DE69306039T2

DE69306039T2 - Verbrennungsverfahren mit niedrigem NOx-Gehalt und Brennervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE69306039T2
Application number: DE69306039T
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Tanaka; Hitoshi Yahara
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH0650508A; EP0573300B1; CA2097539A1; JP2638394B2; DE69306039D1; EP0573300A3; KR940005917A; CA2097539C; US5441403A; EP0573300A2; KR100230939B1; US5403181A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren mit niedrigem NOx-Gehalt und eine Brennervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Insbesandere bezieht sich die Erfindung auf eine Verbesserung bei einem zweistufigen Verbrennungsverfahren mit niedrigem NOx-Gehalt und eine Brennervorrichtung mit zweistufiger Feuerung ader zweistufenfeuerung zur Durchführung des Verfahrens.

Beschreibung des Stands der Technik

Unter verschiedenen herkömmlichen Verbrennungsverfahren mit niedrigem NOx-Gehalt ist ein zweistufiges Verfahren mit zwei Brennstoffzufuhrstufen zur Durchführung der Verbrennung in zwei Stufen bekannt, wie es z.B. in der JP-PS 1104160 offenbart ist (im folgenden als "zweistufiges Brennstoffverbrennungsverfahren" bezeichnet). Ein solches zweistufiges Brennstoffverbrennungsverfahren wird normalerweise mit einer in Fig. 1 dargestellten Brennervorrichtung durchgeführt. Dabei ist eine Brennervorrichtung BD' vorgesehen, die ein darin geformtes Brennermaul (burner throat) 103 und eine in letzterem angeordnete, einzige primäre Brennstoffdüse 101 aufweist. Ferner sind mehrere sekundäre Brennstoffdüsen 102 um die außenseitige Öffnung des Brennermauls 103 herum angeordnet. Jede dieser sekundären Brennstoffdüsen 102 ist in Richtung auf eine Primärflamme gerichtet, die aus dem Brennermaul 103 ausgestoßen (flowed out) werden soll. Bei dieser Vorrichtung wird eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft ("Luft" in Fig. 1) in das Maul 103 eingespeist, und ein Primärbrennstoff wird von der primären Brennstoffdüse 101 zur Verbrennungsluft hin so eingespritzt, daß er von der Luft umfaßt bzw. umschlossen ist, um damit eine Verbrennung herbeizuführen und die Primärflamme zu erzeugen. Sodann wird in der Nähe der Öffnung (Mündung) des Brennermauls 103 aus den sekundären Brennstoffdüsen 102 ein Sekundärbrennstoff in Richtung auf die so erzeugte Primärflamme eingespritzt, so daß eine Sekundärflamme entsteht. Bei dieser Art Verbrennungsverfahren nutzt nämlich die erste Verbrennungsstufe die Gesamtmenge an Verbrennungsluft für die Verbrennung des Primärbrennstoffs unter einer zweckmäßigen überschußluftbzw. Luftüberschußbedingung, die durch ein geeignetes Überschußluftverhältnis eingestellt ist (sog. "luftreiche" Bedingung); sodann wird der Sekundärbrennstoff zu dieser ersten Verbrennung eingespritzt, wobei ein Teil des in der Primärflamme vorhandenen NOx reduziert und danach der Primärbrennstoff mit dem stromabseitigen Teil der Verbrennungsluft, die mit der Primärflamme nicht verbrannt wird, in Berührung gebracht bzw. kontaktiert wird, um damit unter Erzeugung einer Sekundärflamme eine zweite Verbrennung herbeizuführen.
Beim (bei der) oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren und Brennvorrichtung wird jedoch die Verbrennungsluft aus dem Brennermaul 103 in der Weise ausgetrieben (inject out), daß die Primärflamme von der Luft umschlossen ist; dies hat sich insofern als ungunstig erwiesen, als die in Richtung des dünnen Pfeils in Fig. 1 strömende Verbrennungsluft auf die durch den Pfeil A&sub2; angedeutete Weise ihren Strom am Auslaß des Brennermauls 103 erweitert und der erweiterte (oder expandierte) Teil der Luft unmittelbar den über die sekundären Brennstoffdüsen 102 eingespritzten Brennstoff kontaktiert, so daß eine Verbrennung in diesem speziellen Bereich stattfindet. Dabei kommt ein Teil des Sekundärbrennstoffs unmittelbar in Berührung mit dieser entweichenden Luft bzw. Leckluft (A&sub2;) vor einem Kontakt mit der Primärflamme, so daß eine sekundäre Verbrennung vorzeitig (in advance) einsetzt. Folglich wird die Verbrennungsluft nicht voll zur Reduktion von NOx in der Primärflamme genutzt; es besteht somit ein Problem einer unzureichenden NOx Reduktion. Obgleich diese bisherige Technik den Zweck niedrigen NOx-Gehalts auf der Grundlage des Dick- und Dünn- Brennstoffverbrennungsprinzips effektiver erfüllt als die meisten normalen Verbrennungstechniken, besteht aus obigem Grund noch Raum für Verbesserung.
In "Proceedings for the first conference on industrial furnaces and boilers" ist ein zweistufiger Brenner offenbart. Dieser umfaßt ein Brennermaul, durch welches Verbrennungsluft eingeblasen (injected) wird. Im Maul ist ein Verwirbeler zum Verwirbeln der Luft vorgesehen; Primärbrennstoff wird in den verwirbelten Luftstrom eingespritzt, um eine Primärflamme zu erzeugen. Da die Luft verwirbelt ist oder wird, breitet sich die Primärflamme über den gesamten Luftstrom aus. In die Primärflamme wird Sekundärbrennstoff für Verbrennung mit darin enthaltener Überschußluft eingespritzt.

