EP0021035A1 - Operating process for premix burners and burner for carrying out the process - Google Patents

Operating process for premix burners and burner for carrying out the process Download PDF

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EP0021035A1
EP0021035A1 EP80102799A EP80102799A EP0021035A1 EP 0021035 A1 EP0021035 A1 EP 0021035A1 EP 80102799 A EP80102799 A EP 80102799A EP 80102799 A EP80102799 A EP 80102799A EP 0021035 A1 EP0021035 A1 EP 0021035A1
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EP
European Patent Office
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burner
flame
combustion
air
protection cover
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EP80102799A
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German (de)
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Detlef Dr.-Ing. Altemark
Hans Dipl.-Ing. Sommers
Manfred Weid
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EON Ruhrgas AG
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Ruhrgas AG
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Publication date
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    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
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    • F23D14/26—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid with provision for a retention flame
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    • F23D14/64—Mixing devices; Mixing tubes with injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
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    • F23M9/06—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in fire-boxes
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    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/09062—Tube-shaped baffles confining the flame

Definitions

  • the invention relates to a method for operating premix burners under normal or increased pressure with gaseous fuels, or with fuels which are liquid at normal temperature and completely vaporized before combustion, at low combustion temperatures with formation of low-emission gases, and a burner for carrying out the method.
  • the object of the invention is to provide a method for operating premix burners in which gaseous and / or vaporous fuels can be completely combusted at normal or elevated pressure and low combustion temperatures with the formation of exhaust gases with extremely low NO x contents, and a burner to implement this method, which allows high burner outputs at low combustion temperatures and burns the flame stably over a wide output range.
  • NOx is formed on the one hand from the nitrogen bound in the fuel and on the other hand thermally from free nitrogen, which is present in particular in the air and possibly also in the fuel, for example in natural gas.
  • the thermal NO formation preferably takes place at high combustion temperatures, for example natural gas from approximately 1,600 ° C.
  • a low combustion temperature and thus a low NO content in the exhaust gas can be achieved by the process according to the invention for fuels with a low proportion of bound nitrogen by homogeneously mixing the combustion air / fuel mixture with a cooling gas before combustion.
  • This cooling gas can be air, exhaust gas, water vapor or a mixture of two or all of these components.
  • the theoretical combustion temperature should be set to 1,330 at a pressure of 1 bar and when using air at 20 ° C as the cooling gas ° C required.
  • FIG. 1 the dependence of the theoretical combustion temperature on the mass flow ratio e at different air temperatures T 1 and exhaust gas temperatures T 2 is shown using the example of the combustion of natural gas.
  • the mass flow ratio e is defined as the ratio of a first mass flow, which is composed of a fuel quantity, a combustion air quantity and a cooling gas quantity, to a second mass flow, which is composed of the same fuel quantity and the combustion air quantity required for the stoichiometric combustion.
  • the theoretical combustion temperature results from the heat calorific value and the enthalpies of the substances supplied to the burner without heat exchange with the environment, with complete combustion of the fuel to C0 2 and H 2 O.
  • the enthalpies are determined by quantities, temperatures and specific heat capacities of the substances.
  • the solid curves of a first set of curves show which combustion temperatures are reached as a function of the mass flow ratio e if the fuel natural gas is mixed homogeneously with air at the temperature T 1 indicated on the solid curves before combustion, i.e. if in the mass flow ratio defined above, the first mass flow ent no recirculated exhaust gas as cooling gas ent holds and alone different amounts of air can be used as cooling gas.
  • the dashed curves of a second family of curves show in FIG. 1 the combustion temperatures that occur as a function of the mass flow ratio e, if the first mass flow of the mass flow ratio defined above contains an air quantity that is equal to the air quantity required for stoichiometric combustion in the second mass flow, and if the first mass flow contains recirculated exhaust gas as cooling gas. It applies to the dashed curves that the supplied combustion air has a temperature of 20 ° C and that the exhaust gas serving as cooling gas has the temperature T 2 indicated in each case on the dashed curves.
  • the dashed curves represent only an example for the determination of the theoretical combustion temperature or the mass flow ratio. For the sake of clarity, the corresponding curves have not been shown for cases in which differently tempered water vapor is used as cooling gas or that a differently tempered cooling gas with combustion air from temperature other than 20 ° C is mixed. Such curves can be calculated using the specific data published in relevant manuals and the like.
  • the burner according to the invention is suitable for all fuels which are in gaseous or vapor form before combustion and which could be mixed homogeneously with the combustion air and the cooling gas.
  • the burner can be operated under normal pressure as well as under increased pressure.
  • the mixing tube 1 must be supplied with fuel 2, combustion air 3 and cooling gas 4.
  • the combustion air is fed to the mixing tube, for example, by a blower, not shown in FIG. 2.
  • cooling gas air is used as the cooling gas, this air is supplied in the same way. If exhaust gas or water vapor serve as cooling gas, these can be conveyed together with the combustion air by a fan if their temperature or the temperature of the air-cooling gas mixture is permissible for the fan. Otherwise, the cooling gas and the fuel can be fed directly to the mixing tube, for example by the action of an injector. To shorten the mixing tube, the fuel can also be fed upstream of the blower.
  • the burner head 5 connects to the mixing tube 1, its cross section 6 at the connection to the mixing tube 1 is, for example, 2 times the cross-section of the mixing tube. This abrupt transition to a larger flow cross-section forms a tear-off edge for the flow.
  • the burner head 5 then widens conically to, for example, 4.5 times the cross section of the mixing tube.
  • a burner plate 7 is arranged, which has a large main flame bore 8 and a plurality of small bores 9, which are arranged in several concentric rings around the main flame bore 8 and serve to form the holding flames. Depending on the size of the burner head, there may be several main flame holes in the burner plate.
  • the small bores 9 can be replaced by corresponding slot-shaped openings.
  • the burner plate can consist of both metal and ceramic material.
  • the distances between the holding flame bores 9, which together have a slightly smaller free cross-section than the main flame bore 8, are selected so that they ensure a proper ignition from the outermost holding flames to the main flame and a mutual stabilization of the holding flames.
  • the main flame bore 8 runs parallel to the burner axis, at least the holding flame bores 9, which are in the outside Most ring are inclined at an angle of, for example, about 40 ° to the burner axis. The outermost flame ring is stabilized in this way by backflows on the cylindrical wall of the burner mouth 10, which adjoins the burner plate 7.
  • the burner mouth 10 is only a short piece cylindrical and then tapers conically, for example to 2.9 times the cross-section of the mixing tube.
  • the lateral surface of the burner mouth can either be conical, as shown in FIG. 2, or curved.
  • the burner plate 7 can also be made conical or curved instead of the flat shape shown.
  • the burner mouth 10 is connected to a flame protection cover 11.
  • a flame protection cover 11 In Figure 2 it is shown as a cylindrical tube, the inside diameter of which corresponds to the largest outside diameter of the free-burning flame.
  • Another advantageous embodiment, not shown, of the flame protection cover consists of a conically widened and subsequently cylindrical tube, which is therefore adapted to the shape of the flame.
  • the flame protection cover is so formed that it does not hinder or restrict the flame.
  • the flame protection cover 11 prevents the flame from being cooled further by contact with air and / or exhaust gas from the environment and would thereby be prevented from completely burning out.
  • a combustion chamber that does not dissipate useful heat can also fulfill the task of a flame protection cover and in which the flame can burn out completely.
  • the method according to the invention it is possible for the first time to burn homogeneous mixtures of the type mentioned with very high mass flow ratios in a reliable manner and with low pollutants.
  • a desired combustion temperature can be set in the manner described above. Because the mixing of the burner gases with foreign gases, for example air or exhaust gas, which are present in the vicinity of the burner, is largely avoided, the flame temperature remains so homogeneous that the thermal NO x formation largely corresponds to the formation of the NO x corresponds to the theoretical combustion temperature.
  • the burner according to the invention is characterized, among other things, by a quiet, stable, low-pollutant combustion over a large output range.
  • the possible uses for the subject matter of the invention are extremely versatile. These include, for example, the generation of exhaust gas-air mixtures for heating and drying food, the heating of boilers and industrial ovens of all kinds and the generation of drive gas for gas turbines. In all of these cases, because of the unusually low NO content in the exhaust gas, the subject of the invention can make a valuable contribution to air pollution control.

