DE69633984T2

DE69633984T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung NOx Ausstössen eines Brenners

Info

Publication number: DE69633984T2
Application number: DE69633984T
Authority: DE
Inventors: Wayne C. Fort Smith Gensler; John J. Van Eerden
Original assignee: Selas Corp of America
Current assignee: Selas Corp of America
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2016-04-12
Also published as: CA2632012A1; CA2175011C; EP1108952A2; EP0751343B1; NO961633L; NO961633D0; EP1108952A3; ES2228679T3; DE69616881D1; DE69616881T2; CA2632012C; CA2175011A1; EP1108952B1; EP0751343A1; NO308678B1; US5709541A; ES2166412T3; DE69633984D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ofen, der einen Brenner, insbesondere einen Brenner zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoffs umfasst, und weiter ein Verfahren zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoffs in einer solchen Weise, dass Verbrennungsgase mit einem niedrigen Stickstoffoxid-Gehalt erzeugt werden. Nachfolgend werden Stickstoffoxide, die hauptsächlich Stickstoffoxid und Stickstoffdioxid sind, gemeinsam als "NOx" bezeichnet.
Beschreibung der früheren Technik
Größere Umwelt- und andere Probleme sind bei der Erzeugung von Abgasen aufgetreten, die einen hohen Gehalt an NOx enthalten. NOx tendiert dazu, unter atmosphärischen Bedingungen zur Bildung von in Hinblick auf die Umwelt unannehmbaren Zuständen zu reagieren, die das weit bekannte Phänomen einschließen, das als Stadtnebel und saurer Regen bekannt ist. In USA und anderweitig sind Vorschriften und Einschränkungen in Kraft getreten, wird es wird erwartet, dass in Zukunft noch weitere Inkrafttreten werden, die den Gehalt NOx an den Abgasen ernsthaft begrenzen.
In US-P 4 874 310, erteilt am 17. Oktober 1989 zu Gunsten der Selas Corporation of America, Rechtsnachfolger hierzu, ist ein geregelter Primärlufteinführungs-Gasbrenner offenbart, bei dem die Einführung von Regelungszwecken dienender Primärluft geregelt wird, um eine wesentliche Verringerung des Gehalts an Stickstoffoxiden im Abgas zu erreichen. Ein solcher Brenner besitzt eine Extraleitung für die Einführung und Regelung der Primärluft, und dies führt gelegentlich zu teureren und möglichen Komplikationen, insbesondere bei Ofenanlagen, die von einer sehr großen Zahl von Brennern Gebrauch machen. Zur Verringerung des Gehalts an NOx in Ofenabgasen sind weitere Bemühun gen unternommen worden, jedoch haben sich viele aus der Sicht ihrer Anforderung nach einer zu großen Aufmerksamkeit des Bedienungspersonals und aus der Sicht der Notwendigkeit einer äußerst aufmerksamen Regelung als unattraktiv erwiesen, um sicherzustellen, dass keine Verletzung bestehender Umweltvorschriften auftritt.
Es hat im Stand der Technik für Brenner den allgemeinen Hinweis gegeben, dass ein verringerter NOx-Gehalt erreicht werden kann, indem Sekundärluft vermieden wird, indem im Wesentlichen insgesamt Primärluft verwendet wird und indem der Brenner so nahe wie möglich bei seiner maximalen Befeuerungskapazität befeuert wird. Weiter war es auch bekannt geworden, dass NOx-Emissionen in einigen Fällen bei Vormischungs-Brennern verringert werden können, indem ein Schirm für Vormischungs-Verbrennungsprodukte geschaffen wird, indem sekundärer gasförmiger Brennstoff zur Beimischung mit dem Schirm eingeführt wird und indem die Sekundärluft der Mischung zur Reaktion mit dem sekundären gasförmigen Brennstoff ausgesetzt wird. Ein solcher Brenner ist in US-P 5 044 931, erteilt am 3. September 1991 zu Gunsten der Selas Corporation offenbart.
Zur Verringerung des Gehalts an NOx in Ofenabgasen sind weitere Bemühungen unternommen worden. Beispielsweise ist im Stand der Technik auch bekannt geworden, die Verringerung von NOx-Gasen zu versuchen, indem ein Brenner mit einer Einführungsstufen-Verbrennung verwendet wird, wie dieser beispielsweise in US-P 5 271 729, erteilt am 21 Dezember 1993 zugunsten der Selas Corporation, offenbart ist. Dieser Brenner weist zwei Vormischungsstufen-Einheiten auf, deren eine Einheit sehr mager arbeitet und deren andere Einheit sich in den Ofen hinein erstreckt und sehr reich arbeitet, wobei die Verbrennung stöchiometrisch ist. Dieser Brenner ist jedoch auf 50 Vol.-% Wasserstoff beschränkt, um einen Rückschlag zu verhindern.
