DE69303613T2

DE69303613T2 - VERFAHREN ZUR GASVERBRENNUNG IN EINEM BRENNER FÜR NOx-ARME VERBRENNUNG MIT GESTUFTER LUFTZUFUHR UND ABGASRÜCKFÜHRUNG

Info

Publication number: DE69303613T2
Application number: DE69303613T
Authority: DE
Inventors: R Janos Bee; Charles Benson; Donald Moreland; Andrew Syska; Majed Toqan
Original assignee: Gas Research Institute; Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology; GTI Energy
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-10-16
Also published as: WO1994009316A1; EP0663989B1; ATE140309T1; DE69303613D1; EP0664871B1; EP0664871A1; US5269679A; DE69303617D1; EP0663989A1; DE69303617T2; WO1994009315A1; ATE140310T1

Description

GEBIET DER TECHNIK

Diese Erfindung betrifft ein Bereichsverfahren zum Verbrennen von Gas in einem gasbetriebenen Brenner für Öfen und Siedekessel und insbesondere für Brenner zur Verringerung der NOx-Emissionen, die aus der Verbrennung in Brennöfen und Boilern entstehen.

STAND DER TECHNIK

Verbrennungsprozesse, die fossile Brennstoffe verbrennen, geben Emissionen an die Atmosphäre ab, die mit schädlichen Auswirkungen zusammenhängen. Umweltschutzvorschriften wurden erlassen, um die Konzentrationen derartiger Emissionen in den aus Verbrennungsprozessen entstehenden Abgasen zu beschränken. Derartige Emissionen umfassen Stickstoffoxide oder NOx, in erster Linie NO und NO&sub2;. Der NOx-Emissionspegel sollte vorzugsweise wesentlich unter 100 Teilen auf eine Million (ppm) liegen.
NOx-Emissionen entstehen aus Stickstoff, der in der Verbrennungsluft vorhanden ist, sowie aus brennstoffgebundenem Stickstoff in Kohle oder Heizöl, wenn derartige Brennstoffe verbrannt werden. Die Umwandlung des brennstoffgebundenen Stickstoffs in NOx hängt von der Menge und Reaktivität der Stickstoffverbindungen im Kraftstoff und der Menge des in der Verbrennungszone vorhandenen Sauerstoffs ab. Eine Umwandlung von brennstoffgebundenem Stickstoff finden nicht in Prozessen statt, bei denen Brennstoffe wie zum Beispiel Erdgas verwendet werden, welche keine festen Stickstoffverbindungen enthalten.
Die Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff, N&sub2;, der in der Verbrennungsluft vorhanden ist, in NOx (thermisches NOx) ist temperaturabhängig. Je höher im allgemeinen die Flammentemperatur in der Verbrennungszone, um so größer der sich daraus ergebende NOx-Gehalt in den Emissionen. Die NOx-Umwandlung steigt bei Temperaturen von mehr als 1800 K dramatisch an, wenn O&sub2; vorhanden ist. Viele industrielle Prozesse, wie zum Beispiel das Schmieden, das Nacherwärmen und das Schmelzen von Glas oder Aluminium, werden in gasbetriebenen Öfen bei hohen Temperaturen ausgeführt. In solchen Prozessen mit derart hohen Temperaturen wird die im Verbrennungsprozeß verwendete Luft häufig vorerwärmt. Das Vorerwärmen der Luft verringert die Menge des benötigten Brennstoffes, wodurch der thermische Wirkungsgrad erhöht wird, aber es erhöht auch die Temperatur der Flamme, was wiederum den NOx-Gehalt erhöht. Somit wird ein Brenner mit höheren Temperaturen benötigt, der in der Lage ist, die NOx-Emissionen zu verringern, ohne dadurch an thermischem Wirkungsgrad einzubüßen.
Eine Möglichkeit zur Verringerung des NOx-Gehaltes, die sich bei Prozessen als wirkungsvoll erwiesen hat, welche stickstofftragende Brennstoffe verwenden, ist die Schaffung einer brennstoffreichen Verbrennungszone, gefolgt von einer brennstoffmageren Verbrennungszone. Dies kann durch Abstufung der Zufuhr von Luft in die Brennkammer erreicht werden. Die brennstoffreiche Zone enthält weniger als die theoretische oder stöchiometrische Menge an Sauerstoff. Somit ist weniger Sauerstoff für die Umwandlung des Stickstoffs in NOx verfügbar.
Die Rückführung von Rauchgas in die Flamme ist eine weitere Technik zur Begrenzung der NOx-Emissionen. Das rückgeführte Rauchgas verringert die Sauerstoffkonzentration in den Reaktionspartnern und verringert die Flammentemperatur durch Abkühlen der Verbrennungsprodukte, wodurch der NOx-Gehalt gesenkt wird. Darüberhinaus kann das im rückgeführten Rauchgas vorhandene NOx durch das nochmalige Verbrennen weiter zerstört werden. Die Rauchgase können auch für andere Zwecke verwendet werden, wie zum Beispiel für das Vorheizen der Verbrennungsluft oder das Verdampfen von flüssigen Brennstoffen.
