NL9400280A - Werkwijze voor de verbranding van hoogreaktieve gasvormige lucht/brandstof-mengsels en branderinrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze. - Google Patents

Description

Werkwi.ize voor de verbranding van hooereaktieve gasvormige lucht/brand-stof-mengsels en branderinrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbranden van een brandstofgas, die de volgende stappen omvat a) het mengen van het brands tof gas met een ander gas, dat tenminste 3 % zuurstof bevat, in een zodanige hoeveelheid, dat de hoeveelheid zuurstof in het aldus verkregen gasmengsel tenminste 60 % is van de voor volledige verbranding van het brandstofgas vereiste stoechio-metrische hoeveelheid.

b) het doorleiden van het aldus verkregen gasmengsel door een branderlichaam met verscheidene uitstroomopeningen, c) het boven het branderlichaam in stand houden van een vlam, bestaande uit verscheidene vlamstralen,

Uit het Amerikaanse octrooischrift 4.919.609 is een dergelijke werkwijze bekend voor het verbranden van aardgas. Hierbij wordt een brander gebruikt in de vorm van een hoogporeuze keramische tegel met een porositeit van ongeveer 70% of meer, die is voorzien van een ijzeren plaatgaas. Met deze brander kan een vermogen van meer dan 3000 kW/m2 worden bereikt, omdat de aanwezigheid van het plaatgaas de recirculatie van de bij verbranding vrijkomende gassen begunstigt door de vorming van turbulente rookgascirculatie-gebieden, waardoor de vlam wordt gestabiliseerd. In dit artikel wordt echter niets vermeld over de verbranding van hoogreactieve brandstoffen of over de NOx-emissie van een dergelijke verbranding.

Verder is uit de Nederlandse octrooiaanvrage 9200620 van aanvraagster een keramische brander voor het verbranden van aardgas bekend, die is gevormd uit een hoogporeus keramisch schuim, waarmee een hoge drukval en een verminderde NOx-emissie kunnen worden verkregen, waarbij de verminderde N0x-emissie een gevolg is van een lagere verbrandingstemperatuur. Uit onderzoek van aanvraagster is gebleken dat deze branders met 60 poriën per inch kunnen worden gebruikt voor het verbranden van waterstof-aardgasmengsels met maximaal 60% waterstof bij een luchtovermaat van 30%, waarbij een halvering van de NOx-emissie tot ongeveer 40 dpm kan worden verkregen.

De in deze stand der techniek beschreven keramische aardgasbranders kunnen echter niet worden gebruikt voor het verbranden van hoogreaktieve brandstoffen zoals zuiver waterstof of waterstof/methaanmengsels met meer dan 70# waterstof bij lage luchtovermaat (minder dan 50#) omdat een hogere vlamtemperatuur wordt verkregen, waardoor de emissie van stikstofoxiden (NOx-emissie) sterk toeneemt.

Bovendien wordt door de hogere reactiviteit van de brandstoffen een hogere vlamsnelheid verkregen, waardoor de vlam eerder in de brander terugslaat. Dit terugslaan kan worden voorkomen door de gas/lucht-snel-heid door de brander te verhogen, maar dit leidt bij de branders uit de stand der techniek tot onvolledige verbranding of zelfs het afblazen van de vlam.

Hierdoor kunnen de aardgasbranders uit de stand der techniek niet worden gebruikt voor de verbranding van bijvoorbeeld waterstof- en waterstof /aardgas-mengsels met minimaal 70# waterstof, omdat hierbij een te hoge NOx-emissie en/of een instabiele vlam worden verkregen.

Het doel van de onderhavige uitvinding is derhalve het verschaffen van een werkwijze voor het verbranden van hoogreaktieve brandstof/lucht-mengsels, waarbij een lage NOx-emissie wordt verkregen.

Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een dergelijke werkwijze, waarbij een stabiele en volledige verbranding zonder terugslag of afblazen van de vlam wordt verkregen.

Deze doeleinden worden volgens de uitvinding bereikt met een werkwijze van het hierboven beschreven type, met het kenmerk, dat het brand-stofgas een hoogreactief brandstofgas is, dat op zodanige wijze door het branderlichaam wordt geleid, dat de onderlinge afstand tussen de vlam-stralen tussen 4,5 en 15 mm ligt, en de verbranding wordt uitgevoerd bij een verhouding van de uitstroomsnelheid van het gasmengsel en de vlamsnelheid tussen 5,0 en 45,0.

Bij de werkwijze van de uitvinding is de afstand tussen deze vlam-stralen zodanig, dat recirculatie wordt verkregen van de bij de verbranding vrijkomende gassen. Door deze interne rookgascirculatie, die volgens de uitvinding enige tientallen tot mogelijk zelfs enige honderden procenten bedraagt, wordt op verrassende wijze een NOx-emissie verkregen, die veel lager is dan de emissie die men op grond van de vlamtemperatuur zou verwachten.