ABRISS DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die geschilderten Mängel bezweckt daher die vorliegende Erfindung in erster Linie die Schaffung eines (NOx-armen) Verbrennungsverfahrens mit niedrigem NOx-Gehalt, das eine zwangsläufigere Verringerung der NOx-Dichte ermöglicht.
Gemäß einem Merkmal dieser Erfindung ist deren Gegenstand ein Verbrennungsverfahren mit niedrigem NOx-Gehalt, umfassend eine erste Brennstoffzufuhrstufe und eine zweite Brennstoffzufuhrstufe, wobei eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft von (über) ein(em) Brennermaul eingeblasen wird, wobei in der ersten Brennstoffzufuhrstufe ein Primärbrennstoff in die Verbrennungsluft eingespritzt wird, (und) wobei in der zweiten Brennstoffzufuhrstufe ein Sekundärbrennstoff an einer Stromabseite in die Verbrennungsluft eingespritzt wird, das gekennzeichnet ist durch folgende Schritte:
Einblasen praktisch einer Gesamtmenge an der Verbrennungsluft über das Brennermaul zwecks Erzeugung eines Verbrennungsluftstroms,
sodann in der ersten Brennstoffzufuhrstufe erfolgendes Einspritzen des Primärbrennstoffs um den Umfang des Verbrennungsluftstroms herum und Unterwerfen des Primärbrennstoffs einer ersten Verbrennung mit einer Umfangsschicht des Stroms zwecks Erzeugung einer Primärflamme einer im wesentlichen zylindrischen Form, welche einen zentral angeordneten Strom der Verbrennungsluft umschließt und abdeckt, und
in der zweiten Brennstoffzufuhrstufe erfolgendes Einspritzen des Sekundärbrennstoffs zu der und in die so erzeugte(n) Primärflamme von der Außenseite derselben her, wobei weiterhin der Sekundärbrennstoff einer zweiten Verbrennung mit dem zentral angeordneten Strom der Verbrennungsluft unterworfen wird, der aus der Primärflamme an deren Stromabseite austritt, um eine Sekundärflamme zu erzeugen,
wobei der zentrale Strom der Verbrennungsluft anfänglich durch die Primärflamme vor einer Stelle, an welcher der Sekundärbrennstoff eingespritzt wird, abgedeckt ist oder wird, so daß der Sekundärbrennstoff unmittelbar nach seinem Einspritzen zum zentralen Strom der Verbrennungsluft hin durch die Primärflamme gegenüber dem zentralen Strom der Verbrennungsluft abgeschirmt oder abgefangen wird, wodurch eine Beruhrung bzw. Kontaktierung des Sekundärbrennstoffs mit der Primärflamme zum Reduzieren von NOx in der Primärflamme, bevor die zweite Verbrennung stattfindet, herbeigeführt wird.
Ein(e) zweite(r) Zweck bzw. Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Brennervorrichtung zur Durchführung des oben umrissenen Verbrennungsverfahrens mit niedrigem NOx-Gehalt.
Gemäß einem anderen Merkmal dieser Erfindung ist deren Gegenstand eine Brennervorrichtung zur Durchführung einer Verbrennung mit niedrigem NOx-Gehalt bzw. NOx-armen Verbrennung, umfassend:
ein Brennermaulmittel 19, über welches praktisch eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft eingeblasen wird, welches Brennermaulmittel angeordnet ist zum Formen der Verbrennungsluft zu einem Strom, während sie durch ersters hindurch eingeblasen wird,
ein erstes Einspritzmittel 1 zum Einspritzen eines Primärbrennstoffs F1 in Richtung auf den Strom der Verbrennungsluft, welches erstes Einspritzmittel im Brenner vorgesehen bzw. angeordnet ist und eine in Richtung auf eine Zentralachse des Brennermaulmittels orientierte Einspritz achse aufweist, und
ein sekundäres Einspritzmittel 4 zum Einspritzen eines Sekundärbrennstoffs F2 in einer Richtung auf die durch den Primärbrennstoff erzeugte Primärflamme von der Außenseite derselben (her), die dadurch gekennzeichnet ist, daß das erste Einspritzmittel angeordnet ist, um den Primärbrennstoff so zu richten, daß bei Verbrennung eine Primärflamme B1 einer im wesentlichen zylindrischen Form mit einer Umfangsschicht des Stroms von Verbrennungsluft erzeugt wird, welche Primärflamme (B1) den Rest der Verbrennungsluft umschließt und abdeckt, um einen zentral angeordneten Strom von Verbrennungsluft festzulegen, und das zweite Einspritzmittel 4 angeordnet ist zum Richten des Sekundärbrennstoffs in die Primärflamme B1 zwecks Verbrennung mit dem von (an) der Stromabseite der Primärflamme austretenden Strom von Verbrennungsluft, um damit eine Sekundärflamme B2 zu erzeugen.
Beim obigen Verfahren und bei der obigen Brennervorrichtung wird bevorzugt, daß die Einspritzachse des ersten Einspritzmittels unter einem Winkel in bezug auf die Verbrennungsluft in einer Richtung zu einer Stromabseite orientiert ist, um den Primärbrennstoff in dieser Richtung in die Verbrennungsluft einzuspritzen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann die Einspritzachse des ersten Einspritzmittels in einer Richtung tangential zur Innenfläche des Brennermaulmitteis orientiert bzw. gerichtet sein, um damit den Primärbrennstoff in einer Tangentialrichtung in die Verbrennungsluft einzuspritzen und damit eine im wesentlichen zylindrische Primärflamme in einer Wirbelform (vortex manner) zu erzeugen.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kann das Brennermaulmittel eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen, und das erste Einspritzmittel kann eine Anzahl von längs dieser zylindrischen Form des Brennermaulmittels angeordneten Düsen umfassen, so daß der Primärbrennstoff in einer Richtung vom Umfang eines Kreises zur Verbrennungsluft hin eingespritzt wird und damit eine im wesentlichen kreiszylindrische Form der Primärflamme erzeugt wird.
Gemäß noch einem anderen Merkmal der Erfindung kann das Brennermaulmittel eine Rechteckzylinderform besitzen, und das erste Einspritzmittel kann eine Anzahl von Düsen längs dieser Rechteckzylinderform des Brennermaulmittels umfassen, so daß der Primärbrennstoff in einer Richtung von der Rechtecklinie zur Verbrennungsluft hin eingespritzt wird; damit wird eine flache Konfiguration der Primärflamme eines im wesentlichen rechteckigen Querschnitts erzeugt.
Vorzugsweise können zwei oder mehr erste Einspritzmittel in gleichen Abständen in der Innenfläche des Brennermaulmittels angeordnet sein; ferner können nahe dem oder am Auslaß (exit) des Brennermaulmitteis zwei oder mehr zweite Einspritzmittel vorgesehen sein.
Vorzugsweise kann das Brennermaulmittel ein Brennerhohl steinmaul (tile throat) an der Stromabseite in bezug auf die Verbrennungsluft und ein an einer Stromaufseite in bezug auf diese Luft angeordnetes inneres (Brenner-)Maulelement aufweisen, wobei sich letzteres in übereinstimmung mit einer Innenfläche dieses Brennerhohlsteinmauls zu dessen Innenseite erstreckt; ferner kann das erste Einspritzmittel zwischen dem Brennerhohlsteinmaul und dem inneren Maulelement angeordnet sein. In diesem Fall kann besonders bevorzugt das zweite Einspritzmittel nahe dem bzw. am Auslaß des Brennerhohlsteinmauls so angeordnet sein, daß es zur Zentralachse dieser Brennermaulelemente hin gerichtet ist.
Darüber hinaus kann vorteilhaft eine Prallplatte neben den Einspritzöffnungen des ersten Einspritzmittels und ferner an einer Stromaufseite in bezug auf die Verbrennungsluft angeordnet sein.
Vorteilhaft ist auch ein Luftgeschwindigkeitseinstelloder -regelmittel im Brennermaulmittel koaxial relativ zur Zentralachse des letzteren angeordnet, so daß eine Ge schwindigkeitsverteilung der über das Brennermaulmittel eingeblasenen Verbrennungsluft zweckmäßig eingestellt oder geregelt werden kann, um eine bessere Bildung der zylindrischen Primärflamme zu gewährleisten.
Die Bildung der im wesentlichen zylindrischen Primärflamme dient somit zum Abdecken oder Umschließen der Verbrennungsluft vor der Einspritzung des Sekundärbrennstoffs in die Luft, um damit die Luft gegenüber dem Sekundärbrennstoff abzuschirmen, während gleichzeitig in der Primärflamme enthaltenes NOx durch den Sekundärbrennstoff reduziert wird. Danach wird eine zweite Verbrennung eingeleitet, indem der Sekundärbrennstoff mit dem an der Stromabseite der Primärflamme austretenden Teil der Verbrennungsluft in Kontakt gebracht wird. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die NOx-Dichte im emittierten Abgas sicherer zu vermindern.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer NOx-armen Verbrennung bei einem herkömmlichen Brenner,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer NOx-armen Verbrennung mittels einer Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform des NOx-armen Brenners gemäß der Erfindung,
Fig. 4 einen Längschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht einer primären Brennstoffdüse,
Fig. 6 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht einer sekundären Brennstoffdüse,
Fig. 7 eine teileise weggebrochene perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform der primären Brennstoffdüse,
Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer durch die andere primäre Brennstoffdüse nach Fig. 7 erzeugten Primärflamme,
Fig. 9 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform des NOx-armen Brenners (d.h. mit niedrigem NOx- Gehalt) gemäß der Erfindung,
Fig. 10 eine schematische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners,
Fig. 11 eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Luftüberschuß- oder Überschußluftverhältnis und einer Menge an entstehendem NOx, wie sie normalerweise bei einem gewöhnlichen Diffusionsflammen-Verbrennungsverfahren festzustellen ist, und
Fig. 12 eine graphische Darstellung von Vergleichsdaten bezüglich der entstehenden NOx-Menge bei einem zweistufigen NOx-armen Brenner gemäß dieser Erfindung einerseits und einem herkömmlichen zweistufigen NOx-armen Brenner andererseits.

GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Im folgenden sind die Prozesse bzw. Verfahren und Konstruktionen für eine Verbrennung mit niedrigem NOx-Gehalt bzw. NOx-arme Verbrennung gemäß dieser Erfindung anhand der Fig. 2 bis 12 beschrieben.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Prinzip einer NOx-armen Verbrennung nach der Erfindung. Dieses ist bezüglich der ersten und zweiten Brennstoffzufuhrstufen mit Einspritzung von Primärbrennstoff zur bzw. in die Verbrennungsluft und anschließender Einspritzung von Sekundärbrennstoff zum bzw. in den stromabseitigen Teil der Luft grundsätzlich ähnlich wie bei dem vorher beschriebenen herkömmlichen zweistufigen Brennstoff-Verbrennungsverfahren. Erfindungsgemäß wird, wie in Fig. 2 gezeigt, praktisch eine Gesamtmenge (a substantially whole amount) an Verbrennungsluft A zugespeist und einer ersten Verbrennung mit in sie eingespritztem Primärbrennstoff F1 unterworfen; sodann wird der stromabseitige Teil dieser Luft A (nahe der Innenseite einer Brennkammer CH) durch Einspritzung eines Sekundärbrennstoffs F2 in sie einer zweiten Verbrennung unterworfen.
Es ist zu beachten, daß die obige Definition "praktisch eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft A" (auch) einen Fall umfassen soll, in welchem ein Teil der Luft A als Kühlluft zum Kühlen der Sekundärdüsen 4 benutzt werden kann. Im tatsächlichen Verbrennungsprozeß kann sie jedoch als eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft A betrachtet werden, in welche der Primärbrennstoff F1 eingespritzt wird.
In diesem Zusammenhang kann das Verteilungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärbrennstoff F1 bzw. F2 in bezug auf die Verbrennungsluft A auf eine zweckmäßige, nicht einschränkende Größe (degree) eingestellt werden; es kann jedoch auf ein zweckmäßiges Verhältnis von (out of) 90 - 30 Vol.-% Sekundärbrennstoff F2 zu 10 - 70 Vol.-% Primärbrennstoff F1 eingestellt werden.
Ziffern 1, 4 und 19 bezeichnen eine primäre Brennstoffdüse zum Einspritzen des Primärbrennstoffs F1, eine sekundäre Brennstoffdüse zum Einspritzen des Sekundärbrennstoffs F2 bzw. ein Brennermaul.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, umfaßt das NOx-arme Verbrennungsverfahren gemäß dieser Erfindung im wesentlichen eine erste Stufe, in welcher der Primärbrennstoff F1 in einer Richtung vom Umfang eines im Brennermaul 19 strömenden Stroms von Verbrennungsluft A zu dieser Luft A hin eingespritzt und durch einen (nicht dargestellten) Zündbrenner o.dgl. gezündet wird, um eine Verbrennung einzuleiten und eine im wesentlichen zylindrische Form einer Primärflamme B1 entsprechend im wesentlichen den Innenflächen des Brennermauls 19 zu erzeugen, so daß die Primärflamme B1 die Verbrennungsluft A umgibt oder umschließt. Zu diesem Zweck sollten mindestens zwei oder mehr primäre Brennstoffdüsen 1 vorgesehen sein, um eine solche zylindrische Primärflamme B1 zu erzeugen; bevorzugt sollten diese mehrere Düsen 1 in gleichen Abständen längs den Innenflächen des Brennermauls 19 bzw. längs dessen Umfang angeordnet sein. An diesem Punkt unterliegt ein Teil der Verbrennungsluft A dieser speziellen ersten Verbrennung unter Erzeugung der zylindrischen Primärflamme B1 unmittelbar aus dem Auslaß des Brennermauls 19 heraus, während ein Rest der Luft A innerhalb der zylindrischen Primärflamme B1 zur Stromabseite hindurchströmt (vgl. Symbol A' in Fig. 2). Sodann wird über die sekundären Brennstoffdüsen 4, die außerhalb bzw. außenseitig der Primärflamme B1 angeordnet sind, der Sekundärbrennstoff F2 in Richtung auf diese Primärflamme B1 eingespritzt. Da die Verbrennungsluft A anfänglich von der Primärflamme B1 aus dem Auslaß des Brennermauls 19 umschlossen ist, gelangt in diesem Augenblick, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht, der Sekundärbrennstoff F2 unmittelbar nach seinem Einspritzen zur Luft hin unweigerlich mit der Primärflamme B1 in Kontakt, so daß er durch diese Flamme B1 als solche gegenüber dem zentral darin durchströmenden Strom der Luft A abgefangen oder abgeschirmt wird.
Unter diesem Bedingungen befindet sich außerdem die Primärflamme B1 in einem Zustand mit einer außerordentlich kleinen Menge an Restsauerstoff darin, und der dieser Primärflamme B1 zugeführte Sekundärbrennstoff F2 bewirkt eine höchst wirksame Reduktion von NOx in der Primärflamme B1 in seinem Berührungs- bzw. Kontaktbereich mit dieser (vgl. Fig. 2), wie dies später noch näher erläutert werden wird.
An der von der Primärflamme B1 entfernten Stromabseite kontaktiert sodann der Sekundärbrennstoff F2 die restliche Verbrennungsluft A', welche durch diese Primärflamme B1 hindurchdringt oder hindurchtritt, wobei eine sekundäre Verbrennung stattfindet. In dieser zweiten Verbrennungsstufe wird eine mit B2 bezeichnete Sekundärflamme an der Seite der Brennkammer CH erzeugt.
Ersichtlicherweise wird somit die über das Brennermaul 19 eingeblasene Verbrennungsluft A im Umfangsbereich durch die Primärflamme B1 gegenüber dem Sekundärbrennstoff abgeschirmt, wodurch sichergestellt wird, daß das in der Primärflamme B1 enthaltene NOx durch den Sekundärbrennstoff F2 reduziert wird; danach wird diese Luft mit dem Sekundärbrennstoff F2 vollständig verbrannt.
In den Fig. 3 bis 8 ist eine erste Ausführungsform einer Brennervorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen NOx-armen Verbrennungsverfahrens dargestellt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine zylindrische Brennervorrichtung BD1 mit einem zylindrischen Brennergehäuse 15 dargestellt. Im Brennergehäuse 15 sind ein Brennerhohistein (burner tile) 17, ein Brennerhohlsteinmaul 19 und ein inneres (Brenner-)Maulelement 8 angeordnet. Das Brennerhohlsteinmaul 19 und das innere Maulelement 8 bilden bei dieser speziellen Vorrichtung BD1 ein Brennermaul, das auch dem beim vorher beschriebenen Verfahren schematisch dargestellten Maul 19 entspricht. Das Brennerhohlsteinmaul 19 ist im Zentrum des Brennerhohlsteins 17 zylindrisch ausgebildet und zur Brennerkammer CH hin gerichtet. Das innere Maulelement 8 weist eine zylindrische Wand auf, die in übereinstimmung mit der Innenfläche des Brennerhohlsteinmauls 19 in einer Einwärtsrichtung des Gehäuses 15 verläuft.
