ITFI980069A1

ITFI980069A1 - INNOVATIVE BURNER FOR LIQUID AND GASEOUS FUELS WITH LOW PRODUCTION OF NITROGEN OXIDES

Info

Publication number: ITFI980069A1
Application number: IT98FI000069A
Authority: IT
Inventors: Sergio Ligasacchi; Ferdinando Costanzi; Enrico Tosi
Original assignee: Enel Spa
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-09-25
Also published as: DE69911830D1; ITFI980069A0; EP0945678B1; EP0945678A3; EP0945678A2; ATE251737T1

Abstract

A low-NOx burner for liquid and gaseous fuels, of the type in which the combustion air is split into two streams. The primary air stream, fed through a plurality of windows (12), crosses at the outlet a series of oriented blades (15) which impart vorticity to it. The secondary air stream, fed through a series of windows (19), crosses a series of oriented blades (22) axially movable for varying the degree with respect to the inlet windows (19) . The windows (12, 19) for the primary and secondary air inlet have movable dampers (13, 20) for continuously adjusting the inlet section. This particular structure of the burner, particularly suitable for low/medium capacity installations, allows for a stage combustion typical of more complex geometry burners to be carried out, with a cost saving with equal capacity and pollutant emissions. <IMAGE>

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo: Description of the Industrial Invention entitled:

"BRUCIATORE INNOVATIVO PER COMBUSTIBILI LIQUIDI E "INNOVATIVE BURNER FOR LIQUID FUELS E

GASSOSI A BASSA PRODUZIONE DI OSSIDI DI AZOTO" GASEOUSES WITH LOW PRODUCTION OF NITROGEN OXIDES "

La presente invenzione ha per oggetto un bruciatore innovativo per combustibili liquidi e gassosi a bassa produzione di ossidi di azoto. Più precisamente l'invenzione riguarda un bruciatore di piccola e media potenza atto ad equipaggiare i sistemi di combustione di generatori di vapore o acqua calda sia per scopi civili (ad esempio, centrali termiche di teleriscaldamento), sia per scopi industriali (ad esempio, caldaie per la produzione di vapore per macchine operatrici, lavanderie industriali). The present invention relates to an innovative burner for liquid and gaseous fuels with low nitrogen oxide production. More precisely, the invention relates to a small and medium power burner suitable for equipping combustion systems with steam or hot water generators both for civil purposes (for example, district heating power plants) and for industrial purposes (for example, boilers for the production of steam for operating machines, industrial laundries).

I bruciatori noti di piccola e media potenza sono in genere costituiti da un condotto per l'aria comburente, che può essere messa in rotazione per mezzo di un registro radiale regolabile o grazie ad un ingresso tangenziale (a chiocciola), e da un disco forato e/o alettato di grandi dimensioni, disposto all'uscita del condotto, a cui viene affidata la stabilizzazione della fiamma. Questi bruciatori, pur presentando il vantaggio di essere caratterizzati da una notevole semplicità costruttiva, risultano tuttavia avere una limitata capacità di riduzione delle emissioni di ossidi di azoto e perdite di carico aerodinamiche particolarmente elevate (dell'ordine di alcune migliaia di Pa). Known burners of small and medium power generally consist of a combustion air duct, which can be rotated by means of an adjustable radial register or thanks to a tangential (spiral) inlet, and by a perforated disk and / or large fins, arranged at the outlet of the duct, which is entrusted with the stabilization of the flame. Although these burners have the advantage of being characterized by a considerable constructive simplicity, they nevertheless have a limited capacity to reduce nitrogen oxide emissions and particularly high aerodynamic load losses (of the order of a few thousand Pa).