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Abstract

Nach dem Verfahren zum Betrieb von Vormischbrennern mit gasförmigen oder verdampften Brennstoffen wird in einem Mischrohr (1) ein homogenes Gemisch aus dem Brennstoff (2), einer zur vollständigen Brennstoffverbrennung benötigten Luftmenge (3) und einer zusätzlichen Kühlgasmenge (4) erzeugt, die zur Einstellung einer Verbrennungstemperatur von 1.100 bis 1.700° C erforderlich ist. Das Gemisch strömt einem Brennerkopf (5) zu, dessen Querschnitt sich erweitert und der an seinem erweiterten Ende eine Brennerplatte (7) hat, und wird an einer an der Brennerplatte vorgesehenen zentralen Hauptflammenöffnung (8) und einer Mehrzahl diese umgebende Halteflammenöffnungen (9) verbrannt. Anschließend werden die Flammen durch einen sich verengenden Brennermund (10) geführt und durch eine anschließende Flammenschutzhülle (11) bis zum vollständigen Ausbrand gegen Zutritt von Luft oder Abgas aus der Umgebung und gegen Abkühlung und Erwärmung geschützt. Brennermund (10) und Flammenschutzhülle (11) sind mit katalytisch unwirksamem Material ausgekleidet. Die aus der Flammenschutzhülle (11) austretenden Abgase enthalten sehr geringe Mengen an Stickstoffoxiden und sind deshalb für die Weiterverwendung beispielsweise zum Trocknen von Lebensmitteln außerordentlich gut geeignet.According to the method of operating premix burners with gaseous or vaporized fuels, a homogeneous mixture of the fuel (2), an air quantity (3) required for complete fuel combustion and an additional quantity of cooling gas (4) is generated in a mixing tube (1) for adjustment a combustion temperature of 1,100 to 1,700 ° C is required. The mixture flows to a burner head (5), the cross section of which widens and which has a burner plate (7) at its extended end, and is burned at a central main flame opening (8) provided on the burner plate and a plurality of holding flame openings (9) surrounding it . The flames are then passed through a narrowing burner mouth (10) and are protected by a subsequent flame protection sleeve (11) until they have completely burned out against the ingress of air or exhaust gas from the environment and against cooling and heating. The burner mouth (10) and flame protection cover (11) are lined with catalytically ineffective material. The exhaust gases emerging from the flame protection cover (11) contain very small amounts of nitrogen oxides and are therefore extremely suitable for further use, for example for drying food.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Vormischbrennern unter normalem oder erhöhtem Druck mit gasförmigen Brennstoffen, oder mit bei Normaltemperatur flüssigen und vor der Verbrennung vollständig verdampften Brennstoffen, bei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung schadstoffarmer Abgase, sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating premix burners under normal or increased pressure with gaseous fuels, or with fuels which are liquid at normal temperature and completely vaporized before combustion, at low combustion temperatures with formation of low-emission gases, and a burner for carrying out the method.

