Brennstoff-Sauerstoff-Brenner und Verfahren zum Betreiben des Brenners
Die Erfindung betrifft einen Brennstoff-Sauerstoff-Brenner für eine schadstoffarme Verbrennung im Hochtemperaturbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Brenners nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 ,
Bei Verbrennungsprozessen im Hochtemperaturbereich, wie beispielsweise in Schmelzöfen, insbesondere in Glasschmelzöfen, werden bisher konventionelle Brennstoff-Sauerstoff-Brenner eingesetzt. In der US 4 378 205 wird ein derartiger Brenner beschrieben, bei dem eine zentrale Brennstoffzuführung, eine primäre, als eine um die Brennstoffzuführung herum angeordnete Ringleitung ausgeführte Sauerstoffzuleitung sowie mehrere sekundäre Sauerstoffzuleitungen achsparallel zueinander durch einen Brennerstein hindurchgeführt sind und an dessen Stirnseite ausmünden. Die bei diesen, mit technischem Sauerstoff als
Oxidationsmittel durchgeführten Verbrennungsprozessen auftretenden hohen Flammentemperaturen führen zu oftmals die TA-Luft-Grenzwerte übersteigenden Stickstoff-Oxid (NOχ)-Schadstoffbelastungen. Ein verbesserter Brenner wird in der EP 0 898 687 B1 beschrieben. Bei diesem Brenner münden eine Brennstoffzuführung sowie jeweils vier, gegenüber der Achse der zentralen
Brennstoffzuführung angewinkelte primäre und sekundäre Sauerstoffleitungen an der Stirnseite eines Brennersteins mit quadratischem Querschnitt ein. Auch dieser Brenner zeigt im Betrieb jedoch noch unzureichende Schadstoffwerte. Um die auf die Umwelt schädigenden NOx-Schadstoffemissionen bei Verbrennungsprozessen im Hochtemperaturbereich, z. B. bei Glasschmelzprozessen mit Prozess¬ temperaturen größer 1400°C, zu reduzieren, werden daher kostenintensive De- NOχ-Anlagen eingesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Brennstoff-Sauerstoff- Brenner zur Verfügung zu stellen, mit dem eine wirtschaftliche und zugleich schadstoffarme (NOx-arme) Verbrennung im Hochtemperaturbereich möglich ist.
Gelöst ist diese Aufgabe durch einen Brennstoff-Sauerstoff-Brenner mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben des Brenners mit den Merkmalen von Anspruch 11.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß kommt ein Brennstoff-Sauerstoff-Brenner zum Einsatz, der mit technischem Sauerstoff als Oxidationsmittel oder mit einem überwiegend sauerstoffhaltigem Oxidationsmittel in Gegenwart von rezirkulierenden
Verbrennungsgasen betrieben wird. Der zur schadstoffarmen Verbrennung im Hochtemperaturbereich, vorteilhaft in Schmelzöfen, besonders vorteilhaft in Glasschmelzöfen, einsetzbare Brenner mit einem in einem Hauptbrennerstein mit Zusatzbrennerstein angeordneten Brennerkörper mit mindestens einem in eine Mischkammer des Zusatzbrennersteins einmündenden Brennstoff-Zuleitungskanal und mit, durch den Zusatzbrennerstein geführten und in eine Verbrennungskammer des Hauptbrennersteins einmündenden Sauerstoff- Zuleitungskanälen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des Brennstoff-Zuleitungskanals auf der Mittelachse des Hauptbrennersteins und die Sauerstoffdüsen um den zentralen Brennstoff-Zuleitungskanal auf einem Teilkreis angeordnet sind.
Der Brenner enthält eine Vielzahl, bevorzugt zwei bis zwölf, besonders vorteilhaft acht Sauerstoffdüsen. Der durch die Sauerstoffdüsen gebildete Teilkreis hat einen Mindestabstand A von dem zentralen Brennstoff-Zuleitungskanal, der ein
Mehrfaches des Düsendurchmessers beträgt, bevorzugt das 2,5- bis 32-fache des Düsendurchmessers.
Bevorzugt mündet die Mischkammer des Zusatzbrennersteins durch einen Austritt in die Verbrennungskammer des Hauptbrennersteins ein. Sowohl die
Mischkammer des Zusatzbrennersteins als auch die Verbrennungskammer sind dabei mindestens über einen Teil ihrer Längserstreckung im Wesentlichen zylinderförmig, bevorzugt kreiszylinderförmig, ausgebildet. Diese erfindungsgemäße Brennerkonstruktion ermöglicht, dass der Sauerstoff mit einer 2,5- bis 3,3-fach höheren Geschwindigkeit als der Brennstoff in die
Verbrennungskammer des Brenners einströmt, wodurch ein auf die Brennerleistung bezogener Gesamtimpulsstrom von 15 bis 25 N/MW sowie ein Verhältnis der Impulsstromdichten von Sauerstoff und Brennstoff von 5 bis 15 gewährleistet und dadurch am Austritt des Hauptbrennersteines eine Leistungsdichte 0,05 bis 2 KW/mm2 erreicht wird.
