NO323860B1 - Brenner for gass - Google Patents

Description

Brenner for gass

Oppfinnelsen gjelder en brenner som angitt i innledningen til patentkrav 1, for forbrenning av gass i ovner, brennkammer o.l.

Bakgrunn

I tidsskriftet Norsk WS, 5/97ble det blitt beskrevet en slik brenner med små utslipp av forurensende avgasser. Brenneren har et sylindrisk brennerhus i hvis ene ende det kan bli innført forbrenningsluft, og et sentralt i brennerhuset og koaksialt med dette forløpende rør eller lanse, i hvis ende ende det kan bli innført et gassformet brennstoff, så som propan, og ved hvis andre ende det er tildannet radialt forløpende hull hvorigjennom gassen, kan strømme ut i forbrenningslufta, idet denne ende er forsynt med en tversgående tetningsvegg. Oppstrøms i forhold til hullene er det mellom lansen og brennerhuset anbrakt radialt forløpende ledeplater til tangential avbøyning av forbrenningslufta, slik at denne strømmer virvelformet, dvs. skruelinjeformet innenfor og langs brennerhusveggen på ledeplatenes nedstrømsside.

Denne brenneren har en akseptabel ytelse mhp. inneholdet av NOx i avgassene og flammestabiliteten. Med brennerens flammestabilitet skal det forstås brennerens evne til å opprettholde flammen under varierende strømningsforhold og et varierende forhold mellom det tilførte brennstoff og luft. Det kan oppnås et NOx-innhold i avgassen på minimalt 40 ppm for propan. Brenneren er imidlertid lite egnet til bruk med naturgass som brennstoff, idet flammestabiliteten da er liten og innholdet av CO og uforbrente hydrokarboner i avgassen er høyt.

Videre er det fra tidsskriftet Norsk WS kjent å bruke delvis delvis forblanding av gass og luft, idet gassen kan bli innført i luftstrømmen oppstrøms og nedstrøms i forhold til ledeplatene.

Fra EP-patentsøknad 672 865 (General Electric Company) er det kjent en brenner for en gassturbin, det gass blir ført inn radialt mellom ledeplater i et brennerhode. Denne brenneren er beregnet for gass under høyt trykk og er ikke egnet for lavtrykks brennere.

Fra US-patentskrift 3.469.790 (Duncan) er det kjent et brennerhode med radiale ledeplater, hvor det blir tilført brenngass både mellom ledeplatene og oppstrøms like foran ledeplatene. Denne løsningen er karakterisert ved kort blandingstid og derav inhomogen blanding og høye utslipp av NOx. Konseptet beskrevet i dette patentskriftet er primært utviklet for tilpasning av flammen til ulike brennkammer og ikke for lave utslipp av forurensning.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skaffe en ett-trinnsbrenner med delvis forblanding og forblanding, som muliggjør bruk av relativt lette gasser som brennstoff uten forringelse av ytelsen og akseptabel stabilitet. Med tyngre og lettere gasser menes her; tung gass: propan, butan og blandinger av disse (LPG), lett gass: naturgass innenfor de naturlig forekommende variasjoner (LNG, CNG). Med spesielle gasser menes hydrogen, karbonmonoksid og blandinger av disse samt lavverdige gasser.

Det er et særlig formål å skape en brenner som gir mindre utslipp av NOx og CO enn det som er tilfelle ved tilsvarende kjente brennere. Dette ønskes oppnådd med høy flammestabilitet og høy reguleringsgrad.

Oppfinnelsen

Det karakteristiske ved brenneren ifølge oppfinnelsen fremgår av patentkrav 1, idet de øvrige patentkravene angir flere detaljer ved oppfinnelsen.

Fordelene ved brenneren i samsvar med oppfinnelsen er at en ved tilsynelatende dårlig blanding av gass og luft oppnår god flammestabilitet og lave forurensende utslipp. Det oppnås gjennom tre effekter: - at det finnes en delvis forblandet gass/luftstrømning langs gassrøret, som skaper et brenselsrikt skjærsjikt, - at den varme tilbakestrømmende eksosblandingen i senter kontinuerlig antenner denne blandingen og dermed sørger for god stabilitet og - at hovedstrømmen av blandet luft og brennstoff blir antent og brenner ved lav temperatur utenfor flammerørets koniske nede.

