DE69303617T2

DE69303617T2 - BRENNER ZUR NOx-ARMEN VERBRENNUNG MIT GESTUFTER LUFTZUFUHR UND ABGASRÜCKFÜHRUNG

Info

Publication number: DE69303617T2
Application number: DE69303617T
Authority: DE
Inventors: R Janos Bee; Charles Benson; Donald Moreland; Andrew Syska; Majed Togan
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: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2013-10-16
Also published as: WO1994009316A1; EP0663989B1; ATE140309T1; DE69303613T2; DE69303613D1; EP0664871B1; EP0664871A1; US5269679A; DE69303617D1; EP0663989A1; WO1994009315A1; ATE140310T1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Brenner mit Gasfeuerung für Öfen und Dampfkessel und insbesondere Brenner zur Verringerung von NOx-Emissionskonzentrationen aus der Verbrennung, die in Öfen und Dampfkesseln auftritt.

Allgemeiner Stand der Technik

Verbrennungsprozesse, die fossile Brennstoffe verbrennen, führen Emissionen in die Atmosphäre ein, die mit schädlichen Wirkungen in Verbindung gebracht wurden. Es wurden Umweltschutzbestimmungen erlassen, um die Konzentrationen dieser Emissionen in den Abgasen von Verbrennungsprozessen zu begrenzen. Solche Emissionen beinhalten Stickstoffoxide oder NOx, in erster Linie NO und NO&sub2;. Vorzugsweise sollten NOx-Emissionskonzentrationen deutlich unter 100 Teilen auf eine Million (ppm) liegen.
NOx-Emissionen stammen von in der Verbrennungsluft vorhandenem Stickstoff und von an den Brennstoff gebundenem Stickstoff in Kohle oder Brennöl, wenn solche Brennstoffe verbrannt werden. Die Umwandlung von an den Brennstoff gebundenem Stickstoff zu NOx hängt von der Menge und Reaktivität der Stickstoffverbindungen im Brennstoff und der Sauerstoffmenge in der Verbrennungszone ab. Eine Umwandlung von an Brennstoff gebundenem Stickstoff findet in Prozessen nicht statt, die Brennstoffe wie Erdgas verwenden, die keine festen Stickstoffverbindungen enthalten.
Die Umwandlung von in der Verbrennungsluft vorhandenem, atmosphärischem Stickstoffs, N&sub2;, zu NOx (thermisches NOx) ist temperaturabhängig. Im allgemeinen ist der resultierende NOx- Gehalt in den Emissionen um so höher, je höher die Flammentemperatur in der Verbrennungszone ist. Die NOx-Umwandlung erhöht sich drastisch bei Temperaturen, die höher als 1800 K sind, wenn O&sub2; vorhanden ist.
Viele industrielle Prozesse, wie Schmieden, Wiedererwärmen und Schmelzen von Glas oder Aluminium werden in Hochtemperaturöfen mit Gasfeuerung durchgeführt. Bei solchen Hochtemperatur prozessen wird die im Verbrennungsprozeß verwendete Luft oft vorgeheizt. Das Vorheizen der Luft verringert die Menge an benotigtem Brennstoff, was den thermischen Wirkungsgrad erhöht, erhöht jedoch die Temperatur der Flamme, was den NOx-Gehalt erhöht. Folglich wird ein Hochtemperaturbrenner benötigt, der fähig ist, NOx-Emissionen zu verringern, ohne thermischen Wirkungsgrad zu opfern.
Ein Weg zur Verringerung des NOx-Gehalts, der bei Prozessen wirksam war, die Stickstoff tragende Brennstoffe verwenden, ist die Herstellung einer brennstoffreichen Verbrennungszone, gefolgt von einer brennstoffarmen Verbrennungszone. Dies kann durch Stufen der Einführung von Luft in die Verbrennungskammer erreicht werden. Die brennstoffreiche Zone enthält weniger als die theoretische oder stöchiometrische Menge an Sauerstoff. Somit ist weniger Sauerstoff verfügbar, um den Stickstoff zu NOx umzuwandeln.
Das Rezirkulieren von Abgas in die Flamme ist eine weitere Technik, um NOx-Emissionen zu begrenzen. Das rezirkulierte Abgas verringert die Sauerstoffkonzentration in den Reaktanten und verringert die Flammentemperatur, indem es die Verbren nungsprodukte abkühlt, wodurch der NOx-Gehalt verringert wird. Außerdem kann in dem rezirkulierten Abgas vorhandenes NOx durch erneutes Verbrennen weiter zerstört werden. Die Abgase können auch für andere Zwecke verwendet werden, wie zum Vorheizen der Verbrennungsluft oder Verdampfen flüssiger Brennstoffe.
Brenner, die für Hochtemperaturprozesse besonders geeignet sind, sind in den US-Patenten Nr.4 445 842 und 3 990 831 offenbart. Diese Brenner schließen eine mit Luft betriebene Strahlpumpe zum Einführen von Abgas in den Luftstrom und zur Verbesserung des Vermischens des Brennstoffs, der Luft und des Abgases ein. Diese Brenner rezirkulieren auch Abgase in das Brennstoff/Luft-- Gemisch, was NOx-Emissionen verringert.