Gemäß Fig. 4 ist zwischen dem Brennerhohlsteinmaul 19 und dem inneren Maulelement 8 ein den Umfang dieser beiden Elemente umschließender ringförmiger Verteiler 2 angeordnet. Die primären Brennstoffdüsen 1 sind auf noch zu beschreibende Weise mit diesem ringformigen Verteiler 2 verbunden.
Mehrere sekundäre Düsen 4 und vorzugsweise eine größere Anzahl derselben sind über Lanzenrohrbohrungen 18 zur Außenseite des Brennerhohlsteinmauls 19 geführt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind vier sekundäre Düsen 4 im Brennerhohlstein 17 so angeordnet, daß sie in gleichen Abständen längs des Umfangs eines Kreises koaxial relativ zur Zentralachse des Brennerhohlsteinmauls 19 angeordnet sind. Die Zahl dieser sekundären Brennstoffdüsen 4 ist nicht auf die genannte Zahl beschränkt, doch haben Versuche gezeigt, daß die gleich weit beabstandete Anordnung von 4 bis 6 sekundären Brennstoffdüsen für die Reduktion von NOx in der Primärflamme B1 am wirksamsten ist. Die sekundären Brennstoffdüsen 4 können beispielsweise an der Brennerhohlsteinfront 20 oder in deren Nähe angeordnet sein, und sie können zum Einspritzen einer vorbestimmten Menge an Sekundärbrennstoff F2 in Richtung auf das Innere der Brennkammer CH verwendet werden. Gemäß Fig. 6 weist jede der sekundären Brennstoffdüsen 4 eine Einspritzöffnung 4a auf, die unter einem gegebenen Winkel zu einer Zentralachse des Brennermauls (19, 8) so orientiert oder gerichtet ist, daß der Sekundärbrennstoff F2 unter einem Winkel α2 zur Primärflamme B1 hin eingespritzt wird. Vorzugsweise kann dieser Einspritzwinkel α2 im Bereich zwischen 0º und 60º gewählt werden, doch bedeutet dies nicht notwendigerweise eine Einschränkung.
Obgleich nicht speziell dargestellt, sind diese sekundären Brennstoffdüsen 4 normalerweise über ihre jeweiligen Brennstoffzufuhrrohre oder die sog. Lanzenrohre 5 mit einem außerhalb des Gehäuses 15 angeordneten Brennstoffzufuhrverteiler 6 verbunden. Letzterer ist gemäß Fig. 4 ringförmig geformt und weist einen Verbindungsrohrabschnitt 6a auf. Diese ringförmige Verteiler bzw. Ringverteiler 6 steht gemäß den Fig. 3 und 4 mit den vier Lanzenrohren 5 und weiterhin über ein Rohr 3 mit dem oberen ringförmigen Verteiler 2 in Verbindung. Der Verbindungsrohrabschnitt 6a ist auf nicht dargestellt Weise mit einem externen Brennstoff zufuhrsystem verbunden. Eine von diesem Zufuhrsystem gelieferte volle Brennstoffmenge wird somit über den Verbindungsrohrabschnitt 6a in jeden der oberen und unteren Verteiler 2 bzw. 6 eingeführt (vgl. Fig. 4), wodurch der Brennstoff auf jede der primären und sekundären Brenn stoffdüsen 1 bzw. 4 verteilt wird.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die genannte Lanzenrohrbohrung 18, durch welche sich das jeweilige Lanzenrohr 5 erstreckt, mit einem Innendurchmesser geformt sein kann, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des Lanzenrohrs 5, so daß ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Lanzenrohr 5 und der Innenfläche der Bohrung 18 gebildet ist und damit ein Teil (ein kleiner Prozentsatz) der Verbrennungsluft A zum Kühlen der jeweiligen sekundären Brenn stoffdüsen 4 diesen Zwischenraum durchstreichen kann.
Gemäß Fig. 3 ist an der Seitenwand des Brennergehäuses ein Luftzufuhr-Verbindungsrohr 14 angeformt, das in seinem Inneren ein drehbares Luftklappenelement 13 enthält, das zur Einstellung des Öffnungsgrads des Rohrs 14 drehbar ist. Mit anderen Worten: das Rohr 14 wirkt als Luftklappen- bzw. -regelvorrichtung. Ein externes Luftzufuhrsystem ist auf nicht dargestellte Weise an dieses Verbindungsrohr 14 angeschlossen, um die Verbrennungsluft in das Brennergehäuse 15 einzuführen. Die Menge der in das Gehäuse 15 einzuführenden Verbrennungsluft kann durch Betätigung des drehbaren Luftklappenelements 13 geregelt werden.
Die primären Brennstoffdüsen 1 sind bei dieser Ausführungsform zwischen dem Brennerhohlsteinmaul 19 und dem inneren Maulelement 8 angeordnet; die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Düsen 1 längs des Umfangs eines Kreises angeordnet sind, dessen Durchmesser im wesentlichen dem Durchmesser dieser beiden Maulelemente 19, 8 entspricht, und daß jede dieser Düsen 1 so orientiert bzw. gerichtet ist, daß der Primärbrennstoff F1 in der Richtung vom Umfang des Stroms der im Brennermaul (19, 8) strömenden Verbrennungsluft A zu eben dieser Verbrennungsluft A hin eingespritzt wird. Mit anderen Worten: der Primärbrennstoff F1 wird in der Richtung vom Umfang des Kreises zur Verbrennungsluft A hin eingespritzt, um damit eine im wesentlichen kreiszylindrische Primärflamme B1 eines im wesentlichen ringförmigen Querschnitts zu erzeugen. Die dargestellten primären Brennstoffdüsen 1 sind jeweils mit einer Einspritzöffnung 1a versehen. Die Einspritzöffnungen 1a sind in gleichen Abständen in der innenseitigen Fläche des ringförmigen Verteilers 2 ausgebildet, und sie münden an der Innenseite des Verteilers, wie dies bei 1 in Fig. 4 dargestellt ist. Die allgemeine Ausbildung jeder Einspritzöffnung 1a ist in Fig. 5 dargestellt. Die Einspritzöffnung 1 (bzw. 1a) der primären Brennstoffdüse 1 ist dabei unter einem gegebenen Einspritzwinkel α1 relativ zur Achse X, die orthogonal zur Achse Ax des Verbrennungsluftstroms liegt, orientiert, wobei ihre Einspritzachse fx zum stromabseitigen Teil der Verbrennungsluft A oder in einer die Achse Ax des Verbrennungsluftstroms schneidenden Richtung gerichtet ist. Aufgrund dieser Anordnung wird der Primärbrennstoff f1 unter dem Einspritzwinkel α1 an der Stromabseite gegen die Primärflamme B1 eingespritzt. Der Einspritzwinkel α1 kann - ohne Beschränkung darauf - im Bereich zwischen 0º und 60º gewählt werden.
Bezüglich der Zahl der Einspritzöffnungen 1a haben die Erfinder Versuche durchgeführt und dabei festgestellt, daß mehr als acht Einspritzöffnungen 1a am wirksamsten sind, um die Primärbrennstoffeinspritzpunkte (dicht) genug einzu stellen und dadurch eine vollständig zylindrische Primärflamme B1 zu erzeugen, welche gemäß Fig. 2 die Verbrennungsluft A vollständig umschließt. Selbstverständlich können die Einspritzöffnungen 1a in jeder beliebigen Zahl vorgesehen sein, sofern sie zu einer derart vollständig zylindrischen Primärflamme führen.