Verder wordt door de verhouding van de uitstroomsnelheid van het gasmengsel en de vlamsnelheid een stabiele vlam zonder afblazen en zonder vlamterugslag verkregen.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het verbranden van een brandstofgas volgens de bovenstaande werkwijze, die een branderlichaam omvat, dat is voorzien van verscheidene op afstand liggende uitstroomopeningen, met het kenmerk dat de afstand tussen de uitstroomopeningen tussen 4,5-20 mm ligt en het totale oppervlak van de uitstroomopeningen 0,5 tot 30#, bij voorkeur 1 tot 4# van het totale oppervlak van het branderlichaam is.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de onderstaande beschrijving en figuren, waarin: figuur 1 een zijaanzicht in doorsnede is van een branderplaat van de uitvinding, waarin schematisch de vlamstralen en de interne rookgascirculatie van de uitvinding zijn weergegeven; de figuren 2-5 schematische bovenaanzichten zijn van branderplaten, die bij de werkwijze volgens de uitvinding kunnen worden toegepast; figuur 6 een grafiek is, waarin de NOx-emissie is weergegeven voor de verbranding van 100# waterstof als functie van het aantal uitstroomopeningen bij verschillende waarden voor de luchtovermaat en het vermogen .

figuur 7 een grafiek is, waarin de NOx-emissie is weergegeven voor de verbranding van het waterstof/methaanmengsel als functie van het percentage waterstof bij verschillende waarden voor de luchtovermaat en het vermogen.

figuur 8 een grafiek is, waarin de NOx-emissie is weergegeven voor de verbranding van 100# waterstof als functie van de afstand tussen de uitstroomopeningen.

figuur 9 een grafiek is, waarin de H2-emissie is weergegeven voor de verbranding van 100# waterstof als functie van de porositeit van de branderplaat bij verschillende waarden voor de luchtovermaat en het vermogen .

figuur 10 een grafiek is, waarin de C0-emissie is weergegeven voor de verbranding van waterstof/methaanmengsels als functie van het vermogen voor verschillende waarden voor de waterstof/methaan-verhouding en de luchtovermaat.

figuur 11 een grafiek is, waarin de CH^-conversie is weergegeven voor de verbranding van waterstof/methaanmengsels als functie van het vermogen voor verschillende waarden voor de waterstof/methaan-verhouding en de luchtovermaat.

figuur 12 een grafiek is, waarin de N0x-emissie is weergegeven als functie van de verhouding tussen de uitstroomsnelheid van het gasmengsel en de vlamsnelheid; figuur 13 een schematisch zijaanzicht in doorsnede is van de in de voorbeelden gebruikte open branderopstelling; figuur 14 een schematisch zijaanzicht in doorsnede is van de in de voorbeelden gebruikte gesloten branderopstelling; figuur 15 een schematisch bovenaanzicht is van de bij de voorbeelden gebruikte branderplaat.

Onder de onderlinge afstand tussen de vlamstralen wordt in deze aanvrage verstaan de afstand tussen het midden (centrum, hartlijn) van de vlamstraal en het midden van de meest nabij gelegen vlamstraal, zoals weergegeven in figuur 1.

Onder de vlamsnelheid wordt in deze aanvrage verstaan de laminaire vlamsnelheid van een vrij propagerende adiabatische vlam.

Onder hoogreaktieve brandstofgassen worden in deze aanvrage verstaan mengsels van waterstof en gebruikelijke brandstofgassen, die ten minste 70 # en bij voorkeur ten minste 80 # waterstof bevatten.

Het gebruikelijke brandstofgas wordt hierbij bij voorkeur gekozen uit koolwaterstoffen zoals methaan, ethaan, propaan, butaan, etheen, propeen, buteen, acetyleen en dergelijke, hoewel bijvoorbeeld ook benzinedamp, methanol, ethanol en dergelijke kunnen worden gebruikt.

Het hoogreaktieve brandstofgas is met meer voorkeur een mengsel van ten minste 80 # waterstof en aardgas of methaan. Verder wordt volgens een specifieke voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zuiver waterstofgas gebruikt.

De bij de uitvinding gebruikte hoogreaktieve waterstofhoudende brandstofgassen hebben in vergelijking met bijvoorbeeld aardgas een hoge reaktiviteit (hoge vlamsnelheid) en een hoge vlamtemperatuur. Hierdoor kunnen deze mengsels niet met de hoog-poreuze aardgasbranders uit de stand der techniek worden verbrand zonder dat vlamterugslag en/of een onaanvaardbaar hoge NOx-emissie wordt verkregen.

Bij de werkwijze van de uitvinding wordt echter op verrassende wijze een stabiele verbranding met een NOx-emissie van minder dan 10 dpm en doorgaans van zelfs minder dan 5 dpm verkregen, terwijl men op grond van de vlamtemperatuur een NOx-emissie van meer dan 100 dpm zou verwachten. Zo is voor de verbranding van 100 # waterstof bij een luchtovermaat van 10# een adiabatische vlamtemperatuur van 2350 K en een NOx-emissie van ongeveer 400 dpm te verwachten, terwijl deze waarden voor de verbranding van 90% waterstof/10# methaan bij 10# luchtovermaat 2300 K respectievelijk ongeveer 300 dpm zijn.

Volgens de uitvinding wordt een brander toegepast, waarvan slechts een klein gedeelte van het oppervlak doorlatend is, bijvoorbeeld een hfCinHoT' IHPf Don crOT»inff ficmf&Ί Hainö 11Ί f of ηΛητηΛΛώΛΐ ησώη

Hierdoor wordt vergeleken met bekende hoogporeuze aardgasbranders bij vergelijkbaar vermogen een hoge uitstroomsnelheid van het gasmengsel bereikt, waardoor het terugslaan van de vlam wordt voorkomen en tegelijkertijd recirculatie van de bij de verbranding vrijkomende gassen wordt verkregen, waardoor de N0x-emissie afneemt. Deze interne rookgascirculatie is schematisch weergegeven in Fig. 1, waarbij 1 de branderplaat is, 2 de uitstroomopeningen zijn, 3 de vlamstralen zijn en 4 de hartlijn van de vlamstraal is, 3 de recirculatie.

