DE2841637A1

DE2841637A1 - Brenneranlage zum verbrennen gasfoermiger oder fluessiger brennstoffe

Info

Publication number: DE2841637A1
Application number: DE19782841637
Authority: DE
Inventors: Robert D Reed
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1977-09-26
Filing date: 1978-09-25
Publication date: 1979-04-05
Also published as: US4162140A; NL7809278A; CA1091571A; GB2005004B; FR2404172A1; IT1105982B; JPS5463433A; FR2404172B1; GB2005004A; IT7851208A0

Description

Die Erfindung betrifft Brennsysteme bzw. Brenneranlagen für gasförmige und flüssige Brennstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung die Ausgestaltung eines Brennersystems, welches entweder mit flüssigem oder mit gasförmigem Brennstoff oder mit beiden verwendbar ist.

Bevorzugt betrifft die Erfindung ein Brennersystem, bei welchem die Produktion von NOx auf ein Minimum reduziert ist.

Eines der unerwünschten Produkte beim Verbrennen flüssiger Brennstoffe ist insbesondere salpetersaures Oxyd (NO), welches schnell in Stickstoffoxyd (NO₂) reoxydiert. Infolge der Anzahl von Stickstoffoxyden, welche sich bilden können, werden diese im allgemeinen als NOx benannt. NOx stellt in der Luft hinsichtlich der EPA-Regulierung ein ernsthaftes Problem infolge maximaler Emission in die Atmosphäre dar, wobei dieser Umstand beim Abziehen von Verbrennungsprodukten in die Atmosphäre besteht, so beispielsweise aus dem Abzug von typischen Öfen oder Kaminen.

Die NOx-Emission wird in Teilen pro Million (PPM) in den Abgasen oder Rauchgasen gemessen; einige Brennstoffe erzeugen einige hundert Teile PPM. Neuere EPA-Bestimmungen begrenzen die zulässige NOx-Emission jedoch auf nicht mehr als einige hundert PPM. Bei der Brennstoffverbrennung sind infolgedessen Anlagen zur Reduzierung des emittierten NOx erforderlich.

Bekannt sind Vorrichtungen zur Reduzierung des emittierten NOx in den Verbrennungsprodukten eines Ofens oder Kamins, wobei die aus dem Kamin oder Ofen abziehenden Rauchgase in aufwendiger und teurer Weise wieder in die Verbrennungszone rezirkuliert werden. Dabei sind motorisch getriebene Gebläse und Leitungen erforderlich, um diese Rezirkulation der Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte in die Verbrennungszone eines oder mehrerer Brenner zu vollziehen.

909814/0927

Es wird auf die US PS 4,004,875 verwiesen; die in dieser Patentschrift beschriebene Vorrichtung arbeitet tinter Rezirkulation von Verbrennungsprodukten, ohne jedoch die teure Konstruktion von Gebläsen und Leitungen etc. einzusetzen.

Die Entstehung von Stickstoffoxyden, bzw. NQx, welche zur Luftverunreinigung beitragen, ist allen Brennstoffen bei deren Verbrennung eigen. Es hat sich als unmöglich erwiesen, die NOx-Bildung beim Verbrennen von Brennstoffen vollständig zu unterbinden; es ist jedoch möglich, diese Entstehung auf ein beträchtliches Maß herabzudrücken, falls die Verbrennungsluft wenig mit Verbrennungsprodukt-GasWermischt wird, sqfrLt CO₂ und H₂O, bevor die Verbrennung vollständig vollzogen wird. Ohne Zusatz der Verbrennungsprodukt-Gase in die Luftzuführung kann die NOx-Konzentration im Bereich von Hunderten von PPM (Teilen pro Million) betragen. Bei Zugabe von Verbrennungsgas wird der NOx-Anteil weniger als einhundert. PPM.

