NL1033460C2

NL1033460C2 - Method and burner for stepped combustion and device provided with one or more of such burners.

Info

Publication number: NL1033460C2
Application number: NL1033460A
Authority: NL
Inventors: Marco Anton Frederik Derksen; Harm Geert Bos
Original assignee: Stork Thermeq B V
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Also published as: WO2008105653A1

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en brander voor getrapte verbranding en inrichting voorzien van een of meer van dergelijke brandersBrief description: Method and burner for stepped combustion and equipment provided with one or more of such burners

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en brander voor getrapte verbranding van een brandstof in gasvorm in een verbrandingsruimte, en op een inrichting voorzien van een of meer van dergelijke branders, voor het opwekken van warmte voor het verwarmen van een medium bijvoorbeeld water of stoom, in een ketel bijvoorbeeld een 5 stoomketel, fornuis of oven.The invention relates to a method and burner for stepwise combustion of a fuel in gas form in a combustion space, and to a device provided with one or more of such burners, for generating heat for heating a medium, for example water or steam, in a boiler, for example, a steam boiler, stove or oven.

Bekend is dat bij het getrapt verbranden van een vloeibare of gasvormige brandstof in een eerste verbrandingszone bij een lagere concentratie aan lucht dan voor stoichiometrische verbranding nodig is de vlamtemperatuur lager is dan bij stoichiometrische verbranding, met als gevolg dat vanwege de reducerende omgeving de vorming van NOx-10 verbindingen, die met de uit een schoorsteen ontwijkende rookgassen worden uitgestoten in de atmosfeer, wordt onderdrukt. De resterende hoeveelheid verbrandingslucht die voor verbranding van alle brandstof nodig is, wordt in een tweede zone benedenstrooms van de eerste verbrandingszone ingebracht, waar verdere verbranding van de brandstof uit de eerste verbrandingszone plaatsvindt. Deze wijze van verbranding staat bekend als 15 verbranding met gefaseerde lucht ("air staging").It is known that with a stepped burning of a liquid or gaseous fuel in a first combustion zone at a lower concentration of air than is required for stoichiometric combustion, the flame temperature is lower than with stoichiometric combustion, with the result that due to the reducing environment the formation of NOx -10 compounds that are emitted into the atmosphere with the flue gases escaping from a chimney are suppressed. The remaining amount of combustion air required for combustion of all fuel is introduced into a second zone downstream of the first combustion zone, where further combustion of the fuel from the first combustion zone takes place. This method of combustion is known as combustion with staged air ("air staging").

Eveneens is bekend dat bij het verbranden van een dergelijke brandstof bij een hogere concentratie aan lucht dan voor stoichiometrische verbranding nodig is, de overmaat lucht als een verdunningsmiddel fungeert en de temperatuur van de ontstane rookgassen verlaagt, zodat de vorming van NOx-verbindingen wordt verminderd. Bij dit type van getrapte 20 verbranding wordt de resthoeveelheid brandstof in een tweede verbrandingszone benedenstrooms van de eerste verbrandingszone ingebracht en daar verbrand met de resterende hoeveelheid zuurstof, die in de van de eerste verbrandingszone afkomstige rookgassen aanwezig is. Deze wijze van verbranding wordt verbranding met gefaseerde brandstof ("fuel staging") genoemd.It is also known that when such a fuel is burned at a higher concentration of air than is required for stoichiometric combustion, the excess air acts as a diluent and the temperature of the resulting flue gases is reduced, so that the formation of NOx compounds is reduced. With this type of stepped combustion, the residual amount of fuel is introduced into a second combustion zone downstream of the first combustion zone and burned there with the residual amount of oxygen present in the flue gases originating from the first combustion zone. This method of combustion is called combustion with phased fuel.

25 In het vak zijn branders geschikt voor getrapte verbranding in gasturbines bekend, waarbij gecomprimeerde zuurstof houdende verbrandingslucht wordt toegepast en waarbij de rookgassen die uiteindelijk worden afgevoerd via de uitlaat doorgaans nog ongeveer 15% zuurstof bevatten. Daarnaast zijn branders voor toepassing bij atmosferische druk bekend, waarbij het restpercentage zuurstof in de schoorsteen veel lager is, typisch in het gebied 30 tussen 0,5 en 2%.Burners suitable for stepped combustion in gas turbines are known in the art, in which compressed oxygen-containing combustion air is used and in which the flue gases which are ultimately discharged via the outlet generally still contain approximately 15% oxygen. In addition, burners for use at atmospheric pressure are known, the residual percentage of oxygen in the chimney being much lower, typically in the range between 0.5 and 2%.

1 033 4 60 -2-1 033 4 60 -2-

Een voorbeeld van een brander en verbrandingswerkwijzen van het type met gefaseerde brandstof en met een lage NOx uitstoot is uit het Amerikaanse octrooischrift nummer 6 616 442 bekend. Daarbij wordt een eerste deelhoeveelheid brandstof en alle verbrandingslucht gemengd om een primair voorgemengd mengsel van brandstof en 5 verbrandingslucht te verkrijgen, dat derhalve arm aan brandstof is. Dit voorgemengde mengsel wordt in de verbrandingsruimte - ook wel vuurhaard genoemd - ingebracht en verbrand in een primaire verbrandingszone. Daarbij worden rookgassen met een lage NOx-concentratie gevormd. Een tweede deelhoeveelheid van de brandstof wordt eveneens in de primaire verbrandingszone ingebracht en met de nog aanwezige lucht verbrand om de vlam 10 in deze primaire verbrandingszone te stabiliseren. De resterende hoeveelheid brandstof wordt in een secundaire verbrandingszone in de verbrandingsruimte ingebracht, daar gemengd met lucht en met rookgassen uit de verbrandingsruimte, zodat een tweede mengsel van brandstof en verbrandingslucht wordt gevormd dat met de rookgassen is verdund. Dit tweede mengsel wordt in de secundaire verbrandingszone verbrand, waarbij 15 aanvullend rookgas met een laag NOx-gehalte wordt gevormd. Desgewenst kan de vlam, die in de primaire verbrandingszone wordt gevormd bij het verbranden van het brandstofarme voorgemengde mengsel, worden verankerd op een vlamstabiliserend element. Bij de in dit octrooischrift weergegeven brander wordt het eerste mengsel gevormd in twee evenwijdige Venturi-mengbuizen. Elk van deze buizen is aan het uitstroomuiteinde voorzien van een 20 mondstuk dat zo onder een hoek ten opzichte van het voorvlak van de brander is opgesteld dat het voorgemengde mengsel naar het vlamstabiliserend element gelegen aan de onderzijde van de primaire verbrandingszone wordt gericht. Voor stabilisatiedoeleinden wordt een tweede deelhoeveelheid zuivere brandstof nagenoeg loodrecht op genoemd voorvlak op een positie beneden de mondstukken van de Venturi-mengbuizen toegevoerd in de richting 25 van het vlamstabiliserend element. De resthoeveelheid brandstof wordt via een boven de mondstukken van de Venturi-mengbuizen opgestelde toevoer in de tweede verbrandingszone ingevoerd.An example of a burner and combustion methods of the phased fuel type and with a low NOx emission is known from U.S. Pat. No. 6,616,442. A first part quantity of fuel and all combustion air are mixed in order to obtain a primarily premixed mixture of fuel and combustion air, which is therefore low in fuel. This premixed mixture is introduced into the combustion space - also known as the fire source - and burned in a primary combustion zone. Flue gases with a low NOx concentration are thereby formed. A second partial amount of the fuel is also introduced into the primary combustion zone and burned with the air still present to stabilize the flame in this primary combustion zone. The remaining amount of fuel is introduced into the combustion space in a secondary combustion zone, mixed there with air and with flue gases from the combustion space, so that a second mixture of fuel and combustion air is diluted with the flue gases. This second mixture is burned in the secondary combustion zone, additional flue gas with a low NOx content being formed. If desired, the flame formed in the primary combustion zone upon burning of the low-fuel pre-mixed mixture can be anchored on a flame-stabilizing element. With the burner shown in this patent, the first mixture is formed in two parallel Venturi mixing tubes. Each of these tubes is provided at the outlet end with a nozzle which is arranged at an angle with respect to the front face of the burner so that the premixed mixture is directed to the flame-stabilizing element located on the underside of the primary combustion zone. For stabilization purposes, a second partial amount of pure fuel is supplied substantially perpendicular to said front surface at a position below the nozzles of the Venturi mixing tubes in the direction of the flame-stabilizing element. The residual amount of fuel is introduced into the second combustion zone via a feed arranged above the nozzles of the Venturi mixing tubes.

Een andere brander en verbrandingswerkwijze van het type met gefaseerde brandstoftoevoer zijn bekend uit EP-A2- 0 565 196.Another burner and combustion method of the phased fuel supply type are known from EP-A2-0 565 196.