Sono d'altra parte noti per installazioni di grande potenza, quali le centrali termoelettriche, bruciatori nei quali l'aria comburente viene divisa in più flussi, in genere tre, in modo da controllare la stechiometria della combustione e la temperatura di fiamma. Questa tecnica, denominata combustione a stadi, consiste nel dosare opportunamente l'aria ed il combustibile all'interno del sistema di combustione, in maniera tale da formare una zona ricca di combustibile, nella quale si verificano i processi di pirolisi del combustibile e si attivano i processi di riduzione degli ossidi di azoto. A questa fa seguito una zona povera, dove il miscelamento della parte rimanente dell'aria comburente con il combustibile completa la combustione. Strutture:di bruciatori di questo tipo non sono però adatte a impianti di piccola e media potenza sia per ragioni di costo che per la complessità di riprodurre tale geometria su scala più piccola. On the other hand, burners in which the combustion air is divided into several flows, generally three, are known for high-power installations, such as thermoelectric power stations, in order to control the stoichiometry of the combustion and the flame temperature. This technique, called staged combustion, consists in appropriately dosing the air and the fuel inside the combustion system, in such a way as to form a zone rich in fuel, in which the pyrolysis processes of the fuel occur and are activated the reduction processes of nitrogen oxides. This is followed by a lean zone, where the mixing of the remaining part of the combustion air with the fuel completes the combustion. Structures: of burners of this type, however, are not suitable for small and medium power plants both for cost reasons and for the complexity of reproducing this geometry on a smaller scale.

Lo scopo della presente invenzione è di fornire un bruciatore per combustibili liquidi e gassosi in grado di ottenere una combustione a stadi tipica dei bruciatori a tre arie con tutti 1 vantaggi connessi m termine di ridotta produzione di ossidi di azoto, ma con una struttura semplificata rispetto a questa categoria di bruciatori. The object of the present invention is to provide a burner for liquid and gaseous fuels capable of obtaining a staged combustion typical of three-air burners with all the advantages connected with the term of reduced production of nitrogen oxides, but with a simplified structure with respect to to this category of burners.

Un'ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire un bruciatore del tipo summenzionato, adatta sia ad equipaggiare i sistemi di combustione di nuovi generatori di vapore o acqua calda, sia per essere applicato su impianti esistenti. A further object of the present invention is to provide a burner of the aforementioned type, suitable both for equipping combustion systems with new steam or hot water generators, and for being applied to existing plants.

Gli scopi suddetti vengono raggiunti con il bruciatore secondo l'invenzione, grazie ad una suddivisione dell'aria comburente in due flussi, detti primario e secondario, nonché ad una appropriata geometria dello sbocco e mediante l'impiego di un generatore di turbolenza sull'aria primaria, detto swirler primario, con deflettore radiale e un generatore di turbolenza sull'aria secondaria, detto swirler secondario, regolabile. Grazie a questa semplificazione della struttura del bruciatore è possibile avere un costo unitario più contenuto e perdite di carico lato aria più basse a parità di potenzialità e di emissione di inquinanti. The aforementioned purposes are achieved with the burner according to the invention, thanks to a subdivision of the combustion air into two flows, called primary and secondary, as well as to an appropriate geometry of the outlet and through the use of a turbulence generator on the air. primary, called primary swirler, with radial deflector and an adjustable secondary air turbulence generator, called secondary swirler. Thanks to this simplification of the burner structure, it is possible to have a lower unit cost and lower air side pressure drops with the same potential and emission of pollutants.

Le caratteristiche ed i vantaggi del bruciatore secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento al disegno annesso in cui: The characteristics and advantages of the burner according to the present invention will become clearer from the following description of an embodiment thereof, made by way of non-limiting example with reference to the attached drawing in which:

la figura 1 è una vista schematica d'assieme in sezione longitudinale del bruciatore secondo la presente invenzione. Figure 1 is an overall schematic view in longitudinal section of the burner according to the present invention.

Con riferimento alla figura 1, si è indicato con 1 un bruciatore posto in corrispondenza di una apertura conica 2 di una parete interna 3 di una camera di combustione 4. L'apertura 2 ha la forma di una gola divergente verso la camera di combustione 4. L'aria comburente viene alimentata attraverso una cassa d'aria 5 e suddivisa in due correnti denominate primaria e secondaria attraverso rispettivi condotti primario 11 e secondario 17 disposti coassialmente sull'asse longitudinale X-X del bruciatore. With reference to Figure 1, 1 indicates a burner placed in correspondence with a conical opening 2 of an internal wall 3 of a combustion chamber 4. The opening 2 has the shape of a groove diverging towards the combustion chamber 4 The combustion air is fed through an air box 5 and divided into two streams called primary and secondary through respective primary 11 and secondary ducts 17 arranged coaxially on the longitudinal axis X-X of the burner.