Offenbarung der Brfindung

Weil die Gesamtluftzufuhr zum Brenner im allgemeinen begrenzt ist, verringert ein Aufteilen des Luftstroms in Primär- und Sekundärluftströme die Primärluft, die verfügbar ist, um die Strahipum pe in Brennern zu betreiben, bei denen Strahlpumpen verwendet werden. Ein Aufteilen des Luftstroms begrenzt auch die Strahlpumpenkapazität zum Rezirkulieren großer Werte an Abgas durch den Brenner. In der vorliegenden Erfindung wurde ein Brenner mit geringem NOx mit Erdgasfeuerung für Hochtemperaturanwendungen, der eine mit Luft betriebene Strahlpumpe einschließt, für die gestufte Einführung von Verbrennungsluft gestaltet und optimiert. Der Brenner umfaßt eine mit Luft beriebene Strahlpumpe zum Mischen von Luft, Brennstoff und rezirkuliertem Abgas und zum Drücken des Gemischs in die Verbrennungskammer. Der Brenner umfaßt eine Lufteinlaßöffnung, die sich mit einem Primärluftdurchgang bzw. Primärluftkanal (nachfolgend Primärluftkanal genannt) verbindet, um Verbrennungsluft der Strahlpumpe zuzuführen und um eine brennstoffreiche Verbrennungszone bereitzustellen. Der Brenner umfaßt ferner einen Sekundärluftdurchgang bzw. Sekundärluftkanal (nachfolgend Sekundärluftkanal genannt), um eine brennstoffarme Verbrennungszone stromabwärts bzw. hinter der brennstoffreichen Zone bereitzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Brenners der Fig. 1 ist, Fig. 3 eine Endansicht des Brenners der Fig. 1 und 2 ist,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der NOx-Emissionen gegenüber dem Brennstoffäquivalenzverhältnis der Primärzone für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Verbrennungsluft bei 260ºC und Abgas bei 700ºC ist,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der NOx-Emissionen gegenüber dem Brennstoffäquivalenzverhältnis der Primärzone für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Verbrennungsluft bei 800ºC und Abgas bei 700ºC ist,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der NOx-Emissionen gegenüber der Gesamtabgasrezirkulation für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 7 ein graphischer Vergleich eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung und eines handelsüblichen Brenners aus dem Stand der Technik ist, der die NOx-Konzentration längs der Achse des Brenners zeigt,
Fig. 8 ein graphischer Vergleich eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung und eines handelsüblichen Brenners aus dem Stand der Technik ist, der die Temperatur längs der Achse des Brenners zeigt,
Fig. 9 ein graphischer Vergleich eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung und eines handelsüblichen Brenners aus dem Stand der Technik ist, der den Wärmeentzug längs der Achse des Brenners zeigt,
Fig. 10 eine bruchstückhafte Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Duseneinsatzes gemäß der vor liegenden Erfindung zeigt, und
Fig. 11 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Beste Art und Weise, die Erfindung auszuführen

