EP0639742A2 - Method and device for low emission combustion of fluid and or gaseous fuels with internal recirculation of fluegas - Google Patents
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- EP0639742A2 EP0639742A2 EP94109964A EP94109964A EP0639742A2 EP 0639742 A2 EP0639742 A2 EP 0639742A2 EP 94109964 A EP94109964 A EP 94109964A EP 94109964 A EP94109964 A EP 94109964A EP 0639742 A2 EP0639742 A2 EP 0639742A2
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- F23C2202/00—Fluegas recirculation
- F23C2202/40—Inducing local whirls around flame
Definitions
- the invention relates to a method for low-emission combustion of flowable and / or gaseous fuels with internal flue gas recirculation, in which a first part of the combustion air swirls as primary air coaxially with the fuel is guided essentially rotationally symmetrically to a longitudinal axis to a primary exit position and a second Part of the combustion air is supplied radially outside the primary air as secondary air at a secondary exit position in two stages.
- the invention further relates to a combustion device for low-emission combustion of flowable and / or gaseous fuels with internal flue gas recirculation, in particular for carrying out the invention Method, with a device for essentially rotationally symmetrical supply and swirl of a first part of the combustion air as primary air and for coaxial supply of the fuel to a primary exit position, and with a device for two-stage supply of a second part of the combustion air radially outside the primary air as secondary air a secondary exit position.
- heating oil EL natural gas
- thermal NO x thermal NO x
- thermal NO x thermal NO x
- thermal NO x the spatial and / or temporal coincidence of high temperatures (noticeable NO x formation above approx. 1400 ° C.) with (relatively) high oxygen partial pressures is avoided should be.
- the minimum requirement from this is that (spatial or temporal) peak temperatures should be avoided as far as possible.
- the maximum permissible NO x emission values for combustion plants are determined in the 1st, 4th and 13th BImSchV depending on fuel and thermal output.
- a limit value of 200 mg / m3 NO x applies for gaseous fuels and 250 mg / m3 for heating oil EL, which according to the current state of the art can be maintained by means of firing measures.
- limit values of 100 mg / m3 gas or 150 mg / m3 (heating oil EL) are often required.
- the internal flue gas recirculation offers numerous advantages in this situation, although guide devices for guiding the flame and flue gases are required in numerous known designs. Such guidance devices have, in addition to constructional effort and inevitable space requirements, the additional disadvantage that solid particles from combustion can be deposited on them, which makes regular cleaning necessary.
- the object of the invention is to provide a method and a device for combustion with internal flue gas recirculation, in which the mentioned and other disadvantages are avoided and in which a considerable reduction in NO x is achieved with a simple structural design.
- the secondary air is supplied in the form of a number of (free) jets essentially in the direction of the primary air flow, the jets of the first stage each beginning and converging at a first radial distance from the longitudinal axis are set to the longitudinal axis and the beams of the second stage each begin at a second radial distance from the longitudinal axis and are directed parallel to the latter.
- the secondary air free jets suck from their surroundings Flue gas on, the arrangement of the jets according to the invention drawing in from areas of the combustion chamber in which the flue gases have already (partially) cooled.
- the swirled primary air induces a highly turbulent backflow zone and thus brings about an excellent mixing of the reactants with the recirculated flue gas, as a result of which temperature peaks are effectively avoided.
- the (first) radial distance of the rays of the first stage from the longitudinal axis is preferably chosen to be smaller than the corresponding (second) radial distance of the rays of the second stage.
- the angle of incidence of the beams of the first stage is preferably 15 °.
- the primary air be divided into a first (primary air 1) and a second (primary air 2) air stream, which are guided coaxially, the gaseous fuel preferably being supplied between these two streams.
- the number of jets in the first stage of the secondary air is equal to the number of jets in the second stage.
- first and second stages 4 to 12 but preferably six beams are provided.
- the initial cross-sectional areas of the beams of the first and second stages can be either symmetrical or asymmetrical with respect to the longitudinal axis (7) be arranged in order to obtain an adaptation of the flame shape to the geometry of the combustion chamber.
- jets of the two stages are expediently offset symmetrically in relation to one another in the circumferential direction.
- the initial cross-sectional area of the rays of the first stage may or may not be equal to the corresponding area of the rays of the second stage.
- the primary air or at least a partial flow thereof is advantageously swirled (with a swirl angle of approximately 70 °).
- the proportion of primary air is preferably 10% -30% of the total combustion air supplied.
- the flowable fuel is guided centrally to the primary exit position and is atomized there in the form of jets, symmetrically or asymmetrically with respect to the longitudinal axis (7). These are preferably aligned in the circumferential direction with the rays of the secondary air of the first stage.
- the secondary exit position is in the axial direction downstream of the primary exit position, the flow consisting of primary air and fuel being guided between the primary and secondary exit positions in a parallel or diffuser-like manner.
- the device for feeding the secondary air has a number of nozzles, the nozzles for the first stage each having a first radial distance from the longitudinal axis and being converged to the longitudinal axis, and the nozzles for the second stage each having a second radial distance from the longitudinal axis and essentially are directed in parallel.
- the (first) radial distance of the nozzles of the first stage from the longitudinal axis is preferably smaller than the corresponding (second) radial distance of the nozzles of the second stage.
- the first stage of the secondary air supply has as many nozzles as the second stage.
- the number of nozzles in each of the two stages can be between 4 and 12, with a number of six nozzles in both stages being found to be favorable.