Zur Verringerung von NOx-Emissionen sind auch äußere Abgas-Umwälzsysteme verwendet worden, wobei solche Systeme in US-P 5 347 958 (erteilt am 20. September 1994) in 5 326 254 (erteilt am 5. Juli 1994), in 5 259 342 (erteilt am 9. November 1993), in 4 659 305 (erteilt am 21. April 1987), in 3 957 418 (erteilt am 18. Mai 1976) und in 3 817 232 (erteilt am 18. Juni 1974) offenbarte sind. Jedoch sind diese Systeme teurer herzustellen und zu betreiben. Folglich wird ein System benötigt, das NOx-Emissionen wirksam und zuverlässig und zu geringen Kosten verringern kann.
EP-A-0 562 710 zeigt innere Primärgaszuführungen, welche in den Brennertrichter eintreten und recycelte Ofengase nochmals entlang der äußeren schrägen Oberfläche des Brennertrichters entlang strömen und weiter mit der Zufuhr mit den primären Zuführprodukten reagieren. Zusätzlich sind sekundäre Brennstoffgasstrahlen in den Ofen gerichtet, welche das Recyceln der Ofengase bewirken. Demgemäß schickt dieser bekannte Brenner Sekundärgas oder Sekundärluft in den Ofen und leitet seine Verbrennungsprodukte zurück zu der äußeren Wand den Brennertrichter oder der Ofenwand für weitere Reaktion mit dem Primärgas und der Luft um.
US-A-4 575 332 zeigt einen Brenner, in welchem Verbrennungsluft in axialen Abständen nacheinander eingeleitet wird.
GB-A-833 087 zeigt einen Aufbau eines Brenners, wobei ein Anteil der Verbrennungsprodukte, sowie diese den von der Brennerdüse ausgestoßenen Strahl verlassen, zurück in den Strahl der die Verbrennung tragenden Gase zurück zirkuliert werden, welche um die Brennerdüse herum eingeleitet werden.
Es ist sehr wichtig, während der Verbrennung eines Brennstoffes mit hohem Wasserstoff-Gehalt die größtmögliche Verringerung des NOx-Gehalts erreichen zu können, und dass sogar in dem Fall eines Fehlers einer Bedienungsperson Umweltvorschriften nicht verletzt werden und der weitere Betrieb der Anlage und ihrer Ausrüstung nicht durch solch Aktion einer Behörde betroffen werden. Dementsprechend wird ein Brenner benötigt, der die erzeugten NOx-Gase erheblich verringert und der einen Brennstoff mit hohen Fraktionen von Wasserstoff ohne Rückschlag und eine nachfolgende Erhöhung des NOx verbrennen kann.
Aufgaben der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Ofen zu schaffen, der NOx-Emissionen wirksam und zuverlässig verringern kann, dies bei dem Verbrennen eines Brennstoffs mit einem hohen Wasserstoff-Gehalt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Ofen zu schaffen, der NOx-Emissionen ohne die Notwendigkeit teurer, äußerer Abgas-Umwälzsysteme herabsetzen kann.
Das ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, einen Ofen mit einer niedrigen NOx-Emission zu schaffen, der durch Fremdluft, Änderungen des Ausmaßes der Befeuerung und den Wasserstoffgehalt im Brennstoff wenig beeinflusst wird.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ofen zu schaffen, bei dem der größere Teil des Gases und eine geringe Luftmenge in einer Richtung entlang der Wände und der größte Teil der Luft und ein kleiner Teil des Gases in einer anderen Richtung vorwärts in den Ofen geführt werden, wodurch eine Verdünnung der Luft mit den Abgasen innerhalb des Ofens bewirkt wird, um eine erhebliche Verringerung der NOx-Emissionen ohne hohe Kosten einer äußeren Abgasumwälzung zu erreichen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung Sind für den Kenner des Standes der Technik aus der Beschreibung der hier angegebenen Erfindung, den beigefügten Ansprüchen und den Zeichnungen ersichtlich.
1 ist ein Schnitt mit der Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die von einem Düsenmischbrenner Gebrauch macht.
2 ist eine Detailansicht der Brennerspitze von 1.
3 ist ein Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die von einer Vormischungs-Brennerspitze Gebrauch macht.
4 ist ein Schnitt entlang der Linie A-A durch die in 2 dargestellte Ausführungsform.
5 ist ein Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die bei einem vertikalen Ofen mit einem Boden-Brenner verwendet wird.