30 Uit US 2003/0148236 A1 is een brander met zogeheten "ultralage NOx emissie" bekend voor onder meer procesverwarming. Bij deze bekende brander wordt een stroom van (secundair) oxiderend middel zoals lucht, door een centrale pijp in de brander ingevoerd, die wordt omringd door een voorbij de uitgang van de centrale pijp uitstekende brandstofinvoerbuis voor het toevoeren van brandstof, die op zijn beurt is opgesteld binnenin 35 een omringende buitenste pijp voor het toevoeren van (primair) oxiderend middel, die zich voorbij de brandstofinvoer uitstrekt. Deze 3 pijpen vormen tesamen een zogeheten LSV ("Large Scale Vortex") apparaat voor vlamstabilisatie. Gefaseerde brandstoflansen zijn -3- rondom het LSV apparaat opgesteld. In deze publicatie wordt onder verwijzing naar fig. 5A gesteld dat in de vlamstabilisatiezone (aangeduid met 1) een goede menging optreedt als gevolg van het ontwerp van de LSV inrichting en de LSV een zeer lage piektemperatuur met daarmee gepaard gaande zeer lage NOx emissie heeft.US 2003/0148236 A1 discloses a burner with so-called "ultra-low NOx emission" for, among other things, process heating. With this known burner, a stream of (secondary) oxidizing agent such as air is introduced into the burner through a central pipe, which is surrounded by a fuel feed pipe projecting beyond the exit of the central pipe, which in turn is fuel arranged inside 35 an surrounding outer pipe for supplying (primary) oxidizing agent, which extends beyond the fuel inlet. These 3 pipes together form a so-called LSV ("Large Scale Vortex") device for flame stabilization. Phased fuel lances are arranged around the LSV device. In this publication it is stated with reference to Fig. 5A that a good mixing occurs in the flame stabilization zone (indicated by 1) as a result of the design of the LSV device and the LSV has a very low peak temperature with associated very low NOx emission.

5 EP-A2-1612481 openbaart een met US 2003/0148236 A1 vergelijkbaar branderontwerp.EP-A2-1612481 discloses a burner design similar to US 2003/0148236 A1.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een werkwijze en brander voor getrapte verbranding, in het bijzonder voor toepassing in een inrichting voor het opwekken van warmte voor het verwarmen van een medium zoals stoom of water, te verschaffen, waarbij de 10 piektemperatuur van de vlam wordt onderdrukt en zodoende de vorming van schadelijke emissies van stikstofoxides (NOx) wordt geminimaliseerd, of ten minste een bruikbaar alternatief te verschaffen.The present invention has for its object to provide a method and burner for stepped combustion, in particular for use in a device for generating heat for heating a medium such as steam or water, wherein the peak temperature of the flame is suppressed. and thus the formation of harmful emissions of nitrogen oxides (NOx) is minimized, or at least to provide a useful alternative.

Volgens een eerste aspect verschaft de uitvinding een werkwijze voor getrapte verbranding van een brandstof in gasvorm in een verbrandingsruimte, in het bijzonder van 15 een inrichting voor het opwekken van warmte voor het verwarmen van een medium, bij voorkeur een direct gestookte atmosferische stoomketel, of van een fornuis of van een oven, welke werkwijze omvat a) het invoeren van een stroom van een voorgemengd mengsel van brandstof in gasvorm en zuurstof houdende verbrandingslucht op een eerste positie in genoemde 20 verbrandingsruimte, b) het invoeren van een stroom van zuurstof houdende verbrandingslucht in de verbrandingsruimte op een tussengelegen positie, die ten minste gedeeltelijk de eerste positie omgeeft, c) het invoeren van een stroom van brandstof in gasvorm in de verbrandingsruimte 25 op een omtrekspositie, die ten minste gedeeltelijk de tussengelegen positie omgeeft, d) het verbranden van de ingevoerde stroom van het voorgemengde mengsel van brandstof in gasvorm en zuurstof houdende verbrandingslucht als basisvlam in een eerste verbrandingszone (aangeduid als O in fig. 3) aangrenzend aan de eerste positie in de verbrandingsru i mte, 30 e) het mengen van de ingevoerde stroom van zuurstof houdende verbrandingslucht in een mengzone (aangeduid als B in fig. 3) aangrenzend aan de tussengelegen positie, met rookgassen afkomstig uit de eerste verbrandingszone O, f) het mengen van de ingevoerde stroom van brandstof in gasvorm in een mengzone (met A aangeduid in fig. 3) aangrenzend aan de omtrekspositie, met in de 35 verbrandingsruimte circulerende rookgassen, -4- g) het met elkaar mengen van de uit stappen e) en f) afkomstige gemengde stromen en gedeeltelijk verbranden daarvan in een aanvullende meng- en verbrandingszone (C in fig.According to a first aspect, the invention provides a method for stepped combustion of a fuel in gas form in a combustion space, in particular of a device for generating heat for heating a medium, preferably a directly fired atmospheric steam boiler, or of a stove or an oven, which method comprises a) introducing a stream of a premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air at a first position in said combustion space, b) introducing a stream of oxygen-containing combustion air into the combustion space at an intermediate position, which at least partially surrounds the first position, c) introducing a stream of fuel in gas form into the combustion space 25 at a peripheral position, which at least partially surrounds the intermediate position, d) burning the imported stream of the premixed gas and suction fuel mixture dusty combustion air as a base flame in a first combustion zone (indicated as O in Fig. 3) adjacent to the first position in the combustion space, e) mixing the input stream of oxygenated combustion air in a mixing zone (referred to as B in Fig. 3) adjacent to the intermediate position, with flue gases from the first combustion zone 0, f) mixing the introduced stream of fuel in gas form in a mixing zone (indicated by A in Fig. 3) adjacent to the peripheral position, with in flue gases circulating in the combustion space, -4- g) mixing the mixed streams originating from steps e) and f) and partially burning them in an additional mixing and combustion zone (C in fig.

3), grenzend aan de mengzones B en A van stappen e) en f), h) het in wezen volledig verbranden van het in de aanvullende meng- en 5 verbrandingszone C gevormde en gedeeltelijk verbrande mengsel in een stroomafwaartse verbrandingszone (D in fig. 3).3), adjacent to the mixing zones B and A of steps e) and f), h) substantially completely burning the mixture formed in the additional mixing and combustion zone C and partially burned in a downstream combustion zone (D in FIG. 3).