Längs der innenseitigen Umfangsfläche des Verteilers 2 ist eine Prallplatte 7 einer ringförmigen Plattenkonfiguration so angeformt, daß sie sich neben den genannten Einspritzöffnungen 1a der primären Brennstoffdüsen 1 befindet. Wie am besten aus Fig. 4 hervorgeht, ist die Prallplatte 7 an der Stromabseite innerhalb des Brennermauls angeordnet, wobei sie über eine kleine Strecke davon nach innen vorsteht und dadurch einen zweckmäßigen Wirkungsgrad gewährleistet, um die Primärflamme B1 vor der direkten Beaufschlagung durch die Verbrennungsluft A an den Einspritzöffnungen 1a zu schützen. Anders ausgedrückt: die Platte 7 dient zur Verhinderung eines direkten Stroms der Luft A in dem Bereich in der Nähe der Einspritzöffnungen 1a, um damit den Wurzelteil der Primärflamme B1 stabil zu halten.
Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin ein Verhältnis des Durchmessers D des Brennerhohlsteinmauls 19 zum Abstand L zwischen den Primärbrennstoffdüsen-Einspritzöffnungen 1a und der Brennerhohisteinfront 20 zwecks Einstellung einer optimalen Position der primären Brennstoffdüsen 1 vor, wodurch ein Aufweiten bzw. Expandieren der Primärflamme F1 auf eine ausreichende Größe innerhalb des Brennerhohlsteinmauls 19 und die Bildung der vorgesehenen vollständig zylindrischen Form der Primärflamme F1 sichergestellt werden. In diesem Fall sollte dieses L/D-Verhältnis mehr als 0,5 betragen, doch kann es je nach den baulichen Maßen der zu verwendenden Brennervorrichtung und dgl. zwedkmäßig eingestellt oder gewählt werden.
Gemäß Fig. 4 ist einwärts des inneren Maulelements 8 und an der Stromaufseite gegenüber den genannten primären Brennstoffdüsen 1 eine Luftgeschwindigkeitseinstell- bzw.
-regelvorrichtung 16 vorgesehen, die längs der Zentralachse des Brennergehäuses 15 oder der Achse des Brennermauls bei der vorliegenden Brennervorrichtung BD1 verläuft und ein an der Innenfläche der Bodenwand des Brennergehäuses 15 befestigtes zylindrisches Verschlußelement 10 sowie ein verschiebbar in das Verschlußelement 10 eingesetztes rohrförmiges, bewegbares bzw. verschiebbares Element 9 umfaßt, wobei das letztere Element 9 die Bodenwand des Brennergehäuses 15 durchsetzt und längs der Brennermaulachse vertikal verschiebbar ist. Dieses verschiebbare Element 9 weist in seiner Umfangsfläche zwei beabstandete Lufteinlaßöffnungen 11 auf. Wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 4 angedeutet, sind die Lufteinlaßöffnungen 11 durch das Verschlußelement 10 vollständig verschlossen; durch Aufwärtsdrücken und -verschieben des verschiebbaren Elements 9 auf die durch die doppelt strichpunktierte Linie angedeutete Weise werden jedoch die Lufteinlaßöffnungen 11 geöffnet, um einen Teil der Verbrennungsluft A über die Öffnungen 11 in das verschiebbare Element 9 strömen zu lassen, so daß die Luft in der Pfeilrichtung aufwärts in Richtung auf den Auslaß des Brennerhohlsteinmauls 19 strömt. Nach dem Durchströmen der Einlaßöffnungen 11 wird die Luft nämlich in Richtung auf das Zentrum des Brennermauls geleitet, sodann in dieser Richtung längs der Achse des Brennermauls (8, 19) eingeblasen (injected) und (hierauf) zur Brennkammer CH ausgeblasen. In der Praxis drückt und zieht eine Bedienungsperson das verschiebbare Element 9 in der Langsrichtung längs der Brennermaulachse relativ zum Verschlußelement 10 zwecks Einstellung des Öffnungsgrads der Lufteinlaßöffnungen 11. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, die Menge der (mit 22 bezeichneten) Luft in das verschiebbare Element zu regeln und die Luft mit einer zweckmäßigen Geschwindigkeit ausströmen zu lassen. An dem über dem Boden des Brennergehäuses 15 hinaus ragenden freien Ende des verschiebbaren Elements 9 ist ein Flansch 12 angeformt, der das sichere Erfassen des verschiebbaren Elements durch eine Bedienungsperson zur sicheren Verschiebung des Elements erleichtert.
Gemäß Fig. 4 verläuft die zylindrische Wand des inneren Maulelements 8 in der Richtung zur Stromaufseite in bezug auf den Strom der Verbrennungsluft oder die Brennermaulachse von der Höhe hinweg, auf welcher die primären Brennstoffdüsen 1 an der Stromabseite liegen, und sie endet an einer Stelle, die von der Bodenwand des Brennergehäuses 15 beabstandet ist. Durch diese Konstruktion wird ein Hauptlufteinlaßdurchgang festgelegt, welcher praktisch die Gesamtmenge der vom Verbindungsrohr 14 zugespeisten Verbrennungsluft gleichmäßig in die stromaufseitige Öffnung des inneren Maulelements 8 strömen läßt. Wie bei 22 angedeutet, wird die so eingeführte Luft über die beiden Lufteinlaßöffnungen 11 zum Teil in das verschiebbare Element 9 der Luftregelvorrichtung 16 geleitet, während ein anderer Teil der Luft, wie bei 21 angedeutet, an der Außenseite der verschiebbaren Elements 9 strömt.
Ersichtlicherweise wird somit in der Luftgeschwindig keitsregelvorrichtung 16 die Verbrennungsluft in die beiden oben angegebenen, mit 21 und 22 bezeichneten Luftströme aufgeteilt. Der erstere Strom 21 strömt dabei durch den Ringabstand bzw. Ringraum zwischen dem inneren Maulelement 8 und dem verschiebbaren Element 9, während der letztere Teil 22 innerhalb des verschiebbaren Elements 9 längs der Zentralachse des Brennermauls strömt. Entsprechend üblicher Geschwindigkeitsverteilung in einem Rohr strömt somit der zentrale Luftstrom 22 mit einer wesentlich größeren Geschwindigkeit als der umgebende oder periphere Luftstrom 21, wobei es durch Betätigung der genannten Vorrichtung 16 möglich ist, diese Geschwindigkeitsverteilung so einzustellen, daß der zentrale Luftstrom 22 die Primärflamme B1, die hauptsächlich mittels des peripheren Luftstroms 21 erzeugt wird, durchdringt bzw. durchströmt.