Ein Brenner gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 und 2 allgemein mit 10 gezeigt.
Der Brenner 10 umfaßt ein Gehäuse 12, eine Verbindung 14 für gasförmigen Brennstoff, eine Lufteinlaßverbindung 16 und eine Verbindung 18 für rezirkulierendes Brennstoffgas. Eine Brennstoffeinlaßdüse 20 erstreckt sich von der Brennstoffverbindung 14 durch eine Öffnung in der Gehäuseseitenwand 22 in das Gehäuse 12. Ein Anschlußstück 24 ist bereitgestellt, um die Öffnung abzudichten. An der Brennstoffverbindung 14 ist eine Schauöffnung 26 bereitgestellt. Der Lufteinlaß 16 steht mit einer ringförmigen Luftkammer 30 in Verbindung. Die Luftkammer steht durch ringförmig im Abstand voneinander angeordnete Öffnungen 34 mit dem Primärluftkanal 32 und der Luftdüse 38 in Verbindung. Die Luftkammer 30 steht auch mit einer Vielzahl ringförmig im Abstand voneinander angeordneten Sekundärluftkanälen 36 in Verbindung.
Das Gehäuse 12 umfaßt drei Abschnitte: Endabschnitt 40, Mittelabschnitt 42 und Strahlpumpenkörper 44. Der Strahlpumpenkörper 44 umfaßt einen Saugkammerabschnitt 61, einen Mischkammerabschnitt 63 und einen Brennerblock oder -stein 65. Im Saugkammerabschnitt 61 ist eine kegelstumpfförmige Saugkammer 60 bereitgestellt. Im Mischkammerabschnitt 63 ist eine zylindrische Mischkammer 62 bereitgestellt. Im Brennerstein 65 ist ein kegelstumpfförmiger Diffuser 64 bereitgestellt. Der Diffuser 64 dient auch als Verbrennungskammer, die unten vollständiger zu beschreiben ist.
Die End- und Mittelabschnitte 40, 42 sind durch verbolzte ringförmige Flansche 46, 48 miteinander verbunden. Der Mittelabschnitt 42 und der Strahlpumpenkörper 44 sind durch verbolzte Flansche 50, 52 miteinander verbunden. Am Strahlpumpenkörper 44 ist ein ringförmiger Flansch 54 zur Verbindung mit einer Ofenwand 56 versehen, in Fig. 1 gezeigt. Der Strahlpumpenkörper 44 ist sowohl mit dem Bndabschnitt 40 als auch dem Mittelabschnitt 42 durch den ringförmigen Flansch 68 zwischen den Flanschen 46 und 48 verbunden. Die Primärluftöffnungen 34 sind in dem ringförmigen Flansch 68 bereitgestellt. Die Bnd- und Mittelabschnitte und der Strahipumpenkörper können auch auf irgendeine andere geeignete Weise miteinander verbunden sein. Genauso kann das Brennergehäuse auf irgendeine andere geeignete Weise mit dem Ofen verbunden sein.
Der Endabschnitt 40 und der Mittelabschnitt 42 sind vorzugsweise aus Kohlenstoffstahl 72 hergestellt und mit isolierendem, gußfähigen Material 74 ausgekleidet. Der Strahipumpenkörper 44 ist vorzugsweise aus einem hochtemperaturbest ndigen, dichten, feuerfesten Material 76 und einem äußeren Gehäuse 78 aus Stahl oder Gußeisen hergestellt. Eine Zündflammenöffnung 80 und eine Abtasteröffnung 82 (in Fig. 3 gezeigt) sind in dem feuerfesten Material 76 ausgebildet, das den Diffuser 64 umgibt.
Während des Betriebs wird Luft unter Druck durch den Lufteinlaß 16 in die ringförmige Kammer 30 getrieben. Für Hochtemperaturanwendungen wurde die Luft im allgemeinen vorgeheizt, um die Prozeßleistung des Ofens zu verbessern. Der Luftstrom teilt sich in der ringförmigen Kammer 30 in zwei Ströme auf, einen Primärluftstrom und einen Sekundärluftstrom. Der Primärluftstrom tritt durch die Öffnungen 34 in den Primärluftkanal 32 ein. Der Kanal 32 steht über die Düse 38 mit der Saugkammer 60 in Verbindung. Luft, die durch die Düse 38 strömt, erfährt einen Druckabfall. Erdgasbrennstoff, der durch die Düse 20 eintritt, die mit der Luftdüse 38 konzentrisch ist, erfährt ebenfalls einen Druckabfall. Beim Strömen durch die Düse 38 und die Saugkammer 60, bewirken die Luft und der Erdgasbrennstoff mit niedrigerem Druck, daß Abgas, das durch den Einlaß 18 eintritt, in die Saugkammer gezogen wird. Vorzugsweise ist der Abgaseinlaß 18 tangential mit dem Mittelabschnitt 42 des Gehäuses verbunden, um dem Abgasstrom eine Spiralbewegung zu verleihen, wenn er in den Primärluft/Brennstoff-Strom eintritt, was die Aufrechterhaltung der Flammenstabilität unterstützt.
Der Primärluft- und Brdgasstrom strömt durch die Saugkammer 60 in die Mischkammer 62. Die Primärluft, der Brennstoff und das Abgas mischen sich in der Mischkammer 62. Das Gemisch gewinnt in der Mischkammer im allgemeinen wieder etwas Druck und verläßt die Mischkammer 62 mit etwas erhöhtem Druck. Die gemischte Primärluft, Brennstoff und Abgas treten dann in den Diffuser 64 ein, der aufgrund der kegelstumpfförmigen Gestalt eine sich vergrößernde Querschnittsfläche aufweist, um die Geschwindigkeit zu verringern und den Druck bis zum Druck im Ofen zu erhöhen. Wenn jedoch der eingeschlossene Winkel des Diffusers zu groß wird, zerlegt sich der Strom eher zu Wirbeln als daß er sich ausdehnt. Bin eingeschlossener Winkel von ungefähr 180 stellte sich als geeignet heraus.
Eine durch das Rohr 80 bereitgestellte Zündfiamme zündet das Luft- und Brennstoffgemisch im Diffuser 64. Die Verbrennung kann durch das Abtasterrohr 82 beobachtet werden. Der Sekundärluftstrom tritt von der Luftkammer 30 in die Vielzahl von ringförmig im Abstand voneinander angeordneten Kanälen 36 ein und geht durch den Ofen hindurch, wo er in die Peripherie der Flammenhülle eintritt, die sich vom Diffuser in den Ofen erstreckt. Somit besteht aufgrund der Aufteilung der Verbrennungsluft in der Flamme eine brennstoffreiche Primärverbrennungszone in und direkt außerhalb des Diffusers, die weniger als die theoretische Luftmenge erhält, und besteht eine brennstoffarme Sekundärverbrennungszone in der Flamme, die sich in den Ofen erstreckt. Die Flamme in und direkt außerhalb des Diffusionsabschnitts 64 kann auch als Primärflamme, die Flamme im Ofen als Sekundärflamme beschrieben werden.
In den brennstoffreichen Kohlenwasserstoffflammen ist die NO- Quelle die Bindung von N2 durch Kohlenwasserstofffragmente in Reaktionen wie:
