NL1028648C1

NL1028648C1 - Non-premixed burner.

Info

Publication number: NL1028648C1
Application number: NL1028648A
Authority: NL
Inventors: Anton Scholten; Gerard Westendorp; Marinus Van Driel; Henricus Johannes Slats; Joannes Avertanus Jozef Te Dam; Jacobus Gerardus Wi Smolenaars
Original assignee: Green Vision Holding B V
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-02

Description

-1- i-1- i

Niet-voorgemengde branderNon-premixed burner

De uitvinding betreft een eenvoudige constructie voor een brander die niet voorgemengd is, maar toch 5 korte vlammen heeft.The invention relates to a simple construction for a burner that is not premixed, but still has 5 short flames.

Branders kunnen onderverdeeld worden in voorgemengde branders en niet-voorgemengde branders.Burners can be subdivided into premixed burners and non-premixed burners.

10 Bij niet-voorgemengde branders wordt de lucht in de verbrandingsruimte bij de brandstof gevoegd. De verbrandingssnelheid wordt daarbij gelimiteerd door de snelheid waarmee de brandstof met de lucht mengt. Een voordeel van niet-voorgemengde branders is dat er vaak 15 geen ventilator in het systeem hoeft te worden opgenomen. Veel eenvoudige branders zijn daarom van dit type. Te denken valt aan branders in keukenfornuizen en oudere type CV ketels.10 For non-premixed burners, the air in the combustion chamber is added to the fuel. The burning speed is thereby limited by the speed at which the fuel mixes with the air. An advantage of non-premixed burners is that often no fan needs to be included in the system. Many simple burners are therefore of this type. Think of burners in kitchen stoves and older type central heating boilers.

20 Een nadeel van niet-voorgemengde branders is dat het volume dat het verbrandingsproces in beslag neemt veelal relatief groot is. Dit wordt veroorzaakt doordat de snelheid van de verbranding gelimiteerd wordt door de trage menging van brandstof en lucht. Bij voorgemengde 25 branders is het mengen al van te voren gebeurd, waardoor een kleinere vlam mogelijk is. Een kleinere vlam betekent tevens meestal een lagere emissie van NOx, doordat de verblijftijd van het mengsel in de vlam korter is. Nog een voordeel kan zijn dat een kleinere luchtovermaat 30 mogelijk is, hetgeen het rendement ten goed komt. Om de hiergenoemde voordelen zijn voorgemengde branders de laatste tijd populairder geworden in met name CV ketels.A drawback of non-premixed burners is that the volume that the combustion process takes up is usually relatively large. This is caused by the fact that the speed of combustion is limited by the slow mixing of fuel and air. With premixed burners, the mixing has already been done in advance, so that a smaller flame is possible. A smaller flame also usually means a lower emission of NOx, because the residence time of the mixture in the flame is shorter. Another advantage may be that a smaller excess of air is possible, which benefits the efficiency. For the aforementioned advantages, premixed burners have recently become more popular, particularly in central heating boilers.

1028648- -2-1028648-2

Voorgemengde branders hebben echter ook nadelen ten opzichte van niet-voorgemengde branders. Voor een goede vlam is het belangrijk dat de plaats waar de vlam zich vormt stabiel is. Deze plaats wordt bij voorgemengde 5 branders bepaald door een evenwicht tussen aanvoer van mengsel en verbranding. Als de aanvoersnelheid hoger is dan de verbrandingsnelheid, treedt afblazen op. Als daarentegen de aanvoersnelheid lager is dan de verbrandingsnelheid kan terugslag optreden, of kan de 10 vlam te dicht op het branderdek komen te staan waardoor deze te heet wordt. Het evenwicht tussen aanvoersnelheid en verbrandingsnelheid is lastig gelijktijdig te realiseren in een breed gebied van vermogens en mengselsamenstellingen. Bij niet-voorgemengde branders 15 wordt de vlam gestabiliseerd doordat de vlam zich vormt op de plek waar de mengsels samenkomen. Terugslag kan gemakkelijk voorkomen worden doordat er stroomopwaarts vanaf een bepaald punt geen brandbaar mengsel kan bestaan.However, premixed burners also have disadvantages compared to non-premixed burners. For a good flame it is important that the place where the flame forms is stable. With premixed burners, this location is determined by a balance between the supply of mixture and combustion. If the supply speed is higher than the burning speed, blow-off occurs. If, on the other hand, the supply speed is lower than the combustion speed, recoil may occur, or the flame may come too close to the burner deck, making it too hot. The balance between feed rate and combustion rate is difficult to achieve simultaneously in a wide range of power and blend compositions. With non-premixed burners, the flame is stabilized because the flame forms at the place where the mixtures come together. Recoil can easily be prevented because no flammable mixture can exist upstream from a certain point.

