EP0521522A2 - Burner with reduced emission of pollutant - Google Patents

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EP0521522A2
EP0521522A2 EP92111336A EP92111336A EP0521522A2 EP 0521522 A2 EP0521522 A2 EP 0521522A2 EP 92111336 A EP92111336 A EP 92111336A EP 92111336 A EP92111336 A EP 92111336A EP 0521522 A2 EP0521522 A2 EP 0521522A2
Authority
EP
European Patent Office
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fuel
oxygen
combustion
burner
flame
Prior art date
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Ceased
Application number
EP92111336A
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German (de)
French (fr)
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EP0521522A3 (en
Inventor
Werner Dr. Dipl.-Ing. Stutzenberger
Wilfried Dipl.-Ing. Lissack
Erich Dipl.-Ing. Czajka
Arne Dipl.-Ing. Herfeld
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP0521522A2 publication Critical patent/EP0521522A2/en
Publication of EP0521522A3 publication Critical patent/EP0521522A3/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other

Definitions

  • nitrogen oxides essentially arise from the molecular nitrogen present in the air and from the nitrogen bound in the fuel.
  • Thermal nitrogen oxide is generated in the area of the flame root or in hot flame zones at temperatures above 1300 ° C from dissociated oxygen and nitrogen molecules.
  • the thermal NO x formation depends on the concentration of the molecular nitrogen and the dissociated oxygen and strongly on the temperature.
  • the oxygen concentration of the combustion air or the oxidizing gas is primarily decisive. The air ratio is therefore a major influencing factor in both cases.
  • Oxygen-enriched air or pure oxygen are therefore used as the oxidizing gas in order to minimize the supply of nitrogen.
  • this results in higher flame temperatures and a higher oxygen partial pressure.
  • To reduce the oxygen supply use is made of the return of burned-out exhaust gases to the combustion air or the oxidizing gas, which on the one hand reduces the oxygen content by dilution, and on the other hand lowers the combustion temperature due to the exhaust gas ballast, which extracts heat from the flame.
  • the supply of cooled exhaust gases in the area of the flame root is efficient.
  • Cooling burner inserts are also used to lower the flame temperature. Staged combustion is also suitable for the same purpose (Gas Crest International, 39 (1990), No. 6, June). Cooling burner inserts that are introduced into the flame must have certain geometries, be made of special materials and be attached exactly to the burner. If these burner inserts are not optimally adapted to the burner and the combustion, the flame can either be insufficiently cooled without significant NO x reduction or the flame temperature can be lowered too much, which is associated with high CO emissions.
  • Stage combustion burners point downstream, i.e. in the direction of the flame, drawn supply channels for the combustion air or the oxidizing gas, which allow access to only a small amount of oxygen through primary air openings in the lower part near the burner, and in the upper part through secondary and tertiary air openings to allow access to the corresponding amount of near-stoichiometric combustion.
  • the flame temperature remains far below that occurring in single-stage combustion.
  • This step combustion implemented with so-called “secondary air obstacles” in the combustion air supply duct, has the disadvantages that these obstacles, which surround the burner in the form of a jacket, are exposed to severe heat, since they are located downstream of the fuel gas opening, and that the mold the casing has a strong influence on the CO emission, which must be determined before the burner is used and which makes many embodiments unusable because of the excessive CO emissions.
  • each supply channel for the fuel is attached to protrude a distance of length L over the end of each supply channel for the oxygen or the oxygen-containing gas.
  • the burner according to the invention consists, for example, of a central feed channel for the fuel and a plurality of feed channels, concentrically surrounding this, for the oxygen-containing oxidation gas.
  • these oxidizing gas jets emerging from the individual nozzles can suck in exhaust gases from the furnace space, that is to say also inert combustion products, before they are mixed with the fuel jet, due to the suction effect of these jets.
  • the longer the protruding distance of the fuel supply channel the more the partial pressure of oxygen is reduced due to the thinning that occurs.
  • the flame temperature can be reduced and substoichiometric combustion can be ensured over a wide range, as a result of which nitrogen oxide formation is effectively counteracted.
  • the length L of the protruding distance of the supply channel for the fuel is a multiple, preferably at least 8 times, of the diameter d h of the supply channel for the oxygen or the oxygen-containing gas.
  • the length L of the protruding distance is 8 times the diameter d h , a strong onset of lowering the emitted nitrogen oxides. An increasing decrease occurs with increasing length L.