Brenner, die besonders geeignet sind für Hochtemperaturprozesse, sind in den US-Patenten Nr. 4.445.842 und Nr. 3.990.831 offenbart. Diese Brenner umfassen eine luftbetriebene Strahlpumpe zur Einbringung des Rauchgases in den Luftstrom und zur Verbesserung der Mischung des Brennstoffes, der Luft und des Rauchgases. Diese Brenner führen ebenfalls die Rauchgase in das Brennstoff-Luftgemisch zurück, wodurch die NOx-Emissionen verringert werden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Weil die gesamte Luftzufuhr zum Brenner normalerweise begrenzt ist, verringert das Aufteilen des Luftstromes in einen primären und einen sekundären Luftstrom in jenen Brennern, in denen Strahlpumpen verwendet werden, die zum Antrieb der Strahlpumpe verfügbare primäre Luft. Das Aufteilen des Luftstromes begrenzt auch die Strahlpumpenkapazität für die Rückführung großer Mengen an Rauchgas durch den Brenner. In der vorliegenden Erfindung wurde ein mit geringer Menge an Erdgas betriebener Brenner für Hochtemperaturanwendungen mit einer luftbetriebenen Strahlpumpe für die abgestufte Einbringung von Verbrennungsluft konfiguriert und optimiert. Der Brenner umfaßt eine luftbetriebene Strahlpumpe zum Mischen von Luft, Brennstoff und rückgeführten Rauchgasen und zum Einbringen der Mischung in die Brennkammer. Der Brenner umfaßt eine Lufteinlaßöffnung, die mit einem Primärluftdurchgang für die Zufuhr von Verbrennungsluft zur Strahlpumpe und zur Schaffung einer brennstoffreichen Verbrennungszone verbunden ist. Der Brenner umfaßt weiters einen Sekundärluftdurchgang, um eine brennstoffmagere Verbrennungszone nach der brennstoffreichen Zone zu schaffen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird verständlicher gemacht durch die folgende genaue Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, bei denen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Brenners von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Endansicht des Brenners von Fig. 1 und 2 ist;
Fig. 4 eine Balkengrafik der NOx-Emissionen im Vergleich zum Primärzonenbrennstoffäquivalenzverhältnis für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der Verbrennungsluft mit 260ºC und Rauchgas mit 700ºC verwendet;
Fig. 5 eine Balkengrafik der NOx-Emissionen im Vergleich zum Primärzonenbrennstoffäquivalenzverhältnis für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der Verbrennungsluft mit 800ºC und Rauchgas mit 700ºC verwendet;
Fig. 6 eine Balkengrafik der NOx-Emissionen im Vergleich zu der gesamten Rauchgasrückführung für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 7 ein graphischer Vergleich eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung und eines Brenners des Standes der Technik ist, welcher die NOx-Konzentrationen entlang der Achse der Brenner zeigt;
Fig. 8 ein graphischer Vergleich eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung und eines Brenners des Standes der Technik ist, welcher die Temperatur entlang der Achse der Brenner zeigt;
Fig. 9 ein graphischer Vergleich eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung und eines Brenners des Standes der Technik ist, welcher die Wärmegewinnung entlang der Achse der Brenner zeigt;
Fig. 10 eine bruchstückhafte Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Düseneinsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 11 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Ein Brenner gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird allgemein unter 10 in Figur 1 und 2 dargestellt. Der Brenner 10 umfaßt ein Gehäuse 12, einen Anschluß 14 für gasförmigen Brennstoff, und einen Lufteinlaßanschluß 16, und einen Rauchgasrücklaufanschluß 18. Eine Brennstoffeinlaßdüse 20 erstreckt sich vom Brennstoffanschluß 14 in das Gehäuse 12 durch eine Öffnung in der Gehäuseendwand 22. Eine Verschraubung 24 ist vorhanden, um die Öffnung abzudichten. Eine Beobachtungsöffnung 26 ist am Brennstoffanschluß 14 vorhanden. Der Lufteinlaß 16 kommuniziert mit einer ringförmigen Luftkammer 30. Die Luftkammer kommuniziert durch ringförmig beabstandete Öffnungen 34 mit dem Primärluftdurchgang 32 und der Luftdüse 38. Die Luftkammer 30 kommuniziert auch mit einer Mehrzahl an ringförmig beabstandeten axialen Sekundärluftdurchgängen 36.
Das Gehäuse 12 umfaßt drei Abschnitte: den Endabschnitt 40, den Mittelabschnitt 42 und den Strahlpumpenkörper 44. Der Strahlpumpenkörper 44 umfaßt einen Ansaugkammerabschnitt 61, einen Mischkammerabschnitt 63 und einen Brennerblock oder Brennerstein 65. Eine kegelstumpfförmige Ansaugkammer 60 befindet sich im Saugkammerabschnitt 61. Eine zylinderförmige Mischkammer 62 ist im Mischkammerabschnitt 63 vorhanden. Ein kegelstumpfförmiger Diffusor 64 befindet sich im Brennerblock 65. Der Diffusor 64 dient auch als Brennkammer und wird weiter unten näher beschrieben.
