EP4314655A1 - Brenner - Google Patents
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- EP4314655A1 EP4314655A1 EP22716206.2A EP22716206A EP4314655A1 EP 4314655 A1 EP4314655 A1 EP 4314655A1 EP 22716206 A EP22716206 A EP 22716206A EP 4314655 A1 EP4314655 A1 EP 4314655A1
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Definitions
- This invention relates to a combustor that produces a low NOx exhaust gas and a method of combusting fuel with a low NOx content in the exhaust gas.
- Nitrogen oxides chemically represented as the general formula NOx for various nitrogen oxides, are an environmentally harmful exhaust gas for which there are strict emission limits. Nitrogen oxides NOx are formed at high combustion temperatures from the nitrogen N 2 in the air. These limit values must be observed under all circumstances. The NOx limit values can be achieved either on the burner side by controlling the combustion of the fuel and the air supply or on the exhaust side by subsequent removal of NOx produced during combustion.
- DE102004059888A1 describes a burner for pulverized, liquid and gaseous fuels with a tubular primary air and dust feed, which forms a primary air and dust nozzle at its front end, and a ring-shaped secondary air feed surrounding it with a ring-shaped secondary air nozzle, through which part of the combustion air can be introduced in a twisted manner , a ring of tertiary air nozzles arranged outside the secondary air supply and a conical burner block, with the conical burner block directly adjoining the secondary air nozzle and being designed as a semi-combustor, and the tertiary air nozzle ring being arranged outside the conical, funnel-shaped opening of the burner block and comprising several individual nozzles.
- DE112011103913T5 describes a fuel dust fired
- a boiler system in which a first nozzle for shooting out fuel dust to a furnace wall of a furnace and a second nozzle for shooting out air for high-temperature combustion as air for combustion are arranged alternately in the horizontal direction.
- DE3623103A1 describes a continuous-flow or storage water heater with a combustion chamber heated by an atmospheric gas burner, via which heat exchange with the water takes place and which is connected to a supply air supply and exhaust gas discharge line with the interposition of a fan, the exhaust gas discharge line being connected directly to the supply air line via a branch line .
- DE3832016A1 describes a method for the combustion of liquid or gaseous fuels, a mixture consisting of fuel and primary air as well as secondary air being fed to this combustion, with the primary air being mixed with a proportion of the exhaust gases produced during the combustion and the secondary air being mixed with a proportion of the fuel.
- DE4133176A1 describes a burner for liquid and/or gaseous fuels, which in a burner housing has a primary air pipe with a fuel supply having a fuel outlet head and a secondary air pipe coaxial with the primary air pipe with a secondary air outlet at its free end, the secondary air pipe having the secondary air outlet through a burner axis limited in diameter tapered secondary air duct reduction ring.
- DE4435640A1 describes a method for burning pulverized fuel, in particular coal, using a burner with a primary air tube carrying a mixture of air and fuel (primary air) and a jacket air tube carrying jacket air and surrounding the primary air tube, both containing the primary air and swirled jacket air exit into a burner muffle, forming a primary combustion zone with an internal recirculation area, in which, when the primary air exits, the pulverized coal concentration in the edge area of the primary air pipe is broken up, generating vortices, and in which the swirled stage air is fed to the primary flame, with the pulverized coal concentration in the Edge region, the flow rate of the primary air is changed and the staged air is introduced into a ring of individual jets surrounding the primary combustion zone in such a way that the overall staged air is imparted with a twist.
- primary air primary air
- jacket air tube carrying jacket air and surrounding the primary air tube
- EP2498002B1 describes an industrial burner of a thermoprocessing system for the direct or indirect heating of a furnace chamber, which has a combustion chamber with at least one opening opening into a heating chamber, through which a material flow from the combustion chamber enters the heating chamber, and at least one heat exchange device, which flows from the heating chamber into the Heat exchange device promoted exhaust gas cools by heat exchange with combustion air, wherein the at least one heat exchange device extends in the axial direction at least partially along the combustion chamber, wherein thermal insulation is arranged between the combustion chamber and the at least one heat exchange device.
- the aim of the present invention is to provide a burner which produces a low NOx content in the exhaust gas.
- a burner comprising a hot gas side region and an outer region, a primary air supply duct, a secondary air supply duct, a fuel supply duct, the secondary air supply duct comprising three concentrically arranged cylindrical tubes (an innermost tube, a middle tube and an outermost tube), where: the supply line for secondary air protrudes into the hot gas side area; the innermost tube is open to the outside and is open to the hot gas side; the middle tube is arranged concentrically around the innermost tube and has a dome-shaped closure which encloses the innermost tube on the hot gas side in a dome shape and is closed to the outside; the middle tube has overflow channels which are arranged in the outer area, have bores and are open in the direction of the outermost tube; the outermost tube is closed to the outside and is open to the hot gas side and has adjustable swirl vanes at the opening on the hot gas side, which have an angle of attack of 15° to 80°; the fuel supply line is arranged concentrically around the secondary air supply
- This burner design achieves effective combustion of the fuel with a low NOx content in the exhaust gas.
- the secondary air is preheated in the dome-shaped shutter located on the hot gas side and enters the combustion chamber preheated.
- the baffles in the outermost tube of the secondary air supply line cause the secondary air to be distributed evenly around the circumference of the outermost tube, so that an even flow of secondary air enters the combustion chamber (i.e. the hot gas side) over the entire circumference of the opening.
- a vortex flow is forced by the swirl plates, which stabilizes the flame.
- the "supply line for primary air” can also be called “primary air supply line”
- the "supply line for secondary air” can also be called “secondary air supply line”
- the "supply line for fuel” can also be called “fuel supply line”.
- the outermost tube of the secondary air supply line and/or the dome-shaped closure of the middle tube of the secondary air supply line can be heat-resistant coated or formed of heat-resistant material, eg ceramic.
- the design of the nozzle in the fuel supply line causes the fuel to be evenly distributed over the entire circumference of the fuel supply line.
- the nozzle construction consists of an annular orifice with holes through which the fuel is fed into the combustion chamber and injector suction nozzles for sucking in exhaust gas from the surrounding area, which are built into this annular orifice.
- the injector intake nozzles are placed along the flow channels for the fuel.
- the injectors have tubular, elongated intake nozzles on the intake side.
- the length of the injector suction nozzles on the intake side is longer than the thickness of the primary air supply line, ie the injector suction nozzles can suck exhaust gas from the vicinity of the burner directly into the gaseous fuel flow.
- the intake ports of the injector priming nozzles face inward and are in fluid communication with the volume of exhaust gas surrounding the secondary air nozzle.
- the embodiment of the exhaust gas intake from the inside or from the outside depends on the structural conditions of the thermal process plant to be fired, with the embodiment with the intake from the outside offering the advantage that the exhaust gas sucked in is cooled in the intake pipes of the injectors by the outflowing primary air. The sucked in and cooled exhaust gas flow is introduced into the fuel flow.
- the first dead volume is used for thermal insulation and can be filled with a suitable material for thermal insulation between the secondary air and fuel areas.
- the conical taper in the primary air supply line serves to accelerate the primary air flow.
- the adjustable ring diaphragm and the swirl plates which can be adjusted in the angle of attack, serve to Even distribution of the primary air over the entire circumference of the supply line or to create a vortex structure in the outflowing fluid.
- a burner can cover an output range from 10 kWh to 100,000 kWh, which corresponds to an hourly natural gas consumption of 1 m 3 to 10,000 m 3 .
- the burner can be operated with any gaseous fuel, such as natural gas, methane, ethane, propane, butane, etc., as well as with pulverized solid fuels, such as pulverized coal, or gasified liquid fuels, such as hydrazine.
- ADi Supply line for secondary air
- ADm Outer diameter of middle secondary air supply pipe
- ADa Outer diameter of outermost secondary air supply pipe
- the second dead volume can be approximately 1/5 of the length of the secondary air supply line. This is used for thermal insulation between the secondary air area and the fuel supply line.
- the ratio of (internal diameter of the fuel supply line) (hereinafter:
- IDZ (outer diameter of the feed line for fuel) hereinafter: ADZ) about 0.7-1.3: 0.98-1.82, preferably about 1: 1.4. This represents an excellent geometry that delivers an improved combustion result.
- the ratio of (internal diameter of the primary air supply line) (hereinafter:
- IDP (outer diameter of the primary air supply line) (hereinafter: ADP) about 0.7-1.3 : 0.91-1.69, preferably about 1 : 1.3. This represents an excellent geometry that delivers an improved combustion result.
- the first dead volume can have vacuum or thermal insulation. This ensures that the fuel does not heat up before it enters the hot gas side.