Il bruciatore comprende una lancia 6 per combustibile liquido connessa esternamente ,ad una flangia 7 e terminante in camera di combustione 4 con un atomizzatore 8, di tipo noto, per la nebulizzazione del combustibile. La lancia 6 è disposta centralmente sull'asse X-X del bruciatore e coassialmente ad essa sono disposte una pluralità di lance 9 per l'alimentazione di combustibili gassosi. Le lance del gas 9 si estendono da un collettore toroidale 10 esterno alla flangia 7 fino alla gamma della combustione 4. Il bruciatore può quindi bruciare combustibile gassoso o liquido o entrambi. The burner comprises a lance 6 for liquid fuel connected externally to a flange 7 and ending in the combustion chamber 4 with an atomizer 8, of a known type, for atomizing the fuel. The lance 6 is arranged centrally on the X-X axis of the burner and a plurality of lances 9 are arranged coaxially to it for feeding gaseous fuels. The gas lances 9 extend from a toroidal manifold 10 external to the flange 7 to the combustion range 4. The burner can then burn gaseous or liquid fuel or both.

Il condotto primario 1 si estende coassialmente alla lancia 6 per il combustibile liquido e contiene le lance 9 per il gas. Con una sua estremità è connesso alla flangia 7 e con l'altra sfocia nella camera di combustione 4. In prossimità della flangia 7 il condotto primario 11 presenta una pluralità di feritoie radiali 12 per l'alimentazione dell'aria dalla cassa d'aria 5 e nel suo interno, in corrispondenza di tali feritoie, è prevista una serranda cilindrica 13 scorrevole assialmente tramite due aste 14 (una solo mostrata in figura) fuoriuscenti dalla flangia 7. The primary duct 1 extends coaxially to the lance 6 for the liquid fuel and contains the lances 9 for the gas. With one of its ends it is connected to the flange 7 and with the other it flows into the combustion chamber 4. Near the flange 7 the primary duct 11 has a plurality of radial slots 12 for supplying the air from the air box 5 and inside it, in correspondence with these slots, a cylindrical shutter 13 is provided which slides axially by means of two rods 14 (only one shown in the figure) protruding from the flange 7.

Il condotto secondario 17 si estende coassialmente al condotto primario 11 da una flangia 13 estendentesi radialmente da quest'ultimo e sfocia nella camera di combustione 4. In prossimità della flangia 18 il condotto secondario 17 presenta una pluralità di feritoie radiali 19 per l'alimentazione dell'aria dalla cassa d'aria 5. Esternamente al condotto secondario 17, in corrispondenza delle feritoie 19 è prevista una serranda cilindrica 20 scorrevole azionata tramite due aste di comando 21 (una sola mostrata in figura). Lo scorrimento assiale delle serrande cilindriche 13 e 20 consente di regolare con continuità la sezione di ingresso dei condotti primario e secondario e con essa la ripartizione della portata dell'aria comburente. La regolazione può essere ottenuta mediante azionamento manuale delle rispettive aste 14 e 21, oppure possono essere motorizzate. I due condotti dell'aria primaria e secondaria possono essere alimentati da un'unica cassa d'aria 5, come illustrato, oppure possono avere casse d'aria separate. The secondary duct 17 extends coaxially to the primary duct 11 by a flange 13 extending radially from the latter and flows into the combustion chamber 4. Near the flange 18 the secondary duct 17 has a plurality of radial slots 19 for feeding the air from the air box 5. Outside the secondary duct 17, in correspondence with the slots 19, there is a cylindrical sliding shutter 20 operated by two control rods 21 (only one shown in the figure). The axial sliding of the cylindrical dampers 13 and 20 allows to continuously adjust the inlet section of the primary and secondary ducts and with it the distribution of the combustion air flow. The adjustment can be obtained by manual actuation of the respective rods 14 and 21, or they can be motorized. The two primary and secondary air ducts can be supplied by a single air box 5, as illustrated, or they can have separate air boxes.