  • the end piece of each supply channel for the fuel is designed to widen conically on its outside.
  • This widened end piece represents an obstacle to the oxidizing gas jet escaping with a large impulse, on which part of this jet is braked.
  • This reduction in momentum and the simultaneous swirling increase the quality of the mixing of the fuel with the oxidizing gas and the stability of the flame.
  • the diameter D at the end of the conically widened end piece of each supply channel for the fuel is at least 1.3 times the inner diameter dg of the supply channel for the fuel.
  • these diameters are again to be understood as hydraulic diameters.
  • a small part of the oxidizing gas flowing past the widened end piece of the fuel supply duct is passed through these bores and then directly hits the fuel jet at the burner mouth.
  • the amount of oxygen that passes through these holes is determined by the diameter of the holes and is dimensioned such that a substoichiometric combustion occurs directly at the flame root. The flame is held stable at the burner mouth and burns there with a low flame temperature.
  • the part of the oxidizing gas jet deflected at the widened end piece finally mixes with the remaining fuel in the escaping flame and burns it with the air number x increasing downstream.
  • the main part of the flame then burns close to stoichiometry (x approximately 1.05) with lower flame temperatures than with single-stage combustion.
  • the burner according to the invention allows the processes known for nitrogen oxide reduction, such as stage combustion, exhaust gas recirculation, lowering the combustion temperature, uniform mixing of fuel and oxidizing gas, to be implemented simultaneously by means of the features described and is therefore excellently suited for furnace firing while observing the tightened limit values for nitrogen oxides and carbon monoxide .
  • FIG. 1 schematically shows the average of a side view of an embodiment of the burner according to the invention.
  • Figure 2 shows the view of the burner mouth.
  • Figure 1 shows an embodiment of the burner according to the invention with the central feed channel 1 for the fuel natural gas and surrounding feed channels 2 for the oxidizing gas, as which oxygen is used.
  • the feed channel 1 projects beyond the ends of the feed channels 2 by a distance of length L.
  • the length L becomes approximately 19 times the diameter d h of the feed tion channels 2 selected.
  • the bores 3 are guided through the conically widening outer side of the end piece of the feed channel 1 for the fuel and allow a limited amount of oxidizing gas to flow through, which flows out of the feed channels 2.
  • the diameter D at the end of the conically widened end piece is approximately 2.5 times the inner diameter dg of the supply channel 1.
  • the oxygen jets emerging from the supply ducts 2 suck in cooled combustion gases which arise at the end of the flame, and thus ensure recirculation of combustion products in the furnace.
  • the part of this oxidizing gas flowing through the bores 3 mixes at the burner mouth with the fuel natural gas, and this mixture burns under-stoichiometrically there.
  • the supply channel 1 for the fuel can be cooled.
  • the use of the burner according to the invention produces an elongated, yellow, soft flame with a uniform temperature distribution without "hot spots". At the end, the flame burns with an air ratio of 1.05. The cooled combustion products sucked back and the staged combustion ensure a low temperature at the flame root.
  • the stage combustion can be realized in the burner according to the invention with much smaller length dimensions than was previously possible. Another advantage is the low-noise combustion operation.
  • Exhaust gas measurements during operation of the burner according to the invention with a firing capacity of 1 MW result in approximately 180 mg NO " / N M 3 exhaust gas and approximately 40 mg CO at an oven chamber temperature of approximately 1200 * C and an oxygen content in the exhaust gas of approximately 5% the corresponding TA-Luft limit values are hereby ensured.

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Abstract

A burner for low-pollutant combustion of a fuel with an oxidising agent is proposed, the end of each fuel feed channel being fitted, according to the invention, with a projection of a section of length L beyond the end of each feed channel for the oxidising agent. In this way, stagewise combustion and aspiration of furnace waste gases for reducing the flame temperature can be accomplished, especially in order to avoid the formation of nitrogen oxides. The emission of pollutants can be further reduced by conical widening of the outside of the end piece of this feed channel.

Description

Brenner, die eine reduzierte Emission an Schadstoffen, insbesondere an den umweltschädlichen Stickoxiden, aufweisen sollen, müssen einer Verbrennungstechnik angepaßt sein, die die Entstehung solcher Schadstoffe herabzusetzen sucht.Burners which are said to have a reduced emission of pollutants, in particular of the environmentally harmful nitrogen oxides, must be adapted to a combustion technology which attempts to reduce the formation of such pollutants.