- the outermost pipe of the supply line for secondary air can have overflow ducts that open into the first dead volume, and the first dead volume has partitions that reduce the first dead volume, and the ring baffle can be adjustable and have passages on the inside. This creates a tertiary air flow that flows into the hot gas side area via an adjustable ring orifice on the inside of the fuel nozzle. This achieves more efficient and stable combustion.
- the radially aligned injector intake nozzle can have at least one guide plate that is aligned in the same way as the swirl plate in the primary air supply line. This gives the primary air an additional twist. This additionally supports the formation of a vortex flow of the primary air.
- the outermost tube of the supply line for secondary air can have a nozzle ring with outflow openings aligned radially or radially and axially at the outlet into the hot-gas side region.
- pipe sections can be arranged in the dome-shaped closure of the middle pipe of the secondary air supply line, which protrude through the dome-shaped closure at one end and protrude through a baffle at the opposite end.
- the returning secondary air uses the injector effect to “take along” exhaust gas from the combustion chamber and mix it with the secondary air. This gas mixture is burned with the fuel at the outflow openings of the secondary air supply line .
- the cross section of the annular orifice carrying natural gas has an outwardly directed cone, over which the primary air flows.
- an inward flow of the primary air is forced.
- a cylindrical annular baffle can be placed on the cone for better alignment of the primary air flow.
- holes can be arranged on the annular diaphragm on the inside, which are in fluid communication with the holes in the annular diaphragm. As a result, exhaust gas is sucked into the fuel flow from the inside via the injector intake nozzle.
- an additive supply duct may be centrally located along the burner axis and protrude through the dome-shaped closure of the center tube of the secondary air supply duct, which duct has a nozzle on the hot gas side portion.
- the feed line can also be arranged radially around the burner.
- Combustible or non-combustible additives such as waste oils and fuel oils, fatty solutions of animal or vegetable origin, organic waste materials and solvents, waste acids and alkalis, waste water, sulphurous liquids, chlorinated and halogenated gases and liquids can also be burned via this additional injection system through this supply line.
- the substances mentioned are supplied to the combustion chamber by means of the additional feed line, which is arranged centrally along the burner axis or radially around the burner.
- the additives are sprayed into the flame of the burner in finely atomized form via a nozzle. Through this supply line, exhaust gas can also be drawn off to the outside in counterflow to the secondary air, as a result of which the secondary air flow is preheated.
- the outflow openings of the pipe sections on the side of the baffle plates can be narrowed by a cone (valve) that can be adjusted in the longitudinal direction.
- a cone valve
- the total exhaust gas mass flow can be regulated in the secondary air flow.
- an outer annular gap can be formed by two tubes that surround the burner on the outside, the inner of the two tubes having an opening and the outer of the two tubes having an outlet. Exhaust gas can be drawn off to the outside via the outer annular gap in counterflow to the primary air via the outlet, which is arranged on the outside of the two tubes, whereby the primary air flow is preheated.
- a closed combustion chamber is created through the inside of the two tubes, in which the staged combustion takes place and the hot gases can flow out via the opening arranged on the inside of the two tubes.
- Another aspect of the invention relates to a method for burning fuel in a burner as defined above, secondary air being introduced into the supply line for secondary air in a burner as defined above, the secondary air being twisted by the swirl plates; Fuel is introduced into the fuel supply line, with the fuel being injected through the holes in the ring diaphragm at an outwardly directed angle of attack into the swirled primary air; Primary air is introduced into the supply line for primary air, the primary air being twisted by the swirl plates. This achieves efficient combustion with a low NOx content in the exhaust gas.
- the proportion of secondary air can be 20-50% by volume and the proportion of primary air 50-80% by volume of the total air required for combustion. This split ratio gives excellent exhaust performance.
- the total air ratio for the sum of primary and secondary air ⁇ can be about 1.0 to 2.0, preferably about 1.0 to 1.5, in particular about 1.0 to 1.1. A stoichiometric excess of air or oxygen can thus be used.
- the oxygen concentration in the secondary air and primary air can be from 21% by volume to 100% by volume. Accordingly, the nitrogen content has lower concentrations with increasing oxygen concentrations. through higher
- Oxygen concentrations combustion processes can be carried out much more efficiently, since the combustion temperature and the heat transfer based on the gas radiation increase significantly with increasing oxygen concentrations in the oxidizer flow. Thus, with this burner, an increase in energy efficiency can be achieved with low NOx emissions at the same time.
- the primary air and secondary air can be an air/exhaust gas mixture, an air/oxygen mixture or an exhaust gas/oxygen mixture.
- a method of external exhaust gas circulation with oxygen enrichment can thus be implemented with the present burner.
- a partial flow of exhaust gas is branched off from the main flow, enriched with oxygen and fed to the burner at the inlets for primary and secondary air as an air substitute.
- the enthalpy of the recirculated exhaust gas oxygen mass flow can then be used directly to save energy. On the basis of this concept, not only NOx but also CO 2 emissions can be drastically reduced.
- the fuel may comprise nitrogen.
- Nitrogenous fuels such as hydrazine can be used.
- Hydrocarbons used as fuels can also contain small amounts of nitrogen. With this burner, these fuels loaded with nitrogen can be burned without causing significant NOx emissions.
- the fuel may include gaseous hydrocarbons, hydrogen, biogases, pulverized coal-air mixtures, hydrogen sulfides, carbon monoxide gas, carbon monoxide-hydrogen mixtures, coke oven gases, tail gases.
- exhaust gas can be sucked directly into the fuel flow by the injector effect. This achieves more efficient NOx reduction.
- the outwardly directed injector intake nozzles can be cooled by the outflowing primary air. This minimizes the thermal load on the injector intake nozzles.
- the aspirated exhaust gas flow inside the injector intake nozzles under the
- Condensation temperature (dew point) for the exhaust gas humidity are cooled, with water condensing out in the exhaust gas flow and the liquid water is introduced into the fuel flow. This also results in a lower combustion temperature, which suppresses thermal NOx formation.
- exhaust gas can be sucked into the secondary air flow and subsequently an air-exhaust gas mixture can be brought to the nozzle opening of the secondary air for combustion with the injected fuel.
- the introduced exhaust gas reduces the combustion temperature and thus the NOx emissions.
- the quantities of the material flows can be automatically controlled for low NOx and CO emissions on the basis of a rigidly functioning programmed logic or a neural network individually trained for the respective process conditions. This makes it easy to comply with the legal limit values.
- the following reference symbols are used in the examples and figures:
- Figure 1 shows a cross section of a burner of the invention.
- FIG. 2 shows a cross-section of a nozzle construction of the invention.
- Fig. 3 shows a burner of the invention with an axial outflow of the secondary air into the hot gas area.
- FIG. 4 shows a three-dimensional view of a burner of the invention.
- FIG 5 shows an embodiment of the invention with overflow openings and partitions.
- FIG. 6 shows a nozzle construction of an embodiment of the invention.
- Fig. 7 shows another embodiment of the invention with integrated baffles on the injector suction nozzles.
- 8 shows yet another embodiment of the invention with a supply line for additives.
- FIG 9 shows yet another embodiment of the invention with injector intake pipes for mixing exhaust gas from the combustion chamber into the secondary air flow.
- FIG. 10 shows another embodiment of the invention with an adjustable ring diaphragm in the primary air supply line.
- Fig. 11 shows a serrated nozzle gap that discharges the secondary air both axially and radially in relation to the longitudinal axis.
- a burner according to the invention comprises a hot gas side area 21 and an outer area 22, a primary air supply line 3, a secondary air supply line 1, a fuel supply line 2, the secondary air supply line 1 comprising three concentrically arranged cylindrical tubes an innermost tube 1a, a middle tube 1b and an outermost tube 1c, wherein: the secondary air supply duct 1 protrudes into the hot gas side portion 21; the innermost tube 1a is open to the outside area 22 and is open to the hot gas side 21; the middle tube 1b is arranged concentrically around the innermost tube la and has a dome-shaped closure ld, which encloses the innermost tube la on the hot gas side 21 in a dome shape and is closed to the outer area 22; the middle tube lb has overflow channels le, which are arranged in the outer area 22, have bores and are open in the direction of the outermost tube 1c; the outermost tube 1c is closed to the outside area 22 and is open to the hot gas side 21 and has adjustable swirl plates lf at the opening on the hot gas
- the length of the supply line for secondary air 1a, 1b, 1c can be adjusted. Approximately 1/3 of the supply line for secondary air 1 protrudes into the side area 21 of the hot gas.
- the ratio of the outer diameter of the innermost pipe 1a of the secondary air feed line: the outer diameter of the middle pipe 1b of the secondary air feed line: the outer diameter of the outermost pipe 1c of the secondary air feed line is approximately 1:1.8:2.6.
