DE69407676T2

DE69407676T2 - Luft und Brennstoff/Luft Düsenanordnung mit niedrigem NOx-Gehalt

Info

Publication number: DE69407676T2
Application number: DE69407676T
Authority: DE
Inventors: Peter Frederick Hufton
Original assignee: Rolls Royce Power Engineering PLC
Current assignee: Alstom Combustion Sevices Ltd
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: IN189493B; US5464344A; GB9314112D0; EP0633428B1; CA2126812A1; DK0633428T3; CN1100791A; EP0633428A1; ZA944972B; ES2111249T3; AU6732794A; DE69407676D1; AU671027B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoff/Luft-Düsenanordnung, wie sie in der Brennkammer von industriellen Heizkesseln Anwendung findet. Derartige Düsenanordnungen umfassen eine oder mehrere Düsen, die eine Mischung von Brennstoff (Kohle, Gas oder Öl) und Luft emittieren, und es sind weitere Düsen vorgesehen, die die oder jede Mischsträmungsdüse spreizen und die nur Luft ausbiasen
Bei einigen bekannten Anordnungen sind sämtliche Düsen fixiert, und bei anderen bekannten Anordnungen sind sämtliche Düsen in einer gemeinsamen Ebene schwenkbar. Bei beiden Ausführungsformen werden jedoch die Achsen der Düsen parallel zueinander gehalten.
Einige der bisher beschriebenen Düsen weisen oft solche Merkmale wie eine Flammenanhaftung auf, wobei nach zündung des Brennstoff/Luft-Gemischs die resultierende Flamme an der Düsenauslaßebene anhaftet und sich von dort in die Brennkammer hinein erstreckt. Um zu gewährleisten, daß dieses Phänomen auftritt, ist eine Reduktion in der Erzeugung von Stickoxiden erforderlich.
Es ist auch aus der EP-A-0 399 462 bekannt, die NOx-Emission dadurch zu reduzieren, daß Oxidationsmittel und Brennstoff getrennt in eine Verbrennungszone eingespritzt werden. Das Oxidationsmittel wird in die Brennkammer unter einem Winkel eingespritzt, der von der Achse der Brennstoffdüse divergiert Um die NOx-Emissionen bei der in der EP-A-0 399 462 beschriebenen Anordnung zu reduzieren, wird das Oxidationsmittel mit einer Bewegungsgröße eingespritzt, die wenigstens gleich ist dem dreifachen Wert der Bewegungsgröße des Brennstoffstroms.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Luft und Brennstoff/Luft-Düsenaufbaukonstruktion zu schaffen, durch deren Benutzung die NOx-Erzeugung weiter vermindert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Luft und Brennstoff/Luft-Düsenaufbau folgende Teile auf: eine erste Düse, durch die im Betrieb eine Mischströmung aus Brennstoff und Luft fließt, die einen Brennstoff/Luft-strömungspfad definiert, der nach einer Brennkammer führt; und Luftdüsen, die die erste Düse aufspreizen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Luftdüse mit Ablenkvorrichtungen ausgestattet ist, die so im Winkel angestellt sind, daß sie die Luft aus der Luftdüse nach der Achse der Luftdüse hin richten.
Die Ablenkvorrichtungen können so angeordnet sein, daß die Luft aus den Luftdüsen nach der Achse der Luftdüse unter einem eingeschlossenen Winkel bis zu 20 º erfolgt, oder durch einen eingeschlossenen Winkel von wenigstens 20 º.
Der Aufbau kann derart schwenkbar sein, daß eine gleichzeitige Neigung der Düsen relativ zu dem jeweiligen Luft und Brennstoff/Luft-Kanalaufbau erhalten wird, an den die Düsen im Betrieb angeschlossen sind. Vorzugsweise sind die Düsen des Düsenaufbaus durch ein Gestänge miteinander verbunden, um eine gleichzeitige Neigung zu ermöglichen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in einem Verfahren zur Verminderung der NOx-Erzeugung während der Verbrennung, und dieses Verfahren umfaßt die zuführung eines Brennstoffs durch Luft derart, daß eine Mischung von Luft und Brennstoff gebildet und das Gemisch von Luft und Brennstoff in eine Brennkammer über eine erste Düse eingespritzt wird, die eine Achse besitzt, wobei ein Oxidationsmittel in die Brennkammer über eine Oxidationsmitteldüse eingespritzt wird, die eine Achse im allgemeinen parallel zur Achse der ersten Düse aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Oxidationsmittel unter einem Winkel nach innen nach der Oxidationsmitteldüsenachse derart abgelenkt wird, daß Räume gebildet werden zwischen dem eingespritzten Gemisch von Luft und Brennstoff und dem eingespritzten Oxidationsmittel, in das die Verbrennungsgase seitlich eingesaugt werden, wobei die Vermischung von Oxidationsmittel und Brennstoff/Luft-Gemisch und die Verbrennung von Oxidationsmittel und Brennstoff verzögert werden.