Stickoxide entstehen beim Verbrennungsvorgang im wesentlichen aus dem in der Luft vorhandenen molekularen Stickstoff und aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff. Thermisches Stickoxid entsteht im Bereich der Flammenwurzel oder in heißen Flammenzonen bei Temperaturen oberhalb 1300 ° C aus dissoziierten Sauerstoff- und Stickstoff-Molekülen. Die thermische NOX-Bildung ist von der Konzentration des molekularen Stickstoffs sowie des dissoziierten Sauerstoffs und stark von der Temperatur abhängig. Für die Brennstoff- /NOx-Bildung ist in erster Linie die Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft bzw. des Oxidationsgases maßgebend. Somit ist in beiden Fällen die Luftzahl eine Haupteinflußgröße.During the combustion process, nitrogen oxides essentially arise from the molecular nitrogen present in the air and from the nitrogen bound in the fuel. Thermal nitrogen oxide is generated in the area of the flame root or in hot flame zones at temperatures above 1300 ° C from dissociated oxygen and nitrogen molecules. The thermal NO x formation depends on the concentration of the molecular nitrogen and the dissociated oxygen and strongly on the temperature. For the formation of fuel / NO x, the oxygen concentration of the combustion air or the oxidizing gas is primarily decisive. The air ratio is therefore a major influencing factor in both cases.

Untersuchungen zeigen, daß die Konzentration der Stickoxide mit der Ofenraumtemperatur steigt sowie exponentiell mit der Verbrennungslufttemperatur, ein Maximum im nahstöchiometrischen Verbrennungsbereich (Luftzahl ungefähr 1,1) besitzt und zum unter- und überstöchiometrischen Bereich (x = 0,6 bzw. = = 1,6) hin stark absinkt. Die Konzentration der Stickoxide kann durch Rezirkulation der Abgase gesenkt werden, wobei die NOx-Minderung exponentiell mit dem zurückgeführten Abgasstrom zusammenhängt (Gas Wärme International 38, (1989), Heft 10, Dezember).Studies show that the concentration of nitrogen oxides increases with the furnace chamber temperature and exponentially with the combustion air temperature, has a maximum in the near-stoichiometric combustion range (air ratio approximately 1.1) and to the sub-stoichiometric range (x = 0.6 or = = 1, 6) drops sharply. The concentration of the nitrogen oxides can be reduced by recirculating the exhaust gases, the NO x reduction being exponentially related to the exhaust gas stream being returned (Gas Wärme International 38, (1989), number 10, December).

In der Verbrennungstechnik wird zur Reduktion der Stickoxide eine Erniedrigung der Sauerstoff-und Stickstoff-Partialdrücke und der Verbrennungstemperatur angestrebt.In combustion technology, a reduction in the oxygen and nitrogen partial pressures and the combustion temperature is aimed at in order to reduce the nitrogen oxides.

Als Oxidationsgas werden deshalb sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff verwendet, um das Angebot an Stickstoff zu minimieren. Dies hat jedoch höhere Flammentemperaturen und einen höheren Sauerstoff-Partialdruck zur Folge. Zur Senkung des Sauerstoffangebots macht man von der Rückführung ausgebrannter Abgase in die Verbrennungsluft bzw. das Oxidationsgas Gebrauch, wodurch einerseits der Sauerstoffgehalt durch Verdünnung reduziert wird, andererseits die Verbrennungstemperatur aufgrund des Abgasballastes abgesenkt wird, der der Flamme Wärme entzieht. Effizient ist hierbei die Zufuhr abgekühlter Abgase in den Bereich der Flammenwurzel.Oxygen-enriched air or pure oxygen are therefore used as the oxidizing gas in order to minimize the supply of nitrogen. However, this results in higher flame temperatures and a higher oxygen partial pressure. To reduce the oxygen supply, use is made of the return of burned-out exhaust gases to the combustion air or the oxidizing gas, which on the one hand reduces the oxygen content by dilution, and on the other hand lowers the combustion temperature due to the exhaust gas ballast, which extracts heat from the flame. The supply of cooled exhaust gases in the area of the flame root is efficient.