I patentkravene 2-6 er det angitt særlig fordelaktige trekk ved oppfinnelsen. Detaljer rundt disse trekkene er angitt mer detaljert i eksempelbeskrivelsen nedenfor.

Eksempel

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom et utførelseseksempel på en brenner ifølge oppfinnelsen, Fig. 2 er et diagram som viser måledata for en brenner ifølge oppfinnelsen og for to kjente brennere, mens

Fig. 3 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom et ytterligere utførelseseksempel.

I fig. 1 er det vist en brenner som omfatter et ytre rør eller rørformet brennerhus 11 med et sylindrisk hovedparti 12 som ved sin nedstrøms ende på høyre side av figuren går over i et konisk endeparti 13 som er avsmalnende i retningen bort fra det sylindriske partiet 12. Brennerhusets 11 venstre ende 14 utgjør innløpsende og dets koniske endeparti 13 utgjør utløpsende.

Gjennom brennerhusets hovedparti 12 og koaksialt med dette forløper det et indre rør eller gassrør 15 hvis venstre ende, som utgjør en innløpsende, rager litt ut fra brennerhusets 11 innløpsende, og hvor det ved den høyre enden er tildannet en virvelstrømgenerator 16 som ender litt oppstrøms i forhold til det koniske parti 13. Gassrøret 15 er tettet med en endevegg 23. Oppstrøms fra brennerhusets 11 midtpart er det mellom gassrøret 15 og brennerhuset 11 anordnet ei omkretsrekke, i det viste utførelseseksempel fire, radialt og generelt aksialt forløpende ledeplater 17 hvis funksjon det er å ensrette strømningen i aksial retning. Ved den høyre ende av gassrøret 15 er det på et organ som vil bli kalt virvelstrømgenerator 16 festet ei rekke, i det viste utførelseseksempel seks, generelt sett radialt forløpende ledeskovler 18. Ledeskovlene 18 i eksemplet er utført slik at innløpet er rettet aksialt for å gå over i et buet midtparti 18A og deretter i et rett utløpsparti som danner en vinkel (3 med gassørets 15 senterlinje. Ledeplatene 17 og ledeskovlene 18 er anordnet med jevne innbyrdes mellomrom i gassrørets 15 omkretsretning.

Oppstrøms for ledeskovlene 18 på virvelstrømgeneratoren 16 er gassrøret 15 forsynt med ei omkretsrekke med radialt forløpende hull eller et sett av hull 19. Hullene blir dermed liggende i to radialplan som ligger i aksial avstand oppstrøms fra virvelstrøms-generatoren 16. Alternativt kan hullene ligge i ett plan eller i flere plan enn to. Hullene 19 i eksemplet er innbyrdes forsatt i aksial retning rundt omkretsen, i eksemplet med åtte hull. Hullene 19 kan ligge oppstrøms i forhold til ledeplatene 18 en avstand på én til fem ganger diameteren av gassrøret 15. Rommet 20 i gassrøret 15 kommuniserer via hullene 19 med ringrommet21 mellom brennerhuset 11 og gassrøret 15.

Alternativt kan gasstilførselen skje gjennom rørstussersom rager ut i mellomrommet mellom gassrøret 15 og brennerhuset 11.

Ved en alternativ utførelsesform kan det gjennom veggen i gassrøret 15 være tildannet ei alternativ rekke radialt forløpende hull eller et sett av hull 22 mellom ledeskovlene 18, som er antydet med stiplete streker. Hullene 22 er vist liggende i samme tverrplan, men de kan også på samme måte som hullene 19 ligge i to eller flere plan aksialt etter hverandre.

Funksjon

En lett gass, så som LNG, metan o.l. kan bli pumpet inn i innløpsenden av gassrøret 15, og strømme ut gjennom hullene 19 oppstrøms i forhold til ledeskovlene 18. Forbrenningsluft blir blåst inn ved brennerhusets innløpsende som angitt med pilene A, og strømmer inn i ringrommet21 mellom brennerhuset 11 og gassrøret 15. Når luftstrømmen passerer ledeplatene 17, blir en eventuell rotasjon og virvler i luftstrømmen rundt brennerens lengderetning bremset eller stoppet, slik at luftstrømmen på ledeplatenes nedstrømsside strømmer hovedsakelig aksialt og ensrettet.