End- und Mittelabschnitt 40, 42 sind durch verschraubte, ringförmige Flansche 46, 48 miteinander verbunden. Der Mittelabschnitt 42 und der Strahlpumpenkörper 44 sind durch verschraubte Flansche 50, 52 miteinander verbunden. Ein ringförmiger Flansch 54 ist am Strahlpumpenkörper 44 zur Verbindung mit einer Ofenwand 56, die in Fig. 1 dargestellt ist, verbunden. Der Strahlpumpenkörper 44 ist sowohl mit dem Endabschnitt 40 als auch mit dem Mittelabschnitt 42 durch einen ringförmigen Flansch 68 zwischen den Flanschen 46 und 48 verbunden. Die Primärluftöffnungen 34 sind im ringförmigen Flansch 68 vorhanden. Die End- und Mittelabschnitte und der Strahlpumpenkörper können auch auf eine andere geeignete Weise miteinander verbunden sein. Auf ähnliche Weise kann das Brennergehäuse mit dem Ofen auf jede andere geeignete Weise verbunden sein.
Der Endabschnitt 40 und der Mittelabschnitt 42 sind vorzugsweise aus Normalstahl 72 hergestellt und mit isolierendem, gießbarem Material 74 ausgekleidet. Der Strahlpumpenkörper 44 wird vorzugsweise aus hitzefestem, dichtem, feuerfestem Material 76 hergestellt, und ein äußeres Gehäuse 78 aus Stahl oder Gußeisen. Eine Dauerflammenöffnung 80 und eine Abtasteröffnung 82 (dargestellt in Figur 3) sind im feuerfesten Material 76 ausgebildet, welches den Diffusor 64 umgibt.
Beim Betrieb wird Luft unter Druck durch den Lufteinlaß 16 in die ringförmige Kammer 30 gepreßt. Für Anwendungen mit hohen Temperaturen wird die Luft im allgemeinen vorerwärmt, um die Wirksamkeit des Ofens zu verbessern. Der Luftstrom teilt sich in der ringförmigen Kammer 30 in zwei Ströme, einen primären Luftstrom und einen sekundären Luftstrom. Der primäre Luftstrom tritt durch die Öffnungen 34 in den Primärluftdurchgang 32 ein. Der Durchgang 32 kommuniziert über die Düse 38 mit der Ausaugkammer 60. Die durch die Düse 38 fließende Luft erfährt einen Druckabfall. Auch das Erdgas, welches durch die Düse 20 eintritt, die konzentrisch mit der Luftdüse 38 ist, erfährt einen Druckabfall. Beim Durchfluß durch die Düse 38 und die Saugkammer 60 führt der niedrige Druck der Luft und des Erdgases dazu, daß Rauchgase, welche durch den Einlaß 18 eintreten, in die Ansaugkammer gesogen werden. Vorzugsweise ist der Rauchgaseinlaß 18 auf tangentiale Weise am Gehäusemittelabschnitt 42 befestigt, um dem Rauchgasstrom eine schraubenförmige Drehbewegung zu verleihen, wenn er in den Primärluft-/Brennstoffstrom eintritt, was dazu beiträgt, die Flammenstabilität beizubehalten.
Der Strom aus Primärluft und Erdgas fließt durch die Ansaugkammer 60 in die Mischkammer 62. Die Primärluft der Brennstoff und die Rauchgase vermischen sich in der Mischkammer 62. Die Mischung gewinnt in der Mischkammer im allgemeinen wieder etwas an Druck und tritt mit einem leicht erhöhten Druck aus der Mischkammer 62 aus. Die miteinander vermischte Primärluft, der Brennstoff und die Rauchgase treten dann durch die kegelstumpfförmige Form in den Diffusor 64 ein, der über einen sich vergrößernden Querschnittsbereich verfügt, um die Geschwindigkeit zu verringern und den Druck soweit zu erhöhen, daß er dem Druck im Ofen entspricht. Wenn jedoch der vom Diffusor eingeschlossene Winkel zu groß wird, zerteilt sich der Strom in zwei Wirbelströme, anstatt sich auszuweiten. Es hat sich gezeigt, daß ein eingeschlossener Winkel von etwa 18º geeignet ist.
Eine durch das Rohr 80 zur Verfügung gestellte Dauerflamme entzündet das Luft-Brennstoffgemisch im Diffusor 64. Die Verbrennung kann durch das Abtastrohr 82 hindurch beobachtet werden. Der Sekundärluftstrom tritt in die Mehrzahl an ringförmig beabstandeten Durchgängen 36 von der Luftkammer 30 ein und fließt durch diese hindurch bis zum Ofen, wo sie in die Umgebung der Flammenhülle eintritt, die sich vom Diffusor in den Ofen erstreckt. Somit besteht aufgrund der Unterteilung der Brennluft eine brennstoffreiche Primärverbrennungszone in der Flamme innerhalb und unmittelbar außerhalb des Diffusors, welche weniger als die theoretische Menge an Luft empfängt, und eine brennstoffmagere Sekundärverbrennungszone besteht in der Flamme, welche sich in den Ofen hinein erstreckt. Die Flamme innerhalb und unmittelbar außerhalb des Diffusionsabschnittes 64 kann auch als Primärflamme bezeichnet werden, während die Flamme im Ofen als Sekundärflamme bezeichnet werden kann.