Auch kühlende Brennereinsätze kommen zur Erniedrigung der Flammentemperatur zur Anwendung. Geeignet zum gleichen Zweck ist auch die Stufenverbrennung (Gas Wärme International, 39 (1990), Heft 6, Juni). Kühlende Brennereinsätze, die in die Flamme eingebracht werden, müssen bestimmte Geometrien aufweisen, aus besonderen Materialien gefertigt sein und exakt am Brenner angebracht werden. Sind diese Brennereinsätze nicht optimal an den Brenner und die Verbrennung angepaßt, kann es entweder nur zu einer mangelnden Kühlung der Flamme ohne wesentliche NOx-Minderung oder aber zu einer zu starken Senkung der Flammentemperatur kommen, womit eine hohe CO-Emission verbunden ist.Cooling burner inserts are also used to lower the flame temperature. Staged combustion is also suitable for the same purpose (Gas Wärme International, 39 (1990), No. 6, June). Cooling burner inserts that are introduced into the flame must have certain geometries, be made of special materials and be attached exactly to the burner. If these burner inserts are not optimally adapted to the burner and the combustion, the flame can either be insufficiently cooled without significant NO x reduction or the flame temperature can be lowered too much, which is associated with high CO emissions.

Brenner zur Stufenverbrennung weisen stromabwärts, d.h. in Flammenrichtung, gezogene Zuleitungskanäle für die Verbrennungsluft bzw. das Oxidationsgas auf, die durch Primärluftöffnungen im unteren brennernahen Teil den Zutritt einer nur geringen Sauerstoffmenge, im oberen Teil durch Sekundär- und Tertiärluftöffnungen den Zutritt der nahstöchiometrischen Verbrennung entsprechenden Sauerstoffmenge erlauben. Die Flammentemperatur bleibt dadurch weit unterhalb der bei einstufiger Verbrennung auftretenden.Stage combustion burners point downstream, i.e. in the direction of the flame, drawn supply channels for the combustion air or the oxidizing gas, which allow access to only a small amount of oxygen through primary air openings in the lower part near the burner, and in the upper part through secondary and tertiary air openings to allow access to the corresponding amount of near-stoichiometric combustion. As a result, the flame temperature remains far below that occurring in single-stage combustion.

Diese mit sogenannten "Sekundärluft-Hindernissen" in den Zufuhrkanal für die Verbrennungsluft verwirklichte Stufenverbrennung hat die Nachteile, daß diese Hindernisse, die den Brenner in Form einer Ummantelung umgeben, starker Hitzeeinwirkung ausgesetzt sind, da sie stromabwärts von der Brenngasöffnung liegen, und daß die Form der Ummantelung starken Einfluß auf die CO-Emission hat, die jeweils vor Einsatz des Brenners bestimmt werden muß und viele Ausführungsformen wegen zu hohen CO-Emissionen unbrauchbar macht.This step combustion, implemented with so-called "secondary air obstacles" in the combustion air supply duct, has the disadvantages that these obstacles, which surround the burner in the form of a jacket, are exposed to severe heat, since they are located downstream of the fuel gas opening, and that the mold the casing has a strong influence on the CO emission, which must be determined before the burner is used and which makes many embodiments unusable because of the excessive CO emissions.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es folglich, einen verbesserten Brenner zu entwickeln, der die geschilderten Möglichkeiten zur Reduktion von Schadstoffen optimal auszunutzen gestattet und die genannten Nachteile bekannter Brennerausführungen vermeidet.It is therefore an object of the present invention to develop an improved burner which allows the described possibilities for reducing pollutants to be optimally used and avoids the disadvantages of known burner designs.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ende eines jeden Zuleitungskanals für den Brennstoff um eine Strecke der Länge L über das Ende eines jeden Zuleitungskanals für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas überstehend angebracht ist.This object is achieved in that the end of each supply channel for the fuel is attached to protrude a distance of length L over the end of each supply channel for the oxygen or the oxygen-containing gas.