- nozzles of both stages are symmetrically offset from one another in the circumferential direction.
- the area proportions of the secondary air nozzles can be the same or different in both stages, and they can be arranged symmetrically or asymmetrically with respect to the longitudinal axis, which can influence the shape of the flame.
- the device for supplying primary air and fuel has an outer burner tube and two concentric therein and in each other arranged, first and second leads.
- the annular space between the burner tube and the first feed line serves to supply the primary air or a part thereof, it being possible for a swirl-generating device to be arranged between the burner tube and the (first) feed line lying next to it.
- the annular space between the first and the second supply line located within it can serve to supply part of the primary air (primary air 1), in which case a (further) swirl-generating device can then be arranged between the first and second supply lines.
- the swirl-generating device (s) for the primary air can be adjustable, but preferably have a swirl angle of 70 °, whereby the two portions of the primary air (primary air 1 and primary air 2) can be swirled in the same or in opposite directions.
- feed lines for fuel gas in the annular space between the first and second feed lines, which feed lines can be rotatable, so that the gas outlet bores can be aligned tangentially or radially to the burner axis in the region of the primary outlet position, thereby creating a flame shape and Stability can be influenced.
- a third supply line for flowable fuel is arranged concentrically within the second supply line.
- An atomizer nozzle for liquid or flowable fuel is arranged in the area of the primary outlet position, which can be designed in a known manner as a two-substance vapor pressure atomizer nozzle.
- the atomizer nozzle preferably has as many individual bores as there are secondary air nozzles in the first stage, the individual bores being aligned with the nozzles.
- the individual bores like the nozzles, can be aligned symmetrically or asymmetrically with respect to the longitudinal axis.
- the secondary exit position in the axial direction downstream from the primary exit position, the outer burner tube extending between the primary and secondary exit positions with a constant diameter or expanded like a diffuser.
- the first partial flow of the primary air, the primary air 1, passes through a feed 1a into the annular space between a first feed line 5 and a second feed line 6, in which it is guided in the direction of the longitudinal axis 7 of the burner to the primary outlet position 8.
- a (possibly adjustable) device 9 for swirling the primary air 1 is arranged between the first and second feed lines.
- the second part of the primary air, the primary air 2 is fed in the direction of the first feed line 5 and then deflected in the axial direction, being in the annular space between the (outer) burner tube 11 (or a brick lining or the like) and the first Lead 5 is guided in the direction of the primary exit position 8.
- a (adjustable) swirling device 12 is also arranged in a first, tapering section 11a of the burner tube 11, which swirls the primary air.
- the primary air has the task of stabilizing the flame by strong swirling with as little as possible of the total air, forming back vortices in the flame core and eliminating temperature peaks by good mixing of the reactants.
- Fuel gas is fed via a pipeline 13a to an annular distributor space 13b, to which a number of gas lances 13 are connected.
- the fuel gas emerges from each gas lance 13 through a number of gas outlet bores 14 essentially radially from, the bores 14 can be pivoted about their longitudinal axis in a partially tangential direction by rotating the gas lances 13.
- Flame shape and stability can be influenced.
- a conically widened section 11b of the burner tube 11 follows downstream from the primary exit position 8, which further increases the tendency of the swirled primary air flow to form a central recirculation flow in the region of the flame core 10, as is illustrated by the arrows 10a which indicate the direction of flow .
- Liquid or flowable fuel passes through the annular space between the second feed line 6 and a third feed line 16 arranged within it to the primary outlet position 8, where the liquid fuel is fed into a two-component fuel with the aid of steam which is fed through the third feed line.
- Atomizer nozzle 17 is atomized finely, the two-phase mixture of two substances emerging at the speed of sound from the outlet openings.
- the secondary air supply takes place in two partial streams 3 and 4, each of which reaches the nozzles 18 for the first stage and 19 for the second stage via annular distribution spaces and feed lines 3a and 4a. It should be pointed out that it is not absolutely necessary to provide nozzles in order to achieve the desired purpose, rather the secondary air supply could also be carried out through smooth pipes of appropriate diameter.
- the area ratio of the air outlet areas of the first and second stages is selected in this area so that the area of the bores or nozzles 18 of the first stage is approximately 30% of the total air outlet area of the secondary air, while the cross sections of the bores or nozzles 19 of the second stage 4 about 70% of it. In the shown here Embodiment there are six nozzles 18 and 19 each, which are each offset symmetrically in the circumferential direction, so that the arrangement shown in Fig. 2 results.
- the method of supplying the secondary air according to the invention results in the formation of free jets 18a, 19a, which suck in flue gas as it travels. Due to the special arrangement of the nozzles, suction takes place from areas of the combustion chamber 20 in which the flue gases have already partially cooled. The good mixing of the flue gases in the flame core by primary and secondary air ensures the required temperature peak reduction.
- the volume flows of primary air 1, primary air 2, secondary air 1 and secondary air 2 are individually controlled depending on the load and from other points of view by means of an electronic fuel-air ratio controller, so that on the one hand minimal NO x values with a free-burning flame in the combustion chamber are ensured and on the other hand the flame geometry can be optimally designed for different combustion chambers.
- the division between primary and secondary air is usually done so that a primary air ratio of 0.15 ... 0.35 is set at full load, which is increased accordingly at part load.
- FIG. 3 and 4 show measurement results of NO x , which were obtained on a burner according to the invention in an 8 MW test facility when natural gas (FIG. 3) and heating oil EL (FIG. 4) were burned.