Bei der Verbrennung gasförmiger und flüssiger Brennstoffe entstehen als Schadstoffe im Abgas unter anderem die Stickstoffoxide NO und N029 zusammengefaßt als NOx bezeichnet. Diese Schadstoffe verunreinigen die Luft und können sich bei manchen Feuerungen negativ auf das im Ofen befindliche beziehungsweise mit den Brennerabgasen in Berührung kommende Gut auswirken. Daher ist man bestrebt, den NOx- Gehalt im Abgas möglichst gering zu halten. Die Ursachen der NOx -Bildung sind bekannt, und es sind auch mehrere Maßnahmen zur Verminderung des NOx-Gehaltes im Abgas bekannt, wie zum Beispiel

  • Absenkung der Verbrennungstemperatur durch direkte Flammenkühlung, zum Beispiel Wassereinspritzung oder gekühlte Brennflächen,
  • zwei oder mehrstufige Verbrennung,
  • Abgasrezirkulation durch Vorbeiführen der Abgase an der Flamme mittels Rückführungskanälen oder speziellen Brennerkonstruktionen,
  • überstöchiometrische Verbrennung.
During the combustion of gaseous and liquid fuels, the nitrogen oxides NO and N0 29, collectively referred to as NO x , are formed as pollutants in the exhaust gas. These pollutants contaminate the air and in some furnaces can have a negative impact on the material in the furnace or in contact with the burner exhaust gases. It is therefore endeavored to keep the NO x content in the exhaust gas as low as possible. The causes of the NO x formation are known, and several measures for reducing the NO x content in the exhaust gas are also known, for example
  • Lowering the combustion temperature through direct flame cooling, for example water injection or cooled burning surfaces,
  • two or multi-stage combustion,
  • Exhaust gas recirculation by passing the exhaust gases past the flame using recirculation channels or special burner designs,
  • superstoichiometric combustion.

Trotzdem ist bisher kein Brenner hoher Leistung für Industrie oder Gewerbe bekannt, der einen extrem niedrigen NO-Gehalt im Abgas aufweist.Nevertheless, no high-performance burner for industry or trade is known that has an extremely low NO content in the exhaust gas.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb von Vormischbrennern anzugeben, in denen gas- und/oder dampfförmige Brennstoffe bei normalem oder erhöhtem Druck und niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung von Abgasen mit extrem niedrigen NOx -Gehalten vollständig verbrannt werden können,und einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, der bei niedrigen Verbrennungstemperaturen hohe Brennerleistungen erlaubt und dessen Flamme über einen großen Leistungsbereich stabil brennt.The object of the invention is to provide a method for operating premix burners in which gaseous and / or vaporous fuels can be completely combusted at normal or elevated pressure and low combustion temperatures with the formation of exhaust gases with extremely low NO x contents, and a burner to implement this method, which allows high burner outputs at low combustion temperatures and burns the flame stably over a wide output range.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 bis 9 genannten Maßnahmen gelöst.This object is achieved by the measures mentioned in claims 1 to 9.

Nachstehend werden anhand der Figuren 1 und 2 das erfindungsgemäße Verfahren sowie der Aufbau und die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Brenners erläutert.The method according to the invention and the structure and mode of operation of the burner according to the invention are explained below with reference to FIGS. 1 and 2.

NOxbildet sich einerseits aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff sowie andererseits thermisch aus freiem Stickstoff, der insbesondere in der Luft und gegebenenfalls außerdem im Brennstoff, zum Beispiel in Erdgas, vorhanden ist. Die thermische NO-Bildung erfolgt bevorzugt bei hohen Verbrennungstemperaturen, zum Beispiel bei Erdgas ab ca. 1.600° C. Eine niedrige Verbrennungstemperatur und damit einen geringen NO-Gehalt im Abgas erreicht man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Brennstoffen mit geringem Anteil an gebundenem Stickstoff durch homogenes Mischen des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches vor der Verbrennung mit einem Kühlgas. Dieses Kühlgas kann Luft, Abgas, Wasserdampf oder ein Gemisch zweier oder aller dieser Komponenten sein. Um zum Beispiel theoretisch 1 ppm NOx im Abgas (parts per million bezogen auf luftfreies und trockenes Abgas) zu erreichen, ist bei einem Druck von 1 bar und bei der Verwendung von Luft von 20° C als Kühlgas eine Einstellung der theoretischen Verbrennungstemperatur von 1.330° C erforderlich.NOx is formed on the one hand from the nitrogen bound in the fuel and on the other hand thermally from free nitrogen, which is present in particular in the air and possibly also in the fuel, for example in natural gas. The thermal NO formation preferably takes place at high combustion temperatures, for example natural gas from approximately 1,600 ° C. A low combustion temperature and thus a low NO content in the exhaust gas can be achieved by the process according to the invention for fuels with a low proportion of bound nitrogen by homogeneously mixing the combustion air / fuel mixture with a cooling gas before combustion. This cooling gas can be air, exhaust gas, water vapor or a mixture of two or all of these components. For example, in order to theoretically achieve 1 ppm NO x in the exhaust gas (parts per million based on air-free and dry exhaust gas), the theoretical combustion temperature should be set to 1,330 at a pressure of 1 bar and when using air at 20 ° C as the cooling gas ° C required.