Der erfindungsgemäße Brenner besteht beispielsweise aus einem zentralen Zuleitungskanal für den Brennstoff und mehreren, diesen konzentrisch umgebenden Zuleitungskanälen für das sauerstoffhaltige Oxidationsgas. Dadurch, daß der Zuleitungskanal für den Brennstoff überstehend angebracht ist, können diese aus den einzelnen Düsen austretenden Oxidationsgasstrahlen durch die entstehende Saugwirkung dieser Strahlen vor der Mischung mit dem Brennstoffstrahl Abgase des Ofenraums, also auch inerte Verbrennungsprodukte, ansaugen. Je länger die überstehende Strecke des Brennstoff-Zuleitungskanals, desto stärker wird der Sauerstoff-Partialdruck aufgrund der eintretenden Verdünnung vermindert.The burner according to the invention consists, for example, of a central feed channel for the fuel and a plurality of feed channels, concentrically surrounding this, for the oxygen-containing oxidation gas. Characterized in that the supply channel for the fuel is protruding, these oxidizing gas jets emerging from the individual nozzles can suck in exhaust gases from the furnace space, that is to say also inert combustion products, before they are mixed with the fuel jet, due to the suction effect of these jets. The longer the protruding distance of the fuel supply channel, the more the partial pressure of oxygen is reduced due to the thinning that occurs.

Diese sich stromabwärts verbreiternden sauerstoffhaltigen Strahlen, die den zentralen Brennstoffstrahl beispielsweise umgeben, sichern außerdem lange Mischungswege, die eine gleichmäßige Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsgas garantieren und die Bildung von "hot spots", d.h. heißen Flammenzonen, vermeiden.These widening downstream Material-containing jets that surround the central fuel jet, for example, also ensure long mixing paths, which guarantee a uniform mixing of fuel and oxidizing gas and avoid the formation of "hot spots", ie hot flame zones.

Weiterhin kann durch das Ansaugen inerter Verbrennungsprodukte die Flammentemperatur gesenkt und über einen großen Bereich eine unterstöchiometrische Verbrennung gewährleistet werden, wodurch insgesamt wirkungsvoll einer Stickoxidbildung entgegengewirkt wird.Furthermore, by sucking in inert combustion products, the flame temperature can be reduced and substoichiometric combustion can be ensured over a wide range, as a result of which nitrogen oxide formation is effectively counteracted.

Vorteilhaft wirkt sich aus, wenn die Länge L der überstehenden Strecke des Zuleitungskanals für den Brennstoff ein Vielfaches, vorzugsweise mindestens das 8-fache, des Durchmessers dh des Zuleitungskanals für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas beträgt.It has an advantageous effect if the length L of the protruding distance of the supply channel for the fuel is a multiple, preferably at least 8 times, of the diameter d h of the supply channel for the oxygen or the oxygen-containing gas.

Bei einem üblichen Abstand der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas vom Zuleitungskanal für den Brennstoff von etwa dem 1- bis 3-fachen des Durchmessers dh der Oxidationsgaskanäle ergibt sich bereits bei einer Länge L der überstehenden Strecke, die das 8-fache des Durchmessers dh beträgt, eine stark einsetzende Absenkung der emittierten Stickoxide. Eine zunehmende Absenkung tritt mit steigender Länge L auf.With a usual distance of the supply channels for the oxidizing gas from the supply channel for the fuel of approximately 1 to 3 times the diameter d h of the oxidizing gas channels, the length L of the protruding distance is 8 times the diameter d h , a strong onset of lowering the emitted nitrogen oxides. An increasing decrease occurs with increasing length L.

Unter dem Durchmesser dh ist hier und im folgenden der sogenannte hydraulische Durchmesser der Öffnungen der Zuleitungskanäle für das Oxidationsgas gemeint. Dieser hydraulische Durchmesser errechnet sich aus dem Vierfachen der Querschnittsfläche A geteilt durch den Umfang U der Zuleitungskanäle, also dh = 4A/U. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß auch Zuleitungskanäle, die keinen kreisrunden Öffnungsquerschnit aufweisen, zum Einsatz kommen können.Here and below, the diameter d h means the so-called hydraulic diameter of the openings of the supply channels for the oxidizing gas. This hydraulic diameter is calculated from four times the cross-sectional area A divided by the circumference U of the supply channels, ie d h = 4A / U. This takes into account the fact that supply channels that do not have a circular opening cross section can also be used.

In einer vorteilhaften Variante ist das Endstück eines jeden Zuleitungskanals für den Brennstoff an seiner Außenseite sich konisch verbreiternd ausgebildet.In an advantageous variant, the end piece of each supply channel for the fuel is designed to widen conically on its outside.

