DE2926278A1

DE2926278A1 - Verfahren zum betrieb von vormischbrennern und brenner zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2926278A1
Application number: DE19792926278
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr Ing Altemark; Hans Dipl Ing Sommers; Manfred Weid
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1981-01-15
Also published as: JPH0150804B2; US4582476A; EP0021035B1; DE2926278C2; JPS5610615A; EP0021035A1; IN153603B; BR8003995A; US4530656A; CA1142421A; US4439135A

Description

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Ruhrgas AG, Essen

Verfahren zum Betrieb von Vormischbrennern und Brenner zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Vormi.schbrennern unter normalem oder erhöhtem Druck mit gasförmigen oder bei Normaltemperatur flüssigen, vor der Verbrennung ^¹ Inständig verdampften Brennstoffen bei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung schadstoffarmer Abgase und eircr. Brenner zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Verbrennung gasförmiger und flüssiger Brennstoffe entstehen als Schadstoffe im Abgas u, a, die Stickstoffoxide MO und N0_of zusammengefaßt als NO bezeichnet. Diese Schadstoffe verunreinigen die Luft und können sich bei manchen Feuerungen negativ auf das im Ofen befindliche bzw. mit den Brennerabgasen in Berührung kommende Gut auswirken. Daher ist man bestrebt/ den NO -Gehalt im Abgas möglichst gering sii halten. Die Ursachen der NO -Bildung sind bekannt und es sind auch mehrere Maßnahmen sur Verminderung des NO^-Gehaltes im Abgas bekannt /1/ z. B.

Absenkung der Verbrennungstsraperatnr durch direkte Flammenkühlung, z. B. Wassereinspritzung, oder gekühlte Brennflächen

- zwei oder mehrstufige Verbrennung

- Abgasrezirkulation; Vorbei führen der At'rase an der Flamme durch Rückführungskar.äle oder spezielle Brennerkonstruktionen

" überstöchiometrische Verbrennung.

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Trotzdem ist bisher kein Brenner hoher Leistung für Industrie oder Gewerbe bekannt, der einen extrem niedrigen NO -Gehalt im Abgas aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb von Vormischbrennern anzugeben, in denen gas- und/oder dampfförmige Brennstoffe bei normalem oder erhöhtem Druck und niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung von Abgasen mit extrem niedrigen NO -Gehalten vollständig verbrannt werden können und einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, der bei niedrigen Verbrennungstemperaturen hohe -Brennerleistungen erlaubt und dessen Flamme über einen großen. Leistungsbereich stabil brennt.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die in den Ansprüchen 1 bis 9 genannten -Maßnahmen.

Nachstehend werden anhand der Figuren 1 und 2 das erfindungsgemäße Verfahren sowie der Aufbau und die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Brenners erläutert.

NO bildet sich einerseits aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff sowie andererseits thermisch aus freiem Stickis-toff, der insbesondere in der Luft, ggf. aber außerdem im Brenn s-toi f, z. B. Erdgas, vorhanden ist. Die thermische .NO -Bildung erfolgt bevorzugt bei hohen Verbrennungstemperatüren, z„ B. bei Erdgas ab ca. 1.6Ό0 °C. Eine niedrige Verbrennungstemperatur und damit einen geringen NO -Gehalt im Abgas erreicht man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bsi Brennstoffen mit geringem Anteil an gebundenem Stickstoff durch homogenes Mischen des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches vor der Verbrennung mit einem Kühlgas. Dieses Kühlgas kann Luft, Abgas, Wasserdampf oder ein Gemisch zweier oder aller dieser Komponenten sein. Um z. B. theoretisch 1 ppm TSO^ (luftfrei, trocken) im Abgas zu erreichen, ist bei einem Druck von 1 bar und der Verwendung von Luft von 20 ⁰C als Kühlgas eine Einstellung der theoretischen Verbrennungstemperatur von 1.330 ⁰C erforderlich.

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In Figur 1 ist die Abhängigkeit der theoretischen Verbrennungstemperatur eines beispielsweisen Erdgases von dem Massenstromverhältnis £ bei verschiedenen Lufttemperaturen T₁ und Abgastemperaturen T₂ dargestellt.

Das Massenstromverhältnis E ist definiert als Verhältnis des Massenstromes von Brennstoff, Verbrennungsluft und Kühlgas zum Massenstrom der gleichen Brennstoffmenge und der Verbrennungsluftmenge, d. h. der Luftmenge für stöchiometrische Verbrennung. Die theoretische Verbrennungstemperatur ergibt sich ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, bei vollständiger Verbrennung des Brennstoffes zu CO₂ und H₃O, aus dem Brennstoffheizwert und den Enthalpien der dem Brenner zugeführten Stoffe. (Letztere werden bestimmt durch Mengen, Temperaturen und spezifische Wärmekapazitäten der Stoffe).