In Figur 1 ist am Beispiel der Verbrennung von Erdgas die Abhängigkeit der theoretischen Verbrennungstemperatur von dem Massenstromverhältnis e bei verschiedenen Lufttemperaturen T1 und Abgastemperaturen T2 dargestellt.In FIG. 1, the dependence of the theoretical combustion temperature on the mass flow ratio e at different air temperatures T 1 and exhaust gas temperatures T 2 is shown using the example of the combustion of natural gas.

Das Massenstromverhältnis e ist definiert als Verhältnis eines ersten Massenstromes, der sich aus einer Brennstoffmenge, einer Verbrennungsluftmenge und einer Kühlgasmenge zusammensetzt, zu einem zweiten Massenstrom, der sich aus der gleichen Brennstoffmenge und der für die stöchiometrisohe Verbrennung erforderlichen Verbrennungsluftmenge zusammensetzt. Die theoretische Verbrennungstemperatur ergibt sich ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, bei vollständiger Verbrennung des Brennstoffes zu C02 und H2O, aus dem Brennstoffheizwert und den Enthalpien der dem Brenner zugeführten Stoffe. Die Enthalpien werden bestimmt durch Mengen, Temperaturen und spezifische Wärmekapazitäten der Stoffe.The mass flow ratio e is defined as the ratio of a first mass flow, which is composed of a fuel quantity, a combustion air quantity and a cooling gas quantity, to a second mass flow, which is composed of the same fuel quantity and the combustion air quantity required for the stoichiometric combustion. The theoretical combustion temperature results from the heat calorific value and the enthalpies of the substances supplied to the burner without heat exchange with the environment, with complete combustion of the fuel to C0 2 and H 2 O. The enthalpies are determined by quantities, temperatures and specific heat capacities of the substances.

In Figur 1 zeigen die durchgezogenen Kurven einer ersten Kurvenschar, welche Verbrennungstemperaturen in Abhängigkeit vom Massenstromverhältnis e erreicht werden, wenn der Brennstoff Erdgas vor der Verbrennung allein mit Luft mit der jeweils an den durchgezogenen Kurven angegebenen Temperatur T1 homogen gemischt wird, wenn also in dem oben definierten Massenstromverhältnis der erste Massenstrom kein rückgeführtes Abgas als Kühlgas enthält und allein unterschiedlich große Luftmengen als Kühlgas verwendet werden.In Figure 1, the solid curves of a first set of curves show which combustion temperatures are reached as a function of the mass flow ratio e if the fuel natural gas is mixed homogeneously with air at the temperature T 1 indicated on the solid curves before combustion, i.e. if in the mass flow ratio defined above, the first mass flow ent no recirculated exhaust gas as cooling gas ent holds and alone different amounts of air can be used as cooling gas.

Die gestrichelten Kurven einer zweiten Kurvenschar zeigen in Figur 1 die in Abhängigkeit vom Massenstromverhältnis e eintretenden Verbrennungstemperaturen, wenn der erste Massenstrom des oben definierten Massenstromverhältnisses eine Luftmenge enthält, die gleich der für die stöchiometrische Verbrennung benötigten Luftmenge im zweiten Massenstrom ist, und wenn der erste Massenstrom rückgeführtes Abgas als Kühlgas enthält. Hierbei gilt für die gestrichelten Kurven, daß die zugeführte Verbrennungsluft eine Temperatur von 20° C hat und daß das als Kühlgas dienende Abgas die jeweils an den gestrichelten Kurven angegebene Temperatur T 2 hat.The dashed curves of a second family of curves show in FIG. 1 the combustion temperatures that occur as a function of the mass flow ratio e, if the first mass flow of the mass flow ratio defined above contains an air quantity that is equal to the air quantity required for stoichiometric combustion in the second mass flow, and if the first mass flow contains recirculated exhaust gas as cooling gas. It applies to the dashed curves that the supplied combustion air has a temperature of 20 ° C and that the exhaust gas serving as cooling gas has the temperature T 2 indicated in each case on the dashed curves.