Dieses verbreiterte Endstück stellt ein Hindernis für den mit großem Impuls austretenden Oxidationsgasstrahl dar, an dem ein Teil dieses Strahls abgebremst wird. Diese Impulsverminderung und die gleichzeitig auftretende Verwirbelung erhöht die Qualität der Durchmischung des Brennstoffs mit dem Oxidationsgas und die Stabilität der Flamme.This widened end piece represents an obstacle to the oxidizing gas jet escaping with a large impulse, on which part of this jet is braked. This reduction in momentum and the simultaneous swirling increase the quality of the mixing of the fuel with the oxidizing gas and the stability of the flame.

Vorzugsweise beträgt der Durchmesser D am Ende des konisch verbreiterten Endstücks eines jeden Zuleitungskanals für den Brennstoff mindestens das 1,3-fache des inneren Durchmessers dg des Zuleitungskanals für den Brennstoff. Im Falle nichtkreisrunder Querschnitte sind diese Durchmesser wieder als hydraulische Durchmesser zu verstehen.Preferably, the diameter D at the end of the conically widened end piece of each supply channel for the fuel is at least 1.3 times the inner diameter dg of the supply channel for the fuel. In the case of non-circular cross sections, these diameters are again to be understood as hydraulic diameters.

Um das Prinzip der Stufenverbrennung noch stärker umzusetzen, ist es dabei von Vorteil, wenn durch das konisch verbreiterte Endstück eines jeden Zuleitungskanals für den Brennstoff eine oder mehrere Bohrungen geführt sind.In order to implement the principle of stage combustion even more, it is advantageous if one or more bores are run through the conically widened end piece of each supply duct for the fuel.

Durch diese Bohrungen wird ein kleiner Teil des an dem verbreiterten Endstück des Brennstoff-Zuleitungskanals vorbeiströmenden Oxidationsgases hindurchgeleitet, der dann direkt auf den Brennstoffstrahl am Brennermund trifft. Die Menge an Sauerstoff, die durch diese Bohrungen tritt, wird durch den Durchmesser der Bohrungen festgelegt und derart bemessen, daß direkt an der Flammenwurzel eine unterstöchiometrische Verbrennung eintritt. Die Flamme wird stabil am Brennermund gehalten und brennt dort mit niedriger Flammentemperatur.A small part of the oxidizing gas flowing past the widened end piece of the fuel supply duct is passed through these bores and then directly hits the fuel jet at the burner mouth. The amount of oxygen that passes through these holes is determined by the diameter of the holes and is dimensioned such that a substoichiometric combustion occurs directly at the flame root. The flame is held stable at the burner mouth and burns there with a low flame temperature.

Der am verbreiterten Endstück umgelenkte Teil des Oxidationsgasstrahles mischt sich schließlich mit dem restlichen Brennstoff in der austretenden Flamme und verbrennt diesen mit stromabwärts zunehmender Luftzahl x. Der Hauptteil der Flamme brennt dann nahstöchiometrisch (x ungefähr 1,05) mit niedrigeren Flammentemperaturen als bei einstufiger Verbrennung.The part of the oxidizing gas jet deflected at the widened end piece finally mixes with the remaining fuel in the escaping flame and burns it with the air number x increasing downstream. The main part of the flame then burns close to stoichiometry (x approximately 1.05) with lower flame temperatures than with single-stage combustion.

Der erfindungsgemäße Brenner erlaubt es, die zur Stickoxidreduzierung bekannten Verfahren, wie Stufenverbrennung, Abgasrezirkulation, Senkung der Verbrennungstemperatur, gleichmäßige Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsgas mittels der geschilderten Merkmale gleichzeitig zu verwirklichen und eignet sich deshalb hervorragend zur Ofenbefeuerung unter Einhaltung der verschärften Grenzwerte für Stickoxide und Kohlenmonoxid.The burner according to the invention allows the processes known for nitrogen oxide reduction, such as stage combustion, exhaust gas recirculation, lowering the combustion temperature, uniform mixing of fuel and oxidizing gas, to be implemented simultaneously by means of the features described and is therefore excellently suited for furnace firing while observing the tightened limit values for nitrogen oxides and carbon monoxide .

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel den Einsatz des erfindungsgemäßen Brenners beschreiben.In the following, an embodiment is to describe the use of the burner according to the invention.

In der Figur 1 ist schematisch der Durchschnitt einer Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners dargestellt.1 schematically shows the average of a side view of an embodiment of the burner according to the invention.