Bij de werkwijze voor getrapte verbranding van een brandstof in gasvorm volgens de uitvinding worden drie verschillende stromen op verschillende posities in de verbrandingsruimte ingébracht. Een stroom van een voorgemengd mengsel van brandstof in 10 gasvorm en zuurstof houdende verbrandingslucht - hierna aangeduid als brandstof respectievelijk verbrandingslucht - wordt op een eerste positie ingebracht in de verbrandingsruimte. Vanwege de voorkeursopbouw zoals deze verderop wordt toegelicht, wordt deze eerste positie ook wel centrale positie genoemd. Het voorgemengd mengsel wordt als basisvlam verbrand in een gebied aangrenzend aan deze eerste invoerpositie. Dit 15 gebied wordt in deze beschrijving de eerste verbrandingszone O genoemd. Bij de brander volgens US 2003/0148236 A1 is er geen sprake van een voormenging van secundaire lucht en brandstof. Op een tussengelegen positie die de eerste positie omgeeft, met andere woorden op radiale afstand van de eerste positie, wordt een stroom van zuivere verbrandingslucht, die geen brandstof bevat, in de verbrandingsruimte ingebracht. Op een 20 omtrekspositie die op zijn beurt de tussengelegen positie omgeeft, met andere woorden op verdere radiale afstand van de eerste positie dan de tussengelegen positie, wordt een stroom van zuivere brandstof zonder verbrandingslucht in de verbrandingsruimte ingevoerd. Tijdens het uitvoeren van de werkwijze mengt de ingevoerde stroom van zuivere verbrandingslucht met de rookgassen, die afkomstig zijn uit de eerste verbrandingszone O, in een gebied of 25 mengzone B aangrenzend aan de tussengelegen positie. Daardoor wordt de stroming van deze verbrandingslucht vertraagd en stijgt de temperatuur van de verbrandingslucht. De stroom van zuivere brandstof ingevoerd via de omtrekspositie mengt met de in de verbrandingsruimte circulerende rookgassen in een gebied of mengzone A, aangrenzend aan de omtrekspositie. Als gevolg van deze menging neemt de stroomsnelheid van de 30 brandstofstroom af en wordt de brandstofstroom verdund met de weinig zuurstof bevattende rookgassen, die in de verbrandingsruimte circuleren. De temperatuur in deze mengzone A neemt toe met de afstand van de omtrekspositie, waar de brandstof is ingevoerd. De aldus gevormde mengsels van enerzijds verbrandingslucht en rookgassen uit de eerste verbrandingszone O en anderzijds brandstof en circulerende rookgassen mengen vervolgens 35 met elkaar in een volgende of aanvullende meng- en verbrandingszone C, die grenst aan de eerder besproken mengzones B en A voor verbrandingslucht, respectievelijk brandstof. Deze aanvullende meng- en verbrandingszone C ligt benedenstrooms van de eerste -5- verbrandingszone O en de mengzones B en A, waarin stappen e) en 0 plaatsvinden. De concentratie aan oxiderend middel (zuurstof) stijgt daardoor in deze aanvullende meng- en verbrandingszone C ten opzichte van die concentratie in de mengzone A van zuivere brandstof met circulerende rookgassen, vanwege de opmenging met het mengsel van 5 zuivere verbrandingslucht en rookgassen uit de eerste verbrandingszone O, die doorgaans nog restzuurstof bevatten. In deze aanvullende meng- en verbrandingszone C stijgt de temperatuur van het mengsel van brandstof en circulerende rookgassen verder, omdat de circulerende rookgassen veelal een lagere temperatuur hebben dan de rookgassen uit de eerste verbrandingsruimte. De circulerende rookgassen hebben hun warmte immers ten 10 minste gedeeltelijk overgedragen, bijvoorbeeld aan een warmtewisselaar waarin uit water stoom wordt opgewekt. Aldus ontstaan in de aanvullende meng- en verbrandingszone C pas condities waarbij stabiele ontsteking van de brandstof afkomstig van de omtrekspositie plaatsvindt. Immers in de bovenstroomse mengzone A van brandstof is de zuurstofconcentratie nog te laag voor een stabiele ontsteking. Ook is de snelheid van de 15 stroom van zuivere brandstof in die mengzone A te hoog voor een stabiele ontsteking. De basisvlam in de eerste verbrandingszone O fungeert als continue ontstekingsbron voor de hoofdvlam in deze aanvullende meng- en verbrandingszone C en de nog te bespreken stroomafwaartse verbrandingszone D. In de aanvullende meng- en verbrandingszone C heersen als gevolg van de invoerposities van de verschillende stromen 20 verbrandingscondities, waarbij de verbranding onderstoichiometrisch plaatsvindt. Met andere woorden brandstof wordt verbrand met een ondermaat aan zuurstof. De opmenging van de mengsels in de aanvullende meng- en verbrandingszone C neemt met de afstand van de invoerposities toe. De zuurstof wordt echter direct verbruikt door de brandstof die voldoende is verwarmd door de rookgassen. De ondermaat aan zuurstof blijft zodoende in de 25 aanvullende meng- en verbrandingszone C bestaan. De ontstane verbrandingsproducten nemen de verbrandingswarmte op, zodat de gedeeltelijke verbranding in de aanvullende meng- en verbrandingszone C bij een relatief lage temperatuur blijft plaatsvinden.In the step-by-step method of burning a fuel in gas form according to the invention, three different streams are introduced into the combustion space at different positions. A stream of a premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air - hereinafter referred to as fuel or combustion air - is introduced into the combustion space at a first position. Because of the preferred structure as explained below, this first position is also referred to as the central position. The premixed mixture is burned as a base flame in an area adjacent to this first input position. This area is referred to in this description as the first combustion zone O. With the burner according to US 2003/0148236 A1 there is no pre-mixing of secondary air and fuel. At an intermediate position surrounding the first position, in other words at a radial distance from the first position, a stream of pure combustion air, which contains no fuel, is introduced into the combustion space. At a circumferential position which in turn surrounds the intermediate position, in other words at a further radial distance from the first position than the intermediate position, a stream of pure fuel without combustion air is introduced into the combustion space. During the execution of the method, the introduced stream of pure combustion air mixes with the flue gases from the first combustion zone O, in an area or mixing zone B adjacent to the intermediate position. As a result, the flow of this combustion air is delayed and the temperature of the combustion air rises. The stream of pure fuel introduced via the circumferential position mixes with the flue gases circulating in the combustion space in an area or mixing zone A, adjacent to the circumferential position. As a result of this mixing, the flow rate of the fuel stream decreases and the fuel stream is diluted with the low-oxygen flue gases circulating in the combustion space. The temperature in this mixing zone A increases with the distance from the peripheral position where the fuel has been introduced. The thus formed mixtures of on the one hand combustion air and flue gases from the first combustion zone O and on the other hand fuel and circulating flue gases subsequently mix with each other in a subsequent or additional mixing and combustion zone C, which borders on the previously discussed mixing zones B and A for combustion air, respectively fuel. This additional mixing and incineration zone C is downstream of the first incineration zone O and the mixing zones B and A, in which steps e) and 0 take place. The concentration of oxidizing agent (oxygen) therefore rises in this additional mixing and combustion zone C relative to that concentration in the mixing zone A of pure fuel with circulating flue gases, due to the mixing with the mixture of pure combustion air and flue gases from the first combustion zone O, which usually still contain residual oxygen. In this additional mixing and combustion zone C, the temperature of the mixture of fuel and circulating flue gases further increases, because the circulating flue gases often have a lower temperature than the flue gases from the first combustion space. After all, the circulating flue gases have at least partially transferred their heat, for example to a heat exchanger in which steam is generated from water. Thus, in the additional mixing and incineration zone C, conditions arise where stable ignition of the fuel from the peripheral position takes place. After all, in the upstream mixing zone A of fuel, the oxygen concentration is still too low for a stable ignition. Also the speed of the pure fuel flow in that mixing zone A is too high for a stable ignition. The base flame in the first incineration zone O acts as a continuous ignition source for the main flame in this additional mixing and incineration zone C and the downstream incineration zone D to be discussed. In the additional mixing and incineration zone C prevail due to the input positions of the different streams. combustion conditions, where the combustion takes place understoichiometric. In other words, fuel is burned with a lack of oxygen. The mixing of the mixtures in the additional mixing and incineration zone C increases with the distance of the input positions. However, the oxygen is directly consumed by the fuel that is sufficiently heated by the flue gases. The lack of oxygen thus remains in the additional mixing and combustion zone C. The resulting combustion products absorb the combustion heat, so that partial combustion in the additional mixing and combustion zone C continues to take place at a relatively low temperature.

Recirculatie van rookgassen in de verbrandingsruimte is zodoende bevorderlijk voor verbranding bij lage temperatuur. Ook treedt in dit gebied een zogeheten 30 herverbrandingseffect ("reburning") op. Dat wil zeggen dat eventueel in de rookgassen uit de eerste verbrandingszone O en/of circulerende rookgassen uit de verbrandingsruimte aanwezige stikstofoxiden worden gereduceerd, omdat de in de stikstofoxiden aanwezige zuurstof ook wordt gebruikt voor de verbranding van de brandstof en tussenproducten die bij de verbranding worden gevormd. Pas in de verbrandingszone D die benedenstrooms van de 35 mengzones B en A en de aanvullende meng- en verbrandingszone C ligt, vindt volledige verbranding ("uitbrand") van alle nog resterende brandstof plaats. Opnieuw bij relatief lage temperatuur omdat de rookgassen die daar in grote hoeveelheid aanwezig zijn, de -6- verbrandingswarmte opnemen. Bij de werkwijze volgens de uitvinding worden zodoende de verschillende stromen gescheiden van elkaar ingebracht in de verbrandingsruimte. Daardoor is er lokaal altijd een ondermaat van een van de verbrandingsreactanten, hetzij brandstof, hetzij zuurstof aanwezig. Als gevolg van de lokale ondermaat vindt verbranding plaats onder 5 omstandigheden, waarbij de vlamtemperatuur lager is dan de maximale temperatuur bij stoichiometrische verbranding. Deze lage temperatuur leidt tot een onderdrukking van de vorming van schadelijke stikstofoxides en zodoende tot een lage uitstoot van dergelijke stikstofoxides. Bij de werkwijze volgens de uitvinding zijn er drie fysiek gescheiden zones in het vlamgebied in de verbrandingsruimte, die tesamen een lage productie van stikoxides 10 geven, nl. een arme (betrokken op brandstof) verbrandingszone O van de basisvlam van het voorgemengd mengsel, een rijke meng- en verbrandingszone C waarin gedeeltelijke verbranding plaatsvindt en een verdere verbrandingszone D met een kleine overmaat aan zuurstof.Recirculation of flue gases in the combustion space is therefore beneficial for combustion at low temperatures. A so-called reburning effect also occurs in this area. That is, any nitrogen oxides present in the flue gases from the first combustion zone O and / or circulating flue gases from the combustion space are reduced, because the oxygen present in the nitrogen oxides is also used for the combustion of the fuel and intermediates formed during the combustion . Only in the combustion zone D which is downstream of the mixing zones B and A and the additional mixing and combustion zone C, complete combustion ("burning out") of all remaining fuel takes place. Again at a relatively low temperature because the flue gases that are present there in large quantities absorb the heat of combustion. In the method according to the invention, the different streams are thus introduced into the combustion space separately from each other. As a result, there is always a sub-standard of one of the combustion reactants, either fuel or oxygen, present locally. As a result of the local underage, combustion takes place under conditions where the flame temperature is lower than the maximum temperature for stoichiometric combustion. This low temperature leads to a suppression of the formation of harmful nitrogen oxides and thus to a low emission of such nitrogen oxides. In the method according to the invention there are three physically separated zones in the flame area in the combustion space, which together give a low production of nitrogen oxides, namely a poor (fuel-based) combustion zone O of the basic flame of the premixed mixture, a rich mixing and incineration zone C in which partial incineration takes place and a further incineration zone D with a small excess of oxygen.