Die gestrichelten Kurven stellen lediglich ein Beispiel für die Bestimmung der theoretischen Verbrennungstemperatur beziehungsweise des Massenstromverhältnisses dar. Der Übersichtlichkeit halber wurde darauf verzichtet, die entsprechenden Kurven für diejenigen Fälle darzustellen, daß unterschiedlich temperierter Wasserdampf als Kühlgas verwendet wird oder daß ein unterschiedlich temperiertes Kühlgas mit Verbrennungsluft von anderer Temperatur als 20° C vermischt wird. Solche Kurven können unter Verwendung der in einschlägigen Handbüchern und dergleichen veröffentlichten spezifischen Daten errechnet beziehungsweise dargestellt werden.The dashed curves represent only an example for the determination of the theoretical combustion temperature or the mass flow ratio. For the sake of clarity, the corresponding curves have not been shown for cases in which differently tempered water vapor is used as cooling gas or that a differently tempered cooling gas with combustion air from temperature other than 20 ° C is mixed. Such curves can be calculated using the specific data published in relevant manuals and the like.

Aus Figur 1 ist zu entnehmen, daß zum Erreichen einer theoretischen Verbrennungstemperatur von zum Beispiel 1.3000 C bei Verwendung nur von Verbrennungsluft von 20° C zugleich als Kühlgas (unterste durchgezogene Kurve) das Massenstromverhältnis e = 1,74 beträgt, während bei Verwendung von Verbrennungsluft von 20° C vermischt mit Abgas von 100° C als Kühlgas (unterste gestrichelte Kurve) das Massenstromverhältnis e = 1,70 ist.From Figure 1 it can be seen that is to achieve a theoretical combustion temperature of, for example 1300 0 C by using only the combustion air of 20 ° C at the same time as the cooling gas (bottom solid curve) the mass flow ratio e = 1.74, while the use of combustion air of 20 ° C mixed with exhaust gas of 100 ° C as the cooling gas (bottom dashed curve) the mass flow ratio e = 1.70.

Bei Versuchen, die sowohl im Labor als auch im betriebsmäßigen Einsatz durchgeführt wurden, wurden NOx-Werte von 1,5 ppm (luftfrei, trocken) bei Verwendung von Erdgas als Brennstoff und Luft als Verbrennungs- und Kühlgas erzielt, wobei eine theoretische Verbrennungstemperatur von 1.300° C eingestellt wurde. Das zeigt, daß die weiter oben genannten theoretischen Werte in der Praxis weitgehend erreicht werden. Bei den bisher üblichen Brennern beträgt der NOx-Gehalt im Abgas durchschnittlich 50 - 500 ppm (luftfrei, trocken).Experiments carried out both in the laboratory and in operational use have shown NO x values of 1.5 ppm (air-free, dry) when using natural gas as fuel and air as combustion and cooling gas, with a theoretical combustion temperature of 1,300 ° C was set. This shows that the theoretical values mentioned above are largely achieved in practice. In the hitherto conventional burners, the NO x content in the exhaust gas is on average from 50 to 500 ppm (free of air, dry).

Bei niedrigen Verbrennungstemperaturen (bei Erdgas zum Beispiel unter ca. 1.6000 C) wird die Verbrennungsgeschwindigkeit jedoch schon so gering, daß die Verbrennung instabil verlaufen kann und daß eine weitere Abkühlung der Flamme leicht zur Stabilisierung von Verbrennungszwischenprodukten wie 00 und Formaldehyd führen kann. Diese Schwierigkeiten werden vermieden, wenn der Brenner erfindungsgemäß ausgebildet ist.At low combustion temperatures (natural gas, for example, below approx. 1,600 ° C.), the combustion rate becomes so low that the combustion can be unstable and that further cooling of the flame can easily stabilize combustion intermediates such as 00 and formaldehyde. These difficulties are avoided if the burner is designed according to the invention.

Der erfindungsgemäße Brenner ist geeignet für alle Brennstoffe, die vor der Verbrennung gas- oder dampfförmig vorliegen und die homogen mit der Verbrennungsluft und dem Kühlgas vermischt werden könnten. Der Brenner kann sowohl unter Normaldruck als auch unter erhöhtem Druck betrieben werden.The burner according to the invention is suitable for all fuels which are in gaseous or vapor form before combustion and which could be mixed homogeneously with the combustion air and the cooling gas. The burner can be operated under normal pressure as well as under increased pressure.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brenners ist in Figur 2 dargestellt. Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie der Brenner beschrieben.An embodiment of the burner according to the invention is shown in Figure 2. The method according to the invention and the burner are described below.

Dem Mischrohr 1 müssen Brennstoff 2, Verbrennungsluft 3 und Kühlgas 4 zugeführt werden. Die Verbrennungsluft wird dem Mischrohr beispielsweise durch ein in Figur 2 nicht näher dargestelltes Gebläse zugeführt.The mixing tube 1 must be supplied with fuel 2, combustion air 3 and cooling gas 4. The combustion air is fed to the mixing tube, for example, by a blower, not shown in FIG. 2.