- the values can obviously be 100 mg / m3 (natural gas) or 150 mg / m3 (Heating oil EL) are safely undercut.
- the control range is 1: 8 for the combustion of natural gas and 1: 7 for heating oil EL.
Landscapes
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum emissionsarmen Verbrennen von fließfähigen und/oder gasförmigen Brennstoffen mit interner Rauchgasrezirkulation, bei dem ein erster Teil der Verbrennungsluft verdrallt als Primärluft koaxial mit dem Brennstoff im wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Längsachse bis zu einer Primär-Austrittsposition geführt wird und ein zweiter Teil der Verbrennungsluft radial außerhalb der Primärluft als Sekundärluft an einer Sekundär-Austrittsposition in zwei Stufen zugeführt wird.The invention relates to a method for low-emission combustion of flowable and / or gaseous fuels with internal flue gas recirculation, in which a first part of the combustion air swirls as primary air coaxially with the fuel is guided essentially rotationally symmetrically to a longitudinal axis to a primary exit position and a second Part of the combustion air is supplied radially outside the primary air as secondary air at a secondary exit position in two stages.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbrennungsvorrichtung zum emissionsarmen Verbrennen von fließfähigen und/oder gasförmigen Brennstoffen mit interner Rauchgasrezirkulation, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer Einrichtung zum im wesentlichen rotationssymmetrischen Zuführen und Verdrallen eines ersten Teils der Verbrennungsluft als Primärluft sowie zum koaxialen Zuführen des Brennstoffs zu einer Primär-Austrittsposition, und mit einer Einrichtung zur zweistufigen Zuführung eines zweiten Teils der Verbrennungsluft radial außerhalb der Primärluft als Sekundärluft an einer Sekundär-Austrittsposition.The invention further relates to a combustion device for low-emission combustion of flowable and / or gaseous fuels with internal flue gas recirculation, in particular for carrying out the invention Method, with a device for essentially rotationally symmetrical supply and swirl of a first part of the combustion air as primary air and for coaxial supply of the fuel to a primary exit position, and with a device for two-stage supply of a second part of the combustion air radially outside the primary air as secondary air a secondary exit position.
Technische Feuerungsanlagen sollen einerseits selbstverständlich die im Brennstoff enthaltene, chemisch gebundene Primärenergie möglichst vollständig in Wärmeenergie umsetzen. Eine weitere Zielsetzung besteht darin, den Ausstoß von Schadstoffen (SOx, NOx, Ruß ...) möglichst zu reduzieren. Während den meisten Schadstoffen nur durch aufwendige Sekundärmaßnahmen (Filter, Entschwefelungsanlagen ...) beizukommen ist, besteht hinsichtlich NOx ein beträchtliches Minderungspotential allein durch feuerungstechnische bzw. Primärmaßnahmen, d.h. durch Optimierung der Verbrennungsbedingungen im Feuerraum. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß NOx in technischen Feuerungen für Brennstoffe mit geringem organischen Stickstoffgehalt (z.B. Heizöl EL, Erdgas) in der Regel überwiegend als sogenanntes thermisches NOx entsteht, d.h. durch Oxidation des in der zur Verbrennung genutzten Umgebungsluft enthaltenen Stickstoffs bei hohen Temperaturen. Aus dem Bildungsmechanismus für thermisches NOx läßt sich ableiten, daß in einer Verbrennung mit niedriger NOx-Bildung das räumliche und/oder zeitliche Zusammentreffen hoher Temperaturen (merkliche NOx-Bildung oberhalb ca. 1400°C) mit (relativ) hohen Sauerstoffpartialdrücken vermieden werden sollte. Daraus ergibt sich als Mindestforderung, daß (räumliche oder zeitliche) Spitzentemperaturen möglichst vermieden werden sollten.On the one hand, technical combustion plants should, of course, convert the chemically bound primary energy contained in the fuel as completely as possible into thermal energy. Another goal is to reduce the emission of pollutants (SO x , NO x , soot ...) as much as possible. While most pollutants can only be dealt with through complex secondary measures (filters, desulfurization systems ...), there is a considerable reduction potential with regard to NO x solely through firing technology or primary measures, ie by optimizing the combustion conditions in the combustion chamber. The reason for this can be seen in the fact that NO x in technical firing systems for fuels with a low organic nitrogen content (e.g. heating oil EL, natural gas) usually arises predominantly as so-called thermal NO x , ie by oxidation of the nitrogen contained in the ambient air used for combustion at high temperatures. From the formation mechanism for thermal NO x it can be deduced that in a combustion with low NO x formation the spatial and / or temporal coincidence of high temperatures (noticeable NO x formation above approx. 1400 ° C.) with (relatively) high oxygen partial pressures is avoided should be. The minimum requirement from this is that (spatial or temporal) peak temperatures should be avoided as far as possible.