In Figur 1 sind zwei Kurvenscharen dargestellt, von denen die durchgezogene mit T₁ bezeichnete angibt, welche Verbrennungstemperaturen mit Erdgas als Brennstoff erreicht werden, wenn das Erdgas allein mit Luft der angegebenen Temperaturen homogen gemischt und anschließend verbrannt wird. - Die Angabe "m, = 0" bei der Erläuterung zu diesen Kurven bedeutet, daß als Kühlgas allein Luft verwendet wird bzw. daß der Massenstrom des rückgeführten Abgases nu = 0 ist.

Bei der zweiten gestrichelt dargestellt Kurvenschar T₉ bedeutet

* · st »

die Angabe "itu = m, ", daß der Massenstrom der Luft m_T gleich

Jj Jj Jj

dem für die stöchiometrische Verbrennung benötigten Luft-Massen-

« gastrom m_r ist. Diese Kurvenschar bezieht sich auf Verbrennungsluft, die mit 20 ⁰C zugeführt und mit als Kühlgas dienenden Abgasen unterschiedlicher Temperaturen gemischt wird. Die an den gestrichelten Kurven angegebenen ^Temperaturen beziehen sich also allein auf die Temperaturen des Abgases.

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Die T₂~Kurven stellen lediglich ein Beispiel für die Bestimmung der theoretischen Verbrennungstemperatur bzw. des Massenstromverhältnisses dar. - .Der Übersichtlichkeit halber wurde darauf verzichtet, die entsprechenden T^-Kurven für Wasserdampf als Kühlgas bzw. für Mischungen aus Verbrennungsluft von anderer Temperatur als 20 ⁰C und Kühlgasen unterschiedlicher Temperatur darzustellen, da solche Kurven unter Verwendung der in einschlägigen Handbüchern und dergleichen veröffentlichten spezifischen Daten errechnet bzw. dargestellt werden können»

Aus Figur 1 ist zu entnehmen, daß zum Erreichen einer theoretischen Verbrennungstemperatur von ζ» B. "1.300 ⁰C bei Verwendung von Luft von 20 C als Verbrennungs- und Kühlgas

₁ das Massenstromverhältnis£= 1,74 beträgt, während entsprechend der untersten T„-Kurve, d. h. Verbrennungsluft von 20 ⁰C und Abgas von 100 ⁰C als Kühlgas E = 1,70 ist. Bei Versuchen, die sowohl im Labor als auch im betriebsmäßigen Einsatz durchgeführt wurden, wurden NO -Werte von 1*·5 ppm (luftfrei, trocken) bei Verwendung von Erdgas als Brennstoff und Luft als Verbrennungs- und Kühlgas erzielt, wobei eine theoretische Verbrennungstemperatur von 1300 C eingestellt wurde. Das zeigt, daß die vorher genannten theoretischen Werte in der Praxis weitgehend erreicht werden. Bei den bisher üblichen Brennern beträgt der NO -Gehalt im Abgas

.aft»

durchschnittlich 50 - 500 ppm (luftfrei, trocken),

Bei niedrigen Verbrennungstemperaturen (bei Erdgas s. B, unter ca. 1.600 ⁰C) wird die Verbrennungsgeschwindigkeit jedoch schon so gering, daß die Verbrennung instabil verlaufen kann und daß eine weitere Abkühlung der Flamme leicht zur Stabilisierung von Verbrennungszwischenprodukten wie CO und Formaldehyd führen kann. Diese Schwierigkeiten werden vermieden, wenn der Brenner erfindungsgemäß ausgebildet ist»

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Der erfindungsgemäße Brenner ist geeignet für alle Brennstoffe, die vor der Verbrennung gas- oder dampfförmig vorliegen und die homogen mit der Verbrennungsluft und dem Kühlgas vermischt werden können. Der Brenner kann sowohl unter Normaldruck als auch unter erhöhtem Druck betrieben werden.

Eine beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners ist in Figur 2 dargestellt. Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie der Brenner beschrieben.

Dem Mischrohr 1 müssen Brennstoff, Verbrennungsluft und Kühlgas zugeführt werden. Die Verbrennungsluft wird dem Mischrohr beispielsweise durch ein - in Figur 2 nicht dargestelltes - Gebläse zugeführt.

Wenn als Kühlgas Luft verwendet wird, wird diese auf gleiche Weise zugeführt. Wenn Abgas oder Wasserdampf als Kühlgas dienen, können diese gemeinsam mit der Luft durch ein Gebläse gefördert werden, wenn ihre Temperatur bzw. die Temperatur des Luft-Kühlgas-Gemisches für das Gebläse zulässig ist. Anderenfalls kann das Kühlgas ebenso wie der Brennstoff dem Mischrohr direkt, z. B. durch Injektorwirkung, zugeführt werden. Zur Verkürzung des Mischrohres kann auch der Brennstoff vor dem Gebläse zugeführt werden.

