DE60308071T3

DE60308071T3 - Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NOx Ausstoss

Info

Publication number: DE60308071T3
Application number: DE60308071T
Authority: DE
Inventors: Mahendra Ladharam Joshi; Kevin Ray Heier; Aleksandar Georgi Slavejkov
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: ATE338916T1; EP1335163B1; ES2271391T3; DE60308071D1; EP1335163A1; DE60308071T2; EP1335163B2; ES2271391T5

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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 (NO_X) liefert.

Energieintensive Industriezweige stehen wachsenden Anforderungen gegenüber, um die Einhaltung von NO_X 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 NO_X Emissionen zu erzeugen, und benennen sie mit dem allgemeinen Namen ”Low NO_X Burners” (LNBs) oder den verschiedenen Handelsbezeichnungen. Tabelle I (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.

Tabelle I: Markt für Brenner mit niedrigem NO_X Ausstoß
Erzeugungsjahr	Öffentliche Versorgungs-Unternehmen (%)	Veraschung (%)	Raffinerie o. chem. u. Erdölindustrie (%)	Energie-Erzeugung (%)	Papier, Nahrung, Gummi, weitere (%)
2000	46,5	15	21,3	6,4	10,8

Gemäß Tabelle I nutzen öffentliche Versorgungsbetriebe und Raffinerien (chemische und Erdölindustrien) den größten Anteil der Brenner mit niedrigem NO_X Ausstoß. Diese Brenner werden in industriellen Dampfkesseln, Roh- und Verfahrensheizvorrichtungen (atmosphärische und Unterdruck-Öfen) und Wasserstoff-Reformern (Dampf-Methan-Reformer) verwendet.
Unter den hauptsächlichen Luftverschmutzungsschadstoffen, die bei Verbrennungsverfahren ausgestoßen werden, befinden sich Stickoxide (NO_X). NO_X 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 NO_X Gasen begrenzen, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden dürfen.
Hauptsächliche Ziele bei Verbrennungsverfahren, die das oben Gesagte betreffen, sind

(1) das Absenken der NO_X 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 NO_X 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 NO_X 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 NO_X Reduction”, Chemical Engineering, Februar 2001.

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 NO_X Reduktionstechnologien, die die NO_X Emissionen von der Quelle steuern würden, und keine Nachbehandlung von Rauchgasen erfordern, nachdem NO_X bereits gebildet wurde.
Um den NO_X Emissionen kostengünstig zu genügen, haben viele Hersteller von Verbrennungsanlagen LNBs entwickelt. Siehe z. B. D. Keith Patrick, ”Reduction and Control of NO_X 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 NO_X 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, NO_X 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.
Die größte Herausforderung beim Entwerfen eines Brenners mit niedrigem NO_X Ausstoß ist es, die NO_X Emissionen gleich bleibend bei unter 9 ppmv oder vergleichbar mit NO_X Emissionen am Auslass des SCR-Systems zu halten. Der Stand der Technik enthält Brenner mit niedrigem oder sehr niedrigem NO_X Ausstoß, die niedrige NO_X 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, NO_X Emissionen von weniger als 9 ppmv zu erzeugen, wobei die, die das im Labor können, solche NO_X Pegel in einer industriellen Anlagen nicht wiederholen können. Die technischen Gründe oder Herausforderungen beim Entwerfen eines Brenners mit niedrigem NO_X Ausstoß von weniger als 9 ppmv werden offenkundig, wie unten beschrieben wird.
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.