In deze beschrijving omvat de uitdrukking "brandstof in gasvorm" een gasvormige 15 brandstof en dampvormige brandstof verkregen uit een vloeibare of vaste brandstof.In this description, the term "fuel in gas form" includes a gaseous fuel and vapor fuel obtained from a liquid or solid fuel.

Bij voorkeur bevat het voorgemengde mengsel van brandstof in gasvorm en zuurstof houdende verbrandingslucht een overmaat aan zuurstof ten opzichte van een stoichiometrische verbrandingsreactie, bij voorkeur een zo groot mogelijke overmaat aan zuurstof. Als gevolg van deze maatregel bevatten de in de eerste verbrandingszone O 20 ontstane rookgassen geen brandstof meer, die anders nog in de mengzone B grenzend aan de eerste verbrandingszone O en de tussengelegen positie voor de invoer van zuivere verbrandingslucht zou verbranden.Preferably, the premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air contains an excess of oxygen relative to a stoichiometric combustion reaction, preferably the largest possible excess of oxygen. As a result of this measure, the flue gases produced in the first combustion zone O 20 no longer contain any fuel, which would otherwise still burn in the mixing zone B adjacent to the first combustion zone O and the intermediate position for the input of pure combustion air.

Bij verdere voorkeur vindt de gedeeltelijke verbranding in de aanvullende meng- en verbrandingszone C plaats met een ondermaat aan zuurstof ten opzichte van een 25 stoichiometrische verbrandingsreactie. Zoals hierboven al is uiteengezet, leidt een dergelijke onderstoichiometrische verbranding tot een relatief lage temperatuur en dienovereenkomstige geringe vorming van stikstofoxides en het reduceren - door herverbranding - van eventuele stikstofoxides afkomstig uit de rookgassen.More preferably, the partial combustion takes place in the additional mixing and incineration zone C with a lack of oxygen relative to a stoichiometric combustion reaction. As already explained above, such an under-stoichiometric combustion leads to a relatively low temperature and correspondingly low formation of nitrogen oxides and the reduction - by re-combustion - of any nitrogen oxides originating from the flue gases.

Bij een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding 30 wordt de verbranding in de eindverbrandingszone D, waar volledige uitbrand optreedt, uitgevoerd met een overmaat aan zuurstof ten opzichte van een stoichiometrische verbrandingsreactie. Met voordeel ligt deze overmaat in het gebied van 0,5 tot 2 procent. Aldus wordt volledige verbranding van alle ingebrachte brandstof verzekerd.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the combustion in the final combustion zone D, where complete burn-out occurs, is carried out with an excess of oxygen relative to a stoichiometric combustion reaction. Advantageously, this excess is in the range of 0.5 to 2 percent. Thus complete combustion of all introduced fuel is ensured.

De werkwijzestappen volgens de uitvinding worden bij voorkeur uitgevoerd onder 35 atmosferische druk in de verbrandingsruimte. De werkwijze volgens de uitvinding leent zich dan voor het opwekken van stoom, zoals in een boiler of stoomketel, en voor het opwekken van warmte, zoals in een fornuis of oven.The process steps according to the invention are preferably carried out under atmospheric pressure in the combustion space. The method according to the invention then lends itself to the generation of steam, such as in a boiler or steam boiler, and to the generation of heat, such as in a stove or oven.

- 7-- 7-

Met voordeel zijn de eerste positie, de tussengelegen positie en de omtrekspositie in hoofdzaak concentrisch gelegen rondom een gemeenschappelijk centrum, zoals een axiale branderas van de toegepaste brander of een axiaal opgesteld stabilisatie-element, waarvan de werking hierna nog wordt toegelicht. Elke positie zelf omvat doorgaans een aantal 5 spuitmonden of kanalen met openingen, die op een gelijke radiale afstand van het centrum zijn gelegen. De verschillende posities omringen elkaar.Advantageously, the first position, the intermediate position and the circumferential position are substantially concentrically located around a common center, such as an axial burner axis of the burner used or an axially arranged stabilizing element, the operation of which is explained below. Each position itself generally comprises a number of nozzles or channels with openings, which are located at an equal radial distance from the center. The different positions surround each other.

Bij voorkeur is de eerste verbrandingszone O gedeeltelijk afgeschermd ten opzichte van de aangrenzende mengzone B, waar menging van de uit de eerste verbrandingszone O afkomstige rookgassen met zuivere verbrandingslucht plaatsvindt. Deze afscherming zorgt 10 voor een zekere mate van recirculatie van rookgassen in deze eerste verbrandingszone O en voor stabilisatie van de basisvlam.The first combustion zone O is preferably partially shielded from the adjacent mixing zone B, where mixing of the flue gases from the first combustion zone O takes place with pure combustion air. This shielding ensures a certain degree of recirculation of flue gases in this first combustion zone O and for stabilization of the basic flame.

Het totale debiet aan brandstof en het totale debiet aan zuurstof houdende verbrandingslucht zijn bij voorkeur zodanig dat de brandstof, betrokken op het totaal van de verbrandingsreacties, met een geringe overmaat zuurstof, volledig verbrandt. Het 15 schoorsteengas omvat dan doorgaans nog 0,5-2 procent zuurstof.The total flow of fuel and the total flow of oxygen-containing combustion air are preferably such that the fuel, based on the total of the combustion reactions, burns completely with a small excess of oxygen. The chimney gas then generally still contains 0.5-2 percent oxygen.

Met voordeel ligt het debiet van de via de omtrekspositie ingevoerde brandstof in het gebied van 80-90% van het totale brandstofdebiet. Met andere woorden 10-20% van het totale brandstofdebiet wordt via de eerste positie ingebracht en in de eerste verbrandingszone O verbrand.The flow rate of the fuel introduced via the peripheral position is advantageously in the range of 80-90% of the total fuel flow rate. In other words, 10-20% of the total fuel flow rate is introduced via the first position and burned in the first combustion zone O.

20 De uitvinding heeft tevens betrekking op een brander voor getrapte verbranding van een brandstof in gasvorm in een verbrandingsruimte, in het bijzonder van een inrichting voor het opwekken van warmte voor het verwarmen van een medium zoals bijvoorbeeld water of stoom, bij voorkeur een direct gestookte atmosferische stoomketel, omvattende centrale invoermiddelen voor het invoeren van een stroom van een voorgemengd 25 mengsel van brandstof in gasvorm en zuurstof houdende verbrandingslucht met ten minste een centrale toevoeropening uitmondend in genoemde verbrandingsruimte, voor het voeden van een centrale basisvlam in een eerste verbrandingszone O in de verbrandingsruimte, tussengelegen invoermiddelen voor het invoeren van een stroom van zuurstof houdende verbrandingslucht in de verbrandingsruimte, waarbij de tussengelegen 30 invoermiddelen ten minste een verbrandingsluchttoevoeropening uitmondend in genoemde verbrandingsruimte omvatten, waarbij de verbrandingsluchttoevoeropening ten minste gedeeltelijk de centrale toevoeropening omgevend is opgesteld, perifere toevoermiddelen voor het invoeren van een stroom van brandstof in gasvorm in de verbrandingsruimte, waarbij de perifere toevoermiddelen ten minste een 35 brandstoftoevoeropening uitmondend in genoemde verbrandingsruimte omvatten, waarbij de brandstoftoevoeropening ten minste de verbrandingsluchttoevoeropening gedeeltelijk omgevend is opgesteld, -8- zodanig dat tijdens bedrijf de centrale basisvlam in een eerste verbrandingszone O van de verbrandingsruimte een aansteekvlam vormt voor de verbranding van via de tussengelegen invoermiddelen en de perifere toevoermiddelen ingevoerde brandstof in gasvorm en verbrandingslucht en de uit de eerste verbrandingszone O afkomstige rookgassen in ten 5 minste een verdere zone C, D van de verbrandingsruimte, welke verdere zone C, D stroomafwaarts van de eerste verbrandingszone O is gelegen.The invention also relates to a burner for stepwise combustion of a fuel in the form of a gas in a combustion space, in particular of a device for generating heat for heating a medium such as, for example, water or steam, preferably a directly fired atmospheric steam boiler, comprising central input means for introducing a stream of a premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air with at least one central supply opening leading into said combustion space, for feeding a central base flame into a first combustion zone O in the combustion space intermediate input means for introducing a stream of oxygen-containing combustion air into the combustion space, wherein the intermediate input means comprise at least one combustion air supply opening leading into said combustion space, the combustion air supply opening being peripheral supply means for introducing a stream of fuel in gas form into the combustion space at least partially surrounding the central supply opening, wherein the peripheral supply means comprise at least one fuel supply opening leading into said combustion space, the fuel supply opening at least partially covering the combustion air supply opening arranged in such a way that during operation the central base flame in a first combustion zone O of the combustion space forms a pilot flame for the combustion of fuel introduced via the intermediate input means and the peripheral supply means and combustion air and the flue gases originating from the first combustion zone O in at least one further zone C, D of the combustion space, which further zone C, D is located downstream of the first combustion zone O.