Vorteilhaft beträgt die Länge der im Zusatzbrennerstein ausgebildeten kreiszylinderförmigen Mischkammer das 1 ,2 bis 2,5-fache des Kammerdurchmessers und die Länge der im Hauptbrennerstein ausgebildeten kreiszylinderförmigen Verbrennungskammer das 0,05 bis 0,6-fache des Durchmessers des Austritts am Hauptbrennerstein.
Der Brennstoff-Zuleitungskanal ist vorteilhafterweise mit einem mit einer Auswerteeinheit verbundenen Sensor, beispielsweise mit einem zur Flammenüberwachung zweckmäßig angeordneten UV-Lichtempfänger, ausgerüstet.
Der Haupt- und Zusatzbrennerstein bestehen zweckmäßigerweise jeweils aus einem hitze- und korrosionsbeständigen Material, vorzugsweise aus Keramik. Es ist auch möglich, Haupt- und Zusatzbrennerstein aus einem Stück zu fertigen. Der Brennerkörper und die Brennstoff-Sauerstoff-Zuleitungskanäle sowie die Sauerstoffdüsen bestehen aus einem hitze- und korrosionsbeständigen Material, vorzugsweise aus einer NiCr- oder ODS-Legierung.
Der Brennerkörper ist bevorzugt fest mit dem Hauptbrennerstein so verbunden, das eine Abdichtung zwischen dem Hauptbrennerstein und dem Brennerkörper und somit eine sichere Befestigung des Brennerkörpers am Hauptbrennerstein gewährleistet ist, vorzugsweise mittels einer Schraubverbindung.
Der für eine schadstoffarme (NOx-arme) Hochtemperatur-Verbrennung, insbesondere in Schmelzöfen, besondere vorteilhaft in Glasschmelzöfen, einsetzbare Brennstoff-Sauerstoff-Brenner ist konstruktiv einfach und damit kostengünstig an die unterschiedlichen Einsatzbedingungen problemlos anpassbar und kann mit technischem Sauerstoff als Oxidationsmittel aber auch mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel betrieben werden.
Als Brennstoff können alle herkömmlichen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffe, besonders vorteilhaft Erdgas, eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen in einem Hauptbrennerstein angeordneten, erfindungsgemäßen Brennstoff-Sauerstoff-Brenner;
Fig. 2 die Ansicht X des Brennstoffaustritts des Brennstoff-Sauerstoff-Brenners nach Fig. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Brenner zeigt einen in einem Hauptbrennerstein 1 mit Zusatzbrennerstein 2 angeordneten metallischen Brennerkörper 3. Der Zusatz¬ brennerstein 2 ist in einer Ausnehmung oder Bohrung des Hauptbrennersteins 1 aufgenommen. Der Brennerkörper 3 enthält ein mit seiner Mittelachse auf der Mittelachse des Hauptbrennersteines 1 angeordneten Zuleitungskanal 4 für Brennstoff, der in eine, im Zusatzbrennerstein 2 zylinderförmig ausgebildeten Mischkammer 10 einmündet, die über einen im Zusatzbrennerstein 2 ausgebildeten Austritt 6 mit einer gleichfalls zylindrischen, im Hauptbrennerstein 1 mit Austritt 7 ausgebildeten Verbrennungskammer 11 verbunden ist. Um den zentralen Brennstoff-Zuleitungskanal 4 herum sind eine Vielzahl von durch den Zusatzbrennerstein 2 geführten und mit jeweils einer im wesentlichen achsparallel zum zentralen Zuleitungskanal 4 in die Verbrennungskammer 11 einmündenden Düse 8 versehenen Zuleitungskanälen 5 für den als Oxidationsmittel eingesetzten Sauerstoff angeordnet. Der Fig. 1 ist weiterhin zu entnehmen, das die Länge e der Mischkammer 10 das 1 ,2- bis 2,5-fache des Durchmessers d sowie die Länge L der Verbrennungskammer 1 1 das 0,05- bis 0,6-fache des Durchmessers f beträgt.