CH + N&sub2; T HCN + N
CH&sub2;+N&sub2; THCN+NH
N aus der ersten Reaktion kann dann an der folgenden schnellen Reaktion teilnehmen:
N + OH T NO + H
Die Produkte HCN und NH werden teilweise in der brennstoffreichen Flamme zu molekularem N&sub2; umgewandelt, vorausgesetzt, daß die Temperatur wenigstens 1400 K beträgt und die Aufenthaltszeit ausreichend ist, damit diese Reaktionen zum Abschluß kommen. Das durch die Reaktion des N&sub2; mit Kohlenwasserstoffradikalen gebildete oder mit den Abgasen eingeführte NO kann auch über einen "Wiederverbrennungs"-Weg in der brennstoffreichen Flamme zu N&sub2; zurück umgewandelt werden. Dieser Prozeß wird durch Reaktionen in Gang gebracht, die HCN erzeugen, z.B.
CH + NO T HCN + O
Das HCN reagiert weiter, um N&sub2; mit einer Rate zu bilden, die vom Brennstoffäquivalenzverhältnis und der Temperatur der brennstoffreichen Flammenzone abhängt.
Unter mageren Bedingungen wird NO in erster Linie durch den Zeldovich-Mechanismus gebildet. Somit steuert eine Verringerung der Flammentemperatur in der mageren Stufe die NO-Bildungsrate wirksam. Die Flammentemperatur wird durch die rezirkulierten Abgase verringert, die inerte Substanzen in die Verbrennungszone einführen, die einen Anteil der Energie absorbieren, während Verbrennungsprodukte von ihrer Anfangstemperatur erwärmt werden. Die Abgase führen hauptsächlich N&sub2;, H&sub2;O und CO&sub2; in die Verbrennungszone ein. Alle diese Spezies absorbieren Energie, während sie wieder auf Flammentemperatur erhitzt werden. Der Prozeß kann sogar effektiver sein, wenn einige der CO&sub2;- und H&sub2;O-Moleküle dissozueren, während sie auf hohe Temperaturen erhitzt werden.
Für die meisten Anwendungen mit Abgasrezirkulation ist die Menge an Verbrennungsprodukten, die rezirkuliert werden können, durch die Notwendigkeit begrenzt, die Flammenstabilität zu erhalten. Der Strahlpumpenaufbau des Brenners der vorliegenden Erfindung führt jedoch den Brennstoff und die Primärluft in die brennstoffreiche Zone auf eine Weise ein, die die Menge an rezirkulierbarem Abgas vergrößert, die eingeführt werden kann, bevor eine Flammeninstabilität auftritt. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Abgasrezirkulation mehr durch die Kapazität der Strahlpumpe als durch die Flammenstabilität begrenzt.
In der brennstoffarmen Zone ist die Bildung von thermischem NO auch durch die Einführung der Sekundärluftstrahlen aus den Sekundärluftkanälen 36 verringert. Die verbrennb aren Produkte der brennstoffreichen Flamme werden im Ofen durch die Sekundärluftstrahlen aufgefangen, die verbrannte und abgekühlte Verbrennungsprodukte mitreißen, bevor sie sich mit den Produkten der brennstoffreichen Flamme mischen und als Sekundärflamme verbrennen. Bei dieser Verbrennungsart sind die Temperaturspitze der Flamme und die O&sub2;-Konzentration verringert, was zu einer verringerten Bildung von thermischem NOx führt.
Die tatsächliche Brennergeometrie und die Prozeßparameter für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung hängen von der speziellen Anwendung ab. Die vorbestimmten Zufuhr- oder Gestaltungsparameter umfassen den Prozentsatz an überschussiger Verbrennungsluft, den Primärluftanteil und den Prozentsatz an rezirkuliertem Abgas. Die Bedingungen im Ofen bestimmen die Diffuserausgangsgeschwindigkeit und den -druck. Diese beiden Parameter beeinflussen den Druckabfall durch die Primärluftdüse. Weitere durch die Anwendung bestimmte Parameter sind die Verbrennungslufttemperatur, die Abgastemperatur und der Brennstoffgasstrom und die -temperatur.
Wichtige Parameter des Prozesses und der Brennergeometrie, die durch die Zufuhrparameter bestimmt sind, umfassen die Druckabfälle durch die und die Durchmesser der Primär- und Sekundärluftdüsen und Brennstoffdüse und den Durchmesser der Mischkammer. Die Druckabfälle durch die Primärluftdüse und die Gasbrennstoffdüse beeinflussen die Fähigkeit der Strahlpumpe den Brennstoff und das Abgas einzuziehen. Je größer der Druckabfall durch die Luftdüse 38 um so größer der zum Einziehen des Brennstoffs und Abgases erzeugte Sog. Eine Verringerung des Druckabfalls durch die Luftdüse verringert den Sog, was die Fähigkeit verringert, den Brennstoff und das Abgas einzuziehen. Bei höheren Rezirkulationsraten des Brennstoffgases ist ein größerer Druckabfall erforderlich. Die Luftzufuhr ist jedoch im allgemeinen fest. Wenn die Verbrennungsluft in Primär- und Sekundärluftströme gestuft ist, ist die Primärluftmenge verringert, was den Druckabfall und die Abgasmenge verringert, die eingezogen werden kann. Somit ist der Wirkungsgrad der Strahlpumpe verringert. Im allgemeinen ist es schwierig, die Strahlpumpe zu betreiben, wenn die Primärluft weniger als etwa 40% der gesamten Verbrennungsluft beträgt. Deshalb müssen der Durchmesser der Primärluftdüse und die Mischkammer sorgfältig bemessen sein, um den Wirkungsgrad der Strahlpumpe auf der Basis des vorbestimmten Primärluftanteils, des Prozentsatzes an Abgasrezirkulation und der Ofenbedingungen zu optimieren. Der Durchmesser der Primärluftdüse ist im allgemeinen so bemessen, daß abhängig vom Primärluftstrom und der gewünschten Menge an Abgasrezirkulation ein Druckabfall von 6 bis 40 inch Wassersäule bereitgestellt wird. Typischerweise reicht der Druckabfall von 4 bis 24 inch Wassersäule; bei manchen Anwendungen liegt der Druck im Ofen über atmosphärischem Druck, und der Druckabfall durch die Primärluftdüse muß folglich größer sein.