Hierdoor zijn niet-voorgemengde branders beter in staat 20 om bij wisselende vermogens en wisselende gasmengsels goed te blijven functioneren. Ook zijn niet-voorgemengde branders in staat om met hoge luchtovermaat te blijven functioneren.As a result, non-premixed burners are better able to continue to function well at varying capacities and fluctuating gas mixtures. Non-premixed burners are also able to continue to function with a high excess of air.

25 De voordelen van niet-voorgemengde branders kunnen25 The benefits of non-premixed burners can

bijvoorbeeld zwaar wegen bij het ontwerp van reformers, waarbij soms een brander gebruikt wordt om het zogenaamde Ifor example, the design of reformers, where sometimes a burner is used to create the so-called I

i "offgas" te verbranden. Offgas is het gedeelte van het reformeergas dat niet gebruikt is door de installatie 30 waaraan het reformeergas geleverd wordt, typisch een brandstofcel of een waterstofzuiveringseenheid. Dit gas is wisselend van samenstelling, hoeveelheid en temperatuur. Een voorgemengde brander zou problemen 1 028048-i burn "offgas". Offgas is the portion of the reforming gas not used by the installation 30 to which the reforming gas is supplied, typically a fuel cell or a hydrogen purification unit. This gas varies in composition, quantity and temperature. A premixed burner would cause problems.

ί II

| ! -3- krijgen om in al die situaties goed te stabiliseren. Het offgas kan ook rijk in waterstof zijn. Een voorgemengd mengsel van lucht en waterstof heeft een zeer hoge verbrandingssnelheid, waardoor voortijdige verbranding, 5 explosies en terugslag een groot probleem zijn.| ! -3- to stabilize well in all those situations. The offgas can also be rich in hydrogen. A premixed mixture of air and hydrogen has a very high combustion rate, making premature combustion, explosions and recoil a major problem.

De uitvinding betreft een niet-voorgemengde brander die de nadelen van voorgemengde branders niet heeft, maar die de nadelen van niet-voorgemengde branders voor een 10 deel vermijdt. Het belangrijkste nadeel van niet- voorgemengde branders is dat de vlamlengte te groot wordt bij het gewenste vermogen. Dit wordt veroorzaakt door de te lange tijd die de menging nodig heeft. Een oplossing is het oppervlak waarover de menging kan plaatsvinden te 15 vergroten, en tegelijkertijd de afstand die de diffusie van gassen moet afleggen te verkleinen. De uitvinding realiseert dit zonder gecompliceerde en dure constructies.The invention relates to a non-premixed burner which does not have the disadvantages of premixed burners, but which partially avoids the disadvantages of non-premixed burners. The main disadvantage of non-premixed burners is that the flame length becomes too large at the desired power. This is caused by the too long time that the mixing takes. A solution is to increase the area over which the mixing can take place, and at the same time to reduce the distance that the diffusion of gases must travel. The invention achieves this without complicated and expensive constructions.

Dit zal verder worden toegelicht aan de hand van de figuren.This will be further elucidated with reference to the figures.

2020

Figuur 1 toont het algemene principe van de uitvinding. Figuur 2 toont een cilindersymmetrische variant. Figuur 3 toont een variant waarbij het principe van de uitvinding tweemaal is toegepast. Figuur 4 toont 25 een variant waarbij gebruik is gemaakt van een wellicht goedkoop fabriceerbare geometrie.Figure 1 shows the general principle of the invention. Figure 2 shows a cylinder-symmetrical variant. Figure 3 shows a variant in which the principle of the invention has been applied twice. Figure 4 shows a variant in which use is made of a possibly inexpensive fabricable geometry.

De uitvinding voorziet in drie ruimtes, waarvan één ruimte [1] voor de aanvoer van brandstof en één ruimte [2] 30 voor de aanvoer van lucht, dan wel zuurstofrijk mengsel.The invention provides three spaces, of which one space [1] for the supply of fuel and one space [2] for the supply of air or oxygen-rich mixture.