In Fig. 2 ist ein mit acht Sauerstoffdüsen 8 und einem zentralen Zuleitungskanal 4 für Brennstoff ausgerüsteter Brennstoff-Sauerstoff-Brenner dargestellt. Die auf einem Teilkreis angeordneten Sauerstoffdüsen 8 weisen einen Mindestabstand A von dem zentralen Brennstoff-Zuleitungskanal 4 auf, der das 2,5- bis 32-fache des Düsendurchmessers b beträgt.
Dem mit seinem Brennerkörper 3 in einem Hauptbrennerstein 1 mit Zusatzbrennerstein 2 angeordnete Brennstoff-Sauerstoff-Brenner wird Erdgas als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt.
Das dem zentralen Zuleitungskanal 4 zugeführte Erdgas strömt mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 90 m/s in die im Zusatzbrennerstein 2 ausgebildete Mischkammer 10 ein und durch den Austritt 6 in die im Hauptbrennerstein 1 ausgebildete Verbrennungskammer 11 ein.
Der jedem Zuleitungskanal 5 des Brenners zugeführte Sauerstoff strömt mit einer Geschwindigkeit von 70 bis 100 m/s anschließend durch eine den Sauerstoffstrom einschnürende Düse 8 in die Verbrennungskammer 11 ein.
Erfindungsgemäß strömt der Sauerstoff mit einer 2,5- bis 3,3-fach höheren Geschwindigkeit als das Erdgas in die Verbrennungskammer 11 ein.
Der in der Verbrennungskammer 11 des Hauptbrennersteins 1 eingeströmte Brennstoff wird mit dem in die Verbrennungskammer 11 eingeströmten Sauerstoff teilverbrannt Es bildet sich eine stabile Flamme, die ein ausreichendes Signal für einen im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Sensor 12, vorzugsweise ein UV- Lichtempfänger, abgibt, der zur Überwachung der Flamme des Brenners im Brennstoff-Zuleitungskanal 4 angeordnet und an eine hier nicht gezeigte Auswerteeinheit angeschlossen ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Brennerkonstruktion wird ein auf die Brennerleistung bezogener Gesamtimpulsstrom von 15 bis 25 N/MW mit einem Verhältnis der Impulsstromdichten von Sauerstoff und Brennstoff von 5 bis 15 und damit eine Leistungsdichte von 0,05 bis 2 KW/mm2 am Austritt 7 des Hauptbrennersteins 1 des Brennstoff-Sauerstoff-Brenners erreicht.
Der Haupt- und Zusatzbrennerstein 1 und 2 bestehen im Ausführungsbeispiel jeweils aus einem keramischen Material, der Brennerkörper 3, die Zuleitungskanäle 4, 5 und die Sauerstoffdüsen 8 aus einer NiCr- oder ODS- Legierung.
Der Brennerkörper 3 ist mit dem Hauptbrennerstein 1 derart verbunden, dass eine Abdichtung zwischen dem Hauptbrennerstein 1 und Brennerkörper 3 und eine sichere Befestigung des Brennerkörpers 3 an dem Hauptbrennerstein 1 gewährleistet ist. Im Ausführungsbeispiel ist als Befestigung eine 4-fache
Schraubverbindung, bestehend aus einem Gewindebolzen 14, einer Mutter 16, einem Gegenhalter 15 und einer Dichtung 13 vorgesehen.
Mit dem erfindungsgemäßen, einen Leistungsbereich von 10 bis 9000 kW, vorzugsweise 100 bis 3000 kW, aufweisenden und als „G-Brenner" bezeichneten Brenner wurden nachstehend aufgeführte Versuchsergebnisse erzielt:
Versuchsergebnisse:
„NOx-Konzentrationen vom Ofenabgas in ppm in Abhängigkeit von der P rozesste m pe ratu r" :
mittlere Konventionelle G-Brenner
Ofenwandtemperatur Brenner
12000C 337 bis 767 38
14000C 390 bis 1044 63
15500C 430 bis 1180 95
Die in der vorstehenden Übersicht angegeben NOx-Werte beziehen sich auf 3 Vol.-% Rest-Sauerstoff im Abgas, einer N2-Konzentration von 1 Vol.-% im Erdgas H, einen Ofenüberdruck von 0,3 mbar und eine Brennerleistung von 700 KW. Die Konzentrationsangaben des Ofenabgases beziehen sich auf trockenes Analysengas.
Bezuqszeichenaufstellunq
1 Haυptbrennerstein
2 Zusatzbrennerstein
3 Brennerkörper
4 Zuleitungskanal (Erdgas)
5 Zuleitungskanal (Sauerstoff)
6 Austritt (2)
7 Austritt (1)
8 Sauerstoffdüse
9 Teilkreis
10 Mischkammer (2)
11 Verbrennungskammer (1)
12 Sensor
13 Dichtung
14 Gewindebolzen
15 Gegenhalter
16 Mutter