In brennstoffreichen Kohlenwasserstofflammen handelt es sich bei der NO-Quelle um die Bindung von N&sub2; durch Kohlenwasserstoffragmente in Reaktionen wie z.B.
CH + N&sub2; T HCN + N
CH&sub2; + N&sub2; T HCN + NH
N aus der ersten Reaktion kann danach an der folgenden schnellen Reaktion teilnehmen:
N + OH T NO + H
Die Produkte HCN und NH werden danach teilweise in der brennstoffreichen Flamme in molekularen Stickstoff, N&sub3;, umgewandelt, soferne die Temperatur mindestens 1400 K beträgt und ausreichend Verweilzeit vorhanden ist, damit diese Reaktionen abgeschlossen werden können. Das durch die Reaktion von N&sub2; mit Kohlenwasserstoffradikalen gebildete oder mit den Rauchgasen eingeführte NO kann auch durch eine Wiederverbrennungsroute" in der brennstoffreichen Flamme in N&sub2; zurückverwandelt werden. Dieser Prozeß wird durch Reaktionen in Gang gesetzt, welche HCN produzieren, wie zum Beispiel:
CH + NO T HCN + O.
Das HCN reagiert weiter und bildet N&sub2;, wobei die Geschwindigkeit abhängig ist vom Brennstoffäquivalenzverhältnis und der Temperatur der brennstoffreichen Flammenzone.
Unter mageren Bedingungen wird NO hauptsächlich durch den Zeldovich-Mechanismus gebildet. Dadurch steuert die Verringerung der Flammentemperatur in der mageren Stufe die Bildung von NO auf wirksame Weise. Die Flammentemperatur wird durch die rückgeführten Rauchgase verringert, welche inerte Substanzen in die Verbrennungszone einführen, die einen Bruchteil der Energie absorbieren, wenn Verbrennungsprodukte von deren ursprünglichen Temperaturen ausgehend erwärmt werden. Die Rauchgase führen hauptsächlich N&sub2;, H&sub2;O und CO&sub2; in die Verbrennungszone ein. Alle diese Arten absorbieren Energie, wenn sie auf Flammentemperatur wiedererwärmt werden. Der Prozeß kann sogar noch wirksamer werden, wenn sich einige der CO&sub2;- und H&sub2;O- Moleküle bei Erwärmung auf hohe Temperaturen aufspalten.
Bei den meisten Rauchgasrückführungsanwendungen ist die Menge an Verbrennungsprodukten, welche wiedergewonnen werden kann, aufgrund der Tatsache begrenzt, daß die Flammenstabilität aufrechterhalten werden muß. Die Strahlpumpenkonfiguration des Brenners der vorliegenden Erfindung führt jedoch den Brennstoff und die Primärluft in die brennstoffreiche Zone auf eine Weise ein, welche die Menge des wiedergewinnbaren Rauchgases, die eingeführt werden kann, bevor es zu einer Instabilität der Flamme kommt, erhöht. In der vorliegenden Erfindung wird die Rauchgasrückführung eher durch die Kapazität der Strahlpumpe als durch die Flammenstabilität beschränkt.
In der brennstoffmageren Zone wird auch die thermale Bildung von NO durch Einführung des Sekundärluftstroms von den Sekundärluftdurchgängen 36 verringert. Die brennbaren Produkte der brennstoffreichen Flamme werden im Ofen von den Sekundärluftströmen aufgefangen, welche verbrannte und abgekühlte Verbrennungsprodukte mitreißen, bevor sie sich mit den Produkten der brennstoffreichen Flamme vermischen und als Sekundärflamme verbrennen. In dieser Verbrennungsart werden die Höchsttemperaturen der Flamme und die O&sub2;-Konzentration verringert, was zu einer verringerten thermalen Bildung von NOx führt.
Die tatsächliche Brennergeometrie und die Prozeßparameter für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung hängen von der jeweiligen Anwendung ab. Die vorherbestimmten Eingabe- oder Konstruktionsparameter umfassen den Prozentsatz an überschüssiger Verbrennungsluft, die Teilung der Primärluft und den Prozentsatz an rückgeführten Rauchgasen. Die Ofenbedingungen bestimmen die Geschwindigkeit und den Druck am Diffusorausgang. Diese beiden Parameter beeinflussen den Druckabfall durch die Primärluftdüse. Andere Parameter, die von der Anwendung bestimmt werden, sind die Verbrennungslufttemperatur, die Rauchgastemperatur und der Rauchgasstrom und die Temperatur.