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.
Der Beispielbrenner von 1 verwendet außerdem einen Abstufungsbrennstoff für eine sekundäre Verbrennung, um die gesamte Bildung von NO_X 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.
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 NO_X 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 NO_X auf Grund des Wärme-Ableitungsvolumens im Hohlraum des Brennerblocks und auf Grund der Erzeugung von örtlich brennstoffreichen Regionen gebildet wird.
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.
Ein Hauptnachteil, der mit den Flammenhaltern für die Verwendung bei Brennern mit sehr niedrigem NO_X 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.
Ein weiterer Hauptnachteil, der mit Flammenhaltern für die Verwendung bei Brennern mit sehr niedrigem NO_X 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.
Schließlich ist ein dritter Hauptnachteil, der mit Flammenhaltern für die Verwendung bei Brennern mit sehr niedrigem NO_X 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 NO_X 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.
Ein weiterer NO_X Brenner für einen Ofen und ein Verfahren zum Betreiben des Brenners sind aus dem US Patent Nr. 4 505 666 bekannt. Der NO_X 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 NO_X Ausstoß, der nicht geeignet ist, um unter 20 ppmv NO_X betrieben zu werden, wobei dies nicht niedrig genug ist.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brenner für gasförmigen Brennstoff mit sehr niedrigem (ultraniedrigem) NO_X 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) NO_X 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 NO_X Emissionen zur Verfügung.

Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem (ultraniedrigem) NO_X Ausstoß zur Verfügung gestellt, der einen fluid-basierten 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 NO_X Emissionen von weniger als 9 ppmv bei nahezu stoichometrischen Bedingungen.
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.
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.
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.
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.
Der Brenner kann einen Brennerblock aufweisen, der zu dem Flammenstabilisator koaxial ist. Vorzugsweise hat der Brennerblock eine zylindrische oder leicht konische oder rechtwinklige Form.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines Luft-Brennstoff-Brenners mit einem Flammenhalter nach dem Stand der Technik;
2 eine vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines Flammenhalters für einen Luft-Brennstoff-Brenner nach dem Stand der Technik;
3 eine vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines fluid-basierten großformatigen Vortex-Flammenstabilisators für die Verwendung mit einem Brenner mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß der vorliegenden Erfindung;
4A eine grafische Darstellung von NO_X Emissionen im Vergleich zu der durchschnittlichen Flammentemperatur;
4B eine grafische Darstellung von NO_X Emissionen im Vergleich zum überschüssigen Sauerstoff im Abgas;
5A eine vereinfachte Seiten-Aufrissansicht eines Brenners mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß in einer zirkularen bzw. kreisförmigen Abstufungskonfiguration entsprechend der vorliegenden Erfindung;
6 eine vereinfachte vordere und Seitenansicht von Brennstoffdüsen und dem Flammmuster des Flammenstabilisators nach 3 in Kombination mit dem Brenner mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach 5A;
7A eine Querschnitts-Draufsicht einer in dem Brenner nach 5A verwendeten Brennstoff-Abstufungsdüse;
7B eine Seiten-Aufrissansicht im Querschnitt von der Brennstoff-Abstufungsdüse nach 7A;
7C eine rechte Seitenansicht der Brennstoff-Abstufungsdüse nach 7B;
8 eine vereinfachte Seiten-Aufrissansicht des Brenners nach 5A, die das Zusammenwirken der Brennstoffflamme eines Flammenstabilisators und der Abstufungs-Brennstoffflamme darstellt;
9 eine grafische Darstellung von NO_X Emissionen mit Bezug auf Oxidationsmittel/Sauerstoff unter abgeschwächten Bedingungen;
10 eine grafische Darstellung von Labormessungen einer Brennerflamme unter Verwendung eines Ansaug-Pyrometers, die die Flammentemperatur im Vergleich zum radialen Abstand darstellt;
12A eine vereinfachte Veranschaulichung von einer lastformenden Abstufungskonfiguration in einem industriellen Dampfkessel unter Verwendung mehrerer Flammenstabilisatoren;
12B eine vereinfachte Veranschaulichung einer lastformenden Abstufungskonfiguration in einem industriellen Dampfkessel unter Verwendung eines einzelnen Flammenstabilisators;
13A eine vereinfachte Veranschaulichung einer Feuerungskonfiguration eines von der Wand befeuerten Leistungsdampfkessels mit Reihen von Stabilisatoren und Brennstoff-Abstufungslanzen;
13B eine vereinfachte Veranschaulichung einer Feuerungskonfiguration eines tangential befeuerten Leistungsdampfkessels mit Reihen von Stabilisatoren und Brennstoff-Abstufungslanzen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