Wenn Luft als Kühlgas verwendet wird, wird diese Luft auf gleiche Weise zugeführt. Wenn Abgas oder Wasserdampf als Kühlgas dienen, können diese gemeinsam mit der Verbrennungsluft durch ein Gebläse gefördert werden, wenn ihre Temperatur beziehungsweise die Temperatur des Luft-Kühlgas-Gemisches für das Gebläse zulässig ist. Anderenfalls kann das Kühlgas ebenso wie der Brennstoff dem Mischrohr direkt, zum Beispiel durch Injektorwirkung, zugeführt werden. Zur Verkürzung des Mischrohres kann auch der Brennstoff vor dem Gebläse zugeführt werden.If air is used as the cooling gas, this air is supplied in the same way. If exhaust gas or water vapor serve as cooling gas, these can be conveyed together with the combustion air by a fan if their temperature or the temperature of the air-cooling gas mixture is permissible for the fan. Otherwise, the cooling gas and the fuel can be fed directly to the mixing tube, for example by the action of an injector. To shorten the mixing tube, the fuel can also be fed upstream of the blower.

An das Mischrohr 1 schließt sich der Brennerkopf 5 an, dessen Querschnitt 6 am Anschluß an das Mischrohr 1 beispielsweise das 2-fache des Mischrohrquerschnittes beträgt. Durch diesen sprunghaften Übergang auf einen größeren Strömungsquerschnitt wird eine Abrißkante für die Strömung gebildet. Der Brennerkopf 5 erweitert sich danach konisch auf beispielsweise das 4,5―fache des Mischrohrquerschnittes. Statt der dargestellten Kegelform des Brennerkopfmantels sind auch gekrümmte Mantelformen möglich. Am Ende des Brennerkopfes ist eine Brennerplatte 7 angeordnet, die eine große Hauptflammen-Bohrung 8 und mehrere kleine Bohrungen 9 aufweist, die in mehreren konzentrischen Ringen um die Hauptflammen-Bohrung 8 angeordnet sind und zur Bildung der Halteflammen dienen. Je nach Größe des Brennerkopfes können mehrere Hauptflammen-Bohrungen in der Brennerplatte vorhanden sein. Außerdem können die kleinen Bohrungen 9 durch entsprechende schlitzförmige Öffnungen ersetzt werden. Die Brennerplatte kann sowohl aus Metall als auch aus keramischem Material bestehen. Die Abstände der Halteflammen-Bohrungen 9, die zusammen einen etwas geringeren freien Querschnitt als die Hauptflammen-Bohrung 8 haben, werden so gewählt, daß sie eine einwandfreie Überzündung von den äußersten Halteflammen zur Hauptflamme und eine gegenseitige Stabilisierung der Halteflammen gewährleisten. Während die Hauptflammen-Bohrung 8 parallel zur Brennerachse verläuft, sind mindestens die Halteflammen-Bohrungen 9, die sich im äußersten Ring befinden, in einem Winkel von beispielsweise etwa 40° zur Brennerachse geneigt. Der äußerste Halteflammen-Ring wird auf diese Weise durch Rückströmungen an der zylindrischen Wand des Brennermundes 10, der sich an die Brennerplatte 7 anschließt, stabilisiert.The burner head 5 connects to the mixing tube 1, its cross section 6 at the connection to the mixing tube 1 is, for example, 2 times the cross-section of the mixing tube. This abrupt transition to a larger flow cross-section forms a tear-off edge for the flow. The burner head 5 then widens conically to, for example, 4.5 times the cross section of the mixing tube. Instead of the conical shape of the burner head jacket shown, curved jacket shapes are also possible. At the end of the burner head, a burner plate 7 is arranged, which has a large main flame bore 8 and a plurality of small bores 9, which are arranged in several concentric rings around the main flame bore 8 and serve to form the holding flames. Depending on the size of the burner head, there may be several main flame holes in the burner plate. In addition, the small bores 9 can be replaced by corresponding slot-shaped openings. The burner plate can consist of both metal and ceramic material. The distances between the holding flame bores 9, which together have a slightly smaller free cross-section than the main flame bore 8, are selected so that they ensure a proper ignition from the outermost holding flames to the main flame and a mutual stabilization of the holding flames. While the main flame bore 8 runs parallel to the burner axis, at least the holding flame bores 9, which are in the outside Most ring are inclined at an angle of, for example, about 40 ° to the burner axis. The outermost flame ring is stabilized in this way by backflows on the cylindrical wall of the burner mouth 10, which adjoins the burner plate 7.

Der Brennermund 10 ist nur ein kurzes Stück zylindrisch ausgeführt und verjüngt sich dann konisch, beispielsweise auf das 2,9-fache des Mischrohrquerschnittes. Die Mantelfläche des Brennermundes kann analog dem Brennerkopf entweder kegelförmig, wie in Figur 2 dargestellt, oder gewölbt ausgeführt sein. Auch die Brennerplatte 7 kann statt der dargestellten ebenen Form kegelförmig oder gewölbt ausgeführt sein.The burner mouth 10 is only a short piece cylindrical and then tapers conically, for example to 2.9 times the cross-section of the mixing tube. Analogously to the burner head, the lateral surface of the burner mouth can either be conical, as shown in FIG. 2, or curved. The burner plate 7 can also be made conical or curved instead of the flat shape shown.