Bij de brander volgens de uitvinding zijn de eerste, tussengelegen en perifere in- en toevoermiddelen gepositioneerd op de verschillende onderlinge posities, zoals hierboven bij de bespreking van de werkwijze volgens de uitvinding uitgebreid is toegelicht. Hierdoor 10 worden ook de eerder beschreven effecten en voordelen behaald. Alle in- en toevoermiddelen omvatten een of meerdere toevoeropeningen die in de verbrandingsruimte uitmonden.In the burner according to the invention, the first, intermediate and peripheral input and supply means are positioned at the different mutual positions, as explained extensively above in the discussion of the method according to the invention. As a result, the previously described effects and advantages are also achieved. All input and supply means comprise one or more supply openings opening into the combustion space.

Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de brander volgens de uitvinding omvatten de centrale invoermiddelen en perifere toevoermiddelen een gemeenschappelijke toevoerleiding 15 voor brandstof, die zich verdeelt in een brandstofleiding naar de brandstoftoevoeropening van de perifere toevoermiddelen en een mengselleiding, die uitmondt in ten minste een toevoerkanaal voor verbrandingslucht, welk toevoerkanaal is voorzien van een mengseluitvoeropening. Aldus wordt bereikt dat de toevoer van brandstof in gasvorm via de betreffende in- en toevoermiddelen in wezen op dezelfde druk plaatsvindt. In het 20 toevoerkanaal vindt een menging van brandstof en verbrandingslucht plaats, zodat het aldus verkregen voorgemengde mengsel na het verlaten van de mengseluitvoeropening direct in de eerste verbrandingszone O als basisvlam kan worden verbrand.In a preferred embodiment of the burner according to the invention, the central input means and peripheral supply means comprise a common supply line for fuel, which divides into a fuel line to the fuel supply opening of the peripheral supply means and a mixture line, which flows into at least one supply channel for combustion air, which supply channel is provided with a mixture outlet. It is thus achieved that the supply of fuel in gas form via the relevant input and supply means takes place essentially at the same pressure. A mixture of fuel and combustion air takes place in the supply channel, so that the pre-mixed mixture thus obtained can be burned directly after leaving the mixture outlet opening in the first combustion zone O as the basic flame.

Deze basisvlam is met voordeel gestabiliseerd. Bij voorkeur is daartoe een stabilisatie-element in de eerste verbrandingszone O voorzien. Meer bij voorkeur is de 25 centrale toevoeropening gelegen rondom of althans omringend om een stabilisatie-element voor het stabiliseren van een basisvlam in de eerste verbrandingszone O. Door deze opbouw kan een centrale basisvlam op een voorgedefinieerde positie (na initiële ontsteking) worden verkregen en gehouden. Bij een verdere voorkeursuitvoeringsvorm daarvan heeft het stabilisatie-element een stabilisatie-oppervlak dat in stromingsrichting van het voorgemengde 30 mengsel van brandstof in gasvorm en zuustof houdende verbrandingslucht benedenstrooms van de mengseluitvoeropening en direct bovenstrooms van de eerste verbrandingszone O is opgesteld. Bij deze voorkeursuitvoeringsvorm steekt het stabilisatieoppervlak benedenstrooms voorbij de mengseluitvoeropening uit, zodat een ongewenste terugslag ("flashback") van de basisvlam in een toevoerkanaal voor het voorgemengde mengsel wordt 35 voorkomen.This basic flame is advantageously stabilized. To that end, a stabilizing element is preferably provided in the first combustion zone O. More preferably, the central supply opening is located around or at least surrounding a stabilizing element for stabilizing a base flame in the first combustion zone O. By this construction, a central base flame can be obtained and held at a predefined position (after initial ignition) . In a further preferred embodiment thereof, the stabilizing element has a stabilizing surface which is arranged downstream of the mixture discharge opening and directly upstream of the first combustion zone O in the direction of flow of the premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air. In this preferred embodiment, the stabilizing surface protrudes downstream of the mixture discharge opening, so that an unwanted kickback of the base flame into a supply channel for the premixed mixture is prevented.

Bij voorkeur is de brander volgens de uitvinding verder voorzien van stuwmiddelen voor gedeeltelijke afscherming van de eerste verbrandingszone O door het opwekken van -9- recirculatie van rookgassen in de eerste verbrandingszone O. Dergelijke stuwmiddelen begrenzen de eerste verbrandingszone O, zodat de basisvlam in een gedefinieerd gebied brandt en niet terug kan slaan in een mengseltoevoerkanaal. De stuwmiddelen bevorderen de recirculatie van de rookgassen in de eerste verbrandingszone O en vormen daardoor een 5 stabilisatie-wervel voor de centrale basisvlam, waarop de verbranding van via de tussengelegen invoermiddelen en perifere toevoermiddelen toegevoerde verbrandingslucht en brandstof zich kan stabiliseren en verankeren.The burner according to the invention is preferably further provided with propulsion means for partial shielding of the first combustion zone O by generating recirculation of flue gases in the first combustion zone O. Such propulsion means limit the first combustion zone O, so that the basic flame is defined in a area is burning and cannot return to a mixture supply channel. The propellants promote the recirculation of the flue gases in the first combustion zone O and thereby form a stabilization vortex for the central base flame, on which the combustion of combustion air and fuel supplied via the intermediate input means and peripheral supply means can stabilize and anchor.

De tussengelegen invoermiddelen omvatten bij voorkeur ten minste een verbrandingsluchttoevoerkanaal, waarvan de verbrandingsluchttoevoeropening gezien in 10 stromingsrichting van de verbrandingslucht, benedenstrooms van de eerste verbrandingszone O is gelegen. Een dergelijke opbouw bevordert de juiste positie van de menging van rookgassen uit de eerste verbrandingszone O en de zuivere stroom van verbrandingslucht. Aldus is met voordeel de eerste verbrandingszone O begrensd door de ten minste ene centrale toevoeropening, het ten minste ene 15 verbrandingsluchttoevoerkanaal en de stuwmiddelen. Verder grenst de verbrandingszone O aan de mengzones B en A en de aanvullende meng- en verbrandingszone C.The intermediate input means preferably comprise at least one combustion air supply channel, the combustion air supply opening of which, viewed in the direction of flow of the combustion air, is located downstream of the first combustion zone O. Such a construction promotes the correct position of the mixing of flue gases from the first combustion zone O and the pure flow of combustion air. The first combustion zone O is thus advantageously limited by the at least one central supply opening, the at least one combustion air supply channel and the propulsion means. Furthermore, the combustion zone O borders the mixing zones B and A and the additional mixing and combustion zone C.

Zoals eerder vermeld heeft de brander bij voorkeur een symmetrische opbouw, waarbij de centrale invoermiddelen, de tussengelegen invoermiddelen en de perifere toevoermiddelen concentrisch rondom een centrale branderas zijn opgesteld.As stated earlier, the burner preferably has a symmetrical structure, wherein the central input means, the intermediate input means and the peripheral supply means are arranged concentrically around a central burner axis.

20 Volgens nog een verdere voorkeur zijn tussen de tussengelegen invoermiddelen en de perifere toevoermiddelen recirculatie van rookgassen bevorderende middelen voorzien, die zich in stromingsrichting van de zuurstof bevattende verbrandingslucht tot voorbij de verbrandingsluchttoevoeropening uitstrekken.According to still a further preference, recirculation of flue gases promoting means is provided between the intermediate input means and the peripheral supply means, which means extend in the direction of flow of the oxygen-containing combustion air beyond the combustion air supply opening.