Die Reduzierung des NOx-Anteils ist auf die Anwesenheit von CO₂ oder H₂O oder von beiden innerhalb der Verbrennungsluft während Zuführung in den Verbrennungsbereich zurückzuführen, wobei die nachfolgenden Reaktionen auftreten:

CH₄ + CO₂ = 200 + 2H₂

und

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

Durch diese Reaktionen wird der Verbrennungs-Teildruck innerhalb der reduzierenden Bereiche der Flamme vervierfacht und jeglicher NOx-Anteil im Verbrennungsbereich wird beträchtlich durch diesen Überschuß reduzierender Mittel reduziert. Das NOx kann im allgemeinen Sauerstoff für die Aufrechterhaltung der Verbrennung von CO und H₂ beitragen, wodurch die Gesamtmenge von NOx reduziert wird. Das Problem besteht jedoch darin, CO₂ und H₂O in die Verbrennungsluft vor der Hauptverbrennung des Brennstoffes einzubringen. Die Rezirkulation von Rauchgasen aus dem Kamin stellt ein geeignetes, jedoch teures Verfahren dar.

9098H/0927 -5-

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein einfaches, billiges und thermisch wirksames Verfahren der Reduzierung von NQx in den Verbrennungsprodukten eines Brennersystems zu schaffen. Es soll eine Brenneranlage geschaffen werden, mit welcher flüssige oder gasförmige Brennstoffe getrennt oder zusammen verbrennbar sind und welche eine Einrichtung aufweist, um die Produktion von NOk auf ein Minimum herabzusetzen.

Mit der Erfindung soll ein Brennersystem geschaffen werden, bei welchem eine minimale Menge von NQx ohne Rezirkulation von Verbrennungsprodukten mittels Gebläsen oder Leitungen anfällt.

Bei dem Brennersystem nach der Erfindung, mit welchem NQx in minimalen Anteilen entsteht, wird ein Sekundärbrenner verwandet, welcher gasförmigen Brennstoff verbrennt und welcher sich strömungsaufwärts des Primärbrenners befindet, derart, daß sich die Verbrennungsprodukte des kleineren Sekundärbrenners bei Verwendung gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft vermischen und stromabwärts gerichtet eine Vermischung in der Verbrennungszone mit der Flamme des Primärbrenners eingehen.

Gemäß der Erfindung wurde ein Zweifachbrenner geschaffen, welcher ein Brennerrohr für flüssigen Brennstoff und ein Brennerrohr für gasförmigen Brennstoff aufweist. Dem Zweifachbrenner wird flüssiger Brennstoff unter Druck zugeführt. Am äußeren Ende ist der Brenner geschlossen und mit mehreren Öffnungen versehen, durch welche Brennstoffstrahlen in einer konischen Flächenanordnung konzentrisch bezüglich des Flüssigbrennerrchres austreten.

Das Brennerrohr für flüssigen Brennstoff ist durch ein Brennerrohr für gasförmigen Brennstoff umgeben; das Gasbrennerrohr weist einen ringförmigen Zwischenraum zwischen einem inneren Rohrkörper und einem äußeren Rohrkörper auf; die beiden Rohrkörper sind koaxial zueinander und umgeben das Brennerrohr für flüssigen Brennstoff. Der ringförmige Raum ist am äußeren Ende geschlossen, wobei mehrere Öffnungen für den Austritt von Gasstrahlen vorgesehen sind. Diese sind an den Enden unter einem bestimmten Winkel nach außen und nach vorne gerichtet, so daß ein konisches

9 098U/0927

Flächenmuster von Gas entsteht.