De twee ruimtes staan in verbinding met de derde ruimte [3] , de verbrandingsruimte, door middel van een aantal gaten [4,5,6]. Het gas zal uit deze gaten stromen in de 1028648- -4- vorm van een serie jets, kegelvormige stromingen. Een aantal [5] gaten voor de jets met lucht worden dicht langs de gaten [4] voor de jets voor brandstof geplaatst, zodat de lucht via een korte diffusieweg met de brandstof 5 kan mengen. Een ander deel [6] van de gaten voor van de lucht wordt zo gepositioneerd dat de luchtjets tussen de brandstofjets doorschieten. Hierdoor ontstaat een tweede front en derde front waarover diffusie kan plaatsvinden.The two spaces are connected to the third space [3], the combustion space, through a number of holes [4,5,6]. The gas will flow out of these holes in the form of a series of jets, cone-shaped flows. A number of [5] holes for the jets with air are placed close to the holes [4] for the jets for fuel, so that the air can mix with the fuel 5 via a short diffusion path. Another part [6] of the front holes of the air is positioned so that the air jets pass through between the fuel jets. This creates a second front and third front over which diffusion can take place.

Het tweede front bestaat hierbij uit de zijkanten tussen 10 de brandstof jets, waar nu lucht stroomt, in tegenstelling tot een conventionelere opstelling zonder de gaten [6]· Het derde front is hierbij de achterzijde van de brandstofjets, waar een deel van de lucht uit de gaten[6] terecht komt. Enige afstand stroomafwaarts van 15 de gaten ontstaat nu een situatie waarbij de brandstof aan alle zijden omringt is door lucht. In conventionele systemen zou hiervoor een ingewikkelder aanvoersysteem j voor de reactanten nodig zijn geweest. 1 20 De uitvinding realiseert dus met slechts twee aanvoerroutes voor de reactanten een groot aantal jets met brandstof, die aan alle zijden omringt zijn door een voldoende hoeveelheid lucht of zuurstofrijk mengsel.The second front consists of the sides between the fuel jets, where air now flows, in contrast to a more conventional arrangement without the holes [6]. The third front is the rear of the fuel jets, from which a part of the air comes out. the holes [6]. Some distance downstream of the holes now a situation arises where the fuel is surrounded on all sides by air. In conventional systems, this would have required a more complex supply system for the reactants. The invention thus realizes with only two supply routes for the reactants a large number of jets with fuel, which are surrounded on all sides by a sufficient amount of air or oxygen-rich mixture.

25 Omdat er bij verbranding veelal meer lucht nodig is dan brandstof, waarbij tevens veelal een overmaat van lucht wordt gebruikt, is het vooral belangrijk dat de lucht overal de brandstof omringt, en meestal minder belangrijk dat de brandstof overal de lucht omringt.Because combustion often requires more air than fuel, whereby an excess of air is often used, it is especially important that the air surrounds the fuel everywhere, and usually less important that the fuel surrounds the air everywhere.

i 30 Echter, het principe van de uitvinding werkt evengoed als men lucht en brandstof zou verwisselen, of vervangen door willekeurige reactanten. Een dergelijke reactant zou 1028648- -5- I kunnen bestaan uit een brandstof die reeds een deel van de te verbruiken zuurstof of lucht bevat.However, the principle of the invention works just as well if one would exchange air and fuel, or replace it with random reactants. Such a reactant could consist of a fuel that already contains part of the oxygen or air to be used.

Een belangrijke variant van de uitvinding betreft 5 een cilinder symmetrische geometrie. Cilinder symmetrie is veelal wenselijk in verband met een goede temperatuurverdeling. In deze geometrie is het lastig om lucht aan twee zijden van brandstof toe te voegen zonder ingewikkelde constructies. De uitvinding biedt een 10 geschikte oplossing voor dit probleem.An important variant of the invention relates to a cylindrical symmetrical geometry. Cylinder symmetry is often desirable in connection with a good temperature distribution. In this geometry, it is difficult to add air to two sides of fuel without complicated constructions. The invention offers a suitable solution for this problem.