Der Winkel, unter dem das Oxidationsmittel nach innen nach der Düsenachse abgelenkt wird, kann bis zu 20 º oder wenigstens 20 º betragen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Düsenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines abgewandelten Düsenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Verminderung des Kohlenstoffs in einer Brennkammer, die die vorliegende Erfindung benutzt, und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Verminderung von NOx in einer Brennkammer, die die vorliegende Erfindung benutzt.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine vertikal angeordnete Säule von Kanälen 10 und 12 wird durch einen Kastenaufbau 13 in bekannter Weise definiert. Die Kanäle 10 führen den Düsen 14 jeweils eine Luftströmung zu, und ein Kanal 12 liefert eine Mischung von Kohlenstoff und Luft nach der Düse 16.
Die Kanäle 10 und die ihnen jeweils zugeordneten Düsen 14 spreizen den Kanal 12 und seine zugeordnete Düse 16, und sie sind relativ hierzu derart angestellt, daß im Betrieb ihre Strömungen veranlaßt werden, von der Strömungsrichtung des Kohlenstoff/Luft-Gemischs aus der Düse 16 in einer Ebene zu divergieren, die die Achsen aller Düsen 14 und 16 aufweist. Durch diese Wirkung werden Räume 18 auf jeder Seite der Kohlenstoff/Luft-Strömung geschaffen, die außerhalb der Düsen liegen, und diese Räume werden mit Verbrennungsgasen angefüllt, die seitlich von dem Ofen eingesaugt werden.
Die Strömungen von Luft und Kohlenstoff/Luft-Gemisch aus den Düsen 14 und 16 saugen die Verbrennungsgase an den Zwischenflächen dazwischen ein und transportieren diese zurück nach dem Inneren der Kammer, worauf benachbarte Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer in den Raum 18 einströmen und so eine Strömung innerhalb der Räume 18 aufstellen. Dies hat die Wirkung einer Verzögerung der Vermischung der Luftströmungen aus den Düsen 14 mit der Kohlenstoff/Luft-Strömung aus der Düse 16, und es wird der Sauerstoffgehalt der sich ergebenden Mischung vermindert.
Die Mischung tritt stromab der Auslaßebene der Düse 16 auf.
Zusätzlich ergibt sich eine Erhöhung der örtlichen Turbulenzpegel und der Temperatur des Gasgemischs, und die Wirkung dieser Änderungen ergibt sich aus den graphischen Darstellungen gemäß Fig. 3 und 4.
In Fig. 3 wurde ein Brennertest durchgeführt, w-hrend dem die Luftdüsen 14 in Winkelstellungen betätigt wurden, die von 10 º Winkelkonvergenz relativ zu der Brennstoff/Luft- Düse 16 bis zu 10 º Divergenz geändert wurden. Beginnend mit 10 º Konvergenz, stieg der Prozentsatz von Kohlenstoff in der Asche an, bis der Winkel Null wurde, d. h. die Düsen parallel zur Düse 16 lagen. Zwischen 0 º und 10 º Divergenz erfolgte ein merklicher Abfall des Kohlenstoffgehalts in der Asche, infolge der verbesserten Vermischung und der Erhöhung der Mischungstemperatur.
Fig. 4 zeigt, wie die NOx-Pegel sich bei der gleichen Veränderung des Luftdüsenwinkels änderten. Über den gesamten Winkelbereich von 10 º Konvergenz bis 10 º Divergenz fiel der NOx-Pegel stetig ab, was anzeigt, daß die Verminderung des Sauerstoffs die vorherrschende Wirkung im Hinblick auf diesen Parameter ist. Demgemäß kann eine divergierende Luftströmung Bedingungen erzeugen, die geringere Pegel von NOx ergeben und auch verminderte Pegel von Kohlenstoff in der Asche, und dies gleichzeitig.
Der kontinuierliche Trend der Linie 22 nach unten zeigt an, daß eine weitere NOx-Verminderung möglich wäre, wenn die Divergenz über 10 º hinaus erfolgen würde.
Nunmehr wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Luftdüse 24, die hier dargestellt ist, soll nicht relativ zu der zugeordneten Brennstoff/Luft-Düse 26 im Winkel angestellt werden. Statt dessen ist sie parallel hierzu ausgerichtet, und ihr Auslaßende ist mit Ablenkvorrichtungen 28 versehen, die die Luftströmung aus diesen Düsen nach der Achse unter einem eingeschlossenen Winkel bis herauf zu 20 º ablenken. Durch diese Mittel werden die Verbrennungsgase 30 veranlaßt, zwischen den Luft- und Brennstoff/Luft-Strömungen zu zirkulieren
Vorausgesetzt, daß die die Düse 24 verlassenden Anteile ausreichen, um eine Zuführung der erforderlichen Luftmenge zu gewährleisten, erlaubt die in Fig. 2 dargestellte Anordnung die Benutzung einer Düse 24 zwischen Brennstoff/- Luft-Düsen 26, statt die Anordnung von zwei Düsen, wie dies in Fig. 1 erforderlich ist.
In Systemen, die auf diesem Gebiet der Technik als Tangential-Brennsysteme bekannt sind, sind s-mtliche Düsen in einer gemeinsamen Richtung geneigt. Die Neigungswirkung wird durch Gestänge erreicht, die von einer gemeinsamen Stange betätigt werden können, oder auch nicht, wobei diese Stange ihrerseits beispielsweise durch einen Kolbenmechanismus betätigt wird.
Auch die Düsen 14, 16, 24 und 26 sind um Schwenkachsen 32, 34, 36 bzw. 38 schwenkbar. Sie werden zunächst in der erforderlichen relativen Divergenzstellung angestellt und dann gemeinsam durch ein Gestänge der oben beschriebenen Bauart gedreht. Die Fixierung wird dadurch erreicht, daß Gestänge mit geeigneten relativen Proportionen benutzt werden, die an den Düsen an geeigneten Punkten angelenkt sind, und dies alles liegt innerhalb des Kenntnisstandes des Fachmanns.