Die Brennerrohre für flüssigen und gasförmigen Brennstoff und die öffnungen an ihnen bilden einen Primärbrenner bzw. die Primärbrenneröffnungen, unter einem vorbestimmten Abstand ist strömungsaufwärts bezüglich der Brenneröffnungen des Primärbrenners ein Sekundärbrenner angeordnet; diesem wird Gas in beschränkter Msnge zugeleitet, so im Bereich von 10% bis 30% des Wärmewertes des Brennstoffes, welcher dem Primärbrenner system zugeleitet wird. Der Sekundärbrenner kann ein ringförmiges Prallblech aufweisen, hinter welchem Gas zugeleitet wird und in Lee des Prallblechs ruhig verbrennt. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte von KohlendicRyd und Wasser des Sekundärbrenners vermischen sich mit der Verbrennungsluft, welche die Außenseite des Brennersystems umströmt. Die Verbrennungsprodukte vermengen sich mit den konischen Flächenanordnungen von gasförmigem Brennstoff und / oder Brennstoffölpartikeln in der Primär-verbrennungszone. Durch Reduzierung anfallender NQx-Anteile wird eine Reduzierung der NQx-Ifenge, gemessen in Teilen pro Million, in den Verbrennungsgasen erreicht, die in den Kamin gelangen und abziehen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Äusführungsform der Brenneranlage nach der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht von Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 ist eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 ist eine Einzelansicht des Sekundärbrenner sy stems, von Linie 4-4 in Fig. 3.

9098U/0927

In den Figuren 1 und 2 ist mit der Vorrichtung 10 eine Ausführungsform nach der Erfindung dargestellt.

Diese Vorrichtung weist einen Brenner 15 für Flüssigbrennstoff auf, welcher mit einem Brennerrohr 12 ausgestattet ist. In das Brennerrohr wird unter Druck stehender Flüssigbrennstoff gemäß Darstellung durch den Pfeil 20 eingeleitet, so daß der Brennstoff in das Innere des Brennerrohrs gelangt. Am entfernt liegenden Ende ist das Brennerrohr geschlossen, dahingehend, daß es an diesem Ende mehrere unter Abstand am Umfang angeordnete öffnungen 16 aufweist. Jede dieser öffnungen ist in einer Radialebene unter einem Winkel A bezüglich der Achse des Brennerrohrs ausgerichtet. Unter Druck treten Strahlen 18 von Brennstoff aus den Öffnungen 16 aus und bilden eine konische Schicht flüssiger Tropfen.

Das Brennerrohr 12 für flüssigen Brennstoff ist unter geringem Abstand von einem Brennerrohr 22 für gasförmigen Brennstoff umgeben. Der Gasbrenner bzw. das Brennerrohr für gasförmiges Medium umfaßt ein inneres Rohr 24, welches einen größeren Durchmesser als das Brennerrohr 12 besitzt, und ein äußeres Rohr 26. Der ringförmige Raum zwischen den Rohren 24 und 26 ist am äußeren Ende geschlossen. Der Innenraum 64 bildet eine Leitung für die Strömung gasförmigen Brennstoffes, wie durch die Pfeildarstellung 66 wiedergegeben ist. Das Gas tritt aus einer unter Druck stehenden Quelle von gasförmigem Brennstoff gemäß Pfeil 38. durch ein Rohr 36 in den Innenraum ein. Das geschlossene Ende 30 ist mit mehreren am Umfang unter Abstand angeordneten öffnungen 32 ausgestattet, durch welche die Gasstrahlen oder Gasströme 34 mit hoher Geschwindigkeit austreten und eine mehr oder weniger kontinuierliche konische Wand aus Gas bilden. Der Winkel B der austretenden Strahlen 34 entspricht vorzugsweise dem Winkel A der Strahlen 18.

Die Brennervorrichtung 10 ist mit einem nicht dargestellten Befestigungssystem versehen, welches von herkömmlicher Konstruktion sein kann und dazu dient, die Brenneranordnung axial innerhalb einer öffnung 17 an der Innenseite einer Wand 13 aus hitzebeständigem Material von an sich be-

9098U/0927 -8-

kannter Art zu halten. Wenn Brennstoff aus den öffnungen mit hoher Geschwindigkeit austritt, dann wird eine Strömung von Verbrennungsluft 70, 72 im Ringraum zwischen der Brennervorrichtung 10 und der Innenwand 17 der die Wand 13 durchsetzenden öffnung induziert bzw. angesogen.

Nach Wunsch kann ein ringförmiger Flansch 40 nahe der öffnungen des Gas-Brennerrohres an diesem vorgesehen sein.