- the second dead volume 9 is about 1/5 of the length of the secondary air supply line 1.
- the first dead volume 4 has a vacuum or thermal insulation.
- the burner as described in Example 1 is modified as follows: the outermost tube of the secondary air supply line 1c has overflow channels lg which open into the first dead volume 4, and the first dead volume 4 has partitions 4a which reduce first dead volume 4, and the ring diaphragm 5a is adjustable and has passages 5d on the inside.
- the burner as described in Example 1 or Example 2 has the following modification: the radially aligned injector suction nozzle 5c has at least one guide plate 5e, which is aligned in the same way as the swirl plate 11 in the primary air supply line 3.
- the outermost tube of the secondary air supply line 1c has a nozzle ring 1h with radially or radially and axially directed outflow openings at the outlet into the hot gas side area 21.
- the burner as given in one of the above examples has the following modification: in the dome-shaped closure ld of the middle pipe of the secondary air supply line 1b there are pipe sections 1i which protrude at one end through the dome-shaped closure 1d and at the opposite end through a baffle 1j protrude.
- the burner as given in one of the above examples has the following modification: an additive supply pipe 2a is arranged centrally along the burner axis and protrudes through the dome-shaped closure of the central tube of the supply pipe Secondary air ld, which supply line 2a on the hot gas side area 21 has a nozzle 2b.
- secondary air is introduced into the supply line for secondary air 1, the secondary air being twisted by the swirl plates 1f;
- Fuel is introduced into the fuel supply line 2, the fuel being injected through the holes in the ring diaphragm 5a at an outwardly directed angle of attack into the swirled primary air;
- Primary air is introduced into the primary air supply line 3 , the primary air being twisted by the swirl plates 11 .
- the proportion of secondary air is 40% by volume and the proportion of primary air is 60% by volume of the total air required for combustion.
- the total air ratio for the sum of primary and secondary air ⁇ is about 1.1.
- the primary air and secondary air is an air-exhaust mixture.
- the fuel is natural gas.
- Exhaust gas is drawn directly into the fuel stream by injector action.
- the outwardly directed injector intake nozzles 5c are cooled by the outflowing primary air.
- the quantities of the material flows are controlled on the basis of a rigidly functioning programmed logic for low NOx and CO emissions.
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Abstract
Brenner, umfassend einen Heißgasseitenbereich (21) und einen Außenbereich (22), eine Zuleitung für Primärluft (3), eine Zuleitung für Sekundärluft (1), eine Zuleitung für Brennstoff (2), wobei die Zuleitung für Sekundärluft (1) drei konzentrisch angeordnete zylindrische Rohre umfasst, die Zuleitung für Brennstoff (2) konzentrisch um die Zuleitung für Sekundärluft (1) angeordnet ist; wobei ein erstes Totvolumen (4) im Inneren des Brenners zwischen der Zuleitung für Sekundärluft (1) und der Zuleitung für Brennstoff (2) besteht und wobei die Zuleitung für Brennstoff (2) auf der Heißgasseite (21) eine Düsenkonstruktion (5) aufweist; ein zweites Totvolumen (9) zwischen Zuleitung für Sekundärluft (1) und Zuleitung für Brennstoff (2) auf der Seite des Außenbereichs (22) angeordnet ist; die Zuleitung für Primärluft (3) konzentrisch um die Zuleitung für Brennstoff (2) angeordnet ist.
Description
Ultra-Low-NOx-Brenner
Diese Erfindung betrifft einen Brenner, der ein Abgas mit niedrigem NOx-Gehalt erzeugt, sowie ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff mit geringem Anteil von NOx im Abgas.
Stickoxide, chemisch als allgemeine Formel NOx für diverse Stickoxide dargestellt, sind ein umweltschädliches Abgas, für die strenge Grenzwerte bei der Emission bestehen. Stickoxide NOx entstehen bei hohen Verbrennungstemperaturen aus dem Stickstoff N2 der Luft. Diese Grenzwerte gilt es unter allen Umständen einzuhalten. Die NOx-Grenzwerte können entweder auf der Seite des Brenners durch Steuerung der Verbrennung des Brennstoffes und der Luftzufuhr oder auf der Abgasseite durch nachträgliches Entfernen von bei der Verbrennung entstandenem NOx erreicht werden.
Stand der Technik
In der Literatur wurden verschiedene Brennertypen beschrieben, die teilweise eine geringe NOx-Konzentration im Abgas erreichen.
DE102004059888A1 beschreibt einen Brenner für staubförmige, flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einer rohrförmigen Primärluft- und Staubzuführung, die an ihrem vorderen Ende eine Primärluft- und Staubdüse bildet, einer diese umgebenden ringförmigen SekundärluftZuführung mit einer ringförmigen Sekundärluftdüse, durch die ein Teil der Verbrennungsluft verdrallt einleitbar ist, einem ringförmig außerhalb der Sekundärluftzuführung angeordneten Tertiärluftdüsenring und einem konischen Brennerstein, wobei der konische Brennerstein sich unmittelbar an die Sekundärluftdüse anschließt und als Halbcombustor ausgebildet ist, und der Tertiärluftdüsenring außerhalb der konisch-trichterförmige Öffnung des Brennersteins angeordnet ist und mehrere Einzeldüsen umfasst.
DE112011103913T5 beschreibt ein mit Brennstoffstaub befeuertes
Kesselsystem, bei dem in horizontaler Richtung abwechselnd eine erste Düse, um Brennstoffstaub zu einer Ofenwand eines Ofens herauszuschießen, und eine zweite Düse, um als Luft zur Verbrennung Luft zur Hochtemperaturverbrennung herauszuschießen, angeordnet sind.
DE3623103A1 beschreibt einen Durchlauf- oder Speicherwasserheizer mit einer von einem atmosphärischen Gasbrenner beheizten Brennkammer, über die ein Wärmeaustausch zum Wasser stattfindet und die unter Zwischenschaltung eines Ventilators mit einer Zuluftzufuhr- und Abgasabfuhrleitung verbunden ist, wobei die Abgasabfuhrleitung über eine Zweigleitung unmittelbar mit der Zuluftleitung verbunden ist.
DE3832016A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe, wobei dieser Verbrennung ein aus Brennstoff und Primärluft bestehendes Gemisch sowie Sekundärluft zugeführt wird, wobei der Primärluft ein Anteil der bei der Verbrennung entstehenden Abgase und der Sekundärluft ein Anteil des Brennstoffes beigemischt wird.
DE4133176A1 beschreibt einen Brenner für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe, welcher in einem Brennergehäuse ein Primärluftrohr mit einer einen Brennstoffaustrittskopf aufweisenden BrennstoffZuführung und koaxial zu dem Primärluftrohr ein Sekundärluftrohr mit einem Sekundärluftauslass an seinem freien Ende hat, wobei das Sekundärluftrohr den Sekundärluftauslass durch einen zur Brennerachse hin sich im Durchmesser verjüngenden Sekundärluftkanal-Reduzierring begrenzt.
DE4435640A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennung von staubförmigem Brennstoff, insbesondere Kohle, mittels eines Brenners mit einem ein Gemisch aus Luft und Brennstoff (Primärluft) führenden Primärluftrohr und einem Mantelluft führenden und das Primärluftrohr umgebenden Mantelluftrohr, beidem die Primärluft
und verdrallte Mantelluft in eine Brennermuffel unter Bildung einer Primärverbrennungszone mit internem Rezirkulationsgebiet austreten, bei dem beim Austritt der Primärluft die Kohlenstaubkonzentration im Randbereich des Primärluftrohrs unter Erzeugung von Wirbeln aufgerissen wird und bei dem verdrallte Stufenluft der Primärflamme zugeführt wird, wobei vor dem Aufreißen der Kohlenstaubkonzentration im Randbereich die Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft verändert wird und die Stufenluft in einem die Primärverbrennungszone umgebenden Kranz von Einzelstrahlen eingebracht wird derart, dass der Gesamtstufenluft ein Drall aufgeprägt wird.