Um die entstehende Flamme vor einer Abkühlung von außen zu schützen und um ein unerwünschtes Eindringen von Fremdgasen in den Flammen- bzw. Verbrennungsbereich zu verhindern, was die eingangs beschriebenen negativen Wirkungen zur Folge hätte, ist der Brennermund 10 mit einer Flammenschutzhülle 11 verbunden. In Figur 2 ist sie als zylindrisches Rohr dargestellt, dessen Innendurchmesser dem größten Außendurchmesser der freibrennenden Flamme entspricht. Eine andere, nicht dargestellte vorteilhafte Ausführungsform der Flammenschutzhülle besteht aus einem konisch erweiterten und anschließend zylindrischen Rohr, welches also der Flammenform angepaßt ist. Die Flammenschutzhülle wird derart alisgebilddet, daß sie die Flamme nicht behindert beziehungsweise einengt. Die Flammenschutzhülle 11 verhindert, daß die Flamme durch Berührung mit Luft und/oder Abgas aus der Umgebung weiter abgekühlt wird und dadurch am vollständigen Ausbrand gehindert würde. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Brennermund 10 und die Flammenschutzhülle 11 innen mit einem katalytisch unwirksamen Material oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen mit einer Wärmeisolierung, zum Beispiel Keramik, auszukleiden. Die Aufgabe einer Flammenschutzhülle kann auch eine Brennkammer erfüllen, die keine Nutzwärme abführt und in der die Flamme vollständig ausbrennen kann.In order to protect the resulting flame from cooling from the outside and to prevent undesired penetration of foreign gases into the flame or combustion area, which would have the negative effects described at the outset, the burner mouth 10 is connected to a flame protection cover 11. In Figure 2 it is shown as a cylindrical tube, the inside diameter of which corresponds to the largest outside diameter of the free-burning flame. Another advantageous embodiment, not shown, of the flame protection cover consists of a conically widened and subsequently cylindrical tube, which is therefore adapted to the shape of the flame. The flame protection cover is so formed that it does not hinder or restrict the flame. The flame protection cover 11 prevents the flame from being cooled further by contact with air and / or exhaust gas from the environment and would thereby be prevented from completely burning out. It has proven to be advantageous to line the burner mouth 10 and the flame protection sleeve 11 on the inside with a catalytically ineffective material or at low ambient temperatures with thermal insulation, for example ceramic. A combustion chamber that does not dissipate useful heat can also fulfill the task of a flame protection cover and in which the flame can burn out completely.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, homogene Gemische der genannten Art mit sehr hohen Massenstromverhältnissen betriebssicher und schadstoffarm zu verbrennen. Durch Einstellung des Massenstromverhältnisses kann in der zuvor beschriebenen Weise eine gewünschte Verbrennungstemperatur eingestellt werden. Dadurch, daß die Vermischung der Brennergase mit Fremdgasen, zum Beispiel Luft oder Abgas, die in der Umgebung des Brenners vorhanden sind, weitestgehend vermieden wird, bleibt die Flammentemperatur so homogen, daß die thermische NOx-Bildung weitgehend der NOx-Bildung bei der theoretischen Verbrennungstemperatur entspricht.With the method according to the invention it is possible for the first time to burn homogeneous mixtures of the type mentioned with very high mass flow ratios in a reliable manner and with low pollutants. By setting the mass flow ratio, a desired combustion temperature can be set in the manner described above. Because the mixing of the burner gases with foreign gases, for example air or exhaust gas, which are present in the vicinity of the burner, is largely avoided, the flame temperature remains so homogeneous that the thermal NO x formation largely corresponds to the formation of the NO x corresponds to the theoretical combustion temperature.

Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich trotz einfachster Konstruktion unter anderem durch eine leise, stabile, schadstoffarme Verbrennung über einen großen Leistungsbereich aus.Despite the simplest construction, the burner according to the invention is characterized, among other things, by a quiet, stable, low-pollutant combustion over a large output range.