6 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B von 4.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung der NOx-Emissionen in einem Ofen, der einen Brenner für gasförmigen Brennstoff verwendet. Der Brenner weist ein Brenner-Versorgungsmittel zum Zuführen von Brennstoffgas und Primärluft zu dem Ofen auf, wobei das Verbrennungsende im Ofen zum Ausspritzen des Brennstoffgases in den Ofen zur Verbrennung angeordnet ist, die Abgase erzeugt, und ein Sekundärluft-Zuführungsmittel zum Zuführen von Sekundärluft zu dem Brenner und ein Umwälzmittel zum Mischen der Sekundärluft mit den Abgasen innerhalb des Ofenraums auf, um eine verdünnte Luft zu erzeugen, die umgewälzt und mit dem teilweise verbrannten primären Brennstoffgas zur Herabsetzung der NOx-Emissionen gemischt wird.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Düsenmischbrenner mit Primärstrahlen zum Ausspritzen des größeren Teils des Brennstoffgases oder der Vormischung auswärts radial in den Ofen und mit Sekundärstrahlen zum Ausspritzen eines kleineren Teils des Brennstoffgases vorwärts axial in den Ofen verwendet. Die Sekundärstrahlen sind in der Lage, die Sekundärluft mit den Abgasen innerhalb des Ofens zur Erzeugung der umgewälzten Luft zu mischen. Alternativ können Strahlrohre zum Zuführen des Brennstoffgases oder der Vormischung zu dem Ofen verwendet werden, in den ein separater Sekundärstrahl verwendet wird, um die Sekundärluft mit den Abgasen zu mischen. Die Erfindung gemäß Anspruch 1 betrifft einen vertikalen Ofen mit einer Brenneranordnung (z. B. einen Boden-Brenner) und Sekundärluft-Einlässen zum Mischen und Umwälzen der Sekundärluft mit dem Abgas innerhalb des Ofens.
Detailbeschreibung der Erfindung
Es ist zu beachten, dass die nachfolgende Beschreibung dazu dient, auf besondere Formen der Erfindung Bezug zu nehmen, die zur Erläuterung der Zeichnungen ausgewählt sind, und nicht dazu dient, die Erfindung anders als in denen beigefügten Ansprüchen zu definieren oder zu beschränken.
Erneut auf die besondere Form der in den Zeichnungen dargestellten Erfindung zurückkommend offenbaren 1 und 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung. Der Brenner 1 kann einen Brennstoffgas-Einlass 2 und einen Steuergas-Einlass 3 aufweisen, die in einer herkömmlichen Weise mit einer Leitung 4 innerhalb des Brenners verbunden sind. Der Brennstoffgas-Einlass 2 kann alternativ ein Gebläse oder eine Mischdüse zur Bildung einer Vormischung aufweisen. Gas oder Vormischung wird dann dem Ofen mit Hilfe von Gas-Einspritzrohren 5 und 5' zugeführt, die in herkömmlicher Weise mit der Leitung 4 verbunden sind und sich in den Ofen hinein erstrecken. Steuer-Einspritzrohre 6 und 6' sind ebenfalls in einer herkömmlichen Weise mit der Leitung 4 zum Zuführen von Steuergas zu dem Ofen von dem Steuergas-Einlass 3 aus verbunden. Anschlüsse 7 und 7', die einen Primärstrahl 8 und einen Sekundärstrahl 9 enthalten, sind an den Einspritzrohren 5 und 5' befestigt, um Brennstoffgas radial bzw. axial in den Ofen auszuspritzen.
Luft kann in den Brenner und den Ofen durch einen Luftverschluss 30 hindurch eintreten, der in einer herkömmlichen Weise zum Zuführen von Luft zu dem System arbeitet. Primärluft, gekennzeichnet durch den Weg (a), bewegt sich entlang des Brennerblocks 10 und der Ofenwand 11 für die Verbrennung des Brennstoffgases, das von den Primärstrahlen 8 aus ausgespritzt wird. Sekundärluft, gekennzeichnet durch den Weg (b), kann sich im inneren der Anschlüsse 7 und 7' zur Verbrennung mit dem Brennstoffgas bewegen, das von dem Sekundärstrahl 9 aus ausgespritzt. Abgas bewegt sich entlang des Wegs (c) und wird umgewälzt, indem es mit der Sekundärluft zur Bildung von verdünnter Luft gemischt wird, die veranlasst ist, nach außen entlang des Wegs (d) entlang der Umfangswand 11 zu strömen, wo sie mit Primärluft und dem Brennstoffgas, das von dem Primärstrahl 8 aus ausgespart wird, verbrannt wird.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Erfindung ist folgende. Steuergas kann durch den Steuergas-Einlass 3, wobei es sich durch die Leitung 4 vorwärts bewegt, und die Steuergas-Rohre 6 hindurch eintreten, um einen Wirbel brennenden Gases innerhalb des Brennerblocks 10 zu bilden. Dieser Gaswirbel kann zur Erhöhung der Temperatur innerhalb des Brennerblocks 10 auf eine geeignete Höhe für den Betrieb des Brenners verbrannt werden. Diese liegt normalerweise bei etwa 871°C (1600 F) kann jedoch in Abhängigkeit von der Anwendung verändert sein. Die Verwendung einer Wirbelsteuerung, die optional ist, bietet erhebliche Sicherheitsvorteile dadurch, dass sie bei Betriebstemperaturen unterhalb des Selbstzündungpunktes verwendet werden kann.