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) NO_X 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 I gibt ein Beispiel von spezifischen Geschwindigkeitsbereichen und dimensionslosen Verhältnissen zum Erreichen einer stabilen stromweisen Verwirbelung im primären Oxidationsmittelrohr 18. Hier ist V_pa = die Geschwindigkeit des primären Oxidationsmittels, V_f = die Geschwindigkeit des Brennstoffs, V_sa = die Geschwindigkeit des sekundären Oxidationsmittels, D_f = der Durchmesser des Brennstoffrohrs 16, L_f = der Abstand zwischen dem vorderen Ende des Brennstoffrohrs 16 und dem vorderen Ende des primären Oxidationsmitterohrs 18, D_pa = der Durchmesser des primären Oxidationsmitterohrs 18, L_sa = der Abstand zwischen dem vorderen Ende des sekundären Oxidationsmitterohrs 14 und dem vorderen Ende des Brennstoffrohrs 16 und D_sa = 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).

Tabelle 1: LSV Geschwindigkeiten und dimensionsloses Verhältnis
LSV Feuerungsrate	Geschwindigkeitsbereich (Fuß/sec) m/s			Verhältnis	Verhältnis	Verhältnis
GJ/h (MM Btu/hr)	V_pa	V_f	V_sa	L_f/D_f	L_f/D_pa	L_sa/D_sa
0,26 (0,25) bis 5,27 (5)	(30–90) 9,144–27,432	(2–6) 0,61–1,83	(15–45) 4,57–13,716	1 bis 3	1 bis 3	1 bis 3

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 NO_X Emissionen von weniger als 2 bis 3 ppmv erzeugt. Es werden geringere NO_X Emissionen, die mit niedrigeren Flammentemperaturen und einem äußerst brennstoffmageren Betrieb verbunden sind, deutlich. 4A und 4B zeigen allgemeine NO_X Trends als eine Funktion der Flammentemperatur und des überschüssigen Sauerstoffs, die im Abgas gemessen wurden.
Der Betrieb der LSV Vorrichtung 12 bei äußerst brennstoffmageren Bedingungen für sehr niedrige NO_X 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.
5A zeigt eine schematische Darstellung des Brenners mit sehr niedrigem NO_X 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.
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).
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. Die oben genannten Geschwindigkeiten (oder Düsenloch-Größen) variieren abhängig von der Brennstoffzusammensetzung (und dem Heizwert) und der Feuerungskapazität des Brenners.
Der vollständige Brenner mit sehr niedrigem NO_X 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:
LSV FLAMME

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 NO_X Emissionen. Dies liegt am hervorragenden Mischen, der Vermeidung von brennstoffreichen Zonen für eine sofortige NO_X 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 NO_X 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.

Tabelle II: LSV Labor-Feuerungsdaten; nur LSV Feuerung, Ofen zwischen 539,8°C und 815,6°C (1000° und 1500°F)
LSV Feuerungsrate (MM Btu/hr) GJ/h	Verbren nungsluft Theo. (%)	Emissionen (trocken)				Korrigiertes NO bei 3% O₂ (ppmv)	Korrigiertes NO bei 3% O₂ (lb/MM Btu) kg/GJ	Korrigiertes NO bei 3% O₂ (mg/Nm₃)
LSV Feuerungsrate (MM Btu/hr) GJ/h	Verbren nungsluft Theo. (%)	O₂ (%)	CO (ppm)	CO₂ (%)	NO (ppm)	Korrigiertes NO bei 3% O₂ (ppmv)	Korrigiertes NO bei 3% O₂ (lb/MM Btu) kg/GJ	Korrigiertes NO bei 3% O₂ (mg/Nm₃)
(0,5) 0,53	550	17,6	0,25	0,18	0,4	2,1	(0,003) 0,0013	4,3
(1) 1,055	450	18,3	0,25	0,27	0,5	3,3	(0,004) 0,0017	6,8
(2) 2,11	255	15,6	2,4	0,73	1,8	6,0	(0,008) 0,0034	12,3