De hierboven beschreven opbouw van de brander volgens de uitvinding bevordert 25 de gerichte recirculatie van rookgassen in de verbrandingsruimte en zodoende de verbranding bij lage temperatuur. Deze opbouw verhindert rotatie van het stromingspatroon zoals hierna nog zal worden uiteengezet aan de hand van fig. 4, waardoor een relatief smalle en langgerekte vlam wordt verkregen. Bij een geringe afstand van de wand met een brander volgens de uitvinding tot een tegenoverliggende wand kan zich gemakkelijk een 30 recirculatiestroming of -wervel ontwikkelen. Wanneer meerdere branders op een geringe afstand van elkaar zijn opgesteld kan zich een intern recirculatiegebied tussen de branders ontwikkelen en instellen. Dit effect wordt versterkt door genoemde recirculatie van rookgassen bevorderende middelen, die zijn geplaatst tussen de tussengelegen invoermiddelen en perifere toevoermiddelen, en door de onderlinge posities daarvan.The above-described construction of the burner according to the invention promotes the targeted recirculation of flue gases into the combustion space and thus the combustion at low temperature. This construction prevents rotation of the flow pattern as will be explained hereinafter with reference to Fig. 4, whereby a relatively narrow and elongated flame is obtained. At a small distance from the wall with a burner according to the invention to an opposite wall, a recirculation flow or vortex can easily develop. When several burners are arranged at a small distance from each other, an internal recirculation area between the burners can develop and adjust. This effect is enhanced by the said recirculation of flue gas promoting means, which are placed between the intermediate input means and peripheral supply means, and by the mutual positions thereof.

35 De uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting voor het opwekken van warmte voor het verwarmen van een medium zoals bijvoorbeeld water of stoom of een ander medium, bijvoorbeeld een direct gestookte atmosferische stoomketel, een oven of fornuis, -10- omvattende een behuizing en een in de behuizing opgestelde verbrandingsruimte die ten minste wordt begrensd door een wand met een of meer branders volgens de uitvinding, zoals hierboven is beschreven. In het geval van een stoomketel grenst de verbrandingsruimte ook aan een wand voorzien van doorstroomkanalen voor water of stoom. Het medium zelf neemt 5 geen deel aan de verbrandingsreactie.The invention also relates to a device for generating heat for heating a medium such as for example water or steam or another medium, for instance a directly fired atmospheric steam boiler, an oven or stove, comprising a housing and a combustion space disposed in the housing and which is at least limited by a wall with one or more burners according to the invention, as described above. In the case of a steam boiler, the combustion space also borders on a wall provided with flow channels for water or steam. The medium itself does not participate in the combustion reaction.

De uitvinding wordt hierna toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening, waarin:The invention is explained below with reference to the appended drawing, in which:

Fig. 1 een schematische doorsnede van een uitvoeringsvorm van een brander volgens de uitvinding toont; 10 Fig. 2 een aanzicht in de brandermond van de in fig. 1 weergegeven brander is;FIG. 1 shows a schematic section of an embodiment of a burner according to the invention; FIG. 2 is a view in the burner mouth of the burner shown in FIG. 1;

Fig. 3 de verschillende verbrandingszones en mengzones tijdens getrapte verbranding van een brandstof in een dergelijke uitvoeringsvorm toont ter illustratie van de werkwijze; enFIG. 3 shows the different combustion zones and mixing zones during stepwise combustion of a fuel in such an embodiment to illustrate the method; and

Fig. 4 de optredende recirculatie van rookgassen in de verbrandingsruimte 15 verduidelijkt.FIG. 4 clarifies the recirculation of flue gases in the combustion space 15.

In fig. 1 en 2 zijn een schematische doorsnede, respectievelijk aanzicht van een uitvoeringsvorm van een brander volgens de uitvinding weergegeven. De brander 10 is bij deze uitvoeringsvorm in een opstaande, verticale wand 12 van een atmosferische stoomketel geplaatst. Begrepen zal worden dat de brander in principe ook kan worden geplaatst in een 20 horizontale wand, of in een schuine wand onder een willekeurige hoekoriëntatie ("angular orientation") of in een hoeklijn ("corner-line") waar twee wanden met verschillende hoekoriëntatie met elkaar verbonden zijn. De atmosferische stoomketel omvat verder een windkast 14 voor het toevoeren van de benodigde verbrandingslucht. Met verwijzingscijfer 16 is een verbrandingsruimte aangeduid, waarin de getrapte verbranding plaatsvindt. Deze 25 verbrandingsruimte 16 wordt begrensd door onder meer de wand 12 en een in deze fig. niet weergegeven, tegenoverliggende wand die in het algemeen voorzien is van een aantal doorstroomkanalen voor water. De brander 10 verbindt de windkast 14 met de verbrandingsruimte 16.Figures 1 and 2 show a schematic cross-section and view, respectively, of an embodiment of a burner according to the invention. In this embodiment the burner 10 is placed in an upright, vertical wall 12 of an atmospheric steam boiler. It will be understood that the burner can in principle also be placed in a horizontal wall, or in an oblique wall under any angular orientation ("angular orientation") or in a corner line ("corner-line") where two walls with different angular orientation are connected to each other. The atmospheric steam boiler further comprises a wind box 14 for supplying the required combustion air. Reference numeral 16 denotes a combustion space in which the stepped combustion takes place. This combustion space 16 is bounded by, inter alia, the wall 12 and an opposite wall, not shown in this figure, which is generally provided with a number of flow channels for water. The burner 10 connects the wind box 14 with the combustion space 16.

De brander 10 omvat centrale invoermiddelen 20 voor het toevoeren van brandstof 30 in gasvorm, die zijn aangesloten op een niet-weergegeven bron van brandstof. In het weergegeven geval omvatten de centrale invoermiddelen 20 een gasring 22. Verbrandingslucht wordt uit de windkast 14 aan een reeks mengseltoevoerkanalen 24 via een klep 26 toegevoerd, welke kanalen 24 op concentrische cirkelposities zijn opgesteld. Met behulp van klep 26 kan de hoeveelheid verbrandingslucht die aan de kanalen 24 wordt 35 geleverd, worden ingesteld. Een mengseltoevoerkanaal 24 omvat een zogenaamd ejecteurkanaal 28. De gasring 22 is voorzien van een reeks gasspuds 30 (ook wel ejecteurs genoemd), die op concentrische cirkelposities zijn opgesteld. Deze gasspuds 30 injecteren -11 - brandstof in de uiteinden 32 van de corresponderende ejecteurkanalen 28. Elk mengseltoevoerkanaal 24 omvat een ejecteurkanaal 28 en een bijbehorende gasspud 30. In de ejecteurkanalen 28 vindt volledige menging van de toegevoerde brandstof en toegevoerde verbrandingslucht plaats, zodat een voorgemengd mengsel met een constante 5 samenstelling via mengseluitvoeropeningen 34 aan de tegenoverliggende uiteinden 36 van de ejecteurkanalen 28 in een kamer 38 stroomt. Deze kamer 38 wordt begrensd door genoemde mengseluitvoeropeningen 34 en een omringende cilindrische wand of bus 40. Deze bus 40 is aan de binnenzijde voorzien van stuwmiddelen 42, hier een onder een hoek geplaatste stuwring onder vrijlating van een centrale toevoeropening 44 voor het toevoeren 10 van het voorgemengde mengsel van brandstof in gasvorm en verbrandingslucht uit de kamer 38 aan een eerste verbrandingszone O in de verbrandingsruimte 16. Een stabilisatie-element 46 is centraal in het midden van de brander 10, gezien in axiale richting, opgesteld en heeft een stabilisatie-oppervlak 48, dat ongeveer ter hoogte van de binnenomtrek van de stuwring 42 is gepositioneerd en zodoende de centrale toevoeropening 44 gedeeltelijk afsluit. 15 In de verbrandingszone O recirculeert het voorgemengde mengsel en de ontstane rookgassen achter de stuwring 42. Deze stuwring 42 en een zich in stromingsrichting voorbij de stuwring 42 uitstrekkend gedeelte 50 van de bus 40 schermen de eerste verbrandingszone O gedeeltelijk af van de invloed van de overige gebieden van de verbrandingsruimte 16, de overige daarin optredende stromingen die hierna nog worden 20 besproken, en de in de verbrandingsruimte 16 optredende meng- en verbrandingsprocessen. Na ontsteking door een niet-weergegeven aansteekbrander zal het voorgemengd mengsel stabiel verbranden in de eerste verbrandingszone O en de gevormde basisvlam zal zich stabiliseren op het stabilisatie-oppervlak 48 en op de stuwring 42. De basisvlam is arm aan brandstof (overmaat verbrandingslucht). Aangrenzend aan het mengseltoevoerkanaal 24 zijn 25 tussengelegen invoermiddelen 51 voor het toevoeren van een stroom van verbrandingslucht in de verbrandingsruimte 16 voorzien. Deze middelen 51 omvatten bij deze uitvoeringsvorm een ringvormig verbrandingsluchttoevoerkanaal 52, waaraan zuivere verbrandingslucht uit de windkast 14 wordt toegevoerd middels klep 54. Een verbrandingsluchttoevoeropening 56 van toevoerkanaal 52 mondt uit op een positie die, gezien in stromingsrichting, benedenstrooms 30 ligt van de centrale toevoeropening 44 in de verbrandingsruimte 16. Op enige radiale afstand van de verbrandingsluchttoevoeropening 56 zijn perifere toevoermiddelen 60 opgesteld voor het invoeren van zuivere brandstof in gasvorm in de verbrandingsruimte 16. Deze perifere toevoermiddelen 60 met perifere brandstoftoevoeropeningen 62 zijn aangesloten op dezelfde bron van brandstof als de centrale invoermiddelen 20, zodat de druk hetzelfde is. Teneinde 35 gerichte circulatie van rookgassen en dus menging te bevorderen zijn tussen de tussengelegen invoermiddelen 51 en de perifere toevoermiddelen 60 stuwmiddelen in de vorm van een stuwbus 64 opgesteld. De stuwbus 64 vormt een cilindrische radiale -12- begrenzing van een centrale brandermond 66, die zich vanaf de wand 12 over een zekere diepte uitstrekt in de verbrandingsruimte 16. De centrale brandermond 66 omvat de centrale toevoeropening 44 en de verbrandingsluchttoevoeropening 56 van de tussengelegen invoermiddelen 51. De stuwbus 64 kan zijn vervaardigd uit beton, zodat deze een betonnen 5 brandermond vormt.The burner 10 comprises central input means 20 for supplying fuel 30 in gas form, which are connected to a source of fuel (not shown). In the case shown, the central input means 20 comprise a gas ring 22. Combustion air is supplied from the wind box 14 to a series of mixture supply channels 24 via a valve 26, which channels 24 are arranged at concentric circle positions. The amount of combustion air supplied to the channels 24 can be adjusted with the aid of valve 26. A mixture supply channel 24 comprises a so-called ejector channel 28. The gas ring 22 is provided with a series of gas spuds 30 (also known as ejectors) which are arranged at concentric circle positions. These gas spuds 30 inject fuel into the ends 32 of the corresponding ejector channels 28. Each mixture supply channel 24 comprises an ejector channel 28 and an associated gas spud 30. In the ejector channels 28 complete mixing of the supplied fuel and supplied combustion air takes place, so that a premixed mixture with a constant composition flows into a chamber 38 through mixture outlet openings 34 at the opposite ends 36 of the ejector channels 28. This chamber 38 is bounded by said mixture outlet openings 34 and a surrounding cylindrical wall or canister 40. This canister 40 is provided on the inside with propellant means 42, here an angled propeller ring while leaving a central supply opening 44 for supplying the premixed mixture of fuel in gas form and combustion air from the chamber 38 to a first combustion zone O in the combustion space 16. A stabilizing element 46 is arranged centrally in the center of the burner 10, viewed in the axial direction, and has a stabilizing surface 48 which is positioned approximately at the height of the inner circumference of the thrust ring 42 and thus partially closes off the central supply opening 44. In the combustion zone O, the premixed mixture and the flue gases formed behind the thrust ring 42. This thrust ring 42 and a portion 50 of the can 40 extending beyond the thrust ring 42 partially shield the first combustion zone O from the influence of the others areas of the combustion space 16, the other flows occurring therein which will be discussed below, and the mixing and combustion processes occurring in the combustion space 16. After ignition by a pilot burner (not shown), the premixed mixture will burn stably in the first combustion zone O and the base flame formed will stabilize on the stabilizing surface 48 and the thrust ring 42. The base flame is low in fuel (excess combustion air). Adjacent to the mixture supply channel 24, intermediate input means 51 are provided for supplying a stream of combustion air into the combustion space 16. In this embodiment, these means 51 comprise an annular combustion air supply channel 52, to which pure combustion air is supplied from the wind box 14 by means of valve 54. A combustion air supply opening 56 of supply channel 52 ends at a position which, viewed in the direction of flow, lies downstream 30 of the central supply opening 44 in the combustion space 16. At some radial distance from the combustion air supply opening 56 peripheral supply means 60 are arranged for introducing pure fuel in gas form into the combustion space 16. These peripheral supply means 60 with peripheral fuel supply openings 62 are connected to the same source of fuel as the central input means 20 so that the pressure is the same. In order to promote directed circulation of flue gases and thus mixing, between the intermediate input means 51 and the peripheral supply means 60, thrust means in the form of a thrust bush 64 are arranged. The bushing 64 forms a cylindrical radial boundary of a central burner mouth 66, which extends from the wall 12 over a certain depth into the combustion space 16. The central burner mouth 66 comprises the central supply opening 44 and the combustion air supply opening 56 of the intermediate input means 51. The canister 64 can be made of concrete, so that it forms a concrete burner nozzle.