De vorming van N0X bij de verbranding van stikstof-bevattende brand-stofgassen verloopt in het algemeen via evenwichtsreacties in de vlam en dergelijke reacties zijn aan deskundigen algemeen bekend. Een voorbeeld is het Zeldovich mechanisme:

Zonder dat de uitvinding hiertoe beperkt is wordt aangenomen, dat de vermindering van de NOx-emissie bij de werkwijze van de uitvinding een gevolg van de verschuiving van de bovenstaande evenwichten naar links, die door de recirculatie van de in de vlam vrijkomende gassen wordt verkregen .

Verder is het ook niet uitgesloten dat een verlaging van de vlam-temperatuur, een kortere verblijftijd in de vlam en verdere bekende factoren afzonderlijk of in combinatie bijdragen aan de verlaging van de NOx-emissie.

Wel is bij de uitvinding gebleken dat, wanneer de afstand tussen de vlamstralen zodanig klein wordt, dat hindering optreedt tussen de recirculatiestromen, de NOx-emissie sterk toeneemt. Dit blijkt onder andere uit figuur 8, waarin de NOx-emissie is weergegeven voor de verbranding van 100% waterstof als functie van de afstand tussen de uitstroomopeningen (ronde rechtdoorboorde gaatjes met diameter Imm) voor een uitstroom- snelheid van het gasmengsel van 25 m/s en 30 m/s en een luchtovermaat van 10% en 30%. Zoals blijkt uit de "knik" in deze grafiek, neemt de NOx-emissie beneden een bepaalde onderlinge afstand sterk toe.

De verdeling van de vlamstralen is derhalve zodanig, dat de recirculatiestromen elkaar niet kunnen hinderen. Dit betekent in het algemeen dat de afstand tussen de vlamstralen niet kleiner is dan 4,5 mm en bij voorkeur niet kleiner dan 6 mm. De maximale afstand tussen de vlamstralen is niet essentieel en is in het algemeen 20 mm, bij voorkeur 10 mm.

Bij de werkwijze van de uitvinding wordt het hoogreaktieve brand- stofgas in een eerste stap gemengd met een ander gas, dat ten minste 3 %. bij voorkeur tenminste 10% zuurstof bevat. Hierbij wordt bij voorkeur lucht of met zuurstof verrijkte lucht gebruikt.

Het zuurstofhoudende gas wordt bijgemengd in een zodanige hoeveelheid, dat de na het mengen aanwezige hoeveelheid zuurstof ten minste 60 %, bij voorkeur tenminste 80% is van de voor volledige verbranding van het brandstofgas vereiste stoïchiometrische hoeveelheid.

De verbranding wordt bij voorkeur uitgevoerd bij een luchtovermaat van 0-50 %, en met meer voorkeur 10-30 %. Deze luchtovermaat kan ook worden uitgedrukt in de parameter n, de verhouding tussen de aanwezige hoeveelheid zuurstof (in mol) en de hoeveelheid zuurstof (in mol), die vereist is voor volledige verbranding van het brandstofgas. Volgens de uitvinding is n ten minste 0,8, bij voorkeur 1,0-1,5 en met meer voorkeur 1,1-1,3.

Het voorgemengde brandbare gasmengsel wordt vervolgens door een branderlichaam met verschillende uitstroomopeningen geleid, waarbij boven het branderlichaam een vlam in stand wordt gehouden, die uit verscheidene vlamstralen bestaat. Met vlamstralen worden hierbij bedoeld de in figuur 1 met 3l aangegeven afzonderlijke kleine vlammen, die samen de gehele vlam boven de brander vormen.

Deze vlamstralen komen in het algemeen overeen met de uitstroomopeningen in het branderlichaam, waarbij de vorm, de verdeling en de onderlinge afstand van de vlamstralen wordt bepaald door de vorm, de afstand en de onderlinge verdeling van de uitstroomopeningen. Ook is het mogelijk dat een samenstel van verschillende zeer kleine uitstroomopeningen één vlamstraal geeft.

Het branderlichaam en de uitstroomopeningen kunnen iedere gewenste vorm hebben, zolang de gewenste verhouding van de uitstroomsnelheid van het gasmengsel en de vlamsnelheid wordt verkregen en de gewenste recirculatie van de bij de verbranding vrijkomende gassen wordt verkregen.

Zo kunnen de uitstroomopeningen in de vorm van smalle spleten, onregelmatig gevormde openingen, meerdere concentrische cirkels of samenstellen van zeer kleine gaatjes (bijvoorbeeld in parallel lopende rijen) zijn. Verdere mogelijkheden zullen aan deskundigen duidelijk zijn. D e uitstroomopeningen zijn bij voorkeur rechtdoorboorde kleine gaatjes, in het bijzonder ronde gaatjes, die gelijkmatig over het branderlichaam zijn verdeeld, bijvoorbeeld in de vorm van een ster, een rooster, parallel lopende rijen of concentrische cirkels.

De vorm van het branderlichaam is ook niet essentieel. Zo kan het lichaam de vorm van een cilinder, een kegel of een bol hebben, of een gedeelte hiervan, zoals aan een deskundige duidelijk zal zijn. Bij voorkeur wordt echter een branderplaat toegepast.

Een aantal mogelijke branderplaten is weergegeven in de figuren 2, 3, 4 en 5· Verdere mogelijkheden zullen aan deskundigen duidelijk zijn, waaronder de in fig. 15 weergegeven branderplaat, die bij de voorbeelden wordt toegepast.