EP2498002B1 beschreibt einen Industriebrenner einer Thermoprozessanlage zur direkten oder indirekten Beheizung eines Ofenraumes, der eine Brennkammer mit wenigstens einer in einem Heizraum mündenden Öffnung, durch die ein Stoffstrom aus der Brennkammer in den Heizraum gelangt, und zumindest eine Wärmetauschvorrichtung aufweist, die aus dem Heizraum in die Wärmetauschvorrichtung gefördertes Abgas durch Wärmeaustausch mit Brennluft abkühlt, wobei die zumindest eine Wärmetauschvorrichtung sich in Axialrichtung zumindest teilweise entlang der Brennkammer erstreckt, wobei eine Wärmedämmung zwischen der Brennkammer und der zumindest einen Wärmetauschvorrichtung angeordnet ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Brenner bereitzustellen, der einen geringen NOx-Gehalt im Abgas erzeugt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, indem ein Brenner bereitgestellt wird, der einen Heißgasseitenbereich und einen Außenbereich, eine Zuleitung für Primärluft, eine Zuleitung für Sekundärluft, eine Zuleitung für Brennstoff umfasst, wobei die Zuleitung für Sekundärluft drei konzentrisch angeordnete zylindrische Rohre (ein innerstes Rohr, ein mittleres Rohr und ein äußerstes Rohr) umfasst, wobei:
die Zuleitung für Sekundärluft in den Heißgasseitenbereich hineinragt; das innerste Rohr zum Außenbereich hin offen ist und zur Heißgasseite hin offen ist; das mittlere Rohr konzentrisch um das innerste Rohr angeordnet ist und einen kuppelförmigen Verschluss aufweist, der das innerste Rohr auf der Heißgasseite kuppelförmig umschließt, und zum Außenbereich hin verschlossen ist; das mittlere Rohr Überströmkanäle aufweist, die im Außenbereich angeordnet sind, Bohrungen aufweisen und in Richtung des äußersten Rohrs offen sind; das äußerste Rohr zum Außenbereich hin verschlossen ist und zur Heißgasseite hin offen ist und verstellbare Drallbleche bei der Öffnung auf der Heißgasseite aufweist, die einen Anstellwinkel von 15° bis 80° aufweisen; die Zuleitung für Brennstoff konzentrisch um die Zuleitung für Sekundärluft angeordnet ist, die unmittelbar nach Eintritt in den Heißgasseitenbereich endet; wobei ein erstes Totvolumen im Inneren des Brenners zwischen der Zuleitung für Sekundärluft und der Zuleitung für Brennstoff besteht und wobei die Zuleitung für Brennstoff auf der Heißgasseite eine Düsenkonstruktion aufweist, die Folgendes umfasst: eine Ringblende mit Löchern; radial ausgerichtete Injektoransaugdüsen, die in Fluid- Verbindung mit den Löchern stehen und die an der Ansaugseite über den äußeren Durchmesser der Zuleitung für Primärluft hinausragen; wobei die Löcher in der Ringblende einen Anstellwinkel aufweisen, der 0° - 60 °, vorzugsweise 10° - 45°, insbesondere 45°, beträgt, wobei die Ringblende einen Kegelstumpf ausbildet, der einen Anstellwinkel von 0° - 70°, vorzugsweise 20° - 45°, aufweist, wobei die Kegelbasis Richtung Außenbereich zeigt;
ein zweites Totvolumen zwischen Zuleitung für Sekundärluft und Zuleitung für Brennstoff auf der Seite des Außenbereichs angeordnet ist; die Zuleitung für Primärluft konzentrisch um die Zuleitung für Brennstoff angeordnet ist, die unmittelbar nach Eintritt in den Heißgasseitenbereich endet und Folgendes aufweist: bei der Öffnung auf der Heißgasseite eine konische Verjüngung des Durchmessers, wobei die konische Verjüngung einen Kegelstumpf ausbildet, der einen Winkel von 0° - 20° aufweist; eine verstellbare Ringblende an der der Heißgasseite zugewandten Öffnung der konischen Verjüngung; im Anstellwinkel verstellbare Drallbleche, die in einem Winkel von 10° bis 90°, vorzugsweise 40° - 70°, angeordnet sind.
Durch diesen Aufbau eines Brenners wird eine effektive Verbrennung des Brennstoffs mit einem geringen NOx-Gehalt im Abgas erreicht. Die Sekundärluft wird im kuppelförmigen Verschluss, der sich auf der Heißgasseite befindet, vorgewärmt und tritt vorgewärmt in den Brennraum ein. Die Drallbleche im äußersten Rohr der Zuleitung für Sekundärluft bewirken eine gleichmäßige Verteilung der Sekundärluft um den Umfang des äußersten Rohrs, sodass über den gesamten Umfang der Öffnung ein gleichmäßiger Sekundärluftstrom in den Brennraum (d. h. in die Heißgasseite) eintritt. Zusätzlich dazu wird durch die Drallbleche eine Vortexströmung erzwungen, die die Flamme stabilisiert.
Die „Zuleitung für Primärluft" kann auch „Primärluft-Zuleitung", die „Zuleitung für Sekundärluft" kann auch „Sekundärluft- Zuleitung" und die „Zuleitung für Brennstoff" auch „Brennstoff- Zuleitung" genannt werden.
Das äußerste Rohr der Zuleitung für Sekundärluft und/oder der kuppelförmige Verschluss des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft können hitzebeständig beschichtet sein oder aus hitzebeständigem Material ausgebildet sein, z.B. Keramik.
Die Düsenkonstruktion in der Zuleitung für Brennstoff bewirkt eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs über den gesamten Umfang der Zuleitung für Brennstoff. Die Düsenkonstruktion besteht aus einer Ringblende mit Löchern, über die der Brennstoff in den Brennraum geleitet wird, und Injektoransaugdüsen zur Ansaugung von Abgas aus der näheren Umgebung, die in dieser Ringblende eingebaut sind. Dabei sind die Injektoransaugdüsen entlang der Strömungskanäle für den Brennstoff platziert. Die Injektoren verfügen ansaugseitig über röhrenförmige, längliche Ansaugdüsen. Die Länge der Injektoransaugdüsen ist an der Ansaugseite länger als die Dicke der Zuleitung für Primärluft, d.h. die Injektoransaugdüsen können Abgas aus dem näheren Umfeld des Brenners direkt in den gasförmigen Brennstoffström einsaugen. Alternativ dazu sind die Ansaugöffnungen der Injektoransaugdüsen nach innen gerichtet und stehen in Fluid-Verbindung mit dem Abgasvolumen, das die Sekundärluftdüse umgibt. Die Ausführungsform der Abgasansaugung von innen oder von außen richtet sich nach den baulichen Gegebenheiten der zu befeuernden Thermoprozessanlage, wobei die Ausführungsform mit der Absaugung von außen den Vorteil bietet, dass das angesaugte Abgas in den Ansaugrohren der Injektoren durch die ausströmende Primärluft gekühlt wird. Der angesaugte und gekühlte Abgasstrom wird in den Brennstoffström eingebracht. Dadurch erhält man am Austritt der Brennstoffdüsen ein Brennstoff-Abgas-Gemisch, das in einer Verbrennungsreaktion mit Sauerstoff umgesetzt wird. Der Abgasanteil im Brennstoffström wirkt NOx-mindernd, da die Spitzentemperatur in der Flamme niedrig bleibt, wodurch weniger thermisches NOx entsteht.
Das erste Totvolumen dient zur Wärmeisolation und kann mit einem geeigneten Material zur thermischen Isolation zwischen den Bereichen Sekundärluft und Brennstoff ausgefüllt sein.
Die konische Verjüngung in der Zuleitung für Primärluft dient der Beschleunigung des Primärluftstroms. Die verstellbare Ringblende und die im Anstellwinkel verstellbaren Drallbleche dienen der
gleichmäßigen Verteilung der Primärluft über den gesamten Umfang der Zuleitung bzw. zur Erzeugung einer Vortexstruktur im abströmenden Fluid.
Außerdem wird durch diese Anordnung der Sekundärluftstrom örtlich in der Längsachse versetzt der Verbrennungsreaktion mit dem Brennstoff zugeführt. Mit diesem Anordnungskonzept wird eine gestufte Verbrennung auf Basis einer Luftstufung realisiert.