Die maximal zulässigen NOx-Emissionswerte bei Feuerungsanlagen sind in Abhängigkeit von Brennstoff und thermischer Leistung in der 1., 4. und 13. BImSchV festgelegt. Im Geltungsbereich der 4. BImSchV gilt danach z.B. für gasförmige Brennstoffe ein Grenzwert von 200 mg/m³ NOx und für Heizöl EL 250 mg/m³, der nach dem heutigen Stand der Technik durch feuerungstechnische Maßnahmen eingehalten werden kann. Gemäß der Dynamisierungsklausel der 4. BImSchV werden jedoch schon heute oft Grenzwerte von 100 mg/m³ Gas bzw. 150 mg/m³ (Heizöl EL) gefordert.The maximum permissible NO x emission values for combustion plants are determined in the 1st, 4th and 13th BImSchV depending on fuel and thermal output. Within the scope of the 4th BImSchV, a limit value of 200 mg / m³ NO x applies for gaseous fuels and 250 mg / m³ for heating oil EL, which according to the current state of the art can be maintained by means of firing measures. According to the dynamics clause of the 4th BImSchV, limit values of 100 mg / m³ gas or 150 mg / m³ (heating oil EL) are often required.
Zur Vermeidung von hohen Spitzentemperaturen gibt es generell zwei praxiserprobte Lösungen:
- 1. Luft- und/oder Brennstoffstufung,
- 2. interne oder externe Rauchgasrezirkulation.
- 1. air and / or fuel grading,
- 2. internal or external flue gas recirculation.
Bei der Stufung von Brennstoff und/oder Luft wird die Wärme über einen längeren Weg an mehreren Stellen freigesetzt, so daß Temperaturspitzen vermieden werden, die durch schnelle Reaktion des gesamten Brennstoffs mit der Luft entstehen. Insbesondere in den unterstöchiometrischen (brennstoffreichen) Zonen entsteht reaktionskinetisch bedingt wenig NOx. Die Reaktion der Stoffe in der Ausbrandzone darf ebenfalls nicht zu schnell ablaufen, muß aber vollständig sein. Ein Nachteil bei der Stufung von Brennstoff/Luft ist der hohe Bedarf an Feuerraumvolumen. Die Flamme ist infolge der Ausbildung von mindestens zwei Verbrennungszonen und der definierten, stufenweisen Durchmischung der Reaktionspartner sehr lang. Dies stellt Anforderungen an den Feuerraum, die häufig nicht zu realisieren sind.When fuel and / or air are graded, the heat is released over a longer distance at several points, so that temperature peaks are avoided which arise from the rapid reaction of the entire fuel with the air. Especially in the substoichiometric (fuel-rich) zones, little NO x is produced due to the reaction kinetics. The reaction of the substances in the burnout zone must also not take place too quickly, but must be complete. A disadvantage of the grading of fuel / air is the high need for the combustion chamber volume. The flame is very long due to the formation of at least two combustion zones and the defined, gradual mixing of the reactants. This places demands on the furnace, which are often not feasible.
Die externe Rezirkulation von Rauchgas ist seit Jahren Stand der Technik. Relativ "kaltes" Rauchgas wird bei diesem Verfahren am Ende des Kessels über ein Gebläse abgesaugt und der Verbrennungsluft zugeführt. Das inerte Rauchgas senkt die Temperatur in der Flamme sowie den O₂-Partialdruck ab. Der Nachteil bei diesem Verfahren sind hohe Investitions- und Betriebskosten.The external recirculation of flue gas has been going on for years State of the art. In this process, relatively "cold" flue gas is drawn off at the end of the boiler by a fan and fed to the combustion air. The inert flue gas lowers the temperature in the flame and the O₂ partial pressure. The disadvantage of this process is high investment and operating costs.
Die interne Rauchgasrezirkulation bietet in dieser Situation zahlreiche Vorteile, wobei allerdings bei zahlreichen bekannten Bauweisen Leitvorrichtungen zur Führung der Flammen- und Rauchgase erforderlich sind. Solche Leitvorrichtungen haben neben konstruktivem Aufwand und unvermeidlichem Platzbedarf zusätzlich den Nachteil, daß sich daran Feststoffpartikel aus der Verbrennung ablagern können, was eine regelmäßige Reinigung notwendig macht.The internal flue gas recirculation offers numerous advantages in this situation, although guide devices for guiding the flame and flue gases are required in numerous known designs. Such guidance devices have, in addition to constructional effort and inevitable space requirements, the additional disadvantage that solid particles from combustion can be deposited on them, which makes regular cleaning necessary.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung mit interner Rauchgasrezirkulation zu schaffen, bei dem die genannten und weitere Nachteile vermieden werden und bei dem bei einfacher konstruktiver Gestaltung eine erhebliche NOx-Reduzierung erreicht wird.The object of the invention is to provide a method and a device for combustion with internal flue gas recirculation, in which the mentioned and other disadvantages are avoided and in which a considerable reduction in NO x is achieved with a simple structural design.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht hinsichtlich des Verfahrens darin, daß die Sekundärluft in Form einer Anzahl von (Frei-)Strahlen im wesentlichen in Richtung der Primärluftströmung zugeführt wird, wobei die Strahlen der ersten Stufe jeweils in einem ersten radialen Abstand von der Längsachse beginnen und konvergent zur Längsachse angestellt sind und die Strahlen der zweiten Stufe jeweils in einem zweiten radialen Abstand von der Längsachse beginnen und parallel zu dieser gerichtet sind.The solution to this problem with regard to the method is that the secondary air is supplied in the form of a number of (free) jets essentially in the direction of the primary air flow, the jets of the first stage each beginning and converging at a first radial distance from the longitudinal axis are set to the longitudinal axis and the beams of the second stage each begin at a second radial distance from the longitudinal axis and are directed parallel to the latter.