I området oppstrøms for ledeskovlene 18 blir brenngassen så tilført til denne ensrettete luftstrømmen. Når luftstrømmen med tilført gass passerer ledeskovlene 18, blir den satt i rotasjon den ene vei om brennerens lengderetning, slik at den på nedstrømssida av ledeskovlene 18 strømmer skruelinjeformet mellom gassrøret 15 og brennerhuset 11. Nedstrøms i forhold til ledeskovlene 18, forbi virvelstrømgeneratoren 16 og gjennom det koniske parti 13 roterer således lufta i brennerhuset om dettes lengdeakse, idet det statiske lufttrykket øker i radial retning, tilnærmet som ved en potensialvirvel. Noe av luftstrømmen nedstrøms for det koniske parti 13, dvs. til høyre for dette, kan, på grunn av den større positive trykkgradient i den aksiale strømningsretning ved det radialt ytre parti av strømmen, derfor strømme i den motsatte aksiale retning, nemlig mot venstre på figuren, nær brennerens lengdeakse, hvoretter den på ny strømmer radialt utad umiddelbart på nedstrømssida av ledeskovlene 18. Denne motstrømmen forløper mellom et stagnasjonspunkt på nedstrømssida av det koniske parti og et stagnasjonspunkt nær endeveggen 23 av gassrøret 15.

Ved en alternativ utførelsesform for en tyngre gass, så som LPG, propan o.l., kan det være anordnet alternative hull mellom ledeskovlene 18, som beskrevet ovenfor.

I begge tilfeller fås en delvis eller fullstendig forblanding av luft og brennstoff før antennelsen av blandingen ved hjelp av en tennanordning som utgjøres av en elektrode (ikke vist), som er anordnet i skjærskiktområdet, dvs. det ringformede område hvor luft strømmer ut fra og røkgass inn mot røraksen og hvor det finnes en skjærskiktstrømning. Etter at blandingen har blitt antent, besørger den brennende luft/gass-blandingen en kontinuerlig antennelse av ikke antente mengder av en slik blanding.

I fig. 3 er det vist et utførelseseksempel som er særlig egnet der det tilføres særlig lett gass og/eller ved særlig lave gasstrykk.

Her finnes enkelte av de samme elementene som i eksemplet foran, med samme henvisningstall: brennerhus li, gassrør 15, virvelstrømgenerator 16 med ledeskovler 18 som er ført ut til brennerhuset. Gassøret 15, som kan ha diameter 1/4 av brennerhuset 11, er ført fram til overgangen mellom brennerhuset og dets koniske ende 13. Denne enden ligger på si side 1-4 ganger gassrørets diameter foran ledeskovlenes 18 nedstrøms ende.

Opptil ledeskovlenes 18 nedstrøms ende, er det på den frie delen av gassrøret anordnet én eller flere, her vist tre innbyrdes forskjøvne omkretsrekker hull 24 i gassørets vegg. Antallet hull i hver rekke kan være åtte.

Her er ledeplatene 17 i eksemplet ovenfor utelatt fordi forbrenningsluft som kommer fram til virvelstrømsgeneratoren er forutsatt ensrettet på forhånd

Forsøk har vist at denne utformingen gir tilfredsstillende resultater ved særlig lave gasstrykk, hvor det gjennom utformingen av vifte eller innløpet til gassøret kan sikres en viss ensretting av strømmen av forbrenningsluft.

Det skal bemerkes at det for brennere som opererer med en fullstendig forblanding av luft og brensel benyttes et gass/luft-forhold, som avviker fra det støkiometriske, noe som ikke gir en optimal stabilitet.

I diffusjonsbrennere, hvor gass og luft blandes direkte i brennkammeret, vil det være tilnærmet støkiometrisk gass/luft-forhold, noe som ofte anses å gi optimal stabilitet. Det viser seg imidlertid at den ovennevnte hullanordningen og forblandingen medfører både bedre stabilitet og mindre utslipp av skadelige gasser.