Figur 2 zeigt die Ansicht auf den Brennermund.Figure 2 shows the view of the burner mouth.

In der Aufsicht der Figur 2 erkennt man den in diesem Beispiel zentral angeordneten Zuleitungskanal 1 für den Brennstoff, die um diesen konzentrisch angeordneten fünf Zuleitungskanäle 2 für das Oxidationsgas und die ebenfalls fünf Bohrungen 3 durch das verbreiterte Endstück des Zuleitungskanals 1. Die Anzahl und die geometrische Form sämtlicher Zuleitungskanäle 1 und 2 und Bohrungen 3 können je nach gewünschtem Einsatz verändert werden.In the top view of FIG. 2 one can see the feed channel 1 arranged centrally for the fuel in this example, the five feed channels 2 concentrically arranged around this for the oxidizing gas and the likewise five bores 3 through the widened end piece of the feed channel 1. The number and the geometric The shape of all supply channels 1 and 2 and holes 3 can be changed depending on the desired use.

Figur 1 zeigte eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners mit dem zentralen Zuleitungskanal 1 für den Brennstoff Erdgas und diesen umgebenden Zuleitungskanälen 2 für das Oxidationsgas, als welches Sauerstoff eingesetzt wird. Der Zuleitungskanal 1 überragt erfindungsgemäß die Enden der Zuleitungskanäle 2 um eine Strecke der Länge L. Als Länge L wird in diesem Fall etwa der 19-fache Wert des Durchmessers dh der Zuleitungskanäle 2 gewählt.Figure 1 shows an embodiment of the burner according to the invention with the central feed channel 1 for the fuel natural gas and surrounding feed channels 2 for the oxidizing gas, as which oxygen is used. According to the invention, the feed channel 1 projects beyond the ends of the feed channels 2 by a distance of length L. In this case, the length L becomes approximately 19 times the diameter d h of the feed tion channels 2 selected.

Die Bohrungen 3 sind durch die sich konisch erweiternde Außenseite des Endstücks des Zuleitungskanals 1 für den Brennstoff geführt und erlauben den Durchstrom einer begrenzten Menge an Oxidationsgas, das aus den Zuleitungskanälen 2 strömt. Der Durchmesser D am Ende des konisch verbreiterten Endstücks beträgt etwa das 2,5-fache des inneren Durchmessers dg des Zuleitungskanals 1.The bores 3 are guided through the conically widening outer side of the end piece of the feed channel 1 for the fuel and allow a limited amount of oxidizing gas to flow through, which flows out of the feed channels 2. The diameter D at the end of the conically widened end piece is approximately 2.5 times the inner diameter dg of the supply channel 1.

Auf dem Weg zum Endstück des Zuleitungskanals 1 saugen die aus den Zuleitungskanälen 2 austretenden Sauerstoffstrahlen abgekühlte Verbrennungsabgase, die am Flammenende entstehen, an und sorgen somit für eine Rezirkulation von Verbrennungsprodukten im Ofen. Der durch die Bohrungen 3 strömende Teil diesem Oxidationsgases vermischt sich am Brennermund mit dem Brennstoff Erdgas, und dieses Gemisch verbrennt dort unterstöchiometrisch.On the way to the end piece of the supply duct 1, the oxygen jets emerging from the supply ducts 2 suck in cooled combustion gases which arise at the end of the flame, and thus ensure recirculation of combustion products in the furnace. The part of this oxidizing gas flowing through the bores 3 mixes at the burner mouth with the fuel natural gas, and this mixture burns under-stoichiometrically there.

Der restliche, am Endstück des Zuleitungskanals 1 für den Brennstoff vorbeiströmende Teil des sich stromabwärts verbreiternden Oxidationsgasstrahles vermischt sich mit dem unvollständig verbrannten Brennstoff in der Flamme und verbrennt diesen schließlich vollständig. Durch die angesaugten inerten Verbrennungsprodukte, die der Flamme Wärme entziehen, erreicht man eine weitere Herabsetzung der Flammentemperatur. Gleichzeitig kann durch diese Anordnung die zur NOx-Emis- sionsminderung erwünschte Stufenverbrennung realisiert werden.The remaining part of the oxidizing gas jet widening downstream at the end part of the supply channel 1 for the fuel mixes with the incompletely burned fuel in the flame and finally burns it completely. The inert combustion products drawn in, which draw heat from the flame, further reduce the flame temperature. At the same time, this arrangement enables the stage combustion desired to reduce NO x emissions.