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.
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 NO_X Emissionen zu erzeugen.
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 NO_X 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.
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.
ZIRKULARE BZW. KREISFÖRMIGE ABSTUFUNG
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.
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 CO₂ 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.
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.
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 NO_X Ausstoß unter abgeschwächten Bedingungen gemäß 9.
In 9 wird gezeigt, dass der verfügbare Sauerstoff unter abgeschwächten Bedingungen für die Bildung von NO_X 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.
Der Grad der Brennstoffabstufung (für Erdgas-Brennstoff) kann irgendwo von 70% bis 95% der gesamten Feuerungsrate des Brenners liegen. Dieser Bereich stellt äußerst niedrige NO_X Emissionen (1 bis 9 ppmv) zur Verfügung. Ein Brennstoff-Abstufungsbereich von weniger als 70% kann für eine weiträumige Verbrennung verwendet werden, wenn NO_X 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.
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 NO_X 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.
Die Daten in Tabelle IV zeigen an, dass die gesamten NO_X 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.
Die bevorzugte Konstruktion des Brenners mit sehr niedrigen NO_X 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.
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.
LASTFORMENDE ABSTUFUNG
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel ist der Brenner mit sehr niedrigem NO_X 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 NO_X Emissionen von weniger als 9 ppmv zur Verfügung.
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 NO_X Emissionen und stellen eine höhere thermische Effizienz zur Verfügung.
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.
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. 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.
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 NO_X 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 NO_X 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 NO_X Emissionen zu reduzieren.
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 NO_X 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 NO_X 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 NO_X Emissionen.
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.
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).
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).
Obwohl die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben ist, soll sie nichtsdestoweniger nicht auf die gezeigten Details eingeschränkt sein.