Innføringen av gass gjennom hullene 19, alternativt gjennom hullene 22 eller 24, medfører en forskjellig inntrengning av gass i forbrenningsluftstrømmen, avhengig av forholdet mellom impulsverdiene for gassen og forbrenningslufta. Eksempelvis vil den tyngre propan således strømme tre ganger lengre inn i forbrenningslufta enn tilfellet er for den lettere metan ved den samme strømningshastighet. Dette bevirker en ulik blanding av disse gasser i forbrenningslufta.

Når gassen og forbrenningslufta strømmer inn mellom ledeplatene 18, blir altså strømnings-retningen tvangsmessig endret og det skaffes en tangential hastighetsvektor. Dette skaffer i sin tur en potensialvirvel i brennerhuset og trykket på gass/luft-blandingen blir redusert nær brennerens lengdeakse. Når gassen ved dette aksiale sted blir antent, strømmer en varm luft/gass-blanding og avgasser således inn i brennerhuset motsatt retningen for luften i brennerhuset foran ledeskovlene 18, noe som skaffer en stabil tenningskilde for innstrømmende ny mengde av luft/gass-blandingen. I sjiktet mellom den tilbakestrømmende avgass og den nye luft/gass-blandingen som strømmer fremover, dvs. fra venstre mot høyre på figuren, dannes det et område hvori det utøves store skjærspenninger, dvs. et skjærskiktområde, og det inntreffer en god sammenblanding, noe som bevirker en meget god flammestabilitet. Den delvis forblandet eller forblandete blanding antennes her og danner en flamme i brennerhuset 11, idet flammen dvs. de brennende gasser, blir ytterligere akselerert når de strømmer gjennom det tilspissete, koniske partiet 13.

Det forbedrete blandingsforløpet som fås ved denne brenner, medfører et mindre utslipp av NOx og CO, idet andelen av disse gasser i avgassen er ca. 50% mindre i forhold til den brennerkonfigurasjon som er vist i det nevnte tidsskrift. Den økte stabiliteten skyldes det intense blandeforløp oppstrøms og nedstrøms i forhold til ledeskovlene og mellom disse.

Brenneren i samsvar med oppfinnelsen kan altså brukes for tyngre gasser, hvormed tilsvarende resultater kan oppnås. Hastigheten på luft/gass-blandingen i rommet mellom ledeskovlene 18, er større enn flammeforplantnings-hastigheten i denne blanding, slik at flammefronten ikke kan bli beveget oppstrøms i dette området.

Selv om det ovenfor er blitt angitt at det i gassrøret er blitt boret radiale hull som danner et utstrømningsorgan for gass, kan en slik innretning være dannet av radialt forløpende, rørformede dyser som rager ut fra gassrøret 15 og inn i ringrommet 21 mellom brennerhuset 11 og gassrøret 15. Derved kan det oppnås en enda bedre sammenblanding for spesielle gasser, så som CO, H2, biogassblandinger eller andre gasser med en densitet på mindre enn 0,65 kg/Nm% eller blandinger av disse med naturgass.

Fortrinnsvis er diameteren av hullene eller hullene i gassdysene slik at det i disse får en gasshastighet på mellom 5 m/s og 70 m/s.

Dersom det er anordnet hull i flere tversgående plan, kan hullene i de ulike plan fortrinnsvis være anordnet slik at de ikke overlapper hverandre i aksial retning.

Det har vist seg at for at brenneren skal funksjonere tilfredsstillende, er det fordelaktig at forholdet mellom ledeskovlenes lengde og avstanden mellom ledeskovlene, dvs. ledeskovledelingen, er på minst 1.

Av den samme grunn bør ledeskovlene 18 være tildannet slik at det fås en avbøyning av luft/gass-strømmen på minst 50<0>, regnet i forhold til brennerens aksialretning. For denne strømning kan det bli definert et strømningsvirveltall som følger:

hvor dh angir diameteren av gassrøret 15, d er innvendig diameter av brennerhuset 11 og p er bladvinkelen ved ledeskovlenes utløp i forhold til et langsgående plan gjennom brennerens lengdeakse. Verdien for dette virveltall S bør fortrinnsvis være på mellom 1 og 3 for at brenneren skal fungere tilfredsstillende.