Strömungsaufwärts der Brennstoff-Strahlen 18 und 34 ist unter einem bestürmten Abstand rückseitig bezüglich der Primär-Brenneröffnungen der Brennerrohre ein Sekundärbrenner 49 vorgesehen. Dieser Sekundärbrenner kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. In der Darstellung ist eine Ausführungsform nach der Erfindung wiedergegeben. Demnach weist der Brenner eine ringförmige Platte 48 auf, welche einen größeren Innendurchmesser als das Rohr 26 des Gasbrenners besitzt. Ein zylindrischer äußerer Flansch 50 von verhältnismäßig kurzer Länge ist am Umfang der ringförmigen Platte 48 befestigt. Die Platte 48 verläuft vorzugsweise senkrecht zur Achse des Brennersystems. Die Platte kann durch die radialen Rippen 40 getragen werden, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Ein begrenzter Vorrat gasförmigen Brennstoffes wird durch ein Rohr 40 parallel zum Brennersystem zugeleitet; das Rohr 44 verläuft durch eine kleine öffnung 54 in der Platte 48. Dieses Rohr wird durch beispielsweise ein Rohr 45 (gestrichelt dargestellt) durch gasförmigen Brennstoff einer beliebigen Gasquelle gespeist; das Gas kann jedoch auch aus dem Zwischenraum 64 mittels eines radialen Rohrs 42 abgeleitet werden.

Die durch die Pfeile 72 aufgezeigte, induzierte Luftströmung beinhaltet gleichfalls eine durch die Pfeile 70 dargestellte Strömung; diese verläuft entlang der Außenfläche des Gasbrennerrohrs und innerhalb

9098U/0927

_ 9 —

der Öffnung 52 im Sekundärbrenner. Die induzierte Luftströmung umfaßt auch einen Teilstrcm im Ringraum 74 zwischen den Brennerrchren der flüssigen und gasförmigen Brennstoffe.

In Fig. 4 ist eine öffnung 56 in der Seitenwand des Rohres 44 dargestellt. Diese öffnung 56 befindet sich kurz vor dem Endverschluß 57 des Rohres, so daß das gemäß Pfeildarstellung 68 im Rohr 44 einströmende Gas tangential abströmt, wie die Pfeile 62 in Fig. 2 wiedergeben.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der aus der öffnung 56 austretende Gasstrahl 60 gemäß den Pfeilen 62 innerhalb des rohrförmigen Flansches 50 und in Lee der ringförmigen Platte 48 in ringförmiger Bahn strömt. Verbrennungsluft durchströmt die öffnung 52 zwischen dem Außenrohr 26 des Gasbrennerrohres und der Innenkante der Platte 48, so daß Luft in ruhiger Form in das Gas diffundiert und zur Bildung einer ruhigen Flamme beiträgt. Die Flamme ist stabil und erzeugt Verbrennungsprodukte einschließlich Kohlendioxyd und Wasser. Der Luftstrom 70, 72 trägt diese Verbrennungsprodukte mit sich in die Verbrennungszone, die strömungsabwärts der Strahlen 18 und 34 von Brennstoff besteht. So trägt die Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in der Verbrennungszone 76 dazu bei, den evtl. bestehenden NQx-Anteil auf ein vorbestimmtes Minimum zu reduzieren.

Es wurde ein kombinierter Flüssig- und Gasbrenner beschrieben, welcher sowohl mit einem Brennstoff als auch mit beiden Brennstoffen verwendbar ist. Die wesentliche Verbesserung liegt in der Verwendung eines Sekundärbrenners, welcher das Primär-Brennersystem strömungsabwärts desselben umgibt, derart, daß durch die Zuleitung gasförmigen Brennstoffes in den Sekundärbrenner Verbrennungsprodukte von Kohlendioxyd und Wasser erzeugt werden, welche mit der Luft in die Verbrennungszone 76 des Primärbrenners strömen, was zur Reduzierung des vorhandenen NQx beiträgt.

- 10 -

909814/0927

Die Jfenge des im Brenner 49 verbrannten gasförmigen Brennstoffes stellt einen kleinen Teil der gesamten Brennstoffmenge dar und kann, im Bereich von 10% bis 25% liegen, wobei ein optimaler Anteil im Bereich von 10% bis 15% liegt, was von der Art des verwendeten Brennstoffes etc. abhängt.