Primäres Brennstoffgas oder Vormischung kann durch den primären Brennstoffgas-Einlass 2 hindurch eintreten und wird vorwärts entlang der Leitung 4 in die Gas-Einspritzrohre 5 und 5' zu den Anschlüssen 7 und 7' transportiert. Der größere Teil des Gases wird dann nach außen radial von dem Primärstrahl 8 aus ausgespritzt, um mit der sich entlang des Weges (a) bewegenden Primärluft verbrannt zu werden. Der Winkel, unter dem das Gas von dem Primärstrahl 8 aus ausgespritzt wird, ist nicht besonders eingeschränkt. Jedoch sollte der Gasstrahlwinkel so gewählt werden, dass die sichtbare Flamme von den Prozessrohren entfernt gehalten ist, wobei die Gas-Einspritzrohre auch innerhalb der Ebene der Wand geschützt gehalten sind. Die Strahlen sollten ebenfalls unter einem Winkel ausgerichtet sein, um jegliche Erosion der Feuerfestigkeit herabzusetzen, die dadurch auftreten kann, dass sich das Gas entlang der Ofenwand mit hoher Geschwindigkeit bewegt.
Weiter sind die Positionen der Gas-Einspritzrohre 5 und 5' und der Anschlüsse 7 und 7' nicht besonders beschränkt, befinden sie sich jedoch vorzugsweise außenseitig des Zentrums des Brenners in Richtung zu den Seiten außerhalb der Sekundärluftströmung. Obwohl dies in mechanischer Hinsicht wenig zweckmäßig ist, verringert die äußere Position der Strahlen das Flattern der Hochgeschwindigkeitsflamme, das Pulsieren und das Verbrennungsgeräusch erheblich, und machte sie den Brenner erheblich weniger empfindlich für Änderungen des Befeuerungsausmaßes, die Brennstoffzusammensetzung, die Überschussluft, das Ausspritzen und die Blockgestalt. Auch unterstützt die Position der Gasrohre innerhalb des Luftstroms das Kühlen der Gasstrahlen in geschickter Weise. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt auch den erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Brennern, dass sie bei erheblich geringeren Gasdrücken arbeiten kann.
Ein kleinerer Teil des Gases wird von dem Sekundärstrahl 9 vorwärts in den Ofen ausgespritzt, um mit Sekundärluft, die entlang des Wegs (b) strömt, verbrannt zu werden. Die Menge des von den Sekundärstrahlen aus ausgespritzten Gases ist nicht besonders beschränkt, jedoch liegt sie vorzugsweise unterhalb von 25% und oberhalb von 10% des verwendeten gesamten Brennstoffgases. Die Verbrennung des Gases von den Sekundärstrahlen bewirkt, dass die Sekundärluft mit Abgasen, die entlang des Wegs (c) abströmen und die hauptsächlich das Ergebnis der Verbrennung des Gases von den Primärstrahlen sind, gemischt wird. Es wird angenommen, dass ein gutes Mischen der Luft und der Abgase infolge von Mikroexplosionen des verbrannten Gases von den Sekundärstrahlen auftritt. Die Zwangsmischung der Sekundärluft und der Abgase bildet verdünnte Luft, die entlang der Ofenwand entlang des Wegs (d) umgewälzt wird, um mit der Primärluft und dem Brennstoffgas, das von den Primärstrahlen aus ausgespritzt wird, verbrannt zu werden, was eine erhebliche Verringerung der NOx-Gase bewirkt, die während dieser Verbrennung erzeugt werden.
Alternativ kann, wie in 3 und 4 dargestellt ist, primärer Brennstoff durch den Einlass 13 für primären Brennstoff eintreten, um mit Primärluft, die durch den Primärluftverschluss 16 in herkömmlicher Weise eintritt, vorgemischt zu werden. Die Vormischung wird dann durch eine Venturi-Düse 14 hindurch in eine Spitze 15 transportiert, die in herkömmlicher Weise angeschlossen ist. Die Spitze 15 besitzt eine Vielzahl von primären Strahlrohren 19 an ihrem Verbrennungsende, das innerhalb des Ofens angeordnet ist, zum Ausspritzen der Vormischung radial in den Ofen zur Verbrennung entlang der Ofenwand 20.
Sekundärbrennstoff wird dann vorwärts entlang eines Sekundärbrennstoff-Einlasses 17 mit Sekundärstrahlen 22 an seinem Verbrennungsende, das innerhalb des Ofens angeordnet ist, transportiert. Die Sekundärstrahlen spritzen den Sekundärbrennstoff vorwärts in den Ofen aus. Der Winkel, unter dem der Sekundärbrennstoff ausgespritzt wird, ist nicht besonders beschränkt, liegt jedoch vorzugsweise unterhalb von 30° gegenüber dem Zentrum. Sekundärluft tritt durch einen Sekundärluftverschluss 18 ein, wobei sie vorwärts in den Ofen durch einen Ring 21 in einer herkömmlichen Weise strömt und in den Ofen entlang des Wegs (b') eintritt. Der Ring 21 kann auch einen Rüssel 23 aufweisen, der sich vorwärts in den Ofen hinein erstreckt, um die Ausrichtung der Sekundärluft-Strömung und den Schutz der Rohre zu unterstützen. Die exakte Länge des Rüssel 23 ist nicht besonders beschränkt, sollte jedoch lang genug sein, um in geeigneter Weise die Zwangsmischung der Sekundärluft mit den Abgasen zu unterstützen.