Videre bør Reynoldstallet (Re-tallet) være på mellom 5000 og 300000, idet dette Re-tall er gyldig for utløpsområdet av brenneren og for hovedstrømmen.

Diameterforholdet mellom brennerøret 12 ved dets utløpsende ved det koniske partiet 13 og brennerrørets indre diameter kan fordelaktig være i området 0,7 - 0.8.

Fig. 2 viser et diagram som viser måledata for en brenner ifølge oppfinnelsen og en brenner ifølge kjent teknikk. Den øvre kurve A representerer måledata for en standard brenner, og den nedre kurve B representerer måledata for en brenner ifølge oppfinnelsen.

Den venstre ordinat viser NOx - utslipp målt i ppm korrigert til 3% 02. Den høyre ordinat viser oppnådd prosentuell reduksjon i forhold til en standard brenner og abscissen viser volum -% 02.

I visse tilfeller kan det være gunstig å plassere utslippshull i mer enn én av de posisjonene 19,22 og 24 som er angitt ovenfor. Vilkårene for slik sammenstilling av to eller tre plasseringer av utslippshull er imidlertid ikke fullstendig kartlagt.

Claims (6)

1. Gassbrenner med et rørformet hus (11), hvor det i det rørformede husets indre er anordnet et tilførselsrør (15) for gass til en virvelstrømgenerator (16) plassert oppstrøms for husets utløpsende, hvor det på virvelstrømgeneratoren finnes ei rekke radiale ledeskovler (18) som strekker seg generelt i det rørformete husets lengderetning, idet ringrommet (21) rundt tilførselsrøret (15) brukes for tilførsel av luft til et brennerområde ved virvelstrømgeneratoren (16), hvor det skal tilføres gass med trykk ubetydelig over atmosfæretrykk, og hvor det ved virvelstrømgeneratoren finnes ei ringformet rekke utslippshull (19; 22) for gass fra tilførselsrøret (15), og at det rørformete huset (11) ender konisk avsmalnende (13, idet diameterforholdet mellom brennerrøret (12) ved dets utløpsende ved det koniske partiet (13) og brennerrørets (12) indre diameter er i området 0,7-0,8, karakterisert ved- at ledeskovlene (18) er ført ut til det rørformede husets (11) innervegg, slik at de bærer gassrøret (15), - at ledeskovlene (18) på virvelstrømgeneratoren (16) er generelt radiale finner som er aerodynamisk buet (ved 18A) for å gi luft-gassblandingen en virvelbevegelse om gassbrennerens lengdeakse, samt - at gassrøret (15) er tettet med en endevegg (23).

2. Gassbrenner i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at utslippshullene (19) er plassert oppstrøms i forkant av ledeskovlene (18).

3. Gassbrenner i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at utslippshullene (22) er plassert i området ved ledeskovlene (18) mellom disse.

4. Gassbrenner i samsvar med patentkrav 1, for bruk til forbrenning av gass med særlig lavt trykk, karakterisert ved at utslippshullene (24) for gasstilførsel er plassert nedstrøms i forhold til ledeskovlene (18) på virvelstrømgeneratoren (16), fortrinnsvis en avstand på én - fire ganger gassrørdiameteren ovenfor dettes endevegg (23).

5. Gassbrenner i samsvar med et av patentkravene 1-4, karakterisert ved at det i ringrommet (21) rundt tilførselsrøret, oppstrøms i forhold til virvelstrømgeneratoren (16) i betydelige avstand fra dette, er anordnet to eller flere, fortrinnsvis minst fire, generelt radiale og aksiale finner eller ledeplater (17).

6. Gassbrenner i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det finnes utslippshull (19, 22, 24) i minst to av følgende posisjoner: - oppstrøms i forkant av ledeskovlene (18) - i området ved ledeskovlene, mellom disse - nedstrøms i forhold til ledeskovlene.