In figuur 2 is een branderplaat weergegeven, die is voorzien van rechtdoorboorde uitstroomopeningen 2, die zijn samengesteld in de vorm van een ster.

In figuur 3 is een branderplaat 8 weergegeven, die is voorzien van parallel lopende spieetvormige uitstroomopeningen 2.

In figuur 4 is een branderplaat 10 weergegeven, die is voorzien van concentrische cirkelvormige uitstroomopeningen 11.

In figuur 5 is een branderplaat 12 weergegeven, die is voorzien van een aantal zeer kleine uitstroomopeningen 13, die zijn samengesteld als parallel lopende rijen. Hierbij zal iedere rij van de kleine uitstroomopeningen 12 een afzonderlijke vlamstraal geven.

Het branderlichaam kan verder van ieder voor het doel geschikt materiaal zijn vervaardigd, waaronder metalen zoals ijzer, koper en dergelijke. Het branderlichaam is bij voorkeur een keramisch branderlichaam, en met meer voorkeur een keramische branderplaat.

Bij de werkwijze van de uitvinding wordt de verbranding van het hoogreaktieve lucht/brandstof-mengsel uitgevoerd bij een verhouding tussen de gassnelheid en de vlamsnelheid van 5.0 tot 45,0. Wanneer deze verhouding groter is dan 45,0, wordt de vlam afgeblazen; terwijl bij een verhouding van minder dan 5,0 vlamterugslag optreedt.

De vlamsnelheid is een theoretisch te benaderen grootheid, die kan worden gebruikt voor het beschrijven van de verbranding. Deze parameter, alsmede technieken voor het bepalen hiervan, zijn aan deskundigen bekend. Verwezen wordt onder andere naar Kirk-Othmer 'Encylopedia of Chemical Technology, derde editie, Vol.4, John Wiley & Sons, 1982, pag 284-289. -

De vlamsnelheid is in het algemeen afhankelijk van het gebruikte brandstofmengsel, de luchtovermaat en het geleverde vermogen. De precieze waarde van de vlamsnelheid kan echter uiteenlopen afhankelijk van de gebruikte bepalingsmethode, zoals aan deskundigen algemeen bekend is.

Volgens de uitvinding wordt de uitstroomsnelheid van het gasmengsel, in deze aanvrage ook de gas/luchtsnelheid genoemd, geregeld door de grootte en verdeling van de uitstroomopeningen ( met name de verhouding tussen het oppervlak van de uitstroomopeningen en het totale oppervlak van de branderplaat), de toegevoerde hoeveelheid brandstofgas per tijdseenheid en de luchtovermaat ( Deze laatste twee waarden bepalen samen met de samenstelling van het brandstofgas ook het geleverde vermogen). Deze parameters worden volgens de uitvinding zodanig geregeld dat de gewenste uitstroomsnelheid wordt verkregen, hetgeen binnen het bereik van een deskundige ligt.

Hierbij is het oppervlak van de uitstroomopeningen 0,5~6 %, bij voorkeur 1-4 % van het totale oppervlak van de branderplaat. Bij de gebruikelijke keramische aardgasbranders vormt dit oppervlak meer dan 30%, en vaak meer dan 60% van het totale oppervlak.

De grootte van de uitstroomopeningen is niet kritisch. Wanneer de uitstroomopeningen echter te groot zijn wordt de kans op vlamterugslag groter en kan, afhankelijk van het aantal openingen, de vlamsnelheid te sterk afnemen. Bij te kleine openingen wordt de drukval over de plaat te hoog. De uitstroomopeningen zijn derhalve bij voorkeur bijvoorbeeld ronde gaatjes met een diameter van minder dan 5 mm, met meer voorkeur van minder dan 3 mm. Bij spieetvormige openingen is de breedte van de spleet minder dan 5 mm, bij voorkeur minder dan 3 mm.

Volgens een specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding is de brander een keramische branderplaat, die is voorzien van ronde uitstroomopeningen met een diameter van 0,5_li5 mm, waarbij deze gaatjes gelijkmatig over het oppervlak zijn verdeeld bij 2 gaatjes/cm2, bijvoorbeeld in de vorm van een ster, een rooster of concentrische cirkels.

Bij de werkwijze van de uitvinding kan de brander ook moduleren, bijvoorbeeld in een verhouding van minstens 1:5·

Wanneer de verbranding van het hoogreaktieve brandstofmengsel wordt uitgevoerd volgens de werkwijze van de uitvinding, is het bereikte vermogen in wezen afhankelijk van het gasdebiet, en ligt in het algemeen tussen 500 en 2000 kW/m2.

Bij een verhouding van de uitstroomsnelheid van het gasmengsel en de vlamsnelheid tussen 15-35 kan met een branderplaat met rechtdoorboorde gaatjes met diameter 1 mm, die gelijkmatig over de branderplaat zijn verdeeld bij 2 gaatjes/cm2, bij 10X luchtovermaat (n = 1,1) 1300-3000 kW/m2 , en bij 30X luchtovermaat (n = 1,3) 950-2100 kW/m2 worden verkregen. Hierbij wordt een N0x-emissie tussen 3 en 6 dpm verkregen. Een mengsel van 30% H2 en 10% 0Ηή kan met deze branderplaat stabiel worden uitgevoerd bij n-1,1 tussen 900-2100 kW/m2. Voor 80% E2/20% 0¾ kan bij n=l,l 1400-3200 kW/m2 worden bereikt. In figuur 7 is de NO-emissie voor de verbranding van waterstof/methaan-mengsels weergegeven als functie van het percentage waterstof voor verschillende waarden voor het vermogen en de luchtovermaat (keramische branderplaat met 2,4 2 uitstroom- openingen/cm2, diameter 1 mm).

