 12g eingebaut werden,
um eine tangentiale oder wirbelnde weiträumige Flamme zu erzeugen. Dadurch,
dass der Brennstoff von der Verbrennungsluft getrennt injiziert
und nicht direkt mit der Verbrennungsluft vermischt wird, ist die
Verfügbarkeit
von Sauerstoff für
die NOx Bildung minimiert, wobei außerdem die
Brennstoff-Düsenstrahlen
mittels der Ofengase zur Einbindung abgeschwächt werden können. Die
sich ergebende Flamme ist weiträumig
und hat äußerst niedrige
Flammentemperaturen und NOx Emissionen.
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Es
werden wieder vorzugsweise zwischen 4 und 16 Abstufungslanzen pro
LSV Vorrichtung 12 verwendet, wobei jede Abstufungsdüse zwischen
1 Loch und 4 Löchern
hat. Die Lanzen können
parallel zur Lastgeometrie konfiguriert und in mehreren parallelen
Reihen positioniert sein. Der radiale Divergenzwinkel beträgt vorzugsweise
zwischen 8° und
24°, wobei
der axiale Divergenzwinkel zwischen 0° und 16° beträgt. Die Geschwindigkeit des
Brennstoffs, der an der Düse
austritt, beträgt
vorzugsweise zwischen 91,44 m/s bis 274,32 m/s (300 bis 900 Fuß pro Sekunde)
für einen
Erdgas-Abstufungsbrennstoff.
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Bei
großen
Versorgungs-Dampfkesseln werden mehrere Brenner, zum Beispiel 20
oder 30 Brenner an gegenüberliegenden
Wänden
oder in einer tangentialen Konfiguration befeuert, wobei die Wärme von
der Brennerbefeuerung verwendet wird, um Dampf zu erzeugen. Diese
sind große
Dampfkesseleinheiten mit Kapazitäten,
die größer sind
als 263,75 GJ/h (250 MM Btu/hr). Die physikalische Größe von typischen
industriellen Dampfkesseln ist jedoch kleiner, wobei sie einen gepackten
(D-Typ) oder modularen Aufbau haben. Die Brennerflamme ist in einem gasdichten,
wassergekühlten
Rohr oder einer Lasthülle
völlig
eingeschlossen. Die Verwendung von "lastformenden" Lanzen würde für industrielle Dampfkessel
ideal sein. Diese werden zur Erzeugung von Verfahrensdampf genutzt,
der in der Erdöl- oder chemischen
Industrie verwendet wird. Die Feuerungskapazität liegt zwischen 52,75 und
263,75 GJ/h (50 und 250 MM Btu/hr).
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Es
wird angemerkt, dass für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung ein Oxidationsmittel mit einer
Sauerstoffkonzentration zwischen 10 und 21 % oder ein angereichertes
Oxidationsmittel, d. h. mehr als 21 % und weniger als 50% Sauerstoffgehalt,
verwendet werden können.
Vorzugsweise befindet sich das Oxidationsmittel bei Umgebungsbedingungen
auf einem vorgewärmten
Niveau, zum Beispiel 93,3°C
bis 1315,5°C
(200°F bis
2400°F).
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele
veranschaulicht und beschrieben ist, soll sie nichtsdestoweniger
nicht auf die gezeigten Details eingeschränkt sein.