Die Sekundärluft-Freistrahlen saugen aus ihrer Umgebung Rauchgas an, wobei durch die erfindungsgemäße Anordnung der Strahlen aus Bereichen des Feuerraums angesaugt wird, in denen die Rauchgase bereits (teilweise) abgekühlt sind.The secondary air free jets suck from their surroundings Flue gas on, the arrangement of the jets according to the invention drawing in from areas of the combustion chamber in which the flue gases have already (partially) cooled.
Die verdrallte Primärluft induziert eine hochturbulente Rückströmzone und bewirkt somit eine hervorragende Durchmischung der Reaktionspartner mit dem rückgeführten Rauchgas, wodurch im Ergebnis Temperaturspitzen wirksam vermieden werden.The swirled primary air induces a highly turbulent backflow zone and thus brings about an excellent mixing of the reactants with the recirculated flue gas, as a result of which temperature peaks are effectively avoided.
Der (erste) radiale Abstand der Strahlen der ersten Stufe von der Längsachse wird bevorzugt kleiner gewählt als der entsprechende (zweite) radiale Abstand der Strahlen der zweiten Stufe.The (first) radial distance of the rays of the first stage from the longitudinal axis is preferably chosen to be smaller than the corresponding (second) radial distance of the rays of the second stage.
Bevorzugt beträgt der Anstellwinkel der Strahlen der ersten Stufe 15°.The angle of incidence of the beams of the first stage is preferably 15 °.
Weiter wird vorgeschlagen, daß die Primärluft in einen ersten (Primärluft 1) und einen zweiten (Primärluft 2) Luftstrom, die koaxial geführt werden, aufgeteilt wird, wobei der gasförmige Brennstoff bevorzugt zwischen diesen beiden Strömen zugeführt wird.It is further proposed that the primary air be divided into a first (primary air 1) and a second (primary air 2) air stream, which are guided coaxially, the gaseous fuel preferably being supplied between these two streams.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Strahlen in der ersten Stufe der Sekundärluft gleich der Anzahl der Strahlen in der zweiten Stufe.In a preferred embodiment, the number of jets in the first stage of the secondary air is equal to the number of jets in the second stage.
In der ersten und zweiten Stufe sind jeweils 4 bis 12, bevorzugt aber sechs Strahlen vorgesehen.In the first and
Die anfänglichen Querschnittsflächen der Strahlen der ersten und der zweiten Stufe können dabei entweder symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich der Längsachse (7) angeordnet werden, um eine Anpassung der Flammenform an der Geometrie des Feuerraums zu erhalten.The initial cross-sectional areas of the beams of the first and second stages can be either symmetrical or asymmetrical with respect to the longitudinal axis (7) be arranged in order to obtain an adaptation of the flame shape to the geometry of the combustion chamber.
Zweckmäßigerweise werden die Strahlen der beiden Stufen (bei symmetrischer Anordnung der Sekundärluft) in Umfangsrichtung symmetrisch gegeneinander versetzt.The jets of the two stages (in the case of a symmetrical arrangement of the secondary air) are expediently offset symmetrically in relation to one another in the circumferential direction.
Die anfängliche Querschnittsfläche der Strahlen der ersten Stufe kann gleich oder auch nicht gleich der entsprechenden Fläche der Strahlen der zweiten Stufe sein.The initial cross-sectional area of the rays of the first stage may or may not be equal to the corresponding area of the rays of the second stage.
Die Primärluft oder wenigstens ein Teilstrom davon wird vorteilhafterweise (mit einem Drallwinkel von etwa 70°) verdrallt.The primary air or at least a partial flow thereof is advantageously swirled (with a swirl angle of approximately 70 °).
Der Primärluftanteil beträgt bevorzugt 10% - 30% der insgesamt zugeführten Verbrennungsluft.The proportion of primary air is preferably 10% -30% of the total combustion air supplied.
Weiter ist vorgesehen, daß der fließfähige Brennstoff zentral bis zur Primär-Austrittsposition geführt und dort, symmetrisch oder asymmetrisch in Bezug auf die Längsachse (7), in Form von Strahlen zerstäubt wird. Diese werden bevorzugt in Umfangsrichtung mit den Strahlen der Sekundärluft der ersten Stufe ausgerichtet.It is also provided that the flowable fuel is guided centrally to the primary exit position and is atomized there in the form of jets, symmetrically or asymmetrically with respect to the longitudinal axis (7). These are preferably aligned in the circumferential direction with the rays of the secondary air of the first stage.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Sekundär-Austrittposition in axialer Richtung stromab von der Primär-Austrittposition liegt, wobei die aus Primärluft und Brennstoff bestehende Strömung zwischen Primär- und Sekundär-Austrittsposition parallel oder diffusorartig erweitert geführt wird.It is preferably provided that the secondary exit position is in the axial direction downstream of the primary exit position, the flow consisting of primary air and fuel being guided between the primary and secondary exit positions in a parallel or diffuser-like manner.
Die Lösung des auf die Vorrichtung bezogenen Teils der Aufgabe besteht darin, daß die Einrichtung zum Zuführen der Sekundärluft eine Anzahl von Düsen aufweist, wobei die Düsen für die erste Stufe jeweils einen ersten radialen Abstand von der Längsachse aufweisen und konvergent zur Längsachse angestellt sind, und die Düsen für die zweite Stufe jeweils einen zweiten radialen Abstand von der Längsachse aufweisen und im wesentlichen parallel dazu gerichtet sind.The solution to the part of the task related to the device is that the device for feeding the secondary air has a number of nozzles, the nozzles for the first stage each having a first radial distance from the longitudinal axis and being converged to the longitudinal axis, and the nozzles for the second stage each having a second radial distance from the longitudinal axis and essentially are directed in parallel.