Bij de uitvinding wordt een vermindering van de NOx-emissie verkregen door interne rookgascirculatie. Dit zal ter plaatse van de N0X vorming de radicaalconcentraties verlagen door een toename van de massa. In dit verband is het belangrijk te vermelden dat door Levinsky & van der Mey [Gas, juli/augustus 1993» pag. 412-416] een onderscheid wordt gemaakt tussen thermische N0X in en na het vlamfront. De eerste is qua grootte zeker niet te verwaarlozen door de hoge radicaal concentraties (0-radicalen) ter plaatse van het vlamfront bij voorgemengde vlammen. Ook blijkt een O-radicaalconcentratie in het vlamfront van 100 maal de 0-concentratie na de vlam een redelijke aanname.

De drijvende kracht voor interne rookgascirculatie is het door snelheid gecreëerde dynamische drukverschil. Dus: mate van recirculatie: R ~ Δρ

Met bekende relaties tussen drukval (Δρ), snelheid, vermogen (P), luchtovermaat (n), enz. kan bij benadering worden geschreven

waarbij de porositeit een maat is voor de verhouding tussen het totale oppervlak van de uitstroomopeningen en het totale oppervlak van de branderplaat. Voor een keramische branderplaat met rechtdoorboorde gaatjes van 1 mm diameter geldt: porositeit in [%} = 0,785 . [aantal gaatjes/cm2]

Volgens de uitvinding is de porositeit van de branderplaat derhalve 0,5-30%, bij voorkeur l-k%.

Aangezien aangenomen wordt, dat de vorming van N0X omgekeerd evenredig is met de mate van recirculatie kan gezegd worden, dat:

Hiermee is verklaard, dat de N0x-emissie stijgt bij verhoging van de porositeit, verlaging van de luchtovermaat en/of verlaging van het vermogen, zoals blijkt uit figuur 6, waarin de N0x-emissie voor de verbranding van waterstof is weergegeven als functie van het aantal uitstroomopenin- gen per cm2 (ronde rechtdoorboorde uitstroomopeningen met diameter 1mm) voor verschillende waarden van het vermogen en de luchtovermaat. Ook wordt, zoals blijkt uit figuur 8, een toename van de NOx-emissie verkregen bij afname van de afstand tussen de uitstroom- openingen (gelijkmatig verdeelde ronde gaatjes met diameter lmm) bij gelijkblijvende porositeit door de hindering tussen de recirculatie- stromen.

De fractie onverbrande brandstof, die blijkens de figuren 9 en 10 wordt verkregen, is ook te verklaren. Rookgasrecirculatie wordt bij veel commerciële branders gebruikt om de stabiliteit van de vlam te vergroten. Het mechanisme is eenvoudig: de terugstromende hete gassen ontsteken de nog niet verbrande gassen in een vroegtijdig stadium. Hierdoor blijft de vlam aan het oppervlak gehecht ondanks zijn hoge snelheid.

Dit is ook wat bij de uitvinding wordt waargenomen: zelfs met uit-stroomsnelheden van 20 m/s en nog hoger blijft de vlam aan het oppervlak aangehecht terwijl de vlamsnelheid slechts ca. 1 a 2 m/s is. T e v e n s blijkt bij teveel gaatjes de vlam af te blazen: bij 4,94 gaatjes/cm2 (onderlinge afstand 4,5 mm) blaast de vlam bijna af bij 2000 kW/m2, de snelheid van gas en lucht per gaatje is ca. 20 m/s. Bij 2,42 gaatjes/cm2 bij 1000 kW/m2 (snelheid ook ca. 20 m/s) echter blijft de vlam goed aangehecht, evenals bij 1,28 gaatjes/cm2 bij 500 kW/m2. Dit wijst sterk op de aanwezigheid van rookgasrecirculatie.

Dit alles verklaart de toename van de fractie onverbrande brandstof -dat wil zeggen de brandstofslip- bij maatregelen die de mate van rookgasrecirculatie verkleinen (verlaging van vermogen, verhoging van porositeit), zoals blijkt uit de figuren 9. 10 en 11, waarin de H2-emissie voor de verbranding van 100# waterstof, respectievelijk de C0-emissie en de CH^-conversie zijn weergegeven als functie van de porositeit van de branderplaat bij verschillende waarden voor de luchtovermaat en het vermogen .

Hoewel een verhoging van de luchtovermaat de mate van recirculatie vergroot heeft dit toch een verhogend effect op de fractie onverbrand.

De reden hiervoor is de daling van de vlamtemperatuur.

Hierdoorheen loopt het mechanisme zoals dat werkt voor een opper-vlaktebrander: bij een lage gas/luchtsnelheid gaat de plaat stralen en neemt de kans op vlamterugslag toe. Een bepaalde minimum snelheid is derhalve gewenst om dit effect te voorkomen. Verhoging van de snelheid zal enerzijds leiden tot meer "afblaasgedrag" maar zal anderzijds middels rookgasrecirculatie de stabiliteit van de vlam (aanhechting) vergroten. Dit verlaagt de oppervlaktetemperatuur en verhoogt de vlamstabiliteit en dus de brandstofslip.

De verhouding tussen de uitstroomsnelheid van het gasmengsel, de gas/lucht-snelheid, en de vlamsnelheid is een maat voor de verhouding tussen de mate van rookgasrecirculatie en oppervlaktetemperatuurstijging.