Es ist auch ersichtlich, daß die Verbrennungswärme des Gases im Sekundärbrenner 49 durch die Verbrennungsprodukte und durch die Luftströmung 70, 72 in die Haupt-Verbrennungszone 76 abgeleitet und infolgedessen vollständig zum Betrieb des Ofens verwendet wird.

9098U/0927

Claims

Brenneranlage zum Verbrennen gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe

PATENTANSPRÜCHE

Brenneranlage zum Verbrennen gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe, mit einer Einrichtung, mittels welcher anfallende NOx-Anteile auf eine Mindestmenge beschränkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenneranlage einen Primärbrenner (15) mit einem Brennerrohr (12) für flüssigen Brennstoff und mit einer Einrichtung aufweist, mittels welcher der Brennstoff unter Druck dem Brennerrohr (12) zugeleitet wird, daß das Brennerrohr (12) für flüssigen Brennstoff an seinem äußeren Ende einen Verschluß aufweist, in welchem sich mehrere Öffnungen (16) befinden, wobei die Öffnungen symmetrisch angeordnet jeweils in einer Radialebene unter einem vorbestimmten Winkel A zur Achse des Brennerrohrs ausgerichtet sind, daß die Brenneranlage ferner ein Brennerrohr (22) für gasförmigen Brennstoff bestehend aus einem Paar (24, 26) koaxialer Rohre - und eine Einrichtung (36) aufweist, mittels welcher Gas unter Druck dem bestehenden Ringraum zwischen den zwei Rohren zugeleitet wird, daß sich in das im wesentlichen geschlossene Ende des Ringraumes mehrere Öffnungen (32) erstrecken, die jeweils in einer Radialebene symmetrisch ausgerichtet sind und je einen vorbestimmten

9098U/0927

Deutsche Bank München, Kto.-Nr. 82/08050 (BLZ 70070010)

Postscheck München Nr. 163397-802

ORIGINAL INSPECTED

Winkel B bezüglich der Achse des Brennerrohrs (22) einnehmen, daß der Brenneranlage ferner eine Einrichtung zugeordnet ist, mittels welcher Verbrennungsluft um die Außenfläche des Brennerrohrs (22) für gasförmigen Brennstoff geleitet wird, daß ein der Brenneranlage zugeordneter Sekundärbrenner (49) unter einem vorbestimmten Abstand strömungsaufwärts der Öffnungen das Brennerrohr (22) umgibt und eine Einrichtung aufweist, mittels welcher eine vorbestitimte Menge von gasförmigem Sekundärbrennstoff dem Sekundärbrenner zugeleitet wird, wodurch der Sekundärbrenner einen Teil der Verbrennungsluft verwandet, um den gasförmigen Sekundärbrennstoff zu verbrennen, derart, daß sich die Verbrennungsprodukte der Sekundärverbrennung mit der Verbrennungsluft strömungsabwärts gerichtet in die Verbrennungszone des Primärbrenners bewegen.
2. Brenneranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte ifenge der Verbrennung des Sekundärbrennstoffes eine Energierate im Bereich von 10% bis 25% der Energierate des Brennstoffes des Primärbrenners beträgt.
3. Brenneranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil im Bereich von 10% bis 15% liegt.
4. Brenneranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel A und B im wesentlichen gleich sind.
5. Brenneranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärbrenner eine ringförmige Platte (48) aufweist, welche koaxial zum Brennerrohr (22) ausgerichtet ist und dieses in einer im wesentlichen senkrechten Ebene unter Abstand umgibt, daß am Außenumfang der ringförmigen Platte (48) unter Abdichtung ein kurzer, zylindrischer Flansch (50) befestigt ist und sich strömungsabwärts gerichtet erstreckt, und daß mittels einer Einrichtung eine Umfangsströmung gasförmigen Brennstoffes in dem strömungsabwärts befindlichen Bereich des Sekundärbrenners hervorgerufen wird.

909814/0927