Die Sekundärluft wird mit dem Brennstoff verbrannt, der von den Sekundärstrahlen 22 aus ausgespritzt wird, und wird dadurch mit den Abgasen, die entlang des Wegs (c') abströmen, gemischt, um eine verdünnte Luft zu bilden, die entlang des Wegs (d') umgewälzt wird. Die verdünnte Luft wird mit der Vormischung verbrannt, die entlang der Ofenwand von den primären Strahlrohren 19 aus ausgespritzt wird, was eine erhebliche Verringerung der erzeugten NOx-Gase bewirkt.
Weiter kann, wie in 5 und 6 dargestellt ist, ein vertikaler Ofen mit einem am Boden angebauten Brenner verwendet werden. An Brennstoff reiche Primärluft und eine Brennstoffvormischung werden vorwärts entlang eines Einlasses 24 für primären Brennstoff durch eine Brennerreihe 25, die innerhalb des Ofenbodens 28 angeordnet ist, hindurchgeführt, Um Brennstoffgas dem Ofen zuzuführen. Primärluft trifft somit entlang des Wegs (a'') als Teil der Vormischung ein. Dann wird die Vormischung in den Ofen ausgespritzt und verbrannt, wobei ein in den Prozessrohren 29 enthaltenes Fluid erhitzt wird. Dieser Verbrennung erzeugt Abgase, von denen einige den Ofen über einen Ofenkamin 26 verlassen, während der Rest umgewälzt und entlang des Wegs (c'') abgeführt wird. Im Inneren des Ofens wird Sekundärluft in den Ofen durch den Sog der Sekundärluftanschlüsse 27 entlang des Wegs (b'') eingezogen. Die Sekundärluft, die durch die Sekundäranschlüsse 27 eintritt, wird hierdurch mit den Abgasen, die sich entlang des Wegs (c'') bewegen, entlang des Wegs (d'') gemischt und umgewälzt, um mit der Vormischung verbrannt zu werden. Dies führt zu einer erheblich verringerten Menge der NOx-Gase.
Bei den bisherigen herkömmlichen Brennern können Primärbrennstoff und Luft versehentlich in einen geringen Ausmaß mit in der Abführung begriffenen Ofengasen gemischt werden; jedoch ist festgestellt worden, dass bei diesen Brennern keine ausreichende NOx-Verringerung erreicht wird. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Abgase mit Sekundärluft ausreichend gemischt und umgewälzt werden müssen, um eine ausreichend verdünnte Luft zu schaffen, die mit der Primärbrennstoff-Luft zur Verbrennung zu mischen ist. Bei herkömmlichen Kesseln ist dies gelegentlich geschehen, indem Gase, nachdem sie den Ofen verlassen haben, umgewälzt werden. Jedoch ist in einfallsreicher Weise festgestellt worden, dass dann, wenn die Verdünnung der Luft mit den Abgasen innerhalb des Ofens durchgeführt werden kann, eine erheblich größere Verringerung des NOx ohne die hohen Kosten eines äußeren Abgas-Umwälzsystems erreicht werden kann.
Durch die Herstellung eines Brenners für gasförmigen Brennstoff in der in den beigefügten Ansprüchen angegebenen und hier beschriebenen Weise ist es möglich, die NOx-Emissionen, die durch die verbrannten Gase in dem Ofen erzeugt werden, zu verringern. Es wird angenommen, dass die geringste NOx-Menge erreicht werden kann, wenn die Luft mit den Abgasen innerhalb des Ofens gemischt wird, bevor sie zum Mischen und Verbrennen mit dem Brennstoff zurückgeführt wird. Mit Zangsluft oder einer mageren Vormischung, die rechtwinklig zu der Ofenwand ausgespritzt wird, kann eine gute Mischung nahezu erreicht werden. Dies ist nicht der Fall bei herkömmlichen Saugluft-Systemen, weil Saugluft normalerweise sehr träge ist und somit üblicherweise nicht selbst eine ausreichende Mischung der Ofenatmosphäre schaffen kann, was zu Taschen mit hoher Sauerstoff Menge und somit höherer NOx-Menge führt. Es ist in einfallsreicher Weise entdeckt worden, dass die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Mischung der Gase innerhalb des Ofens gestatten, was zu einer erheblich verringerten NOx-Menge führt.
Bei herkömmlichen Brennern haben die magereren Düsenmisch-Flammen sehr viele NOx-Gase geschaffen. Es ist jedoch in unerwarteter Weise entdeckt worden, dass dann, wenn Sekundärstrahlen hinzugefügt werden, die NOx-Menge erheblich herabgesetzt wird. Von diesem unüblichen Verhalten wird angenommen, dass es einen Beitrag zu der Tatsache leistet, dass die sekundären Gasstrahlen Mikroexplosionen schaffen, die genügend Energie erzeugen, um die Luft zwangsweise mit der Ofensatmosphäre zu mischen, was auch zu erheblich geringeren NOx-Emissionen führt.