Bevorzugt ist der (erste) radiale Abstand der Düsen der ersten Stufe von der Längsachse kleiner als der entsprechende (zweite) radiale Abstand der Düsen der zweiten Stufe.The (first) radial distance of the nozzles of the first stage from the longitudinal axis is preferably smaller than the corresponding (second) radial distance of the nozzles of the second stage.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Anstellwinkel der Düsen der ersten Stufe 15° beträgt.It has proven to be useful if the angle of attack of the nozzles of the first stage is 15 °.
Es ist von Vorteil, wenn die erste Stufe der Sekundärluftzufuhr ebensoviele Düsen aufweist wie die zweite Stufe. Die Anzahl der Düsen kann in den beiden Stufen jeweils zwischen 4 und 12 liegen, wobei sich eine Anzahl von sechs Düsen in beiden Stufen als günstig herausgestellt hat.It is advantageous if the first stage of the secondary air supply has as many nozzles as the second stage. The number of nozzles in each of the two stages can be between 4 and 12, with a number of six nozzles in both stages being found to be favorable.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Düsen beider Stufen in Umfangsrichtung symmetrisch gegeneinander versetzt sind.It is also advantageous if the nozzles of both stages are symmetrically offset from one another in the circumferential direction.
Die Flächenanteile der Sekundärluftdüsen können in beiden Stufen gleich oder ungleich sein, und sie können symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich der Längsachse angeordnet sein, wodurch die Flammenform beeinflußt werden kann.The area proportions of the secondary air nozzles can be the same or different in both stages, and they can be arranged symmetrically or asymmetrically with respect to the longitudinal axis, which can influence the shape of the flame.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einrichtung zum Zuführen von Primärluft und Brennstoff ein äußeres Brennerrohr und zwei darin und ineinander konzentrisch angeordnete, erste und zweite Zuleitungen auf. Der Ringraum zwischen Brennerrohr und erster Zuleitung dient dabei der Zuführung der Primärluft bzw. eines Teils davon, wobei zwischen dem Brennerrohr und der diesem zunächstliegenden (ersten) Zuleitung eine drallerzeugende Einrichtung angeordnet sein kann. Der Ringraum zwischen der ersten und der innerhalb dieser befindlichen, zweiten Zuleitung kann der Zuführung eines Teils der Primärluft (Primärluft 1) dienen, wobei dann zwischen der ersten und zweiten Zuleitung eine (weitere) drallerzeugende Einrichtung angeordnet sein kann.In a preferred embodiment, the device for supplying primary air and fuel has an outer burner tube and two concentric therein and in each other arranged, first and second leads. The annular space between the burner tube and the first feed line serves to supply the primary air or a part thereof, it being possible for a swirl-generating device to be arranged between the burner tube and the (first) feed line lying next to it. The annular space between the first and the second supply line located within it can serve to supply part of the primary air (primary air 1), in which case a (further) swirl-generating device can then be arranged between the first and second supply lines.
Die drallerzeugende(n) Einrichtung(en) für die Primärluft können verstellbar sein, weisen aber bevorzugt einen Drallwinkel von 70° auf, wobei die beiden Anteile der Primärluft (Primärluft 1 und Primärluft 2) gleich- oder auch gegensinnig verdrallt sein können.The swirl-generating device (s) for the primary air can be adjustable, but preferably have a swirl angle of 70 °, whereby the two portions of the primary air (
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, im Ringraum zwischen der ersten und zweiten Zuleitung eine Anzahl von Zuleitungen für Brenngas anzuordnen, die drehbar sein können, so daß die Gasaustrittsbohrungen im Bereich der Primär-Austrittsposition tangential oder radial zur Brennerachse ausgerichtet werden können, wodurch Flammenform und Stabilität beeinflußt werden können.It has proven to be expedient to arrange a number of feed lines for fuel gas in the annular space between the first and second feed lines, which feed lines can be rotatable, so that the gas outlet bores can be aligned tangentially or radially to the burner axis in the region of the primary outlet position, thereby creating a flame shape and Stability can be influenced.
In einer bevorzugten Ausführungform ist konzentrisch innerhalb der zweiten Zuleitung eine dritte Zuleitung für fließfähigen Brennstoff angeordnet. Im Bereich der Primär-Austrittposition ist eine Zerstäuberdüse für flüssigen bzw. fließfähigen Brennstoff angeordnet, die in bekannter Weise als Zweistoff-Dampfdruckzerstäuberdüse ausgebildet sein kann.In a preferred embodiment, a third supply line for flowable fuel is arranged concentrically within the second supply line. An atomizer nozzle for liquid or flowable fuel is arranged in the area of the primary outlet position, which can be designed in a known manner as a two-substance vapor pressure atomizer nozzle.
Die Zerstäuberdüse hat bevorzugt ebensoviele Einzelbohrungen wie Sekundärluftdüsen in der ersten Stufe vorhanden sind, wobei die Einzelbohrungen mit den Düsen ausgerichtet sind. Die Einzelbohrungen können dabei, wie die Düsen, symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich der Längsachse ausgerichtet sein.The atomizer nozzle preferably has as many individual bores as there are secondary air nozzles in the first stage, the individual bores being aligned with the nozzles. The individual bores, like the nozzles, can be aligned symmetrically or asymmetrically with respect to the longitudinal axis.