Wichtige Prozeß- und Brennergeometrieparameter, die von den Eingangsparametern bestimmt werden, umfassen die Druckabfälle durch die Primär- und Sekundärluftdüsen und die Brennstoffdüse sowie deren Durchmesser und den Durchmesser der Mischkammer. Die Druckabfälle durch die Primärluftdüse und die Gasbrennstoffdüse beeinflussen die Fähigkeit der Strahlpumpe, den Brennstoff und die Rauchgase hineinzuziehen. Je größer der Druckabfall durch die Luftdüse 38, umso größer die Ansaugkraft zum Hineinziehen des Brennstoffes und der Rauchgase. Eine Verringerung des Druckabfalls durch die Luftdüse hindurch verringert die Ansaugung, was wiederum die Fähigkeit zum Hineinziehen des Brennstoffes und der Rauchgase verringert. Je höher die Rauchgasrücklaufgeschwindigkeit, umso höher der benötigte Druckabfall. Die Zufuhr von Luft ist jedoch im allgemeinen unveränderlich. Wenn die Verbrennungsluft in primäre und sekundäre Luftströme abgestuft wird, wird die Menge der Primärluft reduziert, was wiederum den Druckabfall und die Menge der Rauchgase, die hineingesogen werden können, verringert. Somit wird die Wirksamkeit der Strahlpumpe verringert. Wenn die Primärluft weniger als ungefähr 40 Prozent der gesamten Verbrennungsluft ausmacht, ist es im allgemeinen schwierig, die Strahlpumpe anzutreiben. Daher müssen die Abmessungen des Durchmessers der Primärluftdüse und der Mischkammer sorgfältig festgelegt werden, um die Wirksamkeit der Strahlpumpe aufgrund der vorherbestimmten Primärluftteilung, des Prozentsatzes an Rauchgasrückführung und der Brennerbedingungen zu optimieren. Die Abmessungen des Durchmessers der Primärluftduse sind im allgemeinen so ausgelegt, daß ein Druckabfall von 6 bis 40 Zoll Wassersäule geschaffen wird, abhängig vom gewünschten Primärluftstrom und der gewünschten Menge an rückgeführten Rauchgasen. Der Druckabfall liegt typischerweise zwischen 4 und 24 Zoll Wassersäule; bei manchen Anwendungen liegt der Druck im Ofen über dem Atmosphärendruck, und der Druckabfall durch die Primärluftdüse hindurch muß dementsprechend höher sein.
Die einzelnen Durchmesser und der radiale Abstand der Sekundärluftdurchgänge 36 sind ebenfalls wichtige Parameter. Typischerweise sind die Abmessungen der Durchgangsausgänge so ausgelegt, daß eine Sekundärluftgeschwindigkeit zwischen 50 und 300 Fuß pro Sekunde und vorzugsweise zwischen 150 und 200 Fuß pro Sekunde erzeugt wird. Je enger der radiale Abstand der Sekundärluftdurchgänge zum Ausgangsdurchmesser des Diffusors 64 ist, umso wirksamer wird die Durchdringung der Sekundärluftstrahlen in die Sekundärflamme und umso niedriger werden die NOx-Emissionen. Obgleich es möglich ist, nur einen einzigen Sekundärluftdurchgang zu schaffen, wenn dies gewünscht wird, so wird doch auf ähnliche Weise eine Mehrzahl derartiger Durchgänge, die umfänglich vom Diffusor beabstandet sind, bevorzugt. Typischerweise liegt die radiale Verschiebung der Sekundärluftdurchgänge zwischen 1,2 bis 1,5 des Austrittsradius des Diffusors.
Darüberhinaus ist der Winkel der Austritte der Durchgänge 36 zur länglichen Achse des Brenners wichtig. Je näher dieser Winkel zu 90 Grad zur Brennerachse steht, umso wirksamer wird die Sekundärluft. Es ist jedoch unpraktisch, die Austritte mit einem großen Winkel zur Brennerachse herzustellen. Somit berücksichtigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 10 dargestellt ist, Düseneinsätze, welche einen Winkel zwischen 0º und 90º ermöglichen. Die Einsätze umfassen einen ersten Abschnitt 92, der in die Enden 94 der Durchgänge 36 paßt, die erweiterbar sind, um die Einsätze besser aufnehmen zu können. Die Einsätze umfassen weiters einen zweiten Abschnitt 96, der sich in den Ofen hinein erstreckt und vorzugsweise zur Breunerachse hin geneigt ist. Ein geneigter Durchgang 98 ist im Einsatz vorhanden, um mit dem Durchgang 36 und dem Ofen zu kommunizieren. Die Durchgänge 98 sind ebenfalls zur Brennerachse hin geneigt. Auf diese Weise ist der Sekundärluftstrom, welcher durch den Durchgang 36 fließt, in einem Winkel hin zur Flammenhülle geneigt.
Ein Testbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung mit 2,5 Millionen BTU/Stunde wurde gebaut und in Betrieb genommen. Es wurden zweiundfünfzig Betriebsbedingungen des Brenners untersucht. Unter den veränderten Parametern befanden sich die Temperaturen der Verbrennungsluft und der rückgeführten Rauchgase, der Prozentsatz an primärer und sekundärer Luft, und der Prozentsatz an Rauchgasrückführung in die Primär- und Sekundärluftströme. Zur Messung der Flammenmerkmale wurden Einführmeßfühler verwendet.
Bei einer Verbrennungsluft von 800ºC und einer Rauchgasrückführung zwischen 10 und 40% wurden NOx-Emissionen von unter 100 ppm erzielt, und NOx-Emissionen von unter 40 ppm wurden erzielt, als die Rauchgasrückführung mehr als 40% betrug. Die Testergebnisse sind in Fig. 4, 5 und 6 dargestellt.