Ein Brenner kann einen Leistungsbereich von 10 kWh bis 100000 kWh abdecken, was einem stündlichen Erdgasverbrauch von 1 m3 bis 10.000 m3 entspricht. Der Brenner kann mit einem beliebigen gasförmigen Brennstoff betrieben werden, wie beispielsweise Erdgas, Methan, Ethan, Propan, Butan usw., sowie auch mit staubförmigen festen Brennstoffen, wie beispielsweise Kohlenstaub, oder vergasten flüssigen Brennstoffen, wie beispielsweise Hydrazin.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Zuleitung für Sekundärluft in der Länge verschiebbar sein, wobei das Rohr-in- Rohr-System zur Zuleitung der Sekundärluft mit einer Länge L in den Brennraum hineinragt, wobei die Länge L entsprechend der Beziehung L = D * f mit D = Außendurchmesser der
PrimärluftZuleitung und f = 0 ≤ f ≤ 3 variiert werden kann. Dadurch kann die Konstruktion den Strömungsgeschwindigkeiten der Gase (Primärluft, Sekundärluft, Brennstoff) und die Anforderungen der Verbrennung angepasst werden. Insbesondere das Konzept der Luftstufung zur NOx-Reduktion kann hiermit variabel gestaltet werden und in Hinblick einer möglichst hohen NOx-Reduktion optimiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann etwa 1/3 der Zuleitung für Sekundärluft in den Heißgasseitenbereich hineinragen. Dadurch wird eine gute Wärmeübertragung auf die Sekundärluft gewährleistet Durch die Vorwärmung der Sekundärluft wird ein stabilerer und vollständiger Ausbrand des restlichen Brennstoffes sichergestellt.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Verhältnis von (Außendurchmesser von innerstem Rohr der
Zuleitung für Sekundärluft) (im Folgenden: ADi) :
(Außendurchmesser von mittlerem Rohr der Zuleitung für Sekundärluft) (im Folgenden: ADm) : (Außendurchmesser von äußerstem Rohr der Zuleitung für Sekundärluft) (im Folgenden: ADa) etwa 0,7-1,3 : 1,26-2,34 : 1,82-3,38, vorzugsweise etwa 1 : 1,8 : 2,6, betragen. Dies stellt eine hervorragende Geometrie dar, die ein verbessertes Verbrennungsergebnis liefert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Totvolumen etwa 1/5 der Länge der Zuleitung für Sekundärluft betragen. Dies dient zur thermischen Isolation zwischen Sekundärluftbereich und BrennstoffZuleitung .
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verhältnis von (Innendurchmesser der Zuleitung für Brennstoff) (im Folgenden:
IDZ) : (Außendurchmesser der Zuleitung für Brennstoff) im Folgenden: ADZ) etwa 0,7-1,3 : 0,98-1,82, vorzugsweise etwa 1 : 1,4, betragen. Dies stellt eine hervorragende Geometrie dar, die ein verbessertes Verbrennungsergebnis liefert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verhältnis von (Innendurchmesser der Zuleitung für Primärluft) (im Folgenden:
IDP) : (Außendurchmesser der Zuleitung für Primärluft) (im Folgenden: ADP) etwa 0,7-1,3 : 0,91-1,69, vorzugsweise etwa 1 : 1,3, betragen. Dies stellt eine hervorragende Geometrie dar, die ein verbessertes Verbrennungsergebnis liefert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das erste Totvolumen Vakuum oder eine thermische Isolierung aufweisen. Dies stellt sicher, dass sich der Brennstoff nicht vor dem Eintritt in die Heißgasseite erwärmt.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das äußerste Rohr der Zuleitung für Sekundärluft Überströmkanäle aufweisen, die in das erste Totvolumen münden, und das erste Totvolumen Abschottungen aufweisen, die das erste Totvolumen verkleinern, und die Ringblende verstellbar sein und Durchlässe an der Innenseite aufweisen. Dadurch entsteht ein Tertiärluftstrom, der in den Heißgasseitenbereich über eine verstellbare Ringblende an der Innenseite der Brennstoffdüse strömt. Dadurch wird eine effizientere und stabilere Verbrennung erreicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die radial ausgerichtete Injektoransaugdüse zumindest ein Leitblech aufweisen, das gleich ausgerichtet ist wie das Drallblech in der Zuleitung für Primärluft. Dies verleiht der Primärluft einen zusätzlichen Drall. Die Ausbildung einer Vortexströmung der Primärluft wird dadurch zusätzlich unterstützt.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das äußerste Rohr der Zuleitung für Sekundärluft einen Düsenring mit radial oder radial und axial ausgerichteten Ausströmungsöffnungen beim Auslass in den Heißgasseitenbereich aufweisen.
In einer Ausführungsform der Erfindung können in dem kuppelförmigen Verschluss des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft Rohrstücke angeordnet sein, die an einem Ende durch den kuppelförmigen Verschluss ragen und am gegenüberliegenden Ende durch eine Staublende ragen. Durch die rückströmende Sekundärluft wird mittels Injektorwirkung Abgas aus dem Brennraum „mitgenommen" und mit der Sekundärluft vermischt. Dieses Gasgemisch wird mit dem Brennstoff bei den Ausströmungsöffnungen der Zuleitung für Sekundärluft verbrannt. Die Staublende verursacht den für die Injektorwirkung notwendigen Staudruck und den damit verbundenen abströmseitigen Druckabfall.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Querschnitt der erdgasführenden Ringblende einen nach außen gerichteten Konus auf,
über den die Primärluft strömt. Mit dieser Geometrie der Ringblende wird eine nach innen gerichtete Strömung der Primärluft erzwungen. Zusätzlich dazu kann zur besseren Ausrichtung der Primärluftströmung auf dem Konus eine zylindrische Ringblende aufgesetzt sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung können auf der Ringblende auf der Innenseite Löcher angeordnet sein, die in Fluid-Verbindung mit den Löchern in der Ringblende stehen. Dadurch wird Abgas von der Innenseite über die Injektoransaugdüse in den Brennstoffström eingesaugt .
In einer Ausführungsform kann eine Zuleitung für Zusatzstoffe zentral entlang der Brennerachse angeordnet sein und durch den kuppelförmigen Verschluss des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft ragen, welche Zuleitung auf dem Heißgasseitenbereich eine Düse aufweist. Die Zuleitung kann auch radial um den Brenner herum angeordnet sein. Durch diese Zuleitung können brennbare oder nicht brennbare Zusatzstoffe, wie Altöle und Heizöle, fetthaltige Lösungen tierischen oder pflanzlichen Ursprungs, organische Abfallstoffe und Lösemittel, Abfallsäuren und Laugen, Abwässer, schwefelhaltige Flüssigkeiten, chlorierte und halogenierte Gase und Flüssigkeiten über dieses zusätzliche Einspritzsystem mitverbrannt werden. Die genannten Stoffe werden mittels der zusätzlichen Zuleitung, die zentral entlang der Brennerachse oder radial um den Brenner herum angeordnet sind, dem Brennraum zugeführt. Über eine Düse werden die Zusatzstoffe fein zerstäubt in die Flamme des Brenners eingedüst. Durch diese Zuleitung kann auch Abgas im Gegenstrom zur Sekundärluft nach außen abgezogen werden, wodurch der Sekundärluftstrom vorgewärmt wird.
In einer Ausführungsform können die Ausströmöffnungen der Rohrstücke an der Seite der Staublenden durch einen in der Längsrichtung verstellbaren Kegel (Ventil) verengbar sein. Dadurch kann der Gesamtabgasmassenstrom in dem Sekundärluftstrom geregelt werden.
In einer Ausführungsform kann ein äußerer Ringspalt durch zwei Rohre, die den Brenner außen umgeben, ausgebildet sein, wobei das innere der beiden Rohre eine Öffnung aufweist und das äußere der beiden Rohre einen Ausgang aufweist. Über den äußeren Ringspalt kann Abgas im Gegenstrom zur Primärluft über den Ausgang, der im äußeren der beiden Rohre angeordnet ist, nach außen abgezogen werden, wodurch der Primärluftstrom vorgewärmt wird. Zusätzlich dazu wird durch das Innere der beiden Rohre ein abgeschlossener Brennraum geschaffen, in dem die gestufte Verbrennung stattfindet und die Heißgase über die Öffnung, die am Inneren der beiden Rohre angeordnet ist, ausströmen können.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einem wie oben definierten Brenner, wobei in einen wie oben definierten Brenner Sekundärluft in die Zuleitung für Sekundärluft eingeleitet wird, wobei durch die Drallbleche die Sekundärluft verdrallt wird; Brennstoff in die Zuleitung für Brennstoff eingeleitet wird, wobei durch die Löcher in der Ringblende der Brennstoff in einem nach außen gerichteten Anstellwinkel in die verdrallte Primärluft eingedüst wird; Primärluft in die Zuleitung für Primärluft eingeleitet wird, wobei durch die Drallbleche die Primärluft verdrallt wird. Dadurch wird eine effiziente Verbrennung mit niedrigem NOx-Gehalt im Abgas erreicht .
In einer Ausführung des anderen Aspekts der Erfindung kann der Anteil an Sekundärluft 20-50 Vol.-% und der Anteil an Primärluft 50-80 Vol.-% der gesamten, für die Verbrennung notwendigen Luft betragen. Dieses Aufteilungsverhältnis ergibt ein hervorragendes Abgasverhalten .