Uit het aanzicht van fig. 2 blijkt de concentrische opstelling van de centrale invoermiddelen 20 voor een voorgemengd mengsel op een eerste positie 70, van de tussengelegen invoermiddelen 51 voor zuivere verbrandingslucht op een tussengelegen positie 80 en van de perifere toevoermiddelen 60 voor zuivere brandstof op een 10 omtrekspositie 90.The view of Fig. 2 shows the concentric arrangement of the central input means 20 for a premixed mixture at a first position 70, of the intermediate input means 51 for pure combustion air at an intermediate position 80 and of the peripheral supply means 60 for pure fuel on a 10 circumferential position 90.

Als gevolg van de verschillende posities van de diverse in- en toevoermiddelen en de samenstelling van de verschillende stromen ontstaan in de verbrandingsruimte 16 een aantal zones, die aan de hand van fig. 3 verder zullen worden beschreven.As a result of the different positions of the various input and supply means and the composition of the different streams, a number of zones are created in the combustion space 16, which zones will be further described with reference to FIG.

De gasvormige brandstofstromen uit de perifere toevoermiddelen 60 vormen 15 gasstralen ("jets") en mengen met in de verbrandingsruimte 16 circulerende rookgassen in een mengzone A, die grenst aan de perifere toevoermiddelen 60. Deze rookgassen verlagen de snelheid van de brandstofstromen. Vanwege de hoge temperatuur van de rookgassen neemt de temperatuur van het gevormde mengsel toe met de afstand van de perifere toevoermiddelen 60 in de mengzone A van brandstof. In een mengzone B van 20 verbrandingslucht aangrenzend aan de tussengelegen positie 80 van de tussengelegen invoermiddelen 51 wordt de ingevoerde zuivere verbrandingslucht gemengd met de rookgassen afkomstig uit de eerste verbrandingszone O. Stroomafwaarts ontmoeten de mengzones A en B elkaar in een aanvullende meng- en verbrandingszone C, waar het mengsel van brandstof en rookgassen afkomstig van mengzone A en het mengsel van 25 verbrandingslucht en de in verbrandingszone O ontstane rookgassen afkomstig uit mengzone B worden opgemengd. In deze zone C voldoen de heersende omstandigheden aan de voorwaarden voor ontsteking van het gevormde mengsel. Gedeeltelijke verbranding bij een ondermaat aan zuurstof in deze zone C is het gevolg. Volledige uitbrand van alle resterende brandstoffen met een geringe overmaat aan zuurstof vindt plaats in 30 stroomafwaartse verbrandingszone D. Door de grote hoeveelheden rookgassen in zone D, die daar als energie-absorberende massa fungeren, is de verbrandingstemperatuur in zone D relatief laag.The gaseous fuel flows from the peripheral supply means 60 form gas jets ("jets") and mix with flue gases circulating in the combustion space 16 in a mixing zone A, which is adjacent to the peripheral supply means 60. These flue gases reduce the speed of the fuel flows. Because of the high temperature of the flue gases, the temperature of the mixture formed increases with the distance of the peripheral feed means 60 in the mixing zone A of fuel. In a mixing zone B of combustion air adjacent to the intermediate position 80 of the intermediate input means 51, the pure combustion air introduced is mixed with the flue gases from the first combustion zone O. Downstream, the mixing zones A and B meet in an additional mixing and combustion zone C where the mixture of fuel and flue gases from mixing zone A and the mixture of combustion air and the flue gases formed in combustion zone O from mixing zone B are mixed. In this zone C, the prevailing conditions satisfy the conditions for ignition of the mixture formed. Partial combustion with a lack of oxygen in this zone C is the result. Complete burning out of all remaining fuels with a slight excess of oxygen takes place in downstream combustion zone D. Due to the large quantities of flue gases in zone D, which function there as energy-absorbing mass, the combustion temperature in zone D is relatively low.

De in fig. 1 en 2 weergegeven uitvoeringsvorm van een brander volgens de uitvinding bevordert circulatie van rookgassen en derhalve getrapte verbranding bij lage 35 temperatuur onder lokale omstandigheden van een ondermaat aan brandstof (zone O), dan wel ondermaat aan zuurstof (zone C), dan wel een verdunning door de massa aan rookgassen (zone D). Door de relatief lage verbrandingstemperaturen in de zones wordt de -13- vorming van stikstofoxides onderdrukt, zodat de brander volgens de uitvinding volgens de weergegeven uitvoeringsvorm rookgassen met een zeer laag NOx-gehalte vormt.The embodiment of a burner according to the invention shown in Figs. 1 and 2 promotes the circulation of flue gasses and therefore staged combustion at low temperature under local conditions of a lack of fuel (zone O) or a lack of oxygen (zone C), or a dilution by the mass of flue gases (zone D). The relatively low combustion temperatures in the zones suppress the formation of nitrogen oxides, so that the burner according to the invention forms flue gases with a very low NOx content according to the embodiment shown.