Fig. 7 zeigt eine andere Art einer Einspritzöffnung der primären Brennstoffdüse 1. Bei dieser Ausführungsform sind weitere primäre Brennstoffdüsen, mit 1' bezeichnet, in der innenseitigen Kreisfläche eines ringförmigen Verteilers 2 geformt, obgleich diese Düsen in einer Einzelform dargestellt sind. Jede dieser Düsen 1' ist nicht nur auf die gleiche Weise wie die Düse 1 geformt, sondern auch mit einer unterschiedlich geformten Einspritzöffnung 1'a versehen, die in der Tangentialrichtung zu einem Kreis ausgerichtet ist, längs welchem die inneren Kreisflächen des Brennermauls (8, 19) verlaufen. Insbesondere ist gemäß Fig. 7 die Einspritz öffnung 1'a so ausgebildet, daß sie nicht nur unter dem gleichen Winkel wie der oben angegebene Winkel α1 gegenüber der Achse "z" orthogonal zur Verbrennungsluftstromachse Ax, sondern auch unter einem bestimmten Winkel in bezug auf die Achse "x" orientiert ist, welcher (Winkel) eine Tangente bildet, die auf dem Kreis liegt, längs welchem die inneren Kreisflächen des Brennermauls verlaufen, so daß eine neue Primärbrennstoffeinspritzachse "fx'" definiert ist oder wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform haben Versuche gezeigt, daß die mittels der beschriebenen neuen Einspritzöffnungen 1'a erzeugten Primärflammen B1 gewunden (curled) sind oder einer wirbelartigen Strömung in der genannten Tangentialrichtung folgen und um die Verbrennungsluft A in bezug auf deren Achse Ax herum ausgeblasen werden, wie dies in Fig. 8 veranschaulicht ist. Weiterhin haben die Versuche gezeigt, daß durch diese wirbelartige Luftströmung die Primärflammen B1 in Umfangsrichtung des Verbrennungsluftstroms weiter aufgeweitet bzw. expandiert werden als bei der vorher beschriebenen ersten Art von Einspritzöffnungen 1a; es hat sich auch gezeigt, daß hierdurch ein ausreichender zylindrischer Bereich von Primärflammen abgedeckt wird, auch wenn die zugeordneten primären Brennstoffdüsen 1' in einer kleineren Zahl als 8 vorgesehen sind. Mit anderen Worten: durch diesen Windungseffekt der Flammen erfolgt ein Ausgleich für eine kleinere Zahl von primären Brennstoffdüsen 1' als die ideale Zahl von 8, wodurch eine zufriedenstellende Abschirmwirkung erzielt wird, durch welche der zentrale Strom der Verbrennungsluft auf oben erläuterte Weise durch die Primärflammen B1 abgeschirmt wird. Beispielsweise haben die Versuchsergebnisse gezeigt, daß zumindest mehr als zwei primäre Brennstoffdüsen ii ausreichend sind, um einen solchen Flammenwirbeleffekt und Luftabschirmeffekt zu erzielen.
Bezüglich der Verkleinerung der Zahl von Einspritzöffnungen und (bezüglich) des Luftabschirmeffekts ist diese tangentiale Orientierung der zweiten Einspritzöffnung 1'a günstiger als die Anordnung der ersten Einspritzöffnungen 1a, die lediglich in der Richtung längs einer Normallinie relativ zur Tangentialrichtung der zweiten Öffnungen 1'a ausgerichtet sind.
Selbstverständlich können andererseits die Einspritz düsen (1a oder 1'a) vergrößert werden, und zwar im Bestreben, jede der Primärflammen B1 pro Düse kleiner zu gestalten, dabei aber die Oberfläche der gesamten Flammen zu vergrößern und damit die Restwärmeerscheinung (heat residing phenomenon) innerhalb der Flammen B1 zu vermeiden. Dies ist naturgemäß ebenfalls wirksam für die Verringerung der Entstehung von NOx. Das gleiche gilt für die sekundären Brennstoffdüsen 4.
Für die Brennervorrichtung B1 mit dem oben beschriebenen Aufbau sind im folgenden deren Verbrennungsprozesse näher erläutert.
Zunächst wird praktisch eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft A von dem über die primären Brennstoffdüsen (1 oder 1') eingespritzten Primärbrennstoff F1 umschlossen und dann über das Brennerhohlsteinmaul 19 ausgeblasen, so daß die Zylinderform der Primärflamme B1 entsteht, die den inneren Kreisflächen des Brennerhohlsteinmauls 19 angepaßt ist. Theoretisch kann diesbezüglich folgendes gesagt werden: Der über die Düsen (1 oder 1') eingespritzte Primärbrennstoff F1 wird durch das Moment der ihn schneidenden Verbrennungsluft A im Brennermaul zwangsweise in seiner Strömungsrichtung geändert und in der Stromabrichtung zum Auslaß des Brennerhohlsteinmauls 19 geführt. Sodann wird der Primärbrennstoff F1 beim Austritt aus dem Brennerhohlsteinmaul 19 durch einen (nicht dargestellten) Zündbrenner gleichzeitig mit dem Umfangsteil der Luft A verbrannt bzw. gezündet, so daß eine im wesentlichen zylindrische Form der Primärflamme F1 entsteht, die allgemein der inneren Kreisfläche des Brennermauls 19 angepaßt ist bzw. entspricht.
Es ist hierbei anzumerken, daß dann, wenn beispielsweise der Brennstoff in die bzw. auf die primären und sekundären Brennstoffdüsen 1 bzw. 4 im Verhältnis von 50/50 verteilt bzw. aufgeteilt wird, der über die primären Düsen 1 eingespritzte Primärbrennstoff F1 mit einem Überschußluft- bzw. Luftüberschußverhältnis verbrannt wird, das doppelt so groß ist wie die theoretisch normalerweise erforderliche Luftmenge, weil - wie oben angegeben - praktisch die Gesamtmenge an Verbrennungsluft A in das Brennermaul (8, 19) geleitet wird. Infolgedessen ist es möglich, die Entstehung von NOx im Vergleich zum bisherigen gewöhnlichen Diffusionsflammen verfahren mit den NOx-Charakteristika oder -Kennlinien gemäß Fig. 11 bei niedrigerer Flammentemperatur auf einen niedrigstmöglichen Grad zu unterdrücken, wie dies später anhand von Fig. 12 spezifischer erläutert werden wird.
Unter Nutzung des Vorteils des genannten bemerkenswerten Überschußluftverhältnisses und durch - gewünschtenfalls - Vergrößerung der primären und sekundären Brennstoffdüsen (1 oder 1' und 4) können somit die Senkung der Flammentemperatur begünstigt und ein Beitrag zur Minimierung der entstehenden NOx-Menge in den Flammen geleistet werden.