In einer Ausführung des anderen Aspekts der Erfindung kann die Gesamtluftzahl für die Summe aus Primär- und Sekundärluft λ etwa 1,0 bis 2,0, vorzugsweise etwa 1,0 bis 1,5, insbesondere etwa 1,0
bis 1,1, betragen. So kann ein stöchiometrischer Überschuss an Luft bzw. Sauerstoff verwendet werden.
In einer Ausführung des anderen Aspekts der Erfindung kann die Sauerstoffkonzentration in der Sekundärluft und Primärluft von 21 Vol.-% bis 100 Vol.-% betragen. Dementsprechend weist der Stickstoffgehalt mit steigenden Sauerstoffkonzentrationen niedrigere Konzentrationen auf. Durch höhere
Sauerstoffkonzentrationen können Verbrennungsprozesse wesentlich effizienter geführt werden, da die Verbrennungstemperatur und der Wärmeübergang auf Basis der Gasstrahlung mit steigenden Sauerstoffkonzentrationen im Oxidatorstrom deutlich ansteigen. Somit lässt sich mit diesem Brenner eine Steigerung der Energieeffizienz bei gleichzeitig niedrigen NOx-Emissionen erzielen .
In einer Ausbildung des Verfahrens kann die Primärluft und Sekundärluft ein Luft-Abgas-Gemisch, ein Luft-Sauerstoff-Gemisch oder ein Abgas-Sauerstoff-Gemisch sein. Somit lässt sich mit dem vorliegenden Brenner ein Verfahren der externen Abgaszirkulation mit Sauerstoffanreicherung realisieren. Dabei wird ein Abgasteilstrom aus dem Hauptstrom abgezweigt, mit Sauerstoff angereichert und dem Brenner an den Eingängen für Primär- und Sekundärluft als Luftersatz zugeführt. Die Enthalpie des rückgeführten Abgas-Sauerstoff-Massenstromes kann dann für die Energieeinsparung direkt verwendet werden. Auf Basis dieses Konzeptes lassen sich nicht nur NOx-, sondern auch CO2-Emissionen drastisch reduzieren.
In einer Ausführung des anderen Aspekts der Erfindung kann der Brennstoff Stickstoff umfassen. Es können stickstoffhältige Brennstoffe wie beispielsweise Hydrazin verwendet werden. Ebenfalls können Kohlenwasserstoffe, die als Brennstoffe eingesetzt werden, geringe Mengen an Stickstoff enthalten. Mit diesem Brenner können diese mit Stickstoff belasteten Brennstoffe ohne nennenswerte NOx-Emissionen zu verursachen verbrannt werden.
In einer Ausführungsform kann der Brennstoff gasförmige Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Biogase, Kohlenstaub-Luft- Gemische, Schwefelwasserstoffe, Kohlenmonoxidgas, Kohlenmonoxid- Wasserstoff-Gemische, Kokereigase, Tailgase umfassen bzw. sein.
In einer Ausbildung des Verfahrens kann Abgas direkt in den Brennstoffström durch die Injektorwirkung eingesaugt werden. Dadurch wird eine effizientere NOx-Reduktion erzielt.
In einer Ausbildung des Verfahrens können die nach außen gerichteten Injektoransaugdüsen durch die ausströmende Primärluft gekühlt werden. Die thermische Belastung der Injektoransaugdüsen wird dadurch minimiert.
In einer Ausbildung des Verfahrens kann der angesaugte Abgasstrom im Inneren der Injektoransaugdüsen unter die
Kondensationstemperatur (Taupunkt) für die Abgasfeuchte gekühlt werden, wobei Wasser im Abgasstrom auskondensiert und das flüssige Wasser in den Brennstoffström eingebracht wird. Dadurch wird ebenfalls eine geringere Verbrennungstemperatur erreicht, wodurch die thermische NOx-Bildung unterdrückt wird.
In einer Ausbildung des Verfahrens kann Abgas in den Sekundärluftstrom eingesaugt werden und in der Folge ein Luft- Abgas-Gemisch an der Düsenöffnung der Sekundärluft zur Verbrennung mit dem eingedüsten Brennstoff gebracht werden. Das eingebrachte Abgas reduziert die Verbrennungstemperatur und damit die NOx- Emissionen .
In einer Ausbildung des Verfahrens können die Mengen der Stoffströme auf Basis einer starr funktionierenden programmierten Logik oder eines für die jeweiligen Prozessbedingungen individuell antrainierten neuronalen Netzes automatisch für niedrige NOx- und CO-Emissionen gesteuert werden. So können die gesetzlichen Grenzwerte einfach eingehalten werden.
In den Beispielen und den Figuren werden folgende Bezugszeichen verwendet:
1 Zuleitung für Sekundärluft
11 innerstes Rohr der Zuleitung für Sekundärluft lb mittleres Rohr der Zuleitung für Sekundärluft
1c äußerstes Rohr der Zuleitung für Sekundärluft
1d kuppelförmiger Verschluss des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft
1e Überströmkanäle des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft
1f Drallbleche für axiale oder radiale Verdrallung der Sekundärluft
1g Überströmkanal zum ersten Totvolumen
1h Düsenring mit radialen oder radial und axial ausgerichteten Ausströmungsöffnungen
1i Injektoransaugrohre zur Einmischung von Abgas aus dem Brennraum in den Sekundärluftstrom 1j Staublende zur Querschnittsverjüngung in der Rückleitung der Sekundärluft für Injektorsystem zur Einmischung von Abgas in die Sekundärluft
1k äußerer Ringspalt, der durch Rohre lm und ln gebildet ist 1l Ausgang am äußeren der beiden Rohre 1n, die den äußeren Ringspalt lk bilden
1m das innere der beiden Rohre, die den äußeren Ringspalt 1k bilden
1n das äußere der beiden Rohre, die den äußeren Ringspalt 1k bilden
1o Öffnung am inneren der beiden Rohre lm, die den äußeren Ringspalt lk bilden
2 Zuleitung für Brennstoff
2a Zuleitung für Zusatzstoffe
2b Düse auf der Zuleitung für Zusatzstoffe
3 Zuleitung für Primärluft
4 erstes Totvolumen
4a Abschottung
5 Düsenkonstruktion in der Zuleitung für Brennstoff
5a Ringblende mit Löchern
5b Löcher in der Ringblende für BrennstoffZuführung 5c Injektoransaugdüsen mit radial nach außen oder nach innen gerichtete Ansaugdüsen
5d Durchlass für Tertiärluft in der Ringblende
5e integrierte Leitbleche auf den Injektoransaugdüsen
5f Löcher auf der Innenseite der Ringblende zur Abgasansaugung
9 zweites Totvolumen
10 verstellbare Ringblende in der Zuleitung für Primärluft
11 Drallbleche in der Zuleitung für Primärluft
21 Heißgasseitenbereich
22 Außenbereich
Zeichnungen
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Brenners der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Düsenkonstruktion der Erfindung .
Fig. 3 zeigt einen Brenner der Erfindung mit einer axialen Ausströmung der Sekundärluft in den Heißgasbereich.
Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Brenners der Erfindung .
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit Überströmöffnungen und Abschottungen.
Fig. 6 zeigt eine Düsenkonstruktion einer Ausführungsform der Erfindung .
Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung mit integrierten Leitblechen auf den Injektoransaugdüsen.
Fig. 8 zeigt eine wieder andere Ausführungsform der Erfindung mit einer Zuleitung für Zusatzstoffe.
Fig. 9 zeigt noch ein andere Ausführungsform der Erfindung mit Injektoransaugrohren zur Einmischung von Abgas aus dem Brennraum in den Sekundärluftstrom.
Fig. 10 zeigt wieder eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer verstellbaren Ringblende in der Zuleitung für Primärluft.
Fig. 11 zeigt einen gezackten Düsenspalt, der die Sekundärluft sowohl axial als auch radial in Relation zur Längsachse ausströmen lässt.
Fig. 12 zeigt ein Steuerungskonzept zur Regelung des Low-NOx- Brenners.