Im Hinblick auf die Flammenstabilität hat es sich als günstig erwiesen, die Sekundär-Austrittsposition in axialer Richtung stromab von der Primär-Austrittsposition anzuordnen, wobei das äußere Brennerrohr zwischen Primär- und Sekundär-Austrittsposition mit konstantem Durchmesser oder diffusorartig erweitert verläuft.With regard to flame stability, it has proven advantageous to arrange the secondary exit position in the axial direction downstream from the primary exit position, the outer burner tube extending between the primary and secondary exit positions with a constant diameter or expanded like a diffuser.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert, in der
- Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung zeigt,
- Fig. 2 eine Draufsicht auf die Sekundärluftbohrungen zeigt, und
- Fig. 3 und 4 Meßergebnisse von NOx für Erdgas bzw. Heizöl El zeigen, die an einer erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung erhalten wurden.
- 1 shows a schematic longitudinal section through a combustion device according to the invention,
- Fig. 2 shows a plan view of the secondary air holes, and
- 3 and 4 show measurement results of NO x for natural gas or heating oil El, which were obtained on a combustion device according to the invention.
Der in Fig. 1 dargestellte Brenner ist in die mit 21 bezeichnete Kesselwand eines Wasserrohrkessels eingefügt und arbeitet, angedeutet durch die Pfeile 10c, in den Feuerraum 20. Die über Gebläse von außen radial zugeführte Verbrennungsluft wird in vier Teilströme aufgeteilt:
- 1. Primärluft 1 (bei 1),
- 2. Primärluft 2 (bei 2),
- 3. Sekundärluft 1 ( bei 3), und
- 4. Sekundärluft 2 (bei 4).
- 1. Primary air 1 (at 1),
- 2. Primary air 2 (at 2),
- 3. Secondary air 1 (at 3), and
- 4. Secondary air 2 (at 4).
Der erste Teilstrom der Primärluft, die Primärluft 1, gelangt über eine Zuführung 1a in den Ringraum zwischen einer ersten Zuleitung 5 und einer zweiten Zuleitung 6, in dem sie in Richtung der Längsachse 7 des Brenners bis zur Primär-Austrittsposition 8 geführt wird. An dieser Stelle ist zwischen der ersten und zweiten Zuleitung eine (ggf. verstellbare) Einrichtung 9 zur Verdrallung der Primärluft 1 angeordnet.The first partial flow of the primary air, the
Der zweite Teil der Primärluft, die Primärluft 2, wird in Richtung auf die erste Zuleitung 5 zugeführt und sodann in axiale Richtung umgelenkt, wobei sie im Ringraum zwischen dem (äußeren) Brennerrohr 11 (bzw. einer Ausmauerung o.ä.) und der ersten Zuleitung 5 in Richtung auf die Primär-Austrittsposition 8 geführt wird. In einem ersten, sich verjüngenden Abschnitt 11a des Brennerrohrs 11 ist ebenfalls eine (verstellbare) Verdrallungseinrichtung 12 angeordnet, die eine starke Verdrallung der Primärluft bewirkt. Die Primärluft hat die Aufgabe, mit möglichst geringem Anteil an der Gesamtluft durch starke Verdrallung die Flamme zu stabilisieren, Rückwirbel im Flammenkern auszubilden und durch gute Vermischung der Reaktionspartner Temperaturspitzen zu eliminieren.The second part of the primary air, the
Brenngas wird über eine Rohrleitung 13a einem ringförmigen Verteilerraum 13b zugeführt, an den sich eine Anzahl von Gaslanzen 13 anschließen. Das Brenngas tritt an der Primär-Austrittsposition 8 aus jeder Gaslanze 13 durch eine Anzahl von Gasaustrittsbohrungen 14 im wesentlichen radial aus, wobei die Bohrungen 14 durch Verdrehen der Gaslanzen 13 um deren Längsachse in eine teilweise tangentiale Richtung verschwenkt werden können. Dadurch können Flammenform und Stabilität beeinflußt werden. Stromab der Primär-Austrittsposition 8 schließt sich ein konisch erweiterter Abschnitt 11b des Brennerrohrs 11 an, wodurch die Neigung der verdrallten Primärluftströmung zur Bildung einer zentralen Rezirkulationsströmung im Bereich des Flammenkerns 10 noch verstärkt wird, wie durch die Pfeile 10a verdeutlicht wird, die die Strömungsrichtung andeuten.Fuel gas is fed via a
Flüssiger bzw. fließfähiger Brennstoff gelangt durch den Ringraum zwischen der zweiten Zuleitung 6 und einer innerhalb dieser angeordneten, dritten Zuleitung 16 zur Primär-Austrittposition 8, wo der flüssige Brennstoff mit Hilfe von Dampf, der durch die dritte Zuleitung zugeführt wird, in einer Zweistoff-Zerstäuberdüse 17 fein zerstäubt wird, wobei das Zweiphasen-Zweistoffgemisch mit Schallgeschwindigkeit aus den Austrittsöffnungen austritt.Liquid or flowable fuel passes through the annular space between the