Fig. 4 ist eine Balkengrafik der NOx-Emissionen im Vergleich zum Primärzonenbrennstoffäquivalenzverhältnis φ für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung, der Verbrennungsluft mit 260ºC und Rauchgase mit 700ºC verwendet. Das Brennstoffäquivalenzverhältnis φ ist das Verhältnis zwischen dem stöchiometrischen O&sub2; und dem zugeführten O&sub2;. Der ungefähre Prozentsatz an zugeführter Primärluft unter der Annahme, daß kein Sauerstoff im rückgeführten Rauchgas vorhanden ist, wird auch in Fig. 4 über der φ-Achse dargestellt, um das Verhältnis zwischen diesen beiden zu zeigen. Somit wurde bei φ = 1,0 100% der Verbrennungsluft durch die Strahlpumpe geleitet und keine Luft in den Ofen. Das heißt, daß die gesamte Verbrennungsluft aus Primärluft bestand. Bei φ = 1,51 bestanden 66% der Verbrennungsluft aus Primärluft und 34% der Verbrennungsluft aus Sekundärluft.
In Fig. 4 sind zwei Kurven dargestellt, nämlich eine für Tests, die mit 36% rückgeführten Rauchgasen durchgeführt wurden, und eine mit einer Rauchgasrückführung von 42%. Bei beiden Rauchgasrückführungswerten wurden NOx-Emissionen von weniger als 30 ppm bei 3% O&sub2; und in vielen Fällen von weniger als 20 ppm erzielt.
Fig. 5 ist eine Balkengrafik der NOx-Emissionen im Vergleich zum Primärzonenbrennstoffäquivalenzverhältnis für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung, der Verbrennungsluft mit 800ºC und Rauchgas mit 700ºC verwendet. Bei niedrigen Rauchgasrückführungswerten verringerte die Abstufung der Verbrennungsluft die NOx-Emissionen merklich. Ohne Luftabstufung und bei einer Rauchgasrückführung von 16% lag der NOx-Emissionspegel zum Beispiel bei ungefähr 150 ppm. Bei derselben Rauchgasrückführungsmenge von 16% und einem Brennstoffäquivalenzverhältnis in der Primärverbrennungszone von 1,5, was ungefähr 66% Primärluft entspricht, betrug der NOx-Emissionspegel 80 ppm. Als das Brennstoffäquivalenzverhältnis in der Primärverbrennungszone weiter auf 2,0 angehoben wurde, was ungefähr 50% Primärluft entspricht, sank der NOx-Emissionspegel auf unter 60 ppm. Auf der anderen Seite wurde der NOx-Emissionspegel ohne Luftabstufung (φ = ,94) von 150 ppm auf 35 ppm gesenkt, indem die Rauchgasrückführung von 16% auf 45% erhöht wurde. Somit können die Rauchgasrückführung und die Luftabstufung verwendet werden, um die NOx-Emissionen wesentlich zu verringern. Bei höheren Rauchgasrückführungsmengen trug die Luftabstufung weiterhin zur Verringerung der NOx-Emissionen bei, aber bei Rauchgasrückführungsmengen von mehr als 45% bis 50% war der Beitrag von der Luftabstufung nicht so wesentlich wie bei niedrigeren Rauchgasrückführungsmengen.
Ein Vergleich der Ergebnisse mit abgestufter Luft und nichtabgestufter Luft ist in Fig. 6 dargestellt, die den Daten aus Fig. 4 und 5 entnommen ist. Die Figur zeigt eine Kurve für die NOx-Emissionen mit nichtabgestufter Luft, φ = 1,0, bei einer Lufttemperatur von 800ºC, und eine Kurve für NOx-Emissionen mit abgestufter Luft bei φ = 1,45 und φ = 2,5 und einer Lufttemperatur von 800ºC. Wie daraus ersichtlich ist, verringerte bei einer niedrigen Rauchgasrückführungsmenge von 10% und einer vorerwärmten Lufttemperatur von 800º C die Abstufung der Verbrennungsluft mit φ = 1,45 und φ = 2,5 die NOx-Emissionen von 200 ppm auf weniger als 100 ppm. Fig. 6 zeigt auch die N0x- Emissionen bei Verwendung abgestufter und nichtabgestufter Luft bei einer Verbrennungslufttemperatur von 260ºC. Bei dieser Lufttemperatur wurde nur ein geringer Unterschied bei der NOx- Produktion aufgrund der Luftabstufung beobachtet.
Der Brenner der vorliegenden Erfindung wurde mit einem am Markt erhältlichen Brenner des Standes der Technik, einem TRANSJET-Brenner, verglichen. Der TRANSJET-Brenner wurde ausgewählt, da er den Stand der Technik jener am Markt erhältlichen Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß repräsentiert, die mit vorerwärmter Luft betrieben werden können. Beide Brenner wurden mit einer Rate von 2,51 Millionen BTU/Stunde (735 kW) befeuert. Die Testergebnisse dieses Vergleichs sind in Tabelle 1 und 2 und in Fig. 7, 8, und 9 dargestellt. TABELLE 1 FLAMMENTEMPERATUR UND EMISSIONEN
Tabelle 1 und Fig. 7 zeigen NOx-Konzentrationen pro axialem Abstand vom Brennerausgang. Die NOx-Konzentration blieb beim Brenner der vorliegenden Erfindung niedriger als beim Brenner des Standes der Technik. Die NOx-Emissionen des Brenners der vorliegenden Erfindung lagen zwischen 24 und 45 ppm, während die NOx-Emissionen des Brenners des Standes der Technik zwischen 160 bis über 200 ppm lagen.