An das Mischrohr 1 schließt sich der Brennerkopf 5 an, dessen Querschnitt 6 am Anschluß an das Mischrohr 1 beispielsweise das 2-fache des Mischrohrquerschnittes beträgt. Durch diesen sprunghaften Übergang auf einen größeren Strömungsquerschnitt wird eine Abrißkante für die Strömung gebildet. Der" Brennerkopf 5 erweitert sich anschließend konisch auf das 4,5-fache des Mischrohrquerschnittes. - Statt der dargestellten Kegelform des Brennerkopfmantels sind auch gekrümmte Mantelformen möglich. - Am Ende des Brennerkopfes ist eine Brennerplatte eingebaut, die eine große Hauptflammen-Bohrung 8 und mehrere

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kleine Bohrungen 9 aufweist, die in mehreren konzentrischen Ringen um die Hauptflammen-Bohrung 8 angeordnet sind und zur Bildung der Halteflammen dienen- - Je nach Größe des Brennerkopfes können mehrere Hauptflammen-Bohrungen in der Brennerplatte vorhanden sein. Außerdem können die kleinen Bohrungen durch entsprechende schlitzförmige Öffnungen ersetzt v/erden. Die Brennerplatte kann sowohl aus Metall als auch aus keramischem Material bestehen. Die Abstände der Halteflammen-Bohrungen 9, die zusammen einen etwas geringeren freien Querschnitt als die Hauptflammen-Bohrung 8 haben, werden so gewählt, daß sie eine einwandfreie Überzündung von den äußersten Halteflammen zur Hauptflamme und eine gegenseitige Stabilisierung der Halteflammen gewährleisten. Während die Hauptflammen-Bohrung 8 parallel zur Brennerachse verläuft, sind mindestens die Halteflammen-Bohrungen 9, die sich im äußersten Ring befinden, in einem Winkel von etwa 40 ° zur Brennerachse geneigt. Der äußerste Halteflammen-Ring wird auf diese Weise durch RückStrömungen an der zylindrischen Wand des Brennermundes 10, der sich an die Brennerplatte 7 anschließt, stabilisiert.

Der Brennermund 10 ist nur ein kurzes Stück zylindrisch ausgeführt und verjüngt sich dann konisch, beispielsweise auf das 2^ 9-fache des Mischrohrquerschnittes. - Die Mantelfläche des Brennermundes kann analog dem Brennerkopf entweder kegelförmig - wie in Fig. 2 dargestellt - oder gewölbt ausgeführt sein. Auch die Brennerplatte 7 kann statt der dargestellten ebenen Form kegelförmig oder gewölbt ausgeführt sein. -

Um die entstehende Flamme vor einer Abkühlung von außen zu schützen und ein unerwünschtes Eindringen von Fremdgasen in den Flammen- bzw. Verbxennungsbereich zu verhindern, das die eingangs beschriebenen negativen Wirkungen zur Folge hätte, ist der Brennermund 10 mit einer Flammenschutzhülle 11 verbunden. In Figur 2 ist sie als zylindrisches itohr dargestellt, dessen Innendurchmesser dem größten Außendurchmesser der freibrennenden Flamme entspricht. - Eine andere, nicht dargestellte vorteilhafte Aus-

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führungsform der Flammenschutzhülle besteht aus einem konisch erweiterten und anschließend zylindrischen Rohr, das also der Flammenform angepaßt ist. - Die Flammenschutzhülle wird derart ausgebildet, daß sie die Flamme nicht behindert bzw. einengt. Die Flammenschutzhülle 11 verhindert, daß die Flamme durch Berührung mit Luft und/oder Abgas aus der Umgebung weiter abgekühlt und so am vollständigen Ausbrand gehindert wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Brennermund 10 und die Flammenschutzhülle 11 innen mit einem katalytisch unwirksamen Material oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen mit einer Wärmeisolierung, z. B. Keramik, auszukleiden. Die Aufgabe einer Flammenschutzhülle kann auch eine Brennkammer erfüllen, die keine Nutzwärme abführt und in der die Flamme vollständig ausbrennen kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, homogene Gemische der genannten Art mit sehr hohen Massenstromverhältnissen betriebssicher und schadstoffarm zu verbrennen. Durch Einstellung des Massenstromverhältnisses kann in der zuvor beschriebenen Weise eine gewünschte Verbrennungstemperatur eingestellt werden. Dadurch, daß die Vermischung der Brennergase mit-Fremdgasen, z. B. Luft oder Abgas, die in der Umgebung des Brenners vorhanden sind, weitestgehend vermieden wird, bleibt die Flammentemperatur so homogen, daß die thermische NO -Bildung weitgehend der NO -Bildung bei der theoretischen Verbrennungstemperatur entspricht.