Stabiliteitsverhouding = (gas/lucht-snelheid) / (vlamsnelheid)

Ofwel bij een lage verhouding zal het zogenaamde "oppervlakte-brander-mechanisme" overheersen en dus het oppervlak heet worden en dus vlamterugslag op kunnen treden. Bij een hoge verhouding overheerst de interne rookgasrecirculatie. Bij een te hoge verhouding zal de vlam afblazen.

In figuur 12 is de genoemde verhouding grafisch uitgezet tegen de gas/lucht-snelheid. Hieruit blijkt dat voor openingen met een diameter van 1 mm bij een verhouding van 7 of kleiner vlamterugslag kan optreden. Bij een waarde groter dan 15 is de vlam stabiel te bedrijven. Bij een waarde groter dan 35 echter is er, afhankelijk van de exacte condities, kans op afblazen. Deze trajekten kunnen voor andere diameters van de uitstroomopeningen verschillen, zonder dat hiermee het gebied van de uitvinding wordt overschreden.

Bijmenging van methaan gaat gepaard met een daling van de reactiesnelheid. Zo zakt de laminaire vlamsnelheid met ca. 40 % als 10 % van de H2 wordt vervangen door CH/,. Een halvering van de vlamsnelheid treedt op bij vervanging van 20 % van de H2 door 0¾. De gas/lucht-snelheid verandert echter nauwelijks. Het is dus duidelijk dat stabilisatie van een CH4/H2-vlam problemen oplevert als de brander geschikt is gemaakt voor de stabiele verbranding van 100 % H2. Bij 4,9^ gaatjes/cm2 en 1000 kW/m2, n=l,3 is bijmenging van 20 % 0Ηή mogelijk (de gas/lucht-snelheid is dan 10 m/s).

Wat opvalt is dat maatregelen die de mate van recirculatie verhogen een N0x-emissie verlaging veroorzaken en tevens een verlaging van de fractie onverbrande brandstof. Deze maategelen zijn: verhoging van het vermogen, verlaging van de porositeit en/of een vergroting van de afstand tussen de verschillende gaatjes.

Voor een N0x-emissie van minder dan 5 dpm blijkt minimaal 7 mm afstand tussen de verschillende gaatjes noodzakelijk te zijn. Het effect van een wijziging van de luchtovermaat is terug te voeren op de ermee gepaard gaande verandering van vlamtemperatuur. Verlaging van n resulteert in een hogere N0x-emissie en een lagere brandstofslip.

Een minimale gas/lucht-snelheid van 10 a 15 m/s is vereist om vlamterugslag te vermijden bij 100# H2. De brandstofslip is echter aanzien- lijk (enkele honderden dpm) in de buurt van deze grens.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het verbranden van een brandstofgas, waarbij deze inrichting een branderlichaam omvat, dat is voorzien van verscheidene uitstroomopeningen, waarbij de afstand tussen de uitstroomopeningen tussen 4,5 en 15 mm ligt en het totale oppervlak van de uitstroomopeningen 0,5 tot 6%, bij voorkeur 1 tot k% van het totale oppervlak van het branderlichaam is.

Het branderlichaam is hierbij zoals hierboven omschreven, bij voorkeur een keramisch branderlichaam en met meer voorkeur een keramische branderplaat. Het branderlichaam is in het bijzonder een keramische branderplaat, die is is voorzien van gelijkmatig verdeelde rechtdoor-boorde ronde uitstroomopeningen met een diameter van 0,5 tot 1,5 mm. De inrichting kan eventueel ook andere bekende elementen van branderinrich-tingen bevatten, zoals een brandstofgastoevoer, een luchttoevoer en een middel voor het voormengen van de lucht en het brandstofgas. Al deze en overige elementen, alsmede hun toepassing zullen aan deskundigen duidelijk zijn.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de volgende voorbeelden, die het gebied van de uitvinding niet beperken.

In de voorbeelden werden de open branderopstelling van fig. 13 en de gesloten branderopstelling van fig. l4 gebruikt.

In figuur 13 is een branderopstelling weergegeven, met een toevoer 14 voor het lucht/brandstofgasmengsel. Dit mengsel wordt door de openin-gen 16 van een branderplaat 15 geleid, waarbij deze branderplaat is ingeklemd in de inklemconstructie 17· De verbranding van het brandstofgas vindt plaats in het verbrandingsgebied 18.

In figuur 14 is een gesloten branderopstelling weergegeven, waarbij het brandstofgas/luchtmengsel wordt aangevoerd door toevoer 19 en vervolgens door de openingen 21 van een branderplaat 20 wordt geleid. De verbranding vindt plaats in het verbrandingsgebied 22. Vervolgens worden de afvoergassen over een warmtewisselaar 23 geleid ' en door afvoer 24 af gevoerd. Afvoer 24 is voorzien van een rookgasbemonstering 25- De opstelling omvat verder gekoelde wanden 26, een kijkgat voor een IR-pyrometer 27, een onderafzuiging werkende pyrometer 28 en thermokoppels 29.

In de voorbeelden worden de volgende afkortingen gebruikt: Q = geleverd vermogen in kW/m2 ; n = luchtoveraaat; %E2 = percentage waterstof in het brandstofgas; %02 = percentage zuurstof in het rookgas (= maat voor de luchtovermaat); CO = gemeten hoeveelheid koolmonoxyde na de verbranding in ppm; C02 % = gemeten hoeveelheid C02 in het rookgas in procenten; N0X = N0X emissie in dpm; CXHX = koolwaterstofslip in dpm; H2 = H2 slip in dpm; dP = drukval over de plaat in Pascal

Tplaat °C = temperatuur van de plaat in *C.