Claims

Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem (ultraniedrigem) NO_X Ausstoß mit: a) einem fluid-basierten Flammenstabilisator, der eine großformatige Vortexvorrichtung (12) ist und eine brennstoffmagere Flamme bei dem Äquivalenzverhältnis im Bereich von phi = 0,05 bis phi = 0,3 zur Verfügung stellen kann; b) mehreren Brennstoff-Lanzen mit gestufter Feuerungsführung (fuel staging lances) (24, 24a–24g'), die den Flammenstabilisator umgeben, wobei jede Lanze (24, 24a–24g') ein Rohr mit einer Abstufungsdüse (26) an ihrem Feuerende aufweist c) und jede Lanze (24, 24a–24g') wenigstens ein Loch (28) für die abgestufte Brennstoffinjektion und d) jedes Loch (28) einen radialen Divergenzwinkel hat; dadurch gekennzeichnet, dass e) jedes Loch (28) auch einen axialen Divergenzwinkel hat, und f) dieses wenigstens eine Loch (28) und die Divergenzwinkel angepasst sind, um eine vollständige Umfangsabdeckung der brennstoffmageren Flamme zur Verfügung zu stellen, g) wodurch NO_X Emissionen von weniger als 9 ppmv bei nahezu stöchiometrischen Bedingungen erzeugt werden.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Loch (28) und die Divergenzwinkel angepasst sind, um ein flaches Flammmuster zur Verfügung zu stellen.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Loch (28) und die Divergenzwinkel angepasst sind, um ein lastformendes Flammenmuster zur Verfügung zu stellen.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei die Brennstoff-Abstufungslanzen (24, 24a–24g') zwischen 4 und 16 Abstufungslanzen (24, 24a–24g') pro Flammenstabilisator aufweisen.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei jede Abstufungsdüse (26) zwischen einem Loch (28) und vier Löchern (28) hat.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei der radiale Divergenzwinkel zwischen 8° und 24° beträgt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei der axiale Divergenzwinkel zwischen 4° und 16° beträgt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei die Düse (26) angepasst ist, so dass Brennstoff aus der Düse (26) bei einer Rate von 91,44 m/s bis 274,32 m/s (300 bis 900 Fuß pro Sekunde) für Erdgas-Abstufungs-Brennstoff austreten kann.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei die großformatige Wirbelvorrichtung (12) angepasst ist, um eine brennstoffmagere Flamme zur Verfügung zu stellen, die eine Spitzenflammentemperatur von weniger als näherungsweise 1093°C (2000° Fahrenheit) hat.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei das Äquivalenzverhältnis im Bereich von phi = 0,05 bis phi = 0,1 beträgt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei der Abstand von dem 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) beträgt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffverhältnis der Abstufung für Erdgas-Brennstoff von 70% bis 95% der Gesamtbrennstoff-Feuerungsrate des Brenners ist.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1 mit einem Brennerblock (17) der koaxial zu dem Flammenstabilisator ist.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 14, wobei der Brennerblock (17) eine leicht konische Form hat.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 14, wobei der Brennerblock (17) eine rechtwinklige Form hat.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 1, der zwischen 4 und 16 Brennstoff-Abstufungslanzen (24, 24a–24g') pro Flammenstabilisator in der Nähe des Flammenstabilisators aufweist, wobei weiterhin jede Lanze (24, 24a–24g') ein Rohr mit einer Abstufungsdüse (26) an ihrem Feuerungsende aufweist, jede Lanze (24, 24a–24g') zwischen einem und vier der Löcher (28) für die Abstufungs-Brennstoff-Injektion hat und jedes Loch (28) einen radialen Divergenzwinkel und einen axialen Divergenzwinkel hat.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei die Brennstoff-Abstufungs-Lanzen (24, 24a–24g') den Flammenstabilisator und das wenigstens eine Loch (28) umgeben und die Divergenzwinkel angepasst sind, um eine vollständige Umfangs-Abdeckung der brennstoff-mageren Flamme für die zirkulare Abstufung zur Verfügung zu stellen.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei die Brennstoff-Abstufungs-Lanzen (24, 24a–24g') in einer linearen bzw. linienförmigen Art in einer einzigen oder mehreren Reihen auf jeder Seite des Flammenstabilisators positioniert sind, wobei das wenigstens eine Loch (28) und die Divergenzwinkel angepasst sind, um eine Flamme zur Verfügung zu stellen, die zwischen zwei parallelen flachen Ebenen beschränkt bzw. eingeschränkt bzw. begrenzt ist.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei der radiale Divergenzwinkel zwischen 8° und 24° und der axiale Divergenzwinkel zwischen 4° und 16° beträgt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei die Düse (26) angepasst ist, so dass der Brennstoff aus der Düse (26) bei einer Rate von 91,44 m/s bis 274,32 m/s (300 bis 900 Fuß pro Sekunde) für Erdgas-Abstufungs-Brennstoff austreten kann.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei die großformatige Wirbelvorrichtung angepasst ist, um eine brennstoff-magere Flamme zur Verfügung zu stellen, die eine Spitzenflammentemperatur von weniger als näherungsweise 1093°C (2000° Fahrenheit) hat.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei das Äquivalenzverhältnis im Bereich von phi = 0,05 bis phi = 0,1 liegt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei der Abstand von dem vorderen Ende des Brennstoff-Rohrs des Flammenstabilisators zu einem Punkt, wo das Mischen der Abstufungsflamme und der Flamme des Flammenstabilisators auftritt, näherungsweise 0,2032 m bis 1,2192 m (8 bis 84 Zoll) beträgt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16, wobei die Brennstoff-Rate der Abstufung für Erdgas-Brennstoff von 70% bis 95% der Gesamt-Brennstofffeuerungsrate des Brenners beträgt.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 16 mit einem Brennerblock (17), der koaxial zu dem Flammenstabilisator ist.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 25, wobei der Brennerblock (17) eine leicht konische Form hat.
Brenner für Prozessheizung mit sehr niedrigem NO_X Ausstoß nach Anspruch 25, wobei der Brennerblock (17) eine rechtwinklige Form hat.