In dieser ersten Verbrennungsstufe umschließt gemäß Fig. 2 die zylindrische Primärflamme B1 die Verbrennungsluft A vollständig. Sodann wird der Sekundärbrennstoff F2 über die sekundären Düsen 4 in Richtung auf die primäre Flamme B1 eingespritzt, wobei jedoch die durch diese Primärflamme B1 geformte zylindrische Flammenwand bereits von der Stelle vor der Position des sekundären Brennstoffdüsen 4 nach außen ausgetreten (emitted) ist, so daß die Verbrennungsluft vor der nächsten Einspritzung des Sekundärbrennstoffs F2 in sie zunächst oder anfänglich umschlossen ist und damit der Sekundärbrennstoff F2 außer Kontakt mit dem zentralen Strom der durch die Primärflamme B1 hindurchdringenden Verbrennungsluft gehalten wird. Aus diesem Grund wird der Sekundärbrennstoff F2, auch wenn er unmittelbar nach Erzeugung der Primärflamme B1 in Richtung auf die Luft hin eingespritzt werden kann, unweigerlich mit der Primärflamme B1 in Kontakt gebracht und durch diese vom Strom der Verbrennungsluft abgehalten.
In diesem Augenblick bewirkt dieser Kontakt des Sekundärbrennstoffs F2 mit der Primärflamme B1 eine Verbrennungsreaktion an den Außenumfangsflächen der Primärflamme B1 unter Reduzierung des darin enthaltenen NOx. Es ist wesentlich darauf hinzuweisen, daß als Ergebnis der früheren ersten Verbrennungsstufe, wie oben erwähnt, die Dichte (der Gehalt) des Restsauerstoffs in den Außenumfangsflächen der Primärflamme B1 außerordentlich stark verringert wird, wodurch eine einen extrem niedrigen Sauerstoffgehalt besitzende dünne Schicht des Verbrennungsgases um die Primärflamme B1 herum herbeigeführt wird, während unmittelbar danach der Sekundärbrennstoff F2 für direkte Kontaktierung dieser extrem sauerstoffarmen dünnen Schicht des Verbrennungsgases eingespritzt wird, mit dem Ergebnis, daß eine schnelle Oxidationsreaktion vermieden und gleichzeitig die Partialreduktion von NOx begünstigt oder beschleunigt wird.
Schließlich wird der nicht der Verbrennung mit der Primärflamme B1 unterworfene, unverbrannte Teil des Sekundärbrennstoffs F2 mit dem zentralen Strom der durch die Primärflamme B1 hindurchströmenden Verbrennungsluft an der von dieser Primärflamme B1 entfernten Stromabseite kontaktiert, wobei eine zweite Verbrennung zur Erzeugung der Sekundärflamme B2 stattfindet.
Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß möglich, die NOx Dichte in dem entlassenen Abgas zu minimieren.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel für Daten, die in einem tatsächlich durchgeführten Versuch unter Verwendung der Brennervorrichtung BD1 mit dem beschriebenen Aufbau gewonnen wurden. Der verwendete Brennstoff war ein Stadtgas (Klasse 13A nach japanischer Gasklassifikation). Die zweistufig befeuerte Brennervorrichtung BD1 war in einen wassergekühlten Ofen eingebaut, und die Versuche wurden mit einem Überschußluftverhältnis von 1,1 durchgeführt. Das Ergebnis geht aus der graphischen Darstellung von Fig. 12 hervor. Ersicht licherweise ist bei der Brennervorrichtung BD1 im Vergleich zur herkömmlichen, zweistufig befeuerten Brennervorrichtung die NOx-Reduktion im Abgas um 50% verringert.
In Fig. 9 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung dargestellt; dabei handelt es sich um eine rechteckig geformte Brennervorrichtung BD2. Diese Brennervorrichtung BD2 bildet eine flache Flamme eines im wesentlichen rechteckigen Querschnitts, welche die Verbrennungsluft A in dieser Flammenkonfiguration umschließt und die gleiche NOx-arme Verbrennung wie bei der vorher beschriebenen Brennervorrichtung BD1 gewährleistet. Bei der vorliegenden zweiten Ausführungsform ist das Brennergehäuse 15 rechteckig geformt, so daß der Brennerhohlstein 17, das Brennerhohlsteinmaul 19, das (nicht dargestellte) innere Maulelement und das verschiebbare Element 9 der Luftgeschwindigkeitsregelvorrichtung sämtlich ebenfalls mit einer rechteckigen Form ausgestaltet sind.
Weiterhin kann gemäß Fig. 10 eine andere Brennervorrichtung BD3 vorgesehen sein, die sich nur in der Anordnung der sekundären Brennstoffdüsen 4 von den beiden oben beschriebenen Brennervorrichtungen BD1 und BD2 unterscheidet. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, daß die sekundären Brennstoffdüsen 4 an (in) der Innenfläche des Brenners des Brennerhohlsteinmausl 19 angeordnet sind. Selbstverständlich müssen die sekundären Brennstoffdüsen 4 neben bzw. am Auslaß des Brennerhohlsteinmauls 19 oder weiter stromab als die primären Brennstoffdüsen 1 angeordnet sein, um den gleichen Verbrennungsprozeß wie bei den vorher beschriebenen Brennervorrichtungen BD1 oder BD2 zu realisieren.
Weiterhin kann durch Anordnung eines Zündbrenners und/oder eines Ölbrennerrohrs im verschiebbaren Element 9 der Luftgeschwindigkeit 5 regelvorrichtung 16 die Brennervorrichtung als eine solche vom Mehrbrennstoff- bzw. Vielstoffverbrennungstyp konstruiert sein.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, gewährleisten das NOx-arme Verbrennungsverfahren und die entsprechende Brennervorrichtung gemäß der Erfindung die nachstehend aufgeführten vorteilhaften Merkmale:
(i) In der ersten Verbrennungsstufe wird die Verbrennungsluft durch die im wesentlichen zylindrische Primärflamme eingeschlossen oder umschlossen, so daß der darin eingespritzte Sekundärbrennstoff durch diese Primärflamme gegenüber der Verbrennungsluft abgeschirmt oder abgefangen wird. Der Sekundärbrennstoff wird somit mit der Primärflamme kontaktiert, um das darin enthaltene NOx zu reduzieren, und sodann einer zweiten Verbrennung mit dem die Primärflamme durchdringenden Teil der Verbrennungsluft unterworfen. Auf diese Weise ist es praktisch möglich, die Verringerung der NOx-Dichte aufgrund des vollständigen Luftabschirmeffekts des Primärbrennstoffs und den NOx Reduktionseffekt des Sekundärbrennstoffs sicherzustellen.
(ii) Die Primärbrennstoffdüse kann in der Richtung tangential zu dem Kreis, längs welchem die Innenfläche des Brennermauls verläuft, orientiert sein, um damit auch bei Verwendung einer kleinen Zahl von Primärbrennstoffdüsen die Ausbildung einer zylindrischen Primärflamme sicherer zu erlauben.
(iii) Die Anordnung der Praliplatte an den Primärbrennstoffdüsen-Einspritzöffnungen an der Stromaufseite ist bezüglich des Stabilhaltens der an diesen Einspritzöffnungen emittierten Primärflammen wirksam.
(iv) Durch die koaxiale Anordnung von mehreren sekundären Brennstoffdüsen relativ zur Zentralachse des Brennermauls wird eine gleichmäßige Einspritzung des Sekundärbrennstoffs zur Primärflamme hin hervorgebracht und damit die NOx-Reduktion noch wirksamer gestaltet.