Tabelle 1 und Fig. 8 zeigen die Temperatur im Vergleich zum axialen Abstand vom Brennerausgang. Wie daraus ersichtlich ist, blieb die Temperatur beim Brenner der vorliegenden Erfindung niedriger. Auch liegt die Temperatur beim Ausgang der Primärverbrennungszone bei ungefähr 1300ºC und steigt in der Sekundärverbrennungszone auf einen Höchstwert von nur etwa 1400ºC an. Diese Temperaturen liegen unter den Schwelltemperaturen, bei denen die Bildung von NOx wesentlich wird. Die schmale, bleistiftähnliche Form des Brenners des Standes der Technik produzierte höhere Flammentemperaturen und mehr NOx. Figur 8 zeigt auch, daß die Temperatur beim Brenner der vorliegenden Erfindung relativ einheitlich ist und hier keine heißen Flecken vorhanden sind, was ebenso zu den niedrigen NOx-Emissionen beiträgt. Desweiteren ist eine einheitliche Flammentemperatur in vielen industriellen Wärmeanwendungen, wie z.B. beim Schmieden oder Wiedererwärmen, erforderlich. TABELLE 2 WÄRMEGEWINNUNG
Tabelle 2 und Fig. 9 zeigen die Wärmegewinnung an der Ofenwand pro axialem Abstand vom Brennerausgang. Die Wärmegewinnung mit Hilfe des Brenners der vorliegenden Erfindung blieb konkurrenzfähig mit der Wärmegewinnung aus dem Brenner des Standes der Technik: 178 kW bei der vorliegenden Erfindung, 172 kW beim Brenner des Standes der Technik.
Es scheint, daß der Verbrennungsprozeß beim Brenner des Standes der Technik am Brennerausgang beginnt. Die rasche Verbrennung aufgrund der bleistiftähnlichen Geometrie der Flamme beim Brenner des Standes der Technik führt zu einer raschen Temperaturzunahme der Flamme. Die Temperaturzunahme führt zu einem Sprung im thermalen NOx-Pegel auf über 200 ppm. Im Brenner der vorliegenden Erfindung hingegen beginnt der Verbrennungsprozeß im Diffusionsabschnitt des Brenners. In der gesamten Flamme wird eine einheitlichere Temperatur beibehalten.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 11 dargestellt. In dieser Ausführungsform werden ebenso Rauchgase mit der Sekundärluft in die Sekundärverbrennungszone rückgeführt. Der Brenner 110 umfaßt ein Gehäuse 112, einen Anschluß 114 für gasförmigen Brennstoff, einen Primärlufteinlaßanschluß 116 und einen Primärrauchgasrücklaufanschluß 118. Eine Primärluftdüse 138 erstreckt sich in das Gehäuse 112. Eine Brennstoffeinlaßdüse 120 erstreckt sich vom Brennstoffanschluß 114 in das Gehäuse 112 innerhalb der Luftdüse 138. Eine Strahlpumpe 144 ist innerhalb des Gehäuses 112 ausgebildet. Die Strahlpumpe umfaßt eine Ansaugkammer 160, eine zylinderförmige Mischkammer 162 und einen stumpfkegelförmigen Diffusor 164. Die unter Druck zugeführte und durch die Düse 138 hindurchfließende Primärluft und der Brennstoff erzeugen einen Sog, der die Primärrauchgase hineinzieht. Der Diffusor 64 dient als Primärverbrennungskammer.
Ein Sekundärlufteinlaß 117 und eine Düse 139 sind ebenfalls am Gehäuse 112 vorhanden. Ein Sekundärrauchgasrücklaufanschluß 119 befindet sich neben dem Sekundärlufteinlaß 117. Der Sekundärlufteinlaß 117 und der Sekundärrauchgaseinlaß kommunizieren mit einer Mehrzahl an ringförmig beabstandeten Durchgängen 136, die rund um den Diffusor 164 beabstandet sind. Die Durchgänge 136 führen die Sekundärluft und die Rauchgase in die Sekundärverbrennungszone im Ofen ein.
Der Brenner wurde im Zusammenhang mit gasförmigen Brennstoffen beschrieben. Die axiale Einspritzung des gasförmigen Brennstoffs, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird bevorzugt, wenngleich eine radiale oder tangentiale Einspritzung ebenfalls möglich ist, falls dies gewünscht wird. Radiale oder tangentiale Einspritzöffnungen können in der Ansaugkammer oder der Mischkammer vorgesehen werden. Der Brenner kann auch für flüssige Brennstoffe ausgelegt werden, wenngleich solche Brennstoffe zuerst verdampft werden müssen. Die Brennstoffe können zum Beispiel durch Vermischen mit Rauchgasen verdampft werden, wie dies im Patent Nr. 3.990.831 gezeigt wird. Der verdampfte Brennstoff kann dann von der luftbetriebenen Strahlpumpe gemeinsam mit den Rauchgasen in den Luftstrom gesogen werden.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Im Gegensatz zu den Brennern des Standes der Technik, wo der Verbrennungsprozeß am Brennerausgang stattfindet, macht es der Brenner dieser Erfindung möglich, daß der Verbrennungsprozeß im Diffusionsabschnitt des Brenners beginnt. Dies ermöglicht eine einheitlichere Temperatur in der gesamten Flamme sowie niedrigere NOx-Emissionen.