Die einzelnen Durchmesser und der radiale Abstand der Sekundärluftkanäle 36 sind ebenfalls wichtige Parameter. Typischweise sind die Kanalausgänge so bemessen, daß eine Ausgangsgeschwindigkeit der Sekundärluft zwischen 50 und 300 feet per second absolut (actual feet per second) und vorzugsweise zwischen 150 und 200 feet per second absolut erzeugt wird. Je näher der radiale Abstand der Sekundärluftkanäle beim Ausgangsdurchmesser des Diffusers 64 liegt, um so effektiver wird das Eindringen der Sekundärluftströme in die Sekundärflamme und um so geringer die NOx-Emissionen. Während, falls gewünscht, ebenso ein einziger Sekundärluftkanal vorgesehen sein könnte, ist eine Vielzahl solcher Kanäle bevorzugt, die in Umfangsrichtung um den Diffusser im Abstand voneinander angeordnet sind. Typischerweise reicht die radiale Versetzung der Sekundärluftkanäle von 1,2 bis 1,5 des Ausgangsradius des Diffusers.
Außerdem ist der Winkel der Ausgänge der Kanäle 36 zur Längsachse des Brenners wichtig. Je näher an 90º zur Brennerachse, um so effektiver die Sekundärluft Es ist jedoch unpraktisch, die Ausgänge mit einem großen Winkel zur Brennerachse herzustel len. Somit zieht eine weitere in Fig. 10 gezeigte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Düseneinsätze in Betracht, die einen Winkel zwischen 0º und 90º verleihen. Die Einsätze umfassen einen ersten Abschnitt 92, der in die Enden 94 der Kanäle 36 paßt, der erweitert sein kann, um die Einsätze besser aufzunehmen. Die Einsätze umfassen ferner einen zweiten Abschnitt 96, der sich in den Ofen erstreckt, vorzugsweise zur Brennerachse hin gewinkelt. Im Einsatz ist ein winkeliger Kanal 98 so bereitgestellt, daß er mit dem Kanal 36 und dem Ofen in Verbindung steht. Die Kanäle 98 sind auf diese Weise ebenfalls zur Brennerachse hin gewinkelt. Auf diese Weise wird der durch den Kanal 36 hindurchgehende Sekundärluftstrom in einem Winkel zur Flammhülle hin gerichtet.
Bin Versuchsbrenner mit 2,5 Millionen BTU/h gemäß der vorliegenden Erfindung wurde aufgebaut und betrieben. Es wurden zweiundfünfzig Betriebsbedingungen untersucht. Parameter, die variiert wurden, umfaßten die Temperaturen der Verbrennungsluft und des rezirkulierten Abgases, den Prozentsatz an Primär- und Sekundärluft und den Prozentsatz an Abgasrezirkulation in die Primär- und Sekundärluftströme. Eindringende Fühler wurden verwendet, um Flammencharakteristiken zu messen.
Bei einer Verbrennungsluft mit 800ºC wurden bei Abgasrezirkulationsraten zwischen 10 und 40% NOx-Bmissionen unter 100 ppm erreicht, und bei Abgasrezirkulationsraten über 40% wurden NOx-Bmissionen unter 40 ppm erreicht. Die Testergebnisse sind in Fig. 4, 5 und 6 gezeigt.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung von NOx-Bmissionen gegenüber dem Brennstoffäquivalenzverhältnis der Primärzone, Φ, für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung, der Verbrennungsluft mit 260ºC und Abgas mit 700ºC verwendet. Das Bennstoffäquivalenzverhältnis, Φ, ist das Verhältnis von stöchiometrischem O&sub2; zu zugeführtem O&sub2;. Der ungefähre Prozentsatz an zugeführter Primärluft unter der Annahme, daß sich kein Sauerstoff im rezirkulierten Abgas befindet, ist ebenfalls in Fig. 4, mit der Φ-Achse überlagert, angegeben, um die Relation dazwischen anzugeben. Somit wurde bei Φ = 1,0 100% der Verbrennungsluft durch die Strahlpumpe geführt und keine in den Ofen. Das bedeutet, daß die gesamte Verbrennungslauft die Primärluft bildete. Bei 1,51 war 66% der Verbrennungsluft Primärluft, und 34% der Verbrennungsluft war Sekundärluft
In Fig. 4 sind zwei Kurven gezeigt, eine für Versuche, die mit 36% rezirkuliertem Abgas ausgeführt wurden, und eine mit 42%iger Abgasrezirkulation. Bei beiden Abgasrezirkulationsraten wurden NOx-Bmissionen von weniger als 30 ppm bei 3% O&sub2; und in vielen Fällen weniger als 20 ppm erreicht.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung von NOx-Bmissionen gegenüber dem Brennstoffäquivalenzverhältnis der Primärzone für einen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung, der auf 800ºC vorgeheizte Verbrennungsluft und rezirkuliertes Abgas mit 700ºC verwendet. Bei geringen Abgasrezirkulationsraten verringerte eine Stufung der Verbrennungsluft die NOx-Bmissionen deutlich. Zum Beispiel betrug ohne Stufung der Luft und bei 16% Abgasrezirkulation die Konzentration der NOx-Emissionen ungefähr 150 ppm. Bei der gleichen Abgasrezirkulationsrate von 16% und einem Brennstoffäquivalenzverhältnis in der Primärverbrennungszone von 1,5, was ungefähr 66% Primärluft entspricht, betrug die Konzentration der NOx-Emissionen jedoch 80 ppm. Bei einer weiteren Erhöhung es Brennstoffäquivalenzverhältnisses in der Primärverbrennungszone auf 2,0, was ungefähr 50% Primärluft entspricht, betrug die Konzentration der NOx-Emissionen weniger als 60 ppm. Andererseits wurde ohne Stufung der Luft (Φ = 0,94) die Konzentration der NOx-Bmissionen von 150 ppm auf 35 ppm verringert, indem die Abgasrezirkulation von 16% auf 45% erhöht wurde. Somit kann eine Abgasrezirkulation und eine Stufung der Luft angewendet werden, um NOx-Bmissionen deutlich zu verringern. Bei höheren Abgasrezirkulationsraten trug die Stufung der Luft weiterhin zu einer Verringerung der NOx-Emissionen bei, aber bei Abgasrezirkulationsraten über 45 bis 50% war der Beitrag der Stufung der Luft nicht so deutlich wie bei den geringeren Abgasrezirkulationsraten.
Bin Vergleich der Ergebnisse gestufter Luft gegenüber ungestufter Luft ist in Fig. 6 gezeigt, die aus den in Fig 4 und 5 gezeigten Daten entnommen ist. Diese Figur stellt eine Kurve für NOx-Emissionen bei nicht gestufter Luft, Φ = 1,0, und einer Luf temperatur von 800ºC und eine Kurve für NOx-Bmissionen bei gestufter Luft mit sowohl Φ = 1,45 als auch Φ = 2,5 bei einer Luftemperatur von 800ºC dar. Wie gezeigt ist, verringerte bei einer geringen Abgasrezirkulationsrate von 10% und einer Temperatur der vorgeheizten Luft von 800ºC die Stufung der Verbren nungsluft mit Φ = 1,45 und Φ = 2,5 die NOx-Emissionen von 200 ppm auf weniger als 100 ppm. Fig. 6 zeigt auch die NOx- Emissionen unter Einsatz gestufter und nicht gestufter Luft bei einer Temperatur der Verbrennungsluft von 260ºC. Bei dieser Lufttemperatur wurde ein geringer Unterschied in der NOx-Erzeugung aufgrund der Stufung der Luft beobachtet.