BEISPIELE
BEISPIEL 1 - Brenner
Ein erfindungsgemäßer Brenner umfasst einen Heißgasseitenbereich 21 und einen Außenbereich 22, eine Zuleitung für Primärluft 3, eine Zuleitung für Sekundärluft 1, eine Zuleitung für Brennstoff 2, wobei die Zuleitung für Sekundärluft 1 drei konzentrisch angeordnete zylindrische Rohre ein innerstes Rohr 1a, ein mittleres Rohr 1b und ein äußerstes Rohr 1c umfasst, wobei: die Zuleitung für Sekundärluft 1 in den Heißgasseitenbereich 21 hineinragt; das innerste Rohr la zum Außenbereich 22 hin offen ist und zur Heißgasseite 21 hin offen ist; das mittlere Rohr 1b konzentrisch um das innerste Rohr la angeordnet ist und einen kuppelförmigen Verschluss ld aufweist,
der das innerste Rohr la auf der Heißgasseite 21 kuppelförmig umschließt, und zum Außenbereich 22 hin verschlossen ist; das mittlere Rohr lb Überströmkanäle le aufweist, die im Außenbereich 22 angeordnet sind, Bohrungen aufweisen und in Richtung des äußersten Rohrs 1c offen sind; das äußerste Rohr 1c zum Außenbereich 22 hin verschlossen ist und zur Heißgasseite 21 hin offen ist und verstellbare Drallbleche lf bei der Öffnung auf der Heißgasseite 21 aufweist, die einen Anstellwinkel von 40° aufweisen; die Zuleitung für Brennstoff 2 konzentrisch um die Zuleitung für Sekundärluft 1 angeordnet ist, die unmittelbar nach Eintritt in den Heißgasseitenbereich 21 endet; wobei ein erstes Totvolumen 4 im Inneren des Brenners zwischen der Zuleitung für Sekundärluft 1 und der Zuleitung für Brennstoff 2 besteht und wobei die Zuleitung für Brennstoff 2 auf der Heißgasseite 21 eine Düsenkonstruktion 5 aufweist, die Folgendes umfasst: eine Ringblende 5a mit Löchern 5b ; radial ausgerichtete Injektoransaugdüsen 5c, die in Fluid- Verbindung mit den Löchern 5b stehen und die an der Ansaugseite über den äußeren Durchmesser der Zuleitung für Primärluft 3 hinausragen; wobei die Löcher 5b in der Ringblende 5a einen Anstellwinkel aufweisen, der 45° beträgt, wobei die Ringblende 5a einen Kegelstumpf ausbildet, der einen Anstellwinkel von 30° aufweist, wobei die Kegelbasis Richtung Außenbereich 22 zeigt; ein zweites Totvolumen 9 zwischen Zuleitung für Sekundärluft 1 und Zuleitung für Brennstoff 2 auf der Seite des Außenbereichs 22 angeordnet ist; die Zuleitung für Primärluft 3 konzentrisch um die Zuleitung für Brennstoff 2 angeordnet ist, die unmittelbar nach Eintritt in den Heißgasseitenbereich 21 endet und Folgendes aufweist: bei der Öffnung auf der Heißgasseite 21 eine konische Verjüngung des Durchmessers, wobei die konische Verjüngung einen Kegelstumpf ausbildet, der einen Winkel von 10° aufweist;
eine verstellbare Ringblende 10 an der der Heißgasseite 21 zugewandten Öffnung der konischen Verjüngung; im Anstellwinkel verstellbare Drallbleche 11, die in einem Winkel von 55° angeordnet sind.
Die Zuleitung für Sekundärluft 1a, 1b, 1c ist in der Länge verschiebbar. Etwa 1/3 der Zuleitung für Sekundärluft 1 ragt in den Heißgasseitenbereich 21 hinein.
Das Verhältnis von Außendurchmesser von innerstem Rohr la der Zuleitung für Sekundärluft : Außendurchmesser von mittlerem Rohr lb der Zuleitung für Sekundärluft : Außendurchmesser von äußerstem Rohr 1c der Zuleitung für Sekundärluft beträgt etwa 1 : 1,8 : 2,6.
Das zweite Totvolumen 9 beträgt etwa 1/5 der Länge der Zuleitung für Sekundärluft 1.
Das Verhältnis von Innendurchmesser der Zuleitung für Brennstoff
2 : Außendurchmesser der Zuleitung für Brennstoff 2 beträgt etwa
1 : 1,4.
Das Verhältnis von Innendurchmesser der Zuleitung für Primärluft
3 : Außendurchmesser der Zuleitung für Primärluft 3 beträgt etwa
1 : 1,3.
Das erste Totvolumen 4 weist Vakuum oder eine thermische Isolierung auf.
BEISPIEL 2 - Brenner mit Überströmkanälen und verstellbarem Düsenring
Der Brenner wie in Beispiel 1 beschrieben ist wie folgt modifiziert: das äußerste Rohr der Zuleitung für Sekundärluft 1c weist Überströmkanäle lg auf, die in das erste Totvolumen 4 münden, und das erste Totvolumen 4 weist Abschottungen 4a auf, die das
erste Totvolumen 4 verkleinern, und die Ringblende 5a ist verstellbar und weist Durchlässe 5d an der Innenseite auf.
BEISPIEL 3 Brenner mit Leitbleichen
Der Brenner wie in Beispiel 1 oder Beispiel 2 beschrieben weist folgende Modifikation auf: die radial ausgerichtete Injektoransaugdüse 5c weist zumindest ein Leitblech 5e auf, das gleich ausgerichtet ist wie das Drallblech 11 in der Zuleitung für Primärluft 3.
BEISPIEL 4 - Brenner mit Düsenring mit radial ausgerichteten Ausströmöffnungen
Der Brenner wie in einem der obigen Beispiele angeführt weist folgende Modifikation auf: das äußerste Rohr der Zuleitung für Sekundärluft 1c weist einen Düsenring 1h mit radial oder radial und axial ausgerichteten Ausströmungsöffnungen beim Auslass in den Heißgasseitenbereich 21 auf.
BEISPIEL 5 - Brenner mit Rohrstücken im kuppelförmigen Verschluss
Der Brenner wie in einem der obigen Beispiele angeführt weist folgende Modifikation auf: in dem kuppelförmigen Verschluss ld des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft 1b sind Rohrstücke 1i angeordnet, die an einem Ende durch den kuppelförmigen Verschluss 1d ragen und am gegenüberliegenden Ende durch eine Staublende 1j ragen.
BEISPIEL 6 - Brenner mit zentraler Zuleitung für Zusatzstoffe
Der Brenner wie in einem der obigen Beispiele angeführt weist folgende Modifikation auf: eine Zuleitung für Zusatzstoffe 2a ist zentral entlang der Brennerachse angeordnet und ragt durch den kuppelförmigen Verschluss des mittleren Rohrs der Zuleitung für
Sekundärluft ld, welche Zuleitung 2a auf dem Heißgasseitenbereich 21 eine Düse 2b aufweist.
BEISPIEL 7 - Verfahren
In einen Brenner wie in einem der Beispiel 1 bis 6 beschrieben wird Sekundärluft in die Zuleitung für Sekundärluft 1 eingeleitet, wobei durch die Drallbleche 1f die Sekundärluft verdrallt wird; Brennstoff in die Zuleitung für Brennstoff 2 eingeleitet, wobei durch die Löcher in der Ringblende 5a der Brennstoff in einem nach außen gerichteten Anstellwinkel in die verdrallte Primärluft eingedüst wird;
Primärluft in die Zuleitung für Primärluft 3 eingeleitet, wobei durch die Drallbleche 11 die Primärluft verdrallt wird.
Der Anteil an Sekundärluft beträgt 40 Vol.-% und der Anteil an Primärluft 60 Vol.-% der gesamten, für die Verbrennung notwendigen Luft.
Die Gesamtluftzahl für die Summe aus Primär- und Sekundärluft λ beträgt etwa 1,1.
Die Primärluft und Sekundärluft ist ein Luft-Abgas-Gemisch.
Der Brennstoff ist Erdgas.
Abgas wird direkt in den Brennstoffström durch die Injektorwirkung eingesaugt .
Die nach außen gerichteten Injektoransaugdüsen 5c werden durch die ausströmende Primärluft gekühlt.
Die Mengen der Stoffströme werden auf Basis einer starr funktionierenden programmierten Logik für niedrige NOx- und CO- Emissionen gesteuert.