De uitvinding biedt de mogelijkheid om een reactant te laten stromen in een gebied dat in conventionele branders slechts toegankelijk zou zijn voor die reactant door 15 extra aanvoersystemen voor deze reactant in de brander aan te brengen. Dit principe kan binnen een brander meervoudig worden toegepast. Figuur 3 toont een variant waarbij er van beide reactanten instroomjets zijn verwezenlijkt die tussen de jets met de andere reactant 20 doorschieten. Bij deze variant zijn stroomafwaarts van de gaten vier gebieden te onderscheiden, afwisselend met eerste reactant, tweede reactant, wederom eerste reactant, en wederom tweede reactant. Met de eerste variant van de uitvinding daarentegen waren er drie gebieden te 25 onderscheiden, afwisselend met eerste reactant, een tweede reactant, en wederom eerste reactant. Van dergelijke varianten zijn er een groot aantal te bedenken.The invention offers the possibility of allowing a reactant to flow in an area that would be accessible only to that reactant in conventional burners by providing additional feed systems for this reactant in the burner. This principle can be used multiple times within a burner. Figure 3 shows a variant in which inflow jets of both reactants have been realized which pass through between the jets with the other reactant. In this variant, four areas can be distinguished downstream of the holes, alternating with first reactant, second reactant, again first reactant, and again second reactant. With the first variant of the invention, on the other hand, three regions could be distinguished, alternating with first reactant, second reactant, and again first reactant. A large number of such variants are conceivable.

Bij het ontwerp van de brander zijn er een groot 30 aantal parameters die geoptimaliseerd kunnen worden. De groottes, de vormen, het aantal, de onderlinge afstand, en de hoeken waaronder de gaten staan kunnen gevarieerd worden. Hierbij dient vooral rekening gehouden te worden 1028648* -6- met het feit dat het niet vanzelfsprekend is dat lucht jets tussen brandstof jets zullen doorschieten. Een rij jets vormt op enige stroomafwaartse afstand van de gaten een min of meer continu gordijn van stroming. Twee van 5 dergelijke gordijnen zullen niet de neiging hebben om op een voorspelbare manier elkaar te snijden. Eerder zullen zij in botsing komen en daarna parallel gaan stromen.When designing the burner, there are a large number of parameters that can be optimized. The sizes, shapes, number, spacing, and angles of the holes can be varied. 1028648 * -6- should in particular take into account the fact that air jets will not pass between fuel jets. A row of jets forms a more or less continuous curtain of flow at some downstream distance from the holes. Two of such curtains will not tend to cut each other in a predictable manner. Earlier they will collide and then flow parallel.

ii

Derhalve moeten de jets elkaar kruisen voordat zij hebben kunnen samensmelten tot een gordijn. Ook is het mogelijk 10 dat de jets elkaar beïnvloeden, waardoor ongewenste turbulentie optreedt. Om dit te voorkomen moeten de jet voldoende ver uiteen worden geplaatst, en moeten de kruisingen voldoende dicht op de gaten gekozen worden. De afstand tussen de gaten moet echter ook niet te groot 15 worden, omdat dan de diffusielengte groter wordt, en daarmee de vlamlengte te groot.Therefore, the jets must cross before they can fuse into a curtain. It is also possible that the jets influence each other, as a result of which undesired turbulence occurs. To prevent this, the jet must be positioned sufficiently far apart, and the crossings must be chosen close enough to the holes. However, the distance between the holes should not become too large either, because the diffusion length then becomes larger, and therefore the flame length becomes too large.

In figuur 4 wordt een variant getoond waarbij de aanvoersystemen voor lucht en voor brandstof de vorm 20 hebben van een buis. Op deze wijze kan de brander zeer eenvoudig gefabriceerd worden. In plaats van een buis zou men ook een uit plaatwerk gevouwen buisconstructie kunnen toepassen, waarin men gaten stanst in het plaatmateriaal als 25Figure 4 shows a variant in which the supply systems for air and for fuel are in the form of a tube. In this way the burner can be manufactured very easily. Instead of a tube one could also use a tubular structure folded from sheet metal, in which holes are punched in the sheet material as