Der Brenner der vorliegenden Erfindung wurde mit einem im Handel erhältlichen Brenner aus dem Stand der Technik, einem TRANSJET-Brenner, verglichen. Der TRANSJET-Brenner wurde ausgewählt, da er einen im Handel erhältlichen Brenner aus dem Stand der Technik mit niedrigem NOx reprasentlert, der fähig ist, mit vorgeheizter Verbrennungsluft zu arbeiten. Beide Brenner wurden mit einer Rate von 2,51 Millionen BTU/h (735 kW) befeuert. Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in Tabellen 1 und 2 und in Fig. 7, 8 und 9 gezeigt. Tabelle 1
Tabelle 1 und Fig. 7 zeigen die NOx-Konzentration für den axialen Abstand vom Brennerausgang. Die NOx-Konzentration blieb für den Brenner der vorliegenden Erfindung geringer als die des Brenners aus dem Stand der Technik. Die NOx-Bmissionen vom Brenner der vorliegenden Erfindung reichten von 24 bis 45 ppm, während die NOx-Emissionen für den Brenner aus dem Stand der Technik von 160 bis über 200 ppm reichten.
Tabelle 1 und Fig. 8 zeigen die Temperatur gegenüber dem axialen Abstand vom Brennerausgang. Wie zu sehen ist, bliebt die Temperatur für den Brenner der vorliegenden Erfindung geringer. Auch beträgt die Tempetatur am Ausgang der Primärverbrennungszone etwa 1300ºC, wobei sie bis zu einer Spitze von nur etwa 1400ºC in der Sekundärverbrennungszone ansteigt. Diese Temperaturen liegen unter den Schwellentemperaturen, bei denen eine NOx-Bildung deutlich wird. Die schmale, stiftartige Gestalt des Brenners aus dem Stand der Technik erzeugte höhere Flammentemperaturen und NOx. Fig. 8 zeigt auch, daß die Temperatur für den Brenner der vorliegenden Erfindung bei einem Nochtvorhandensein von heißen Stellen relativ einheitlich ist, was ebenfalls zu geringen NOx-Bmissionen beiträgt. Außerdem ist eine einheitliche Flammentemperatur bei vielen industriellen Heizanwendungen, wie dem Schmieden und der Wiedererwärmung, wichtig. Tabelle 2
Tabelle 2 und Fig. 9 zeigen den Wärmeentzug zur Ofenwand für den axialen Abstand vom Brennerausgang. Der Wärmeentzug bei Verwendung des Brenners der vorliegenden Erfindung blieb konkurrenzfähig gegenüber dem Wärmeentzug bei Verwendung des Brenners aus dem Stand der Technik: 178 kW für die vorliegende Erfindung, 172 kW für den Brenner aus dem Stand der Technik.
Es scheint, daß beim Brenner aus dem Stand der Technik der Verbrennungsprozeß am Brennerausgang beginnt. Daraus folgt ein schnelles Verbrennen, das bei der stiftartigen Geometrie der Flamme des Brenners aus dem Stand der Technik zu einer schnellen Temperaturerhöhung der Flamme führt. Die Temperaturerhöhung führt zu einem plötzlichen Anstieg der Konzentration des thermischen NOx auf über 200 ppm. Im Gegensatz dazu beginnt beim Brenner der vorliegenden Erfindung der Verbrennungsprozeß im Diffusionsabschnitt des Brenners. Es wird eine gleichmäßigere Temperatur über die ganze Flamme aufrechterhalten.
In Fig. 11 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird Abgas auch in die Sekundärverbrennungszone mit der Sekundärluft rezirkuliert. Der Brenner 110 umfaßt ein Gehäuse 112, ein Verbindung 114 für gasförmigen Brennstoff, eine Primärlufteinlaßverbindung 116, und eine Verbindung 118 für primäres rezirkulierendes Abgas. Eine Primärluftdüse 138 erstreckt sich in das Gehäuse 112. Eine Brennstoffeinlaßdüse 120 erstreckt sich von der Brennstoffverbindung 114 in das Gehäuse innerhalb der Luftdüse 138. Eine Strahlpumpe 144 ist in dem Gehäuse 112 ausgebildet. Die Strahlpumpe umfaßt eine Saugkammer 160, eine zylindrische Mischkammer 162 und einen kegelstumpfförmigen Diffuser 164. Die Primärluft und der Brennstoff, die unter Druck zugeführt werden und durch die Düse 138 hindurchgehen, erzeugen einen Sog, der das Primärabgas einzieht. Der Diffuser 64 dient als Primärverbrennungskammer.
Am Gehäuse 112 sind auch ein Sekundärlufteinlaß 117 und eine Düse 139 bereitgestellt. Eine Verbindung 119 für sekundäres rezirkulierendes Abgas ist dem Sekundärlufteinlaß 117 benachbart bereitgestellt. Der Sekundärlufteinlaß 117 und der Sekundärabgas einlaß stehen mit einer Vielzahl von ringförmig im Abstand angeordneten Kanälen 136 in Verbindung, die um den Diffuser 164 im Abstand angeordnet sind. Die Kanäle 136 führen die Sekundärluft und das Abgas in die Sekunderverbrennungszone im Ofen ein.
Der Brenner wurde in Verbindung mit gasformigen Brennstoffen beschrieben. Eine axiale Binspritzung des gasförmigen Brennstoffs, wie in Fig. 1 gezeigt, ist bevorzugt, obwohl, falls erwünscht, eine radiale oder tangentiale Binspritzung bereitgestellt werden kann. Radiale oder tangentiale Binspritzöffnungen können in der Saugkammer oder der Mischkammer bereitgestellt werden. Der Brenner kann auch für flüssige Brennstoffe ausgelegt werden obwohl solche Brennstoffe erst verdampft werden müssen. Die Brennstoffe können zum Beispiel durch Mischen mit dem Abgas verdampft werden, wie in Patent Nr. 3 990 831 gezeigt. Der verdampfte Brennstoff kann dann von der mit Luft betriebenen Strahlpumpe zusammen mit dem Abgas in den Luftstrom gezogen werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Anders als Brenner aus dem Stand der Technik, bei denen der Verbrennungsprozeß am Brennerausgang auftritt, gestattet der Brenner dieser Erfindung, daß der Verbrennungsprozeß im Diffusionsabschnitt des Brenners beginnt. Dies liefert eine einheitlichere Temperatur über die ganze Flamme und eine geringere NOX Erzeugung.