Voorbeeld I

De verbranding van 100% H2 werd uitgevoerd met een gemodificeerde Stettner-plaat van 64x46 mm met 24 gelijkmatig verdeelde gaatjes met 1 mm doorsnede (0,82 gaatjes/cm2). De metingen werden uitgevoerd met de in Fig. 13 weergegeven branderopstelling. De emissies werden gemeten met een "probe" (een watergekoelde dubbele buis voor isokinetische rookgasbemonstering, die dicht boven het oppervlak van de plaat werd aangebracht) en als warmtewisselaar werd een kwartsbuis gebruikt met een diameter van 100 mm en 200 mm lang.

Het opstarten met Q=1000 kW/m2, n = 1,3 met 100# H2 ging moeizaam; de gaatjes aan de buitenzijde moesten apart worden aangestoken. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 1 TABEL 1

Met de bovenstaande brander is tevens geprobeerd bij Q=1000 kW/m2 n=l,3 methaan toe te voegen aan het brandstofgas tot een mengsel van 90% H2 en 10% CH4 werd verkregen.

Het ontsteken op deze instelling gaat zeer moeizaam; er ontstaan veel lange vlammen waardoor bijna afblazen optreedt. Met deze instelling konden geen emissies worden gemeten.

Voorbeeld II

Om het ontsteken van de brander te verbeteren werd een plaat gebruikt met meer gaatjes, n.l. 39 gaatjes van 1 mm doorsnede, die gelijkmatig over het oppervlak waren verdeeld (= 1,32 gaatjes/cm2). Deze plaat is weergegeven in Fig. 15 en omvat een keramische plaat 30, die is voorzien van ronde uitstroomopeningen 31 (diameter 1 mm). Door het verminderde aantal gaatjes neemt de snelheid per gaatje af en worden de vlammen korter. Ook wordt de ontsteking verbeterd, zonder dat de N0X emissie toeneemt.

TABEL 2

Met de bovenstaande metingen is aangetoond, dat met een wisselend vermogen de N0X emissie niet verandert. Hieruit blijkt ook dat de eventuele afkoeling aan de wand niet de belangrijkste oorzaak van de lage N0X emissie is.

Voorbeeld III

De verbranding van 100# H2 werd uitgevoerd met een branderplaat van 90x90 mm met 104 gelijkmatig verdeelde gaatjes met diameter 1 mm (1,28 gaatjes/cm2). Deze verbranding werd uitgevoerd in de in Fig. 14 weergegeven dichte opstelling. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 3· TABEL 3

Verder is gebleken, dat bij dit voorbeeld gebruikte plaat van 90x90 mm en 104 gaatjes in de in Fig. 13 weergegeven "open" opstelling bij Q=1000 kW/m2, n=l,3 goed kon worden opgestart.

Ook is geprobeerd met deze plaat in de in Fig. 14 weergegeven dichte opstelling een mengsel van 905 H2 en 105 CH4 te verbranden. Het opstarten verliep goed, maar er werden zeer lange vlammen op de plaat verkregen, die de warmtewisselaar zichtbaar raakten, waardoor een hoge CO-emissie werd verkregen. De resultaten zijn weergegeven in de onderstaande Tabel 4.

TABEL 4

Het is derhalve niet met de in dit voorbeeld beschreven plaat een gedeelte van de waterstof te vervangen door methaan. Door de grote verlaging van de vlamsnelheid treedt afblazen van de vlam op.

Voorbeeld V

Bij dit voorbeeld is de verbranding van 1005» waterstof en waterstof /methaan-mengsel uitgevoerd in de in Fig. 13 weergegeven "open" opstelling met een keramische brander van 90x90 mm met 400 gelijkmatig verdeelde gaatjes van diameter 1 mm (= 4,94 gaatjes/cm2). De resultaten waren als volgt: bij Q=1000 kW/m2 n=l,3 werd met 1005 H2 een drukval van ongeveer 300

Pascal verkregen. De plaat begon dusdanig fel te stralen dat de kans op vlamterugslag zeer groot werd; bij Q=2000 kW/m2 n=l,3 kon 100# H2 stabiel worden verbrand. Ongeveer 60# van het oppervlak brandt stralend, op de brander staat een zichtbare vlam van ongeveer 30 cm lang. De gaatjes aan de randen van de plaat doen niet mee met de verbranding; bij Q=1000 n=l,3 konden 90# / 10# en 80# / 20# H2 0Ηή mengsels stabiel worden verbrand. In het midden van de plaat is een stralende vlek zichtbaar, de gaatjes aan de randen doen niet mee.

Uit de bovenstaande resultaten blijkt dat een brander met 400 gaatjes van diameter 1 mm op een oppervlak van 90x90 cm2 niet goed te bedrijven is met 100# waterstof. De gassnelheid is te laag om vlamterugslag te voorkomen en dus een veilig bedrijf te garanderen. Bij hoge vermogens is de gassnelheid hoog genoeg, maar het hoge vermogen is de oorzaak van het te veel verhitten van de plaat.