Weiter wurde festgestellt, dass dann, wenn die Gasstrahlen in einfacher Weise eine Niederdruck-Vormischung sind und an der Brennerspitze anhaften, die NOx-Menge wie bei den herkömmlichen Brennersystemen (ein magerer Düsenmischbrenner schafft die höchste NOx-Menge) vorausgesagt zunimmt. Wenn Druckluft von den Sekundärstrahlen aus an der Stelle von Sekundärbrennstoff ausgespritzt wurde, gab es keine Änderung der Änderung der NOx-Emissionen. Somit wird angenommen, das es die Mikroexplosionen in dem Düsenmischbrenner sind, die die Energie schaffen, die benötigt wird, um die Sekundärluft mit den Abgasen zwangsweise zu mischen, was zu einer erheblichen Verringerung der NOx-Gase führt. Die Grenze des Sekundärbrennstoffs scheint die Toleranz des Ofens für diese Mikroexplosionen zu sein. Jedoch sollte Sekundärbrennstoff nicht bei einem System, wie beispielsweise dem in 4 dargestellten vertikalen Ofen, benötigt werden, weil die Luft direkt mit den Abgasen innerhalb des Ofens angesaugt und gemischt werden kann. Eine erhebliche NOx-Verringerung kann auch erreicht werden, wenn ein Zangsluft-System verwendet wird.
In der Situation, bei der ein Vormischungsbrenner verwendet wird, scheint das Vormischungsverhältnis von 2 : 1 bis 5 : 1 für Hochtemperaturöfen optimal zu sein, während höhere Verhältnisse die Flammenstabilität für niedrigere Temperaturen unterstützen. Die Vorteile der Verwendung eines Vormischungsbrenners sind zweifach; große Löcher sind möglich mit geringerer Änderung der Verstopfung mit Mahl- bzw. Walzzunder und Schmutz, und die Luft wirkt als Kühlmittel, um eine Gasspaltung und Verstopfung der Löcher zu verhindern. Die Luft kann auch mit einer mageren Vormischung ausgestattet sein, wenn die Brennstoffzusammensetzung rückschlagfest ist. Der Hauptvorteil besteht hier in der niedrigeren NOx-Menge durch besseres Mischen und eine stärker verteilte Freisetzung von Wärme.
Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf besondere Brenner dargestellt und beschrieben worden ist, ist es verständlich, dass eine große Vielfalt von Änderungen durchgeführt werden kann, ohne den Umfang dieser Erfindung zu verlassen. Verschiedene Konfigurationen und Arten von Brennern können verwendet werden. Beispielsweise kann ein Düsenmischbrenner mit einem Zangsluftsystem ohne die Verwendung von Sekundärstrahlen verwendet werden. Weiter kann der Brenner mit verschiedenen Arten von gasförmigen Brennstoffen, beispielsweise Propan, Methan und Wasserstoffmischungen, verwendet werden. Bestimmte in den Zeichnungen dargestellte Merkmale können modifiziert oder in besonderen Fällen entfernt werden, und Sekundärwege bzw. -kanäle und Regelungen und andere mechanische Merkmale können verändert oder weggelassen werden, ohne den Umfang der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung zu verlassen. Dementsprechend soll der Umfang der Erfindung nicht durch die vorausgehende Beschreibung, sondern nur wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben beschränkt sein.

Claims

Vertikaler Brenner umfassend einen Niedrig-NOx-Gasbrennstoff-Brenner, umfassend: einen Primärbrennstoffgas- und Primärluft-Einlass (24), eine Brenneranordnung (25), die in einer Wand (28) des vertikalen Ofens angeordnet ist und mit dem Primärluft- und Brennstoffgas-Einlass (24) verbunden ist, um die Primärluft und den Primärbrennstoff ausswärts in den Ofen auszustossen, wobei die Primärluft und der Primärbrennstoff verbrannt werden und Abgase erzeugen, eine Mehrzahl von Sekundärluftlöchern (27), welche in der Wand (28) des Ofens zur Zufuhr von Sekundärluft zu dem Ofen begrenzt sind, wobei die Sekundärluftlöcher (27) relativ zu der Brenner- (25) Anordnung angeordnet sind, um Mischen der Sekundärluft mit den Abgasen innerhalb des Ofens zu bewirken, um verdünnte Luft zu erzeugen und um die verdünnte Luft innerhalb des Ofens zur Verbrennung mit der Primärluft und dem Primärbrennstoff zu rezirkulieren, um NOx-Emissionen zu reduzieren.