Bei extrem hohen Temperaturen, die die thermische Beständigkeit des Brennermaterials gefährden, kann eine Kühlung des Zuleitungskanals 1 für den Brennstoff erfolgen.At extremely high temperatures that endanger the thermal stability of the burner material, the supply channel 1 for the fuel can be cooled.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Brenners erzeugt eine langgezogene, gelbe, weiche Flamme mit gleichmäßiger Temperaturverteilung ohne "hot spots". Im Endbereich brennt die Flamme mit einer Luftzahl von 1,05. Die zurückgesaugten abgekühlten Verbrennungsprodukte und die gestufte Verbrennung sorgen für eine niedrige Temperatur an der Flammenwurzel. Die Stufenverbrennung läßt sich beim erfindungsgemäßen Brenner mit sehr viel geringeren Längenabmessungen verwirklichen als dies bisher möglich war. Ein weiterer Vorteil ist der geräuscharme Verbrennungsbetrieb.The use of the burner according to the invention produces an elongated, yellow, soft flame with a uniform temperature distribution without "hot spots". At the end, the flame burns with an air ratio of 1.05. The cooled combustion products sucked back and the staged combustion ensure a low temperature at the flame root. The stage combustion can be realized in the burner according to the invention with much smaller length dimensions than was previously possible. Another advantage is the low-noise combustion operation.

Abgasmessungen beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brenners bei einer Feuerungsleistung von 1 MW ergeben rund 180 mg NO"/NM 3 Abgas und etwa 40 mg CO bei einer Ofenraumtemperatur von etwa 1200*C und einem Sauerstoffgehalt im Abgas von ca. 5%. Eine deutliche Unterschreitung der entsprechenden TA-Luft-Grenzwerte ist hiermit sichergestellt.Exhaust gas measurements during operation of the burner according to the invention with a firing capacity of 1 MW result in approximately 180 mg NO " / N M 3 exhaust gas and approximately 40 mg CO at an oven chamber temperature of approximately 1200 * C and an oxygen content in the exhaust gas of approximately 5% the corresponding TA-Luft limit values are hereby ensured.

Claims (5)

1. Brenner zur Verbrennung eines Brennstoffs mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas mit mindestens einem Zuleitungskanal für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas und mindestens einem Zuleitungskanal für den Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende eines jeden Zuleitungskanals (1) für den Brennstoff um eine Strecke der Länge L über das Ende eines jeden Zuleitungskanals (2) für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas überstehend angebracht ist.1. Burner for burning a fuel with oxygen or an oxygen-containing gas with at least one supply channel for the oxygen or oxygen-containing gas and at least one supply channel for the fuel, characterized in that the end of each supply channel (1) for the fuel by a distance the length L over the end of each supply channel (2) for the oxygen or the oxygen-containing gas is protruding. 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L der überstehenden Strecke des Zuleitungskanals (1) für den Brennstoff ein Vielfaches, vorzugsweise mindestens das 8-fache, des Durchmessers dh des Zuleitungskanals (2) für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas beträgt.2. Burner according to claim 1, characterized in that the length L of the protruding distance of the supply duct (1) for the fuel is a multiple, preferably at least 8 times, the diameter d h of the supply duct (2) for the oxygen or the oxygen-containing Gas is. 3. Brenner nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück eines jeden Zuleitungskanals (1) für den Brennstoff an seiner Außenseite sich konisch verbreiternd ausgebildet ist.3. Burner according to claims 1 or 2, characterized in that the end piece of each supply channel (1) for the fuel is conically widening on its outside. 4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D am Ende des konisch verbreiterten Endstücks eines jeden Zuleitungskanals (1) für den Brennstoff mindestens das 1,3-fache des inneren Durchmessers dg dieses Zuleitungskanals (1) beträgt.4. Burner according to claim 3, characterized in that the diameter D at the end of the conically widened end piece of each supply channel (1) for the fuel is at least 1.3 times the inner diameter dg of this supply channel (1). 5. Brenner nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das konisch verbreiterte Endstück eines jeden Zuleitungskanals (1) für den Brennstoff eine oder mehrere Bohrungen (3) geführt sind.5. Burner according to claims 3 or 4, characterized in that through the conically widened end piece of each supply channel (1) for the fuel one or more holes (3) are guided.
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