DE102004034212A1

DE102004034212A1 - Brennstoff-Sauerstoff-Brenner und Verfahren zum Betreiben des Brenners

Info

Publication number: DE102004034212A1
Application number: DE102004034212A
Authority: DE
Inventors: Heinz Franke; Martin Adendorff; Horst KÖDER
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2006-02-16
Also published as: HUE043692T2; WO2006005577A1; ES2728598T3; EP1789726A1; EP1789726B1

Abstract

Der erfindungsgemäße Brennstoff-Sauerstoff-Brenner für schadstoffarme (NO_x-arme) Verbrennung im Hochtemperaturbereich, mit einem in einem Hauptbrennerstein (1) mit Zusatzbrennerstein (2) angeordneten Brennerkörper (3) mit mindestens einem in eine Mischkammer (10) des Zusatzbrennersteins (2) einmündenden Brennstoff-Zuleitungskanal (4) und mit durch den Zusatzbrennerstein (2) geführten und in eine Verbrennungskammer (11) des Hauptbrennersteins (1) einmündenden Sauerstoff-Zuleitungskanälen (5), gekennzeichnet dadurch, dass die Mittelachse des Brennstoff-Zuleitungskanals (4) auf der Mittelachse des Hauptbrennersteins (1) und die Sauerstoffdüsen (8) um den zentralen Brennstoff-Zuleitungskanal (4) auf einem Teilkreis angeordnet sind, eignet sich besonders für den wirtschaftlichen und umweltverträglichen Betrieb von Industrieöfen, insbesondere von Schmelzöfen, besonders vorteilhaft von Glasschmelzöfen.

Description

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. Die bei diesen, mit technischem Sauerstoff als Oxidationsmittel durchgeführten Verbrennungsprozessen auftretenden hohen Flammentemperaturen führen zu, oftmals die TA-Luft-Grenzwerte übersteigenden Stickstoff-Oxid (NO_x)-Schadstoffbelastungen.

Um die auf die Umwelt schädigenden NO_x-Schadstoffemissionen bei Verbrennungsprozessen im Hochtemperaturbereich, z. B. bei Glasschmelzprozessen mit Prozesstemperaturen größer 1400°C, zu reduzieren, werden kostenintensive De-NO_x Anlagen eingesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Brennstoff-Sauerstoff-Brenner zur Verfügung zu stellen, mit dem eine wirtschaftliche und zugleich schadstoffarme (NO_x-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. Er beträgt ein Mehrfaches des Düsendurchmessers, bevorzugt das 2,5- bis 32-fache des Düsendurchmessers.

Im Hauptbrennerstein ist eine, einen Austritt aufweisende Verbrennungskammer ausgebildet, in die die Düsen der durch den Zusatzbrennerstein geführten Zuleitungskanäle für das Oxidationsmittel einmünden.

Die 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 Mischkammer das 1,2 bis 2,5-fache des Kammerdurchmessers und die Länge der im Hauptbrennerstein ausgebildeten Verbrennungskammer das 0,05 bis 0,6-fache des Durchmessers des Austritts am Hauptbrennerstein.

Der Brennstoff-Zuleitungskanal ist mit einem, mit einer Auswerteeinheit verbundenen Sensor, beispielsweise mit einem zur Flammenüberwachung zweckmäßig angeordneten UV-Lichtempfänger, ausgerüstet.

Der Haupt- und Zusatzbrennerstein bestehen aus einem hitze- und korrosionsbeständigen Material, vorzugsweise aus Keramik. 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 mit dem Hauptbrennerstein mittels einer Schraubverbindung so verbunden, das eine Abdichtung zwischen dem Hauptbrennerstein und dem Brennerkörper und somit eine sichere Befestigung des Brennerkörpers am Hauptbrennerstein gewährleistet ist.

Der für eine schadstoffarme (NO_x-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.

Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen in einem Hauptbrennerstein angeordneten, erfindungsgemäßen Brennstoff-Sauerstoff-Brenner;
2 die Ansicht X des Brennstoffaustritts des Brennstoff-Sauerstoff-Brenners nach 1.
Der in 1 dargestellte Brenner zeigt einen in einem Hauptbrennerstein 1 mit Zusatzbrennerstein 2 angeordneten metallischen Brennerkörper 3. 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 ausgebildeten Mischkammer 10 einmündet, die über einen im Zusatzbrennerstein 2 ausgebildeten Austritt 6 mit einer, 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 Düse 8 in die Verbrennungskammer 11 einmündenden Zuleitungskanälen 5 für den als Oxidationsmittel eingesetzten Sauerstoff angeordnet. Der 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 11 das 0,05- bis 0,6-fache des Durchmessers f beträgt.
In 2 ist ein mit acht Sauerstoffdüsen 8 und einem zentralen Zuleitungskanal 4 für das als Brennstoff eingesetzte Erdgas 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, vorzugsweise als UV- Lichtempfänger ausgebildeten Sensor 12 abgibt, der zur Überwachung der Flamme des Brenners im Brennstoff-Zuleitungskanal 4 angeordnet und an eine 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 gewährleistet.
Der Haupt- und Zusatzbrennerstein 1 und 2 bestehen vorteilhaft 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 durch eine 4-fache Schraubverbindung, bestehend aus einem Gewindebolzen 14, einer Mutter 16, einem Gegenhalter 15 und einer Dichtung 13 so ausgeführt, dass eine Abdichtung zwischen dem Hauptbrennerstein 1 und Brennerkörper 3 und eine sichere Befestigung des Brennerkörpers 3 an dem Hauptbrennerstein 1 gewährleistet ist.
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 Prozesstemperatur":
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.

1: Hauptbrennerstein
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

Claims

Brennstoff-Sauerstoff-Brenner für eine schadstoffarme Verbrennung im Hochtemperaturbereich, mit einem in einem Hauptbrennerstein (1) mit Zusatzbrennerstein (2) angeordneten Brennerkörper (3) mit mindestens einem in eine Mischkammer (10) des Zusatzbrennersteins (2) einmündenden Brennstoff-Zuleitungskanal (4) und mit, durch den Zusatzbrennerstein (2) geführten und in eine Verbrennungskammer (11) des Hauptbrennersteins (1) einmündenden Sauerstoff-Zuleitungskanälen (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des Brennstoff-Zuleitungskanals (4) auf der Mittelachse des Hauptbrennersteins (1) und die Sauerstoffdüsen (8) um den zentralen Brennstoff-Zuleitungskanal (4) auf einem Teilkreis (9) angeordnet sind.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff-Sauerstoff-Brenner mit zwei bis zwölf, vorzugsweise mit acht Sauerstoffdüsen (8), ausgerüstet ist.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffdüsen (8) einen Teilkreis (9) bilden, wobei der Mindestabstand (A) einen 2,5 bis 32-fachen Wert des Durchmessers (b) der Sauerstoffdüse (8) aufweist.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (10) durch einen im Zusatzbrennerstein (2) ausgebildeten Austritt (6) mit der im Hauptbrennerstein (1) ausgebildeten Verbrennungskammer (11) verbunden ist.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (e) der Mischkammer (10) das 1,2- bis 2,5-fache des Mischkammerdurchmessers (d) des Austritts (6) des Zusatzbrennersteins (2) beträgt.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Verbrennungskammer (11) das 0,05- bis 0,6-fache des Durchmessers (f) der Verbrennungskammer (11) des im Hauptbrennerstein (1) ausgebildeten Austritts (7) beträgt.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff-Zuleitungskanal (4) mit einem zur Flammenüberwachung mit einer Auswerteeinheit verbundenen Sensor (12), vorzugsweise einem UV-Lichtempfänger, ausgerüstet ist.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt- und der Zusatzbrennerstein (1, 2) aus einem hitze- und korrosionsbeständigen Material, bevorzugt aus Keramik, bestehen.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff-Kanal (4) und die Sauerstoff-Zuleitungskanäle (5) sowie die Sauerstoffdüsen (8) aus einem hitze- und korrosionsbeständigen Material, bevorzugt aus einer NiCr- oder ODS-Legierung, bestehen.
Brennstoff-Sauerstoff-Brenner nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkörper (3) mit dem Hauptbrennerstein (1) durch eine Schraubverbindung, bestehend aus einem Gewindebolzen (14), einer Mutter (16), einem Gegenhalter (15) und einer Dichtung (13) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoff-Sauerstoff-Brenners nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel in Gegenwart von rezirkulierenden Verbrennungsgasen oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Oxidationsmittel mit einer 2,5- bis 3,3-fach höheren Geschwindigkeit als der Brennstoff durch den Austritt (6) des Zusatzbrennersteins (2) in die Verbrennungskammer (11) einströmt, b) sich ein auf die Brennstoff-Sauerstoff-Brennerleistung bezogener Gesamtimpulsstrom von 15 bis 25 N/MW einstellt, c) das Verhältnis der Impulsstromdichten von Sauerstoff und Brennstoff zwischen 5 bis 15 beträgt und d) das sich eine Leistungsdichte am Austritt (7) des Hauptbrennersteines (1) zwischen 0,05 bis 2 KW/mm2 einstellt.
Verwendung eines Brennstoff-Sauerstoff-Brenners nach den vorhergehenden Ansprüchen in einem Schmelzofen, vorzugsweise in einem Glasschmelzofen.