In corrispondenza della camera di combustione 4 il condotto primario 11 presenta internamente una swirler primario 15 formato da una pluralità di alette fisse. Esternamente allo swirler primario 15 è previsto un deflettore radiale 16 di forma troncoconica coassiale all'asse X-X del bruciatore 1. Le alette dello swirler primario 15 hanno una inclinazione fissa e stabilita a seconda dell'applicazione. Esse possono essere piane, nel caso di angolo di uscita unico di tutto il raggio del condotto primario, oppure avere un profilo variabile in modo continuo, realizzato mediant Ie alette opportunamente sagomate in modo da avere un angolo di uscita del flusso di aria primaria variabile con il raggio, oppure in modo discontinuo, suddividendo ogni singola aletta in due subalette aventi inclinazioni diverse tra loro. In correspondence with the combustion chamber 4, the primary duct 11 internally has a primary swirler 15 formed by a plurality of fixed fins. Outside the primary swirler 15 there is a radial deflector 16 with a truncated cone shape coaxial to the X-X axis of the burner 1. The fins of the primary swirler 15 have a fixed inclination established according to the application. They can be flat, in the case of a single exit angle of the entire radius of the primary duct, or have a continuously variable profile, made by means of the fins suitably shaped so as to have a variable exit angle of the primary air flow with the beam, or in a discontinuous way, dividing each single fin into two sub-fins having different inclinations.

Il deflettore radiale 16 previsto sul lato dello swirler primario 15 e rivolto verso la camera di combustione, divide lo swirler 15 in due corone circolari concentriche di cui quella esterna ha una sezione di passaggio da 2 a 3 volte maggiore di quella interna. The radial deflector 16 provided on the side of the primary swirler 15 and facing the combustion chamber divides the swirler 15 into two concentric circular rings, the external one of which has a passage section from 2 to 3 times greater than the internal one.

In corrispondenza delle feritoie 19 sul lato interno del condotto secondario 17, è previsto uno swirler mobile 22 composto da una pluralità di alette inclinate e atto a scorrere assialmente tra due posizioni estreme, delle quali una completamente a valle delle feritoie 19 ed una, indicata con linea tratteggiata in figura, completamente a monte di esse. Lo scorrimento dello swirler mobile 22 è comandato da aste 23 fuoriuscenti dalla flangia 7. In funzione della posizione dello swirler mobile 22 rispetto alle feritoie dell'ingresso dell'aria 19 può essere regolata la vorticosità dell'aria, che sarà nulla quando lo swirler 22 è in posizione arretrata e quindi l'aria comburente non passa attraverso di esso e sarà massima quando lo swirler è in posizione avanzata. La regolazione della vorticosità è ottenuta disponendo lo swirler nelle posizioni intermedie. A valle dello swirler mobile 22, in corrispondenza dello sbocco del condotto secondario 17, è posto un venturi 24. Inoltre, in corrispondenza dello sbocco nella camera di combustione 4 il condotto secondario 17 presenta un deflettore radiale 25, di forma troncoconica, che si estende dal bordo del condotto primario 11 delimitando il flusso d'aria primaria da quello d'aria secondaria. In correspondence with the slots 19 on the internal side of the secondary duct 17, there is a mobile swirler 22 composed of a plurality of inclined fins and able to slide axially between two extreme positions, one of which completely downstream of the slots 19 and one, indicated with dashed line in the figure, completely upstream of them. The sliding of the mobile swirler 22 is controlled by rods 23 protruding from the flange 7. Depending on the position of the mobile swirler 22 with respect to the slots of the air inlet 19, the swirling of the air can be adjusted, which will be zero when the swirler 22 it is in the rear position and therefore the combustion air does not pass through it and will be maximum when the swirler is in the advanced position. The vorticity adjustment is obtained by placing the swirler in the intermediate positions. Downstream of the mobile swirler 22, in correspondence with the outlet of the secondary duct 17, there is a venturi 24. Furthermore, at the outlet in the combustion chamber 4, the secondary duct 17 has a radial deflector 25, of truncated cone shape, which extends from the edge of the primary duct 11 delimiting the primary air flow from that of the secondary air.