Om het principe van de uitvinding nauwkeurig te kunnen omschrijven, is het nuttig om gebruik te maken van het begrip "minimum oppervlak". Een minimum oppervlak is een binnen de wiskunde gebruikt begrip. Het minimum 30 oppervlak is het oppervlak dat met zo weinig mogelijk kromming voldoet aan bepaalde randvoorwaarden. Het minimum oppervlak van de hartlijnen van een serie jets is het oppervlak dat al deze hartlijnen bevat, en 1028648- -7- tegelijkertijd zo glad mogelijk is. Dit oppervlak komt tevens overeen met het gordijn van stroming dat voldoende ver stroomafwaarts van de instroming door samensmelting van de jets gevormd wordt. De minimum oppervlakken van de 5 hartlijnen van de twee series jets zullen elkaar snijden in een lijn die dichter stroomafwaarts van de instroomgaten loopt dan ongeveer 5 maal de afstand tussen twee aangrenzende jets van dezelfde serie. Door deze snijlijn zullen zowel jets van de eerste serie als van de 10 tweede serie stromen. Omdat deze jets niet met elkaar mogen botsen, snijden de hartlijnen van de jets de snijlijn op ten opzichte van elkaar versprongen en op enige afstand van elkaar gelegen punten.In order to accurately describe the principle of the invention, it is useful to use the term "minimum area". A minimum area is a term used in mathematics. The minimum area is the area that meets certain boundary conditions with as little curvature as possible. The minimum area of the center lines of a series of jets is the surface that contains all of these center lines, and is at the same time as smooth as possible. This surface also corresponds to the flow curtain that is formed sufficiently far downstream of the inflow by fusing the jets. The minimum surfaces of the 5 axes of the two series of jets will intersect in a line that is closer downstream of the inflow holes than about 5 times the distance between two adjacent jets of the same series. Both the first series and the second series jets will flow through this cutting line. Because these jets are not allowed to collide with each other, the center lines of the jets intersect with the cutting line offset from each other and at some distance from each other.

(1028648-(1028648-)

Claims

1. Burner, provided with a space for supplying a first reactant, a space for supplying a second reactant, a combustion space in which the first and the second reactant can react with each other, and a plurality of holes, which holes can be subdivided into a first series of holes, a second series of holes and a third series of holes, wherein the first series of holes connect the space for the supply of the first reactant to the combustion space, and wherein both the second series of holes and the third series of holes connect the space for the supply of second reactant connects to the combustion space so that the first reactant and the second reactant can flow into the reaction space through the holes in the form of a first series of jets, a second series of jets, and a third series of jets, characterized in that the holes are positioned so that the second series of jets will flow close to and mainly parallel to the first series of jets and the third series of jets s will flow essentially in such a manner with respect to the first series of jets that the minimum area of the center lines of the third series of jets intersects the minimum area of the center lines of the first series of jets in a cutting line running downstream of the series of holes and wherein centerlines of individual jets of the third series of jets intersect said cutting line at points that are substantially offset from intersections of centerlines of individual jets of the first series of jets with the intersection line, so that the third 1028648 series jets can cut the first series of jets without colliding individual jets, so that further downstream of the cutting line the first reactant will be simultaneously surrounded on several sides by flow with second reactant, thereby shortening the mixing time of the reactants compared to conventional ones burners.

2. Burner as in claim 1, characterized in that the space for the supply of first reactant and the space for supply of second reactant are positioned concentrically with respect to each other, and wherein the holes are positioned in concentric rings, whereby the flame cylinder symmetry approximated, whereby a cylinder-symmetrical temperature distribution can be realized around the flame and further downstream.

3. Method for manufacturing a burner as in claim 1, characterized in that the holes are punched in sheet metal, wherein after sheet metal stamping processing the sheet metal is transformed into the space for supplying the first reactant and the space for the supply of second reactant.

Burner as in claim 1 or 2, characterized in that the second reactant consists essentially of air and the first reactant consists essentially of a combustible gas.

5. Burner as in claim 1 or 2, characterized in that the first reactant consists mainly of air and the second reactant consists mainly of a combustible gas. 028648-10

Burner as in claim 4 or 5, characterized in that the combustible gas mainly consists of off gas from a pressure swing adsorber or the off gas from a fuel cell.

Steam reformer, characterized in that it contains a burner as in claim 1, 2, 4, 5 or 6.

8. Steam reformer as in claim 7, characterized in that the heat produced by the burner can be used for the total or partial production of the water vapor required for the process or for the total or partial heat of reaction of the endothermic steam reforming or for a combination of both. 1028648-