Claims

1. Ein Verfahren zur Verbrennung von gasförmigem Brennstoff in Hochtemperaturanlagen, das folgende Schritte enthält:

Zuführung von auf mindestens 300ºC erhitzter Druckluft;

Einleitung der Luft in ein Brennergehäuse (12);

Trennung der Luft im Gehäuse in einen primären und einen sekundären Luftstrom;

Einleitung des primären Luftstroms durch eine Düse (38) in eine Saugkammer (69);

Einsatz des durch die Saugkammer (60) fließenden Luftstroms zum Einzug von Abgas in die Saugkammer, das von einem Ofen in eine Mischkammer (62) zurückkehrt, in der das Luft- und Brennstoffgemisch eine brennstoffreiche brennbare Mischung bilden;

wobei die genannte brennstoffreiche Mischung in und durch einen Diffusor (64) geführt wird, der mit dem Ofen verbunden ist, um den Druck der Mischung auf den Druck des Ofens zu erhöhen vor Einleitung der Mischung in den Ofen und Verbrennung der genannten brennstoffreichen brennbaren Mischung im Diffusor und Ofen zur Bildung einer allgemein innerhalb und direkt um den Diffusor herum liegenden brennstoffreichen Verbrennungszone; und

Einführung des sekundären Luftstromes in den Ofen, um die vom Diffusor ausgehende Flamme zu durchdringen und somit eine brennstoffarme Brennstoffzone im Ofen herzustellen.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das in einem weiteren Schritt umlaufendes Abgas tangential zur Saugkammer in die Saugkammer (60) einzieht und somit eine Wirbelbewegung erzeugt.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei mindestens 40% der Verbrennungsluft dem primären Luftstrom zugeteilt wird.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei zusätzlich der sekundäre Luftstrom in mehrere Luftströme geteilt wird, die um den Umfang der brennstoffarmen Verbrennungszone herum mit Abstand angeordnet sind.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei zusätzlich die genannten mehreren sekundären Luftströme radial nach innen in Richtung der brennstoffarmen Verbrennungszone des Ofens geführt werden.

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei zusätzlich ein weiterer Strom von umlaufendem Abgas in den sekundären Luftstrom geleitet wird.