Vertikaler Brenner gemäss Anspruch 1, wobei der Niedrig-NOx-Gasbrennstoff-Brenner des Weiteren umfasst: ein Brennerzufuhrmittel (4, 5, 5', 14, 15, 16), welches im Wesentlichen in einer Axialrichtung des Brenners zur Zufuhr von Primärbrennstoff und Primärluft zu dem Ofen angeordnet ist, sekundäre Brennstoffzufuhrmittel (17) mit einem Verbrennungs-Ende (7, 7'; 22), welches sich im Wesentlichen axial erstreckt und ausgerichtet ist, ein sekundäres Luftzufuhrmittel (18), welches angeordnet ist, um eine Zufuhr von Sekundärluft in den Ofen neben dem sekundären Brennstoffzufuhrmittel auszurichten, wobei das Verbrennungs-Ende des sekundären Brennstoffzufuhr mittels zum Ausstoss des sekundären Brennstoffs im Wesentlichen axial in den Brenner zur Verbrennung mit der Sekundärluft ausgerichtet ist, wobei die Verbrennung dadurch Abgase erzeugt, ein Rezirkulierungsmittel (10, 11; 21, 23), welches relativ zu dem Verbrennungs-Ende des sekundären Brennstoffzufuhrmittels positioniert ist, um Mischen der Sekundärluft mit dem Sekundärbrennstoff und mit den Abgasen innerhalb des Brenners zu bewirken, um verdünnte Luft zu erzeugen, wobei die verdünnte Luft mit der Primärluft und Brennstoff rezirkuliert und verbrannt wird, um den NOx-Anteil in den resultierenden Verbrennungsgasen zu reduzieren.
Vertikaler Brenner gemäss Anspruch 2, wobei das Brennerzufuhrmittel umfasst: einen Brennstoffgas-Einlass (2) zum Zuführen des Brennstoffgases zu dem Ofen, ein Leitungsmittel (4), welches an dem Brennstoffgas-Einlass angeschlossen ist und zum Transport des Brennstoffgases zu dem Ofen geeignet ist, zumindest zwei Einspritzleitungen (5, 5'), welche sich axial erstrecken, wobei die Einspritzleitungen an dem Leitungsmittel (4) angeschlossen sind, und wobei die Einspritzleitungen zum Transport des Brennstoffgases zu dem Verbrennungs-Ende (7, 7') des Sekundärbrennstoff-Zufuhrmittels geeignet sind.
Vertikaler Brenner gemäss Anspruch 2, wobei das Verbrennungs-Ende (7, 7') des Sekundärbrennstoff-Zufuhrmittels primäre Düsen (8) umfasst, welche in dem Brennerzufuhrmittel begrenzt sind, wobei die primären Düsen (8) zum radialen Ausstossen eines Grossteils des Brennstoffgases geeignet sind und wobei das Rezirkulationsmittel sekundäre Düsen (9) umfasst, welche in dem Brennerzufuhrmittel begrenzt sind, wobei die sekundären Düsen zum axialen Ausstossen eines Minderteils des Brennstoffgases geeignet sind und zum Verbrennen des Minderteils von Brennstoffgas mit der Sekundärluft zum Mischen der Sekundärluft mit den Abgasen innerhalb des Ofens geeignet sind, um die verdünnte Luft zu erzeugen.
Vertikaler Brenner gemäss Anspruch 1, wobei der Niedrig-NOx-Gasbrennstoff-Brenner des Weiteren umfasst: einen Brennstoffgaseinlass zur Zufuhr von Brennstoffgas in den Ofen, eine Primärluftzufuhr (16), die an den Ofen zur Zufuhr von Primärluft zu dem Verbrennungs-Ende des Brenners angeschlossen ist, eine Sekundärluftzufuhr (18, 21), die zur Zufuhr von Sekundärluft zu dem Ofen angeschlossen ist, eine Leitung (14), die im Wesentlichen in einer axialen Richtung des Brenners angeordnet ist, und an den Brennstoffgaseinlass zum Transport des Brennstoffgases zu dem Ofen angeschlossen ist, einen Einspritzer (15), der an der Leitung angeschlossen ist und sich in den Ofen erstreckt, wobei der Einspritzer primäre und sekundäre Düsen (19, 22) aufweist, wobei die primären Düsen (19) zum Ausstossen eines Grossteils des Brennstoffgases von dem Einspritzer radial in den Ofen zur Verbrennung mit der Primärluft geeignet ist, und die sekundären Düsen (22) zum Ausstossen eines Minderteils des Brennstoffgases axial in den Ofen zur Verbrennung mit der Sekundärluft innerhalb des Ofens geeignet ist, um verdünnte Luft zu erzeugen, wobei die verdünnte Luft mit dem Grossteil von Brennstoffgas und der Primärluft rezirkuliert und verbrannt wird.
Vertikaler Brenner gemäss Anspruch 4 oder 5, wobei der Minderteil des Brennstoffgases, welcher von den sekundären Düsen ausgestossen wird, kleiner als etwa 25% des Brennstoffgases ist.