Claims

1.Ein Gasbrenner (10),umfassend:

ein Gehäuse (12), das zur Anbringung an einer Öffnung eines Ofens konzipiert wurde,

eine Strahlpumpe (44) im genannten Gehäuse (12), umfassend

einen Körper, der eine Saugkammer (60) bildet;

einen Körper, der eine Mischkammer (62) hinter der genannten Saugkammer (60) bildet;

einen Körper, der einen Diffusor (64) hinter der genannten Mischkammer (62) bildet, wobei der genannte Diffusor (64) einen Ausgang zur Kommunikation mit dem Ofen (56) aufweist und der genannte Diffusor außerdem eine Brennkammer für eine Primärzonen-Teilverbrennung aufweist;

eine Lufteinlaßöffnung am genannten Gehäuse (12) zur Belieferung des genannten Gehäuses (12) mit Druckluft;

einen Körper, der einen Primärluftkanal (32) im genannten Gehäuse bildet, der die genannte Lufteinlaßöffnung und die genannte Saugkammer verbindet, wobei der genannte Primärluftkanal (32) in einer Strahlpumpenluftdüse endet, die Luft in die genannte Saugkammer (60) forciert;

mehrere Sekundärluftkanäle (36) im genannten Gehäuse (12), die an der genannten Lufteinlaßöffnung angeschlossen sind, wobei jeder Sekundärluftkanal (36) einen Ausgang zur Verbindung mit dem Ofen (56) aufweist, wobei die genannten Ausgänge um den Umfang des Diffusorausganges herum angeordnet sind;

einen Körper, der eine Brennstoffeinlaßöffnung am genannten Gehäuse bildet und in eine Brennstoffdüse ausläuft, die Brennstoff in die genannte Strahlpumpe führt; und

eine Einlaßöffnung für zirkulierendes Abgas am genannten Gehäuse zur Führung der Abgase des genannten Ofens in die genannte Saugkammer,

wobei Druckluft durch den genannten Primärluftkanal und die genannte Luftdüse fließt und das unter Druck stehende Brennstoffgas durch die genannte Brennstoffdüse fließt, um eine Saugwirkung zum Anzug des zirkulierenden Abgases durch die genannte Saugkammer und in die genannte Mischkammer zur Mischung mit der Luft und Brennstoff zu bewirken, um eine brennstoffreiche Verbrennungszone im genannten Diffusor herzustellen, wobei Luft unter Druck durch den genannten Sekundärluftkanal geführt wird und sich bei hoher Geschwindigkeit mit der vom genannten Diffusor ausgehenden Primärflamme mischt, um eine brennstoffarme Verbrennungszone im Ofen herzustellen und somit den NOx-Gehalt zu verringern.

2. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannte Brennstoffdüse koaxial in der genannten Strahlpumpen-Luftdüse (38) angebracht ist.

3. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannte Brennstoffdüse (20) radial an der genannten Saugkammer (60) oder der genannten Mischkammer (62) angebracht ist.

4. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannte Brennstoffdüse (20) tangential an der genannten Saugkammer (60) oder der genannten Mischkammer (62) angebracht ist.

5. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem der genannte Körper, der einen Primärluftkanal (32) bildet, eine ringförmige Kammer enthält.

6. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die Ausgänge der genannten Sekundärluftkanäle (12) und der Ausgang des genannten Diffusors (64) bündig mit der Außenwand des genannten Gehäuses (22) abschließen, wobei die genannte Außenwand neben einer Innenwand des Ofens angeordnet ist.

7. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die Ausgänge der genannten Sekundärluftkanäle radial nach innen angewinkelt sind, um einen sekundären Luftstrom in die Verbrennungszone des Ofens zu führen.

8. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 7, in dem die Ausgänge der Sekundärluftkanäle radial nach innen in einem Winkel von 0º und 60º in bezug auf die Längsachse des Brenners angeordnet sind.

9. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannten Ausgänge der Sekundärluftkanäle (36) aus proportioniert sind, daß eine Ist-Ausgangsgeschwindigkeit der sekundären Luft von zwischen 50 und 300 Fuß/Sekunde entsteht.

10. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannten Ausgänge der Sekundärluftkanäle (36) so proportioniert sind, daß eine Ist-Ausgangsgeschwindigkeit der sekundären Luft von zwischen 150 und 200 Fuß/Sekunde entsteht.

11. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, der weiterhin Düseneinsätze in jedem Ausgang eines Sekundärluftkanales (36) enthält, um die genannten Ausgänge radial nach innen anzuwinkeln, um einen Sekundärluftstrom in die Verbrennungszone des Ofens zu führen.

12. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannten Düseneinsätze so proportioniert sind, daß eine Ist-Ausgangsgeschwindigkeit der Sekundärluft von zwischen 50 und 300 Fuß/Sekunde entsteht.

13. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem der genannte Primärluftkanal (38), die genannte Luftdüse und die genannten Sekundärluftkanäle (36) so proportioniert sind, daß sie mindestens 40 Prozent der gesamten Verbrennungsluft durch die Primärluftkanal (32) und die genannte Luftdüse (38) führen.

14. Bin Brenner (10) gemäß Anspruch 1, der weiterhin ein Zündflammenrohr aufweist, daß durch das genannte Gehäuse (12) bis an den genannten Diffusor verläuft, um eine Mischung aus Luft und Brennstoff im genannten Diffusor (64) zu entzünden.

15. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die Einlaßöffnung für das zirkulierende Abgas so angebracht ist, daß das Abgas tangential in die genannte Saugkammer (61) geführt wird, um eine Wirbelbewegung des Abgases zu verursachen.

16. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die Einlaßöffnung für das zirkulierende Abgas so angebracht ist, daß das Abgas radial in die genannte Saugkammer (61) fließt, um eine wirbelfreie Bewegung des Abgases zu verursachen.

17. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannte Strahlpumpenluftdüse (38) so proportioniert ist, daß eine Druckminderung von 5 bis 40 Zoll Wassersäule entsteht.

18. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem die genannte Strahlpumpenluftdüse so proportioniert ist, daß eine ausreichend hohe Druckminderung entsteht, um zwischen 5 bis 80 Prozent des Abgases einzusaugen.

19. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 1, in dem der genannte Strahlpumpenteil Befestigungselemente zur Anbringung des genannten Gehäuses am Ofen aufweist.

20. Ein Brenner (10) zur Befestigung an einer Öffnung eines Hochtemperaturofens, umfassend:

ein Gehäuse (112) mit einem Befestigungselement zur Anbringung neben einer Öffnung des Ofens;

einen Körper, der eine Saugkammer (160) im genannten Gehäuse (112) bildet;

einen Körper, der eine Mischkammer (162) im genannten Gehäuse (112) hinter der genannten Saugkammer (160) bildet;

einen Körper, der einen Diffusor (164) mit dem genannten Gehäuse (112) hinter der genannten Mischkammer (162) bildet, wobei der Diffusor einen Ausgang zur Verbindung mit dem Ofen durch die Öffnung im Ofen aufweist, wobei der genannte Diffusor außerdem eine Brennkammer für die Primärzonenverbrennung aufweist;

einer Primärluft-Einlaß öffnung (138) am genannten Gehäuse zur Zuführung der Druckluft zum genannten Gehäuse;

einen Körper, der einen Primärluftkanal im genannten Gehäuse bildet, der die genannte Lufteinlaßöffnung (138) und die genannte Saugkammer (160) verbindet, wobei der Primärluftkanal in einer Luftdüse endet, die die Luft in die genannte Saugkammer forciert;

einen Körper, der eine Sekundäreinlaßöffnung am genannten Gehäuse zur Zuführung der Luft zum genannten Gehäuse bildet;

einen sekundären Luftkanal im genannten Gehäuse, der an der genannten sekundären Lufteinlaßöffnung angeschlossen ist, wobei jeder Sekundärluftkanal einen Ausgang zur Verbindung mit dem Ofen neben dem Ausgang des Diffusors aufweist;

eine Brennstoffeinlaßöffnung am genannten Gehäuse, die mit einer Brennstoffdüse verbunden ist, die Brennstoff in die genannte Saugkammer führt; und

eine Einlaßöffnung für zirkulierendes Abgas am genannten Gehäuse, die mit einem Kanal zur Führung des Abgases vom Ofen in die genannte Saugkammer verbunden ist.

21. Ein Brenner (10) gemäß Anspruch 20, mit einer zweiten Einlaßöffnung für zirkulierendes Abgas am genannten Gehäuse, einschließend einen Körper zur Führung der Abgase des Ofens in die genannten Sekundärluftkanäle.