Claims

1. Luft und Brennstoff/Luft-Düsenanordnung mit einer ersten Düse (26), durch die im Betrieb eine Mischströmung aus Brennstoff und Luft strömt und die einen Brennstoff/- Luft-Strömungspfad definiert, der nach einer Brennkammer führt, und mit Luftdüsen (24), die die erste Düse (26) spreizen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Luftdüse (24) mit Ablenkvorrichtungen (28) versehen ist, die im Winkel derart angestellt sind, daß die Luft aus der Luftdüse (24) nach der Achse der Luftdüse (24) hin abgelenkt wird.

2. Luft und Brennstoff/Luft-Düsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtungen (28) die Luft aus den Luftdüsen (24) nach der Achse der Luftdüse (24) unter einem eingeschlossenen Winkel bis herauf zu ablenken.

3. Luft und Brennstoff/Luft-Düsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtungen (28) die Luft aus den Luftdüsen (24) nach der Achse der Luftdüse (24) unter einem eingeschlossenen Winkel von wenigstens richten.

4. Luft und Brennstoff/Luft-Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (24, 26) des Aufbaus derart schwenkbar ist, daß eine gleichzeitige Neigung der Düsen (24, 26) relativ zu dem jeweiligen Luft und Brennstoff/Luft-Durchtrittsaufbau ermöglicht wird, an den im Betrieb die Düsen (24, 26) angeschlossen sind.

5. Luft und Brennstoff/Luft-Düsenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (24, 26) des Düsenaufbaus über eine Gestängeanordnung miteinander verbunden sind, um eine gleichzeitige Neigungseinstellung zu bewirken.

6. Verfahren zur Verminderung der NOx-Erzeugung während einer Verbrennung mit den folgenden Schritten: es wird ein Brennstoff durch Luft derart zugeführt, daß ein Gemisch von Luft und Brennstoff gebildet und die Mischung von Luft und Brennstoff in eine Brennkammer über eine erste Düse (26) eingeblasen wird, die eine Achse aufweist; es wird ein Oxidationsmittel in die Brennkammer über eine Oxidationsmitteldüse (24) zugeführt, deren Achse allgemein parallel zur Achse der ersten Düse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel unter einem Winkel nach innen nach der Achse der Oxidationsmitteldüse (24) derart abgelenkt wird, daß Räume zwischen dem eingespritzten Brennstoff/Luft-Gemisch und dem eingespritzten Oxidationsmittel geschaffen werden, in die Verbrennungsgase seitlich eingesaugt werden, wobei die Vermischung zwischen Oxidationsmittel und Brennstoff/Luft- Gemisch und die Verbrennung des Gemischs aus Oxidationsmittel und Brennstoff verzögert werden.

7. Verfahren zur Verminderung der Erzeugung von NOx während der Verbrennung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel einen Winkelbereich bis zu 20 º einschließt.

8. Verfahren zur Verminderung der Erzeugung von NOx während der Verbrennung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel einen Winkelbereich von wenigstens 20 º einschließt.