Circulatie in de verbrandingsruimte 16 is verder geïllustreerd in fig. 4, waarin de wand 12 en een tegenoverliggende wand 13 (met niet-weergegeven doorstroomkanalen voor 5 water/stoom) van de atmosferische stoomketel van fig. 1 schematisch zijn weergegeven. De centrale brandermond 66 is schematisch voorgesteld als een tegen de wand 12 liggende rechthoek. Twee dikke pijlen 68 duiden de invoerstromen van brandstof in gasvorm aan, die vanuit twee van de perifere brandstoftoevoeropeningen in de verbrandingsruimte 16 stromen. Dunnere pijlen 69 geven de plaatselijke richting en snelheid (pijllengte) van de 10 circulatiestromen aan voor de gassen in de verbrandingsruimte 16. Tijdens bedrijf ontstaat een stabiele vlam in de verbrandingsruimte 16 met een door pijlen 69 weergegeven stromingspatroon. De stroming heeft geen of vrijwel geen rotatie om de lengteas daarvan. Daardoor is de vlam smal en langgerekt. Hierdoor ontwikkelt zich een recirculatiewervel via de tegenoverliggende wand 13, ook wanneer de afstand van de brander tot die wand 13 15 relatief klein is. Naburige branders in wand 12 kunnen op relatief geringe onderlinge afstand worden geplaatst met behoud van de vorming van interne recirculatiegebieden tussen de branders. De diepte van de centrale brandermond 66 en de perifere invoerstromen van gasvormige brandstof (pijlen 68) versterken de vorming van de recirculatiegebieden.Circulation in the combustion space 16 is further illustrated in Fig. 4, in which the wall 12 and an opposite wall 13 (with non-shown water / steam flow channels) of the atmospheric steam boiler of Fig. 1 are schematically shown. The central burner mouth 66 is schematically represented as a rectangle lying against the wall 12. Two thick arrows 68 indicate the gas feed streams flowing into the combustion space 16 from two of the peripheral fuel feed openings. Thinner arrows 69 indicate the local direction and speed (arrow length) of the circulation flows for the gases in the combustion space 16. During operation a stable flame is created in the combustion space 16 with a flow pattern represented by arrows 69. The flow has no or virtually no rotation about its longitudinal axis. This makes the flame narrow and elongated. As a result, a recirculation vertebra develops via the opposite wall 13, also when the distance from the burner to said wall 13 is relatively small. Neighboring burners in wall 12 can be placed at a relatively small mutual distance while maintaining the formation of internal recirculation areas between the burners. The depth of the central burner nozzle 66 and the peripheral input streams of gaseous fuel (arrows 68) enhance the formation of the recirculation areas.

10334601033460

Claims

Method for the stepwise combustion of a fuel in the form of a gas in a combustion space (16), in particular of a device for generating heat for heating a medium such as, for example, water or steam, preferably a directly fired atmospheric steam boiler, which method comprises a) introducing a stream of a premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air at a first position (70) in said combustion space (16), b) introducing a flow of oxygen-containing combustion air into the combustion space (16) at an intermediate position (80) which at least partially surrounds the first position (70), c) introducing a stream of fuel in gas form into the combustion space (16) at a circumferential position (90), which at least partially surrounds the intermediate position (80), d) burning the input stream of the premixed gas / oxygen mixture f containing combustion air as a basic flame in a first combustion zone (O) adjacent to the first position in the combustion space (16), e) mixing the input stream of oxygen-containing combustion air in a mixing zone (B) adjacent to the intermediate position (80) , with flue gases from the first combustion zone (O), f) mixing the introduced flow of fuel in gas form in a mixing zone (A) adjacent to the circumferential position (90), with flue gases circulating in the combustion space (16), g ) mixing together the mixed streams from steps e) and f) and partially burning them in an additional mixing and incineration zone (C), adjacent to mixing zones (A) and (B), h) substantially complete burning the mixture formed in additional mixing and incineration zone (C) and partially burned in a downstream incineration zone (D).

A method according to claim 1, wherein the premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air contains an excess of oxygen relative to a stoichiometric combustion reaction. 1033460 - 15-

Method according to one of the preceding claims, in which the partial combustion in additional mixing zone (C) is carried out with an oxygen deficiency relative to a stoichiometric combustion reaction.

Method according to one of the preceding claims, wherein the combustion in combustion zone (D) is carried out with an excess of oxygen relative to a stoichiometric combustion reaction.

A method according to any one of the preceding claims, wherein the process steps 10 are carried out under atmospheric pressure in the combustion space (16).

The method of any one of the preceding claims, wherein the first position (70), intermediate position (80), and peripheral position (90) are substantially concentrically located.

Method according to one of the preceding claims, wherein the first combustion zone (O) is partially shielded from the adjacent mixing zone (B).

A method according to any one of the preceding claims, wherein the total flow of fuel and the total flow of oxygen-containing combustion air are such that the fuel, with respect to the total of the combustion reactions, burns completely with a small excess of oxygen.

A method according to any one of the preceding claims, wherein the flow rate of fuel introduced via the peripheral position (90) is in the range of 80-90% of the total fuel flow rate.

10. Burner (10) for stepwise combustion of a fuel in gas form in a combustion space (16), in particular of a device for generating heat for heating a medium such as, for example, water or steam, preferably a direct fired atmospheric steam boiler, comprising central input means (20) for introducing a stream of a premixed mixture of fuel in gas form and oxygen-containing combustion air 35 with at least one central supply opening (44) leading into said combustion space (16), for feeding a central base flame in a first combustion zone (O) in the combustion space (16), intermediate input means (51) for introducing a stream of oxygen-containing combustion air into the combustion space (16), wherein the intermediate input means (51) comprising a combustion air supply opening (56) leading into said combustion space (16), wherein the combustion air The supply opening 5 (56) is arranged at least partially around the central supply opening (44), peripheral supply means (60) for introducing a flow of fuel in gas form into the combustion space (16), the peripheral supply means (60) comprising at least one fuel supply opening (62) leading into said combustion space (16), wherein the fuel supply opening (62) is arranged at least partially around the combustion air supply opening (56), such that during operation the central base flame in a first combustion zone (O) of the combustion space (O) 16) forms a pilot flame for combustion of fuel introduced via the intermediate input means (51) and the peripheral supply means (60) in gas form and combustion air and flue gases from the first combustion zone (O) in at least one further zone (C, D ) of the combustion space (16), which further zone (C, D) is downstream of the first combustion zone (O) located.

11. Burner as claimed in claim 10, wherein the central input means (20) and peripheral supply means (60) have a common fuel supply line, which divides into a fuel line to the fuel supply opening and a mixture line (22, 30), which ends in at least at least one supply channel (24) for combustion air, which supply channel (24) is provided with a mixture outlet opening (34).

12. Burner according to claim 10 or 11, wherein the central supply opening (44) is situated around or at least surrounding a stabilizing element (46) for stabilizing a base flame in the first combustion zone (O).

A burner according to claim 12, wherein the stabilizing element (46) has a stabilizing surface (48) which in the direction of flow of the premixed mixture of fuel 30 in gas form and suction comprising combustion air downstream of the mixture outlet opening (34) and directly upstream of the first incineration zone (O) is arranged.

14. Burner as claimed in any of the claims 10-13, which is further provided with propulsion means (42) for stabilizing the central base flame in the first combustion zone (O) by generating recirculation in the first combustion zone (O), which propulsion means preferably surround and limit the central supply opening (44). - 17-

15. Burner as claimed in any of the claims 10-14, wherein the intermediate input means (51) comprise at least one combustion air supply channel (52), the combustion air supply opening (56) of which viewed in the direction of flow of the combustion air, downstream of the first combustion zone (O) is located.

The burner of claim 15, wherein the first combustion zone (O) is delimited by the at least one central supply opening (44), the at least one combustion air supply channel (52) and the propulsion means (42). 10

A burner according to any of claims 10-16, wherein the central input means (20), the intermediate input means (51) and the peripheral supply means (60) are arranged concentrically around a central burner axis.

A burner according to any of claims 10-17, wherein recirculation of flue gases promoting means (64) is provided between the intermediate input means (51) and the peripheral supply means (60) which extend in the direction of flow of the oxygen-containing combustion air beyond the extend combustion air supply port (56). 20

A burner according to claim 18, wherein the recirculation means of flue gas promoting means (64) comprise a canister.

20. Apparatus for generating heat for heating a medium, such as for example water or steam or another medium, for example a directly fired atmospheric steam boiler, an oven or stove, comprising a housing and a combustion space (16) arranged in the housing which is at least limited by a wall (12) with one or more burners (10) according to one of the preceding claims 10-19. 30

Device according to claim 20, in particular a directly fired atmospheric steam boiler, wherein the combustion space (16) is further limited by at least one wall (13) provided with flow channels for water and / or steam. 1033460