Der Brenner zur Durchführung des neuen Verfahrens zel-chnet sich trotz einfachster Konstruktion unter anderem durch eine leise, stabile, schadstoffarme Verbrennung über einen großen Leistungsbereich aus.

Die Anwendungsmoglichkeiten für. den Erfindungsgegenstand sind außerordentlich vielseitig. Dazu gehören beispielsweise die Erzeugung von Abgas-Luft-Gemischen zur Erwärmung und

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Trocknung von Lebensmitteln, die Beheizung von Kesseln und Industrieöfen der verschiedensten Art sowie die Erzeugung von Antriebsgas für Gasturbinen. In allen diesen Fällen kann wegen des ungewöhnlich geringen NO -Gehaltes im Abgas der Erfindungsgegenstand einen wertvollen Beitrag zur Luftreinhaltung leisten.

Schrifttum:

/1/ überprüfung der Wirksamkeit verschiedener Verfahren

zur Verminderung der Stickstoffoxidemission von Gasbrennern kleiner Leistung^gas wärme international

Band 27 (1978) Heft 11

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zum Betrieb vor. Vormischbrennern unter normalem oder erhöhtem Druck mit gasförmigen oder bei Normaltemperatur flüssigen, vor der Verbrennung vollständig verdampften Brennstoffen frei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung schadstoffarmer Abgase
dadurch gekennzeichnet,

daß dem Brenner ein homogenes Gemisch zugeführt wird, das aus dem gas- bzw. dampfförmigen Brennstoff, einer zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes Genötigten Verbrennungsluftmenge und einem zur Einstellung· der Verbrennungstemperatur von 1.100 ⁰C bis 1.700 ⁰C vorzugsweise 1.200 ⁰C bis 1.300 ⁰C dienenden Kühlgases besteht, daß die Verbrennung in mindestens einer zentralen Hauptflamme/ die von mehreren Halteflammen-Ringen umgeben ist, stattfindet, und

daß die entstehende Flamme bis zum vollständigen Ausbrand vor dem Zutritt von Umgebungεluft und/oder Abgas sowie Abkühlung oder Erwärmung geschützt ist.

Verfahren nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet,

daß als Kühlgas Luft und/oder Abgas und/oder Wasserdampf verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,

daß die Menge des Kühl gases 20 % bis 600 % der ^2ur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes benötigten Luftmenge feeträgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch bis 3 . gekennzeichnet durch "

ein JHischrTähr -<4) mit Zuleitungen für den Brennstoff <2) , die Verbrennungsluft (31 und das Kühlgas~{4),

— 2 —

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einen sich an das Mischrohr (1J anschließenden Brennerkopf (5), dessen Querschnitt (6) am Anschluß an das Mischrohr (1), das 1,1- bis 3,8-fache, vorzugsweise das 1/8- bis 2,7-fache des Mischrohrguerschnittes beträgt und dessen Querschnitt sich anschließend auf das 2,0- bis 6,8-fache vorzugsweise auf das 3,2- bis 4,8-fache des Mischrohrguerschnittes erweitert,

eine Brennerplatte (7) , die sich am erweiterten Ende des Brennerkopfes (5) befindet und die mindestens eine große Hauptflammen-Bohrung (8) aufweist, die parallel zur Brennerachse verläuft, sowie mehrere kleine Halteflammenöffnungen (9), die in mehreren konzentrischen Ringen um die Hauptflammen-BohrungjenJ (8) verlaufen und von denen mindestens die Halteflammen-öffnungen im äußersten Ring unter einem Winkel zur Brennerachse von 10 ° bis 70 ° vorzugsweise 25 ° bis 45 ° verlaufen, einen sich an die Brennerplatte {7) anschließenden Brennermund (10) gleichen Querschnittes, der zunächst zylindrisch ausgebildet ist und sich dann auf das 1,4- bis 4,9-fache vorzugsweise 2,3- bis 3,5-fache des Mischrohrguerschnittes verengt,

eine Flammenschutzhülle (11) , die die Flamme umgibt und deren Innendurchmesser dem größten Äußendurchmesser der freibrennenden Flamme entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet,

daß die Flammenschutzhülle (11) aus einem zylindrischen Rohr ^besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet,

daß die Flammenschutzhülle (11) aus einem zunächst -konisch erweiterten und anschließend zylindrischen Rohr besteht.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermund (1Q> und die Flammenscimtzhülle (11 > einen Teil der Birennkammer bilden, die- praktisch keine Nutζwärme abführt.

S. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermund (ΪΟ) und die Flaminenschutzhülle (11 Irinnen mit einem katalytisch unwirksamen Material ausgekleidet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte- (7)^ der Brennermund (TQ) und die Flammenschutzhülle (11) mit keramischem Material ausgekleidet bzw, aus keramischem Material hergestellt sind.

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