Lo swirler primario 15 collocato sul flusso d'aria primaria all'uscita del bruciatore consente di ottenere un campo di moto caratteristico di un bruciatore a bassa emissione di ossidi di azoto (Low-Nox) con basse perdite di carico senza rischiare, in qualsiasi condizione di funzionamento, l'arretramento del fronte di fiamma e lo sporcamente o il danneggiamento di parti del bruciatore. La sagoma delle alette è conformata in modo da aumentare la quantità d'aria che passa nella zona centrale. Con una struttura a doppia serie di alette si ottiene lo stesso scopo ed in più è possibile aumentare la rotazione, cioè la vorticosità, della parte di aria primaria che passa nella corona esterna. Effetto equivalente può essere ottenuto impiegando, anziché uno swirler con due schiere di alette, uno swirler con una sola schiera di alette sagomate in modo da avere l'angolo di uscita variabile con il raggio. Il deflettore radiale ,16, previsto sul flusso primario, ha il compito di separare i due regimi di flusso creati dalla sagomatura delle palette, e favorire la stabilizzazione della fiamma. Nel .caso di abbinamento con uno swirler a doppia serie di alette, il diametro di partenza del deflettore coincide con il diametro di separazione delle due corone circolari definite dalle diverse inclinazioni delle due serie di alette. The primary swirler 15 placed on the primary air flow at the burner outlet allows to obtain a motion field characteristic of a low nitrogen oxide emission burner (Low-Nox) with low pressure drops without risking, in any condition operation, the backwardness of the flame front and dirt or damage to parts of the burner. The shape of the fins is shaped in such a way as to increase the quantity of air that passes into the central area. With a structure with a double series of fins, the same purpose is achieved and in addition it is possible to increase the rotation, that is the vorticity, of the part of primary air that passes into the external crown. An equivalent effect can be obtained by using, instead of a swirler with two rows of fins, a swirler with a single array of fins shaped so as to have the exit angle variable with the radius. The radial deflector, 16, provided on the primary flow, has the task of separating the two flow regimes created by the shaping of the blades, and favoring the stabilization of the flame. In the case of combination with a swirler with a double series of fins, the starting diameter of the deflector coincides with the separation diameter of the two circular crowns defined by the different inclinations of the two series of fins.

Varianti e/o modifiche potranno essere apportate al bruciatore secondo la presente .invenzione, senza per questo uscire dall'ambito protettivo dell'invenzione medesima . Variations and / or modifications may be made to the burner according to the present invention, without thereby departing from the protective scope of the invention itself.

Claims

CLAIMS 1. Burner for liquid and gaseous fuels with low nitrogen oxide production, comprising lance means for feeding said fuels extending along its longitudinal axis, means for registering the combustion air and means for creating swirling in the combustion air itself, characterized by the fact that the combustion air is divided into two flows, primary and secondary respectively, fed to the combustion chamber through respective primary and secondary coaxial ducts, said means for creating swirling in the combustion air comprising a fixed swirler arranged at the outlet of said primary duct and an axially movable swirler arranged in correspondence with the air inlet in said secondary duct, adapted to impart a degree of vorticity as a function of its position with respect to said inlet.

2. Burner according to claim 1, in which on the side of the primary swirler facing the combustion chamber there is a radial deflector adapted to divide said swirler into two concentric circular rings, the ratio between the passage sections of the internal crown and of the external being variable between 1: 2 and 1: 3.

3. Burner according to claim 2, wherein said swirler has fins of constant inclination.

4. Burner according to claim 2, wherein said swirler has fins of different inclination for each of said concentric crowns, said deflector having a diameter equal to that of said internal crown.

5. Burner according to claim 2, wherein said swirler has fins of continuously variable inclination proceeding radially from the inside towards the outside.

6. Burner according to the preceding claims, in which a second radial deflector is provided in correspondence with the outlet section in said combustion chamber between the primary and secondary ducts.

7. Burner according to the preceding claims, in which a venturi is provided within said secondary duct at the outlet section.

8. Burner according to the preceding claims, in which said primary and secondary ducts have respective radial slots for the inflow of the comburent air, in correspondence with the slots of each duct a corresponding sliding cylindrical shutter is provided for the distribution of the air flow .

9. Burner for liquid and gaseous fuels with low nitrogen oxide production, substantially as described above and illustrated with reference to the attached drawing.