Vertikaler Brenner gemäss Anspruch 1, wobei der Niedrig-NOx Gasbrennstoff Brenner des Weiteren umfasst: einen Vormischeinlass mit einem Primärbrennstoffeinlass (13) und einer Primärluftzufuhr (16), eine Leitung (14), welche im Wesentlichen in einer axialen Richtung des Brenners angeordnet ist und an dem Vormischeinlass angeschlossen ist, wobei die Leitung ein Verbrennungs-Ende (15) aufweist und wobei das Verbrennungs- Ende eine Mehrzahl von Vormischdüsenleitungen (19) zum Ausstossen der Vormischung in den Ofen zur Verbrennung aufweist, wobei die Verbrennung Abgase erzeugt, eine Sekundärbrennstoffzufuhr (17), welche parallel zu der Leitung angeordnet ist und ein Verbrennungs-Ende aufweist, wobei das Verbrennungs-Ende zumindest eine Sekundärdüse (22) aufweist, eine Sekundärluftzufuhr (18) zur Zufuhr von Sekundärluft zu dem Brenner, wobei die sekundäre Düse relativ zu der Mehrzahl von Vormischdüsenleitungen (19) positioniert ist, um Sekundärbrennstoff axial zuzuführen, um Mischen der Sekundärluft mit den Abgasen innerhalb des Brenners zu bewirken, um verdünnte Luft zu erzeugen und um die verdünnte Luft mit der Vormischung zu rezirkulieren und zu verbrennen, um NOx-Emissionen zu reduzieren.
Vertikaler Brenner gemäss Anspruch 1, wobei der Brenner des Weiteren umfasst: (a) ein Brennerzufuhrmittel zum Zuführen von Brennstoffgas und Primärluft zu dem Ofen zur Verbrennung, um Abgase zu erzeugen, wobei das Brennerzufuhrmittel umfasst: einen Vormischeinlass (13, 16), wobei der Vormischeinlass ein Luftzufuhrmittel (16) zur Zufuhr von Luft zu dem Brennstoffgas aufweist, um ein Vorgemisch des Brennstoffgases und der Primärluft zum Ausstossen in den Ofen auszubilden, und ein Leitungsmittel (14, 15), welches an dem Vormischeinlass zum Transport der Vormischung zu dem Brenner angeschlossen ist, wobei das Leitungsmittel (14, 15) sich in den Ofen erstreckt und eine Mehrzahl von Düsenleitungen (19) aufweist, welche darin begrenzt sind, und zum Ausstossen der Vormischung radial in den Ofen geeignet sind, (b) ein sekundäres Luftzufuhrmittel (18) zur Zufuhr von Sekundärluft zu dem Ofen, und (c) ein Rezirkulierungsmittel (17, 22, 23), um Mischen der Sekundärluft mit den Abgasen innerhalb des Ofens zu bewirken, um verdünnte Luft zu erzeugen, wobei die verdünnte Luft mit der Primärluft und Brennstoffgas zur Reduzierung von NOx-Gasen rezirkuliert und verbrannt wird, und wobei das Rezirkulierungsmittel (17, 22, 23) einen sekundären Brennstoffeinlass (17) zur Zufuhr von Sekundärluft zu dem Brenner umfasst, wobei der Sekundärbrennstoffeinlass (17) sich in den Ofen erstreckt und zumindest eine sekundäre Düse (22) aufweist, welche zum Ausstoss des Sekundärbrennstoffs axial in den Ofen geeignet ist, und wobei die sekundäre Düse (22) zur Verbrennung des Sekundärbrennstoffs mit der Sekundärluft geeignet ist, um die Sekundärluft mit Abgasen innerhalb des Ofens zu mischen, um die verdünnte Luft zu erzeugen.
Verfahren zur Reduzierung von NOx-Emissionen in einem Gasbrennstoffbrenner, der in einem Ofen verwendet wird, umfassend die Schritte: Zuführen von Brennstoffgas und Primärluft in den Ofen, Ausstossen des Brennstoffgases in den Ofen, Verbrennen des Brennstoffgases und der Primärluft, um Abgase zu erzeugen, Zuführen von Sekundärluft zu dem Ofen, Mischen der Sekundärluft mit den Abgasen innerhalb des Ofens, um verdünnte Luft zu erzeugen, Rezirkulieren und Verbrennen der verdünnten Luft innerhalb des Ofens, um NOx-Emissionen zu reduzieren.
Verfahren gemäss Anspruch 9, wobei der Gasbrennstoff-Brenner ein Verbrennungs-Ende aufweist, welches eine axiale Richtung definiert, wobei Primärbrennstoffgas und Primärluft in den Ofen zugeführt wird, das Primärbrennstoffgas in einer im Wesentlichen radialen Richtung in den Ofen ausgestossen wird, Sekundärbrennstoffgas und Sekundärluft in einer im Wesentlichen axialen Richtung zugeführt und in den Ofen ausgestossen wird, wobei die Sekundärluft durch Verbrennung von Sekundärbrennstoffgas in dem Ofen mit den Abgasen innerhalb der verdünnten Luft des Ofens gemischt wird, und die verdünnte Luft innerhalb des Ofens rezirkuliert und verbrannt wird, um NOx-Emissionen in den entstehenden Verbrennungsgasen zu reduzieren.