Voorbeeld VI

Bij dit voorbeeld werd een keramische branderplaat gebruikt met een oppervlak van 90x90 cm2 met 196 gelijkmatig verdeelde gaatjes van diameter 1 mm. Met deze brander kon 100# waterstof stabiel worden verbrand. In de "open" opstelling van Fig. 13 werden de volgende resultaten verkregen: Q=1000 kW/m2 n=l,3 100# H2: stabiel bedrijf; alle gaatjes branden en de drukval is 740 Pascal; Q=1000 kW/m2 n=l,3 95# H2 en 5# CH/,: stabiel bedrijf; alle gaatjes branden en er zijn mooie blauwe vlammetjes zichtbaar van ongeveer 3 cm lang.

Q=1000 kW/m2 n=l,3 90# H2 en 10# CH*: stabiel bedrijf; de gaatjes aan de randen branden niet; wel zijn mooie blauwe vlammetjes zichtbaar van ongeveer 3 cm lang.

Q=500 kW/m2 n=l,3 100# H2: alle gaatjes kunnen branden; de plaat straalt in het midden dusdanig fel dat gestopt is i.v.m. kans op vlamterugslag.

Vervolgens is met deze plaat de verbranding uitgevoerd van 100# H2 alsmede H2/CH4-mengsel in de dichte opstelling van Fig. 14. De resultaten waren als volgt:

* Μ^Ρ^=500 η=Τ, 1 H2 bleef" de oppervlaktetemperatuur oplopen. Bij een temperatuur van van 970°C is gestopt, omdat de temperatuur bleef stijgen en de kans op vlamterugslag groot was.

Bij verbranding met 100# H2 doen de gaatjes aan de randen niet zichtbaar mee. Bij verbranding met 95# H2 is een verbetering zichtbaar en bij 90# H2 doen alle gaatjes mee. Verder is de aanzienlijke H2-slip bij de vermogens met 100# H2 opvallend. Deze H2 slip wordt niet verkregen bij een 90x90 cm2 plaatje met 104 gaatjes van diameter 1 mm. Dit is mogelijk te verklaren doordat de rookgassen bij een plaat met 104 gaatjes (geen waterstofslip) vaker worden gerecirculeerd, waardoor het waterstof vaker de kans krijgt om te verbranden. Ook valt op dat de temperatuur van de plaat bij vermogens hoger dan 500 kW/m2 bij n=l,l lager is dan bij n=l,3-Dit kan mogelijkerwijs worden verklaard doordat bij n=l,3 meer rookgassen worden gerecirculeerd, waardoor het plaatoppervlak wordt opgewarmd.

Uit de bovenstaande resultaten blijkt, dat met de werkwijze van de uitvinding 100# H2 alsmede CHi,/H2-mengsels met tenminste 80# H2 stabiel kunnen worden verbrand onder een laag N0x-emissie. De uitvinding is echter niet beperkt tot het verbranden van waterstof of waterstof/-methaanmengsels.

Claims (11)

1. Werkwijze voor het verbranden van een brandstofgas, die de volgende stappen omvat: a) het mengen van het brandstofgas met een ander gas, dat tenminste 3 % zuurstof bevat, in een zodanige hoeveelheid, dat de hoeveelheid zuurstof in het aldus verkregen gasmengsel tenminste 60 % is van de voor volledige verbranding van het brandstofgas vereiste stoechio metrische hoeveelheid. b) het doorleiden van het aldus verkregen gasmengsel door een branderlichaam met verscheidene uitstroomopeningen, c) het boven het branderlichaam in stand houden van een vlam, bestaande uit verscheidene vlamstralen, met het kenmerk, dat het brandstofgas een hoogreactief brandstofgas is, dat op een zodanige wijze door het branderlichaam wordt geleid, dat de onderlinge afstand tussen de vlamstralen tussen 4,5 en 20 mm ligt en de verbranding wordt uitgevoerd bij een verhouding van de uitstroomsnelheid van het gasmengsel en de vlamsnelheid tussen 5.0 en 45,0.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de onderlinge afstand tussen de vlamstralen tussen 6 en 10 mm ligt.

3· Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de verhouding van de uitstroomsnelheid van het gasmengsel en de vlamssnelheid tussen 15 en 35 ligt.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, waarbij het branderlichaam een keramische branderplaat is, waarvan het totale oppervlak van de uitstroomopeningen 0,5 tot 30?!, bij voorkeur 1 tot k% van het totale oppervlak van de branderplaat vormt.

5* Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, waarbij de keramische branderplaat is voorzien van ronde uitstroomopeningen met een diameter van 0,5 tot 1,5 mm.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, waarbij het hoog-reactieve brandstofgas zuiver waterstof of een mengsel van waterstof en een ander brandstofgas omvat, waarbij het mengsel tenminste 70?!. bij voorkeur tenminste 80?! waterstofgas bevat en het andere brandstofgas wordt gekozen uit methaan en aardgas.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1-6, waarbij het brandstofgas bij stap a) met lucht wordt gemengd.

8. Werkwijze volgens conclusie 7. waarbij de verbranding wordt uitgevoerd bij een luchtovermaat van 0 tot $0%, bij voorkeur 10 tot 30¾.

9· Inrichting voor het verbranden van een brandstofgas, die een keramisch branderlichaam omvat, waarbij het branderlichaam is voorzien van verscheidene op afstand liggende uitstroomopeningen, met het kenmerk dat de afstand tussen de uitstroomopeningen tussen 4,5 en 15 mm ligt en het totale oppervlak van de uitstroomopeningen 0,5 tot 6%, bij voorkeur 1 tot k% van het totale oppervlak van het branderlichaam is.

10. Inrichting volgens conclusie 9. waarbij het branderlichaam een keramische branderplaat is.

11. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de keramische branderplaat is voorzien van ronde uitstroomopeningen met een diameter van 0,5 tot 1,5 mm.