Die Sekundärluftzufuhr erfolgt in zwei Teilströmen 3 und 4, die jeweils über ringförmige Verteilräume und Zuleitun gen 3a und 4a zu den Düsen 18 für die erste Stufe sowie 19 für die zweite Stufe gelangen. Es sei darauf verwiesen, daß es zum Erreichen des angestrebten Zwecks nicht unbedingt erforderlich ist, Düsen vorzusehen, vielmehr könnte die Sekundärluftzufuhr auch durch glatte Rohre entsprechenden Durchmessers erfolgen. Das Flächenverhältnis der Luftaustrittsflächen der ersten und zweiten Stufe ist in diesem Bereich so gewählt, daß die Fläche der Bohrungen bzw. Düsen 18 der ersten Stufe etwa 30% der gesamten Luftaustrittsfläche der Sekundärluft betragen, während die Querschnitte der Bohrungen bzw. Düsen 19 der zweiten Stufe 4 etwa 70% davon betragen. In der hier gezeigten Ausführungsform sind jeweils sechs Düsen 18 und 19 vorhanden, die jeweils in Umfangsrichtung symmetrisch gegeneinander versetzt sind, so daß sich die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ergibt.The secondary air supply takes place in two
Das erfindungsgemäße Verfahren der Zuführung der Sekundärluft hat die Ausbildung von Freistrahlen 18a, 19a zur Folge, die auf ihrem Ausbreitungsweg Rauchgas einsaugen. Durch die spezielle Anordnung der Düsen wird aus Bereichen des Feuerraums 20 angesaugt, in denen die Rauchgase bereits teilweise abgekühlt sind. Die gute Einmischung der Rauchgase in den Flammenkern durch Primär- und Sekundärluft sorgt für die erforderliche Temperaturspitzenabsenkung.The method of supplying the secondary air according to the invention results in the formation of
Die Volumenströme von Primärluft 1, Primärluft 2, Sekundärluft 1 und Sekundärluft 2 werden in Abhängigkeit von der Last und unter weiteren Gesichtspunkten über einen elektronischen Brennstoff-Luft-Verhältnisregler einzeln geregelt, so daß einerseits jederzeit minimale NOx-Werte mit einer im Feuerraum freibrennenden Flamme sichergestellt sind und andererseits die Flammengeometrie für verschiedene Brennräume optimal gestaltet werden kann.The volume flows of
Die Aufteilung zwischen Primär- und Sekundärluft erfolgt in der Regel so, daß bei Vollast eine Primärluftzahl von 0,15 ... 0.35 eingestellt wird, die bei Teillast entsprechend erhöht wird.The division between primary and secondary air is usually done so that a primary air ratio of 0.15 ... 0.35 is set at full load, which is increased accordingly at part load.
Fig. 3 und 4 zeigen Meßergebnisse von NOx, die an einem erfindungsgemäßen Brenner in einer 8 MW-Versuchsanlage bei Verbrennung von Erdgas (Fig. 3) und Heizöl EL (Fig. 4) erhalten wurden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können offensichtlich die Werte 100 mg/m³ (Erdgas) bzw. 150 mg/m³ (Heizöl EL) sicher unterschritten werden. Der Regelbereich beträgt bei der Verbrennung von Erdgas 1:8, bei Heizöl EL 1:7.3 and 4 show measurement results of NO x , which were obtained on a burner according to the invention in an 8 MW test facility when natural gas (FIG. 3) and heating oil EL (FIG. 4) were burned. With the method according to the invention the values can obviously be 100 mg / m³ (natural gas) or 150 mg / m³ (Heating oil EL) are safely undercut. The control range is 1: 8 for the combustion of natural gas and 1: 7 for heating oil EL.
- 11
-
Primärluft 1
Primary air 1 - 1a1a
- ZuführungFeed
- 22nd
-
Primärluft 2
Primary air 2 - 33rd
-
Sekundärluft 1
Secondary air 1 - 3a3a
- ZuleitungSupply
- 44th
-
Sekundärluft 2
Secondary air 2 - 4a4a
- ZuleitungSupply
- 55
- erste Zuleitungfirst supply line
- 66
- zweite Zuleitungsecond supply line
- 77
- LängsachseLongitudinal axis
- 88th
- Primär-AustrittspositonPrimary exit position
- 99
- Verdrallungseinrichtung (Primärluft 1)Swirl device (primary air 1)
- 1010th
- FlammenkernFlame core
- 10a10a
- Pfeilarrow
- 10b10b
- Pfeilarrow
- 10c10c
- Pfeilarrow
- 1111
- BrennerrohrBurner tube
- 1212th
- Verdrallungseinrichtung (Primärluft 2)Swirl device (primary air 2)
- 1313
- GaslanzeGas lance
- 13a13a
- Rohrleitung (Gas)Pipeline (gas)
- 13b13b
- Verteilerraum (Gas)Distribution room (gas)
- 1313
- GasaustrittsbohrungGas outlet bore
- 1515
- Sekundär-AustrittspositionSecondary exit position
- 1616
- dritte Zuleitungthird supply line
- 1717th
- Zweistoff-ZerstäuberdüseTwo-component atomizer nozzle
- 1818th
- (Sekundärluft-)Düse (erste Stufe)(Secondary air) nozzle (first stage)
- 18a18a
- FreistrahlFree jet
- 1919th
- (Sekundärluft-)Düse (zweite Stufe)(Secondary air) nozzle (second stage)
- 19a19a
- FreistrahlFree jet
- 2020th
- FeuerraumFirebox
- 2121
- KesselwandBoiler wall
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