Claims
Patentansprüche :
1. Brenner, umfassend einen Heißgasseitenbereich (21) und einen Außenbereich (22), eine Zuleitung für Primärluft (3), eine Zuleitung für Sekundärluft (1), eine Zuleitung für Brennstoff (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung für Sekundärluft (1) drei konzentrisch angeordnete zylindrische Rohre (ein innerstes Rohr (1a), ein mittleres Rohr (1b) und ein äußerstes Rohr (1c)) umfasst, wobei: die Zuleitung für Sekundärluft (1) in den Heißgasseitenbereich (21) hineinragt; das innerste Rohr (1a) zum Außenbereich (22) hin offen ist und zur Heißgasseite (21) hin offen ist; das mittlere Rohr (1b) konzentrisch um das innerste Rohr (1a) angeordnet ist und einen kuppelförmigen Verschluss (1d) aufweist, der das innerste Rohr (1a) auf der Heißgasseite (21) kuppelförmig umschließt, und zum Außenbereich (22) hin verschlossen ist; das mittlere Rohr (1b) Überströmkanäle (1e) aufweist, die im Außenbereich (22) angeordnet sind, Bohrungen aufweisen und in Richtung des äußersten Rohrs (1c) offen sind; das äußerste Rohr (1c) zum Außenbereich (22) hin verschlossen ist und zur Heißgasseite (21) hin offen ist und verstellbare Drallbleche (1f) bei der Öffnung auf der Heißgasseite (21) aufweist, die einen Anstellwinkel von 15° bis 80° aufweisen; wobei gegebenenfalls in dem kuppelförmigen Verschluss (ld) des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft (1b) Rohrstücke (1i) angeordnet sind, die an einem Ende durch den kuppelförmigen Verschluss (1d) ragen und am gegenüberliegenden Ende durch eine Staublende (1j) ragen; die Zuleitung für Brennstoff (2) konzentrisch um die Zuleitung für Sekundärluft (1) angeordnet ist, die unmittelbar nach Eintritt in den Heißgasseitenbereich (21) endet;
wobei ein erstes Totvolumen (4) im Inneren des Brenners zwischen der Zuleitung für Sekundärluft (1) und der Zuleitung für Brennstoff (2) besteht und wobei die Zuleitung für Brennstoff (2) auf der Heißgasseite
(21) eine Düsenkonstruktion (5) aufweist, die Folgendes umfasst: eine Ringblende (5a) mit Löchern (5b); radial ausgerichtete Injektoransaugdüsen (5c), die in Fluid- Verbindung mit den Löchern (5b) stehen und die an der Ansaugseite über den äußeren Durchmesser der Zuleitung für Primärluft (3) hinausragen; wobei die Löcher (5b) in der Ringblende (5a) einen Anstellwinkel aufweisen, der 0° - 60 °, vorzugsweise 10° - 45°, insbesondere 45°, beträgt, wobei die Ringblende (5a) einen Kegelstumpf ausbildet, der einen Anstellwinkel von 0° - 70°, vorzugsweise 20° - 45°, aufweist, wobei die Kegelbasis Richtung Außenbereich (22) zeigt; ein zweites Totvolumen (9) zwischen Zuleitung für Sekundärluft (1) und Zuleitung für Brennstoff (2) auf der Seite des Außenbereichs
(22) angeordnet ist; die Zuleitung für Primärluft (3) konzentrisch um die Zuleitung für Brennstoff (2) angeordnet ist, die unmittelbar nach Eintritt in den Heißgasseitenbereich (21) endet und Folgendes aufweist: bei der Öffnung auf der Heißgasseite (21) eine konische Verjüngung des Durchmessers, wobei die konische Verjüngung einen Kegelstumpf ausbildet, der einen Winkel von 0° - 20° aufweist; eine verstellbare Ringblende (10) an der der Heißgasseite (21) zugewandten Öffnung der konischen Verjüngung; im Anstellwinkel verstellbare Drallbleche (11), die in einem Winkel von 10° bis 90°, vorzugsweise 40° - 70°, angeordnet sind.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung für Sekundärluft (1a, 1b, 1c) in der Länge verschiebbar ist, wobei das Rohr-in-Rohr-System zur Zuleitung der
Sekundärluft mit einer Länge L in den Brennraum hineinragt, wobei die Länge L entsprechend der Beziehung L = D * f mit D = Außendurchmesser der PrimärluftZuleitung und f einen Wert von 0 ≤ f ≤ 3 annehmen kann, oder etwa 1/3 der Zuleitung für Sekundärluft (1) in den Heißgasseitenbereich (21) hineinragt.
3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von ADi : ADm : ADa etwa 0,7-1,3 : 1,26-2,34 : 1,82-3,38, vorzugsweise etwa 1 : 1,8 : 2,6, beträgt, wobei ADi für den Außendurchmesser des innersten Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft (1a) steht,
ADm für den Außendurchmesser des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft (1b) steht und
ADa für den Außendurchmesser des äußersten Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft (1c) steht.
4. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von IDZ : ADZ etwa 0,7-1,3 : 0,98-1,82, vorzugsweise etwa 1 : 1,4, beträgt, wobei IDZ für den Innendurchmesser der Zuleitung für Brennstoff (2) steht und
ADZ für den Außendurchmesser der Zuleitung für Brennstoff (2) steht.
5. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von IDP : ADP etwa 0,7-1,3 : 0,91-1,69, vorzugsweise etwa 1 : 1,3, beträgt, wobei IDP für den Innendurchmesser der Zuleitung für Primärluft (3) steht und
ADP für den Außendurchmesser der Zuleitung für Primärluft (3) steht.
6. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußerste Rohr der Zuleitung für Sekundärluft (1c)
Überströmkanäle (lg) aufweist, die in das erste Totvolumen (4) münden, und das erste Totvolumen (4) Abschottungen (4a) aufweist, die das erste Totvolumen (4) verkleinern, und die Ringblende (5a) verstellbar ist und Durchlässe (5d) an der Innenseite aufweist.
7. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial ausgerichtete Injektoransaugdüse (5c) zumindest ein Leitblech (5e) aufweist, das gleich ausgerichtet ist wie das Drallblech (11) in der Zuleitung für Primärluft (3).
8. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußerste Rohr der Zuleitung für Sekundärluft (1c) einen Düsenring (1h) mit radial oder radial und axial ausgerichteten Ausströmungsöffnungen beim Auslass in den Heißgasseitenbereich (21) aufweist .
9. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Brennstoff führenden Ringblende (5a) einen nach außen gerichteten Konus aufweist, über den die Primärluft strömt.
10. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ringblende (5a) auf der Innenseite Löcher (5f) angeordnet sind, die in Fluid-Verbindung mit den Löchern in der Ringblende (5b) stehen.
11. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuleitung für Zusatzstoffe (2a) zentral entlang der Brennerachse angeordnet ist und durch den kuppelförmigen Verschluss des mittleren Rohrs der Zuleitung für Sekundärluft (1d) ragt, welche Zuleitung (2a) auf dem Heißgasseitenbereich (21) eine Düse (2b) aufweist.
12. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnungen der Rohrstücke (1i) an der Seite der Staublenden (1j) durch einen in der Längsrichtung verstellbaren Kegel (Ventil) verengbar sind.
13. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Ringspalt (1k) durch zwei Rohre (1m, 1n), die den Brenner außen umgeben, ausgebildet ist, wobei das innere der beiden Rohre (1m) eine Öffnung (1o) aufweist und das äußere der beiden Rohre (1n) einen Ausgang (11) aufweist.
14. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13 Sekundärluft in die Zuleitung für Sekundärluft (1) eingeleitet wird, wobei durch die Drallbleche (1f) die Sekundärluft verdrallt wird;
Brennstoff in die Zuleitung für Brennstoff (2) eingeleitet wird, wobei durch die Löcher in der Ringblende (5a) der Brennstoff in einem nach außen gerichteten Anstellwinkel in die verdrallte Primärluft eingedüst wird;
Primärluft in die Zuleitung für Primärluft (3) eingeleitet wird, wobei durch die Drallbleche (11) die Primärluft verdrallt wird; wobei gegebenenfalls der Anteil an Sekundärluft 20-50 Vol.-% und der Anteil an Primärluft 50-80 Vol.-% der gesamten, für die Verbrennung notwendigen Luft beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtluftzahl für die Summe aus Primär- und Sekundärluft λ etwa 1,0 bis 2,0, vorzugsweise etwa 1,0 bis 1,5, insbesondere etwa 1,0 bis 1,1, beträgt; und/oder die Sauerstoffkonzentration in der Sekundärluft und Primärluft von 21 Vol.-% bis 100 Vol.-% beträgt; und/oder die Primärluft und Sekundärluft ein Luft-Abgas-Gemisch, ein Luft- Sauerstoff-Gemisch oder ein Abgas-Sauerstoff-Gemisch ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Stickstoffverbindungen, gasförmige Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Biogase, Kohlenstaub-Luft- Gemische, Schwefelwasserstoffe, Kohlenmonoxidgas, Kohlenmonoxid- Wasserstoff-Gemische, Kokereigase, Tailgase oder Gemische davon umfasst .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass
Abgas direkt in den Brennstoffström durch die Injektorwirkung eingesaugt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen gerichteten Injektoransaugdüsen (5c) durch die ausströmende Primärluft gekühlt werden; wobei gegebenenfalls der angesaugte Abgasstrom im Inneren der Injektoransaugdüsen (5c) unter die Kondensationstemperatur (Taupunkt) für die Abgasfeuchte gekühlt wird, wobei Wasser im Abgasstrom auskondensiert und das flüssige Wasser in den Brennstoffström eingebracht wird.
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---|---|---|---|
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