Die Anwendungsmöglichkeiten für den Erfindungsgegenstand sind außerordentlich vielseitig. Dazu gehören beispielsweise die Erzeugung von Abgas-Luft-Gemischen zur Erwärmung und Trocknung von Lebensmitteln, die Beheizung von Kesseln und Industrieöfen der verschiedensten Art sowie die Erzeugung von Antriebsgas für Gasturbinen. In allen diesen Fällen kann wegen des ungewöhnlich geringen NO - Gehaltes im Abgas der Erfindungsgegenstand einen wertvollen Beitrag zur Luftreinhaltung leisten.The possible uses for the subject matter of the invention are extremely versatile. These include, for example, the generation of exhaust gas-air mixtures for heating and drying food, the heating of boilers and industrial ovens of all kinds and the generation of drive gas for gas turbines. In all of these cases, because of the unusually low NO content in the exhaust gas, the subject of the invention can make a valuable contribution to air pollution control.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb von Vormischbrennern unter normalem oder erhöhtem Druck mit gasförmigen Brennstoffen, oder mit bei Normaltemperatur flüssigen und vor der Verbrennung vollständig verdampften Brennstoffen, bei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung schadstoffarmer Abgase, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brenner ein homogenes Gemisch zugeführt wird, welches aus dem gas- bzw. dampfförmigen Brennstoff, einer zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs benötigten Verbrennungsluftmenge und einer zur Einstellung der Verbrennungstemperatur von 1.100° C bis 1.700° C, vorzugsweise 1.200° C bis 1.300° C, dienenden Kühlgasmenge besteht, daß die Verbrennung in mindestens einer zentralen Hauptflamme, welche von mehreren Halteflammen-Ringen umgeben ist, stattfindet, und daß die entstehende Flamme bis zum vollständigen Ausbrand gegen Zutritt von Umgebungsluft und/oder Abgas sowie gegen Abkühlung oder Erwärmung geschützt ist. 1. Method for operating premix burners under normal or elevated pressure with gaseous fuels, or with fuels which are liquid at normal temperature and completely vaporized before combustion, at low combustion temperatures with formation of low-emission gases, characterized in that that the burner is supplied with a homogeneous mixture consisting of the gaseous or vaporous fuel, a quantity of combustion air required for the complete combustion of the fuel and one for setting the combustion temperature from 1,100 ° C to 1,700 ° C, preferably 1,200 ° C to 1,300 ° C serving cooling gas quantity, that the combustion takes place in at least one central main flame, which is surrounded by several holding flame rings, and that the resulting flame is protected against the entry of ambient air and / or exhaust gas as well as against cooling or heating until it is completely burned out. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas Luft und/oder Abgas und/oder Wasserdampf verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that air and / or exhaust gas and / or water vapor is used as the cooling gas. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Kühlgases 20 % bis 600 % der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes benötigten Luftmenge beträgt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the amount of cooling gas is 20% to 600% of the amount of air required for complete combustion of the fuel. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Mischrohr (1) mit Zuleitungen für den Brennstoff (2), für die Verbrennungsluft (3) und für das Kühlgas (4), einen an das Mischrohr (1) sich anschließenden Brennerkopf (5), dessen Querschnitt (6) am Anschluß an das Mischrohr (1) das 1,1- bis 3,8-fache, vorzugsweise das 1,8- bis 2,7-fache, des Misohrohrquerschnittes beträgt und dessen Querschnitt sich danach auf das 2,0- bis 6,8-fache, vorzugsweise auf das 3,2- bis 4,8-fache, des Misohrohrquerschnittes erweitert, eine Brennerplatte (7), die sich am erweiterten Ende des Brennerkopfes (5) befindet und die mindestens eine große Hauptflammen-Bohrung (8) aufweist, die parallel zur Brennerachse verläuft, sowie mehrere kleine Halteflammen-Öffnungen (9) enthält, die in mehreren konzentrischen Ringen um die Hauptflammen-Bohrung (8) verlaufen und von denen mindestens die Halteflammen-Öffnungen im äußersten Ring unter einem Winkel von 10° bis 70°, vorzugsweise 25° bis 45°, zur Brennerachse verlaufen, einen an die Brennerplatte (7) sich anschließenden Brennermund (10) gleichen Querschnittes, der zunächst zylindrisch ausgebildet ist und sich dann auf das 1,4- bis 4,9-fache, vorzugsweise 2,3- bis 3,5-fache, des Mischrohrquerschnittes verengt, eine Flammenschutzhülle (11), die die Flamme umgibt und deren Innendurchmesser dem größten Außendurchmesser der freibrennenden Flamme entspricht. 4. Device for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized by a mixing tube (1) with feed lines for the fuel (2), for the combustion air (3) and for the cooling gas (4), a burner head (5) adjoining the mixing tube (1), the cross section (6) of which at the connection the mixing tube (1) is 1.1 to 3.8 times, preferably 1.8 to 2.7 times, the miso tube cross-section and the cross-section thereafter is 2.0 to 6.8 times , preferably expanded to 3.2 to 4.8 times the misohole cross section, a burner plate (7) which is located at the enlarged end of the burner head (5) and which has at least one large main flame bore (8) which runs parallel to the burner axis, and contains several small holding flame openings (9) which are in several concentric rings run around the main flame bore (8) and of which at least the holding flame openings in the outermost ring run at an angle of 10 ° to 70 °, preferably 25 ° to 45 °, to the burner axis, a burner mouth (10) of the same cross-section adjoining the burner plate (7), which is initially cylindrical and then 1.4 to 4.9 times, preferably 2.3 to 3.5 times, the Mixing tube cross section narrowed, a flame protection sleeve (11) which surrounds the flame and whose inside diameter corresponds to the largest outside diameter of the free-burning flame. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenschutzhülle (11) aus einem zylindrischen Rohr besteht.5. The device according to claim 4, characterized in that the flame protection cover (11) consists of a cylindrical tube. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenschutzhülle (11) aus einem zunächst konisch erweiterten und anschließend zylindrischen Rohr besteht.6. The device according to claim 4, characterized in that the flame protection cover (11) consists of an initially conically expanded and then cylindrical tube. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermund (10) und die Flammenschutzhülle (11) einen Teil der Brennkammer bilden, die praktisch keine Nutzwärme abführt.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the burner mouth (10) and the flame protection cover (11) form part of the combustion chamber, which dissipates practically no useful heat. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennermund (10) und die Flammenschutzhülle (11) innen mit einem katalytisch unwirksamen Material ausgekleidet sind.8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that
that the burner mouth (10) and the flame protection cover (11) are lined on the inside with a catalytically inactive material. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (7), der Brennermund (10) und die Flammenschutzhülle (11) mit keramischem Material ausgekleidet bzw. aus keramischem Material hergestellt sind.9. The device according to claim 8, characterized in that the burner plate (7), the burner mouth (10) and the flame protection cover (11) are lined with ceramic material or are made of ceramic material.
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