Claims

1. Verbrennungsverfahren mit niedrigem NOx-Gehalt, umfassend eine erste Brennstoffzufuhrstufe (F1) und eine zweite Brennstoff zufuhrstufe (F2), wobei eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft von (über) ein(em) Brennermaul (19) eingeblasen wird, wobei in der ersten Brennstoffzufuhrstufe ein Primärbrennstoff in die Verbrennungsluft (A) eingespritzt wird, (und) wobei in der zweiten Brennstoffzufuhrstufe ein Sekundärbrennstoff an einer Stromabseite in die Verbrennungsluft eingespritzt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Einblasen praktisch einer Gesamtmenge an der Verbrennungsluft über das Brennermaul zwecks Erzeugung eines Verbrennungsluftstroms,

sodann in der ersten Brennstoffzufuhrstufe erfolgendes Einspritzen des Primärbrennstoffs um den Umfang des Verbrennungsluftstroms herum und Unterwerfen des Primärbrennstoffs einer ersten Verbrennung mit einer Umfangsschicht des Stroms zwecks Erzeugung einer Primärflamme (B1) einer im wesentlichen zylindrischen Form, welche einen zentral angeordneten Strom der Verbrennungsluft umschließt und abdeckt, und

in der zweiten Brennstoffzufuhrstufe erfolgendes Einspritzen des Sekundärbrennstoffs zu der und in die so erzeugte(n) Primärflamme von der Außenseite derselben her, wobei weiterhin der Sekundärbrennstoff einer zweiten Verbrennung mit dem zentral angeordneten Strom der Verbrennungsluft unterworfen wird, der aus der Primärflamme an deren Stromabseite austritt, um eine Sekundärflamme zu erzeugen,

wobei der zentrale Strom der Verbrennungsluft anfänglich durch die Primärflamme vor einer Stelle, an welcher der Sekundärbrennstoff eingespritzt wird, abgedeckt ist oder wird, so daß der Sekundärbrennstoff unmittelbar nach seinem Einspritzen zum zentralen Strom der Verbrennungsluft hin durch die Primärflamme gegenüber dem zentralen Strom der Verbrennungsluft abgeschirmt oder abgefangen wird, wodurch eine Berührung bzw. Kontaktierung des Sekundärbrennstoffs mit der Primärflamme zum Reduzieren von NOx in der Primärflamme, bevor die zweite Verbrennung stattfindet, herbeigeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der ersten Brennstoffzufuhrstufe der Primärbrennstoff unter einem Winkel, in einer Richtung zur Stromabseite hin orientiert, zur Verbrennungsluft (hin) eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der ersten Brennstoffzufuhrstufe der Primärbrennstoff in einer Richtung tangential zu einer Innenfläche des Brennermauls zur Verbrennungs luft eingespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in der ersten Brennstoffzufuhrstufe der Primärbrennstoff in einer Richtung von einem Umfang eines Kreises in Richtung auf die Verbrennungsluft eingespritzt wird, um eine im wesentlichen kreiszylindrische Form der Primärflamme zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in der ersten Brennstoffzufuhrstufe der Primärbrennstoff in einer Richtung von einer Rechtecklinie zur Verbrennungsluft hin eingespritzt wird, um eine flache Konfiguration der Primärflamme mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt zu erzeugen.

6. Brennervorrichtung zur Durchführung einer Verbrennung mit niedrigem NOx-Gehalt bzw. NOx-armen Verbrennung, umfassend:

ein Brennermaulmittel (19), über welches praktisch eine Gesamtmenge an Verbrennungsluft eingeblasen wird, welches Brennermaulmittel angeordnet ist zum Formen der Verbrennungsluft zu einem Strom, während sie durch ersteres hindurch eingeblasen wird,

ein erstes Einspritzmittel (1) zum Einspritzen eines Primärbrennstoffs (F1) in Richtung auf den Strom der Verbrennungsluft, welches erste Einspritzmittel im Brenner vorgesehen bzw. angeordnet ist und eine in Richtung auf eine Zentralachse des Brennermaulmittels orientierte Einspritzachse aufweist, und

ein sekundäres Einspritzmittel (4) zum Einspritzen eines Sekundärbrennstoffs (F2) in einer Richtung auf die durch den Primärbrennstoff erzeugte Primärflamme von der Außenseite derselben (her), dadurch gekennzeichnet, daß das erste Einspritzmittel angeordnet ist, um den Primärbrennstoff sozu richten, daß bei Verbrennung eine Primärflamme (B1) einer im wesentlichen zylindrischen Form mit einer Umfangsschicht des Stroms von Verbrennungsluft erzeugt wird, welche Primärflamme (B1) den Rest der Verbrennungsluft umschließt und abdeckt, um einen zentral angeordneten Strom von Verbrennungsluft festzulegen, und das zweite Einspritzmittel (4) angeordnet ist zum Richten des Sekundärbrennstoffs in die Primärflamme (B1) zwecks Verbrennung mit dem von (an) der Stromabseite der Primärflamme austretenden Strom von Verbrennungsluft, um damit eine Sekundärflamme (B2) zu erzeugen.

7. Brennervorrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste Einspritzmittel mindestens zwei primäre Brennstoffdüsen (1) zum Einspritzen des Primärbrennstoffs umfaßt, wobei die mindestens zwei Düsen an einer Innenfläche des Brennermaulmittels (19) angeordnet sind, und wobei das zweite Einspritzmittel mindestens zwei sekundäre Brennstoffdüsen (4) zum Einspritzen des Sekundärbrennstoffs umfaßt, wobei die mindestens zwei sekundären Brennstoffdüsen nahe bzw. an einem Auslaß des Brennermaulmittels angeordnet sind.

8. Brennervorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Brennermaulmittel (19) ein in bezug auf den Strom von Verbrennungsluft an einer Stromabseite angeordnetes Brennerhohlsteinmaul (burner tile throat) (1) und ein in bezug auf die Verbrennungsluft an einer Stromaufseite angeordnetes inneres (Brenner-)Maulelement (8) umfaßt, wobei sich das innere Maulelement in Übereinstimmung oder Deckung mit einer Innenfläche des Brennerhohlsteinmauls zur Innenseite der Brennervorrichtung hin erstreckt, wobei das erste Einspritzmittel (1) zwischen dem Brennerhohlsteinmaul und dem inneren Maulelement angeordnet ist und wobei das zweite Einspritzmittel neben bzw. an einem Auslaß des Brennerhohlsteinmauls so angeordnet ist, daß es in Richtung auf die Zentralachse des Brennermaulmittels orientiert bzw. gerichtet ist.

9. Brennervorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Einspritzachse des ersten Einspritzmittels unter einem Winkel in bezug auf die Verbrennungsluft in einer Richtung zu einer Stromabseite orientiert bzw. gerichtet ist.

10. Brennervorrichtung nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, wobei die Einspritzachse des ersten Einspritzmittels in einer Richtung tangential zu einer Innenfläche des Brennermaulmittels orientiert bzw. gerichtet ist.

11. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Brennermaulmittel eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist und wobei das erste Einspritzmittel eine Anzahl von längs der im wesentlichen zylindrischen Form des Brennermaulmitteis angeordneten Düsen (1a) umfaßt.

12. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei das Brennermaulmittel eine Rechteckzylinderform aufweist und wobei das erste Einspritzmittel eine Anzahl von längs der Rechteckzylinderform des Brennermaulmittels angeordneten Düsen (1) umfaßt.

13. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei eine Prallplatte (7) an oder nahe Einspritzdüsen des ersten Einspritzmittels vorgesehen und ferner an einer Stromaufseite in bezug auf die Verbrennungsluft angeordnet ist.

14. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei das zweite Einspritzmittel (4) eine Anzahl von in bezug aus das Brennermaulmittel (19) in gleichen (gegenseitigen) Abständen angeordneten Düsen umfaßt.

15. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei die Brennervorrichtung ferner ein im Brennermaulmittel angeordnetes Luftgeschwindigkeitseinstelloder -regelmittel (16) zum Einstellen oder Regeln einer Geschwindigkeitsverteilung der durch das Brennermaulmittel eingeblasenen (injected) Verbrennungsluft umfaßt.

16. Brennervorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Luftgeschwindigkeitseinstell- oder -regelmittel (16) koaxial relativ zür Zentralachse des Brennermaulmittels angeordnet ist.