NO315483B1 - Fremgangsmåte for å redusere nitröse oksider ved forbrenning, samt brennerfor utförelse av fremgangsmåten - Google Patents

Abstract

Forbrenning av gassformet brennstoff henholdsvis gass/flytende brennstoffblanding i en brenner med en brenneroverflate (1) til forbrenningsdysen henholdsvis brennere anordnete flammeboringer (3). Flammeboringene (3) er i det minste delvis anordnet i form av et trekantformet hullmønster. Avstanden (a) mellom boringene og boringsdiameteren (D) er dimensjonert slik at forholdet mellom avstand og boringsdiameter (a/D) inntar en verdi i området fra ca. 2 til ca. 4.

Description

Oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte samt brenner for gassformet brennstoff henholdsvis gass/flytende brennstoffblanding med i brenneroverflaten anordnet flammeboringer, en fremgangsmåte for å redusere nitrogenoksid ved forbrenning av gassformet eller flytende gassformet brennstoff, som angitt i innledningen til de respektive selvstendige patentkravene 1 og 10.

Ved nyutvikling av fyringsanlegg, spesielt av fyringsanlegg for gass formede brennstoffer henholdsvis gass/flytende brennstoffblandinger er følgende prinsipielle krav stilt som skal oppfylles, som økonomien, optimal virkningsgrad og spesielt produksjon av utstråling av skadelige stoffer, så som nitrogenoksid, karbonmonoksid og ikke forbrente hy-drokarboner.

Det skal spesielt henvises til artikkelen "Entwicklung eines schadstoffarmen Vormisch-brenners fur den Einsatz in Haushaltsgasheizkesseln mit zylindrischen Brennkammem", i Gaswårme International, band 38 (1989), hefte 1, sidene

28 - 34 av H. Berg og Th. Janemann.

Videre er det blitt foreslått et uttall av tekniske løsninger for reduksjon av nitrogenok-sidfrembringelsen, idet det gassformede brennstoffet henholdsvis brennstoffblandingen iblandes før i løpet av forbrenningen med resirkulert avgasser henholdsvis røykgasser for å redusere hydrogenandelene. Derved blir det tilveiebrakt en temperaturreduksjon i den ved forbrenningen frembrakte flamme hvorved dannelse av nitrogenoksider kan bli redusert henholdsvis nesten forhindret. Da spesielt forbrennere, som f.eks. den beskre-vet i EP-A-218 mellom 602 med forskjellige regulerbare brenneffekter også den tillagte mengde med avgasser henholdsvis røykgass, må varieres henholdsvis styres, utgjør dette en relativt komplisert styring. Dette er nødvendig da ellers flammetemperaturen blir for lav eller for høy i avhengighet av med hvilken brenneffekt brenneren drives.

US-3 061 001 beskriver en brenner for gassformede brennstoffer, der det i brenneroverflaten er anordnet flammeboringer, hvorved minst en del av boringen er anordnet i formen av et likesidet triangel. Oppgaven til anordningen i dette patentskriftet består i å forhindre tilbakeslag av flammer i boringene, noe som på den ene siden oppnås ved at boringene i utstrakt grad er oppfylt med brennstoffblanding, og ved at brenneroverflaten avkjøles ved hjelp av konstruktive foranstaltninger. Publikasjonen tar ikke opp proble-met med å redusere skadelige avgasser, og foreslår heller ingen løsning på dette. IUS-3 936 003 blir det forelått en brenneroverflate hvor de enkelte flammeboringene er anordnet i avstand fra hverandre slik at mellom flammene tiltrekkes avgassene henholdsvis røykgassen fra flammeroten. Derved blir rett nok foreslått å føre avgassene i en resyklus hvor flammene i flammeroten ikke avkjøles, men heller blir ytterligere opp-varmet. Rett nok blir det derved tilveiebrakt en mulig flammestabilitet, men samtidig vil andelen av nitrogenoksid i avgassene økes ytterligere, noe som er uønsket.

IW095/23315 foreslås anordninger av flammeboringene i forhold til hverandre slik at mellom flammene blir avgassene henholdsvis røykgassene tilbaketrukket mot flammeroten. Rett nok blir det i denne publikasjonen gått ut fra spesielle forhold, idet den her foreslåtte metoden egner seg spesielt for høyreaktive forbrenningsgasser, som f.eks. for hydrogen/meranblanding, inneholdende mer enn 90 % hydrogen. En slik brennstoffblanding foreligger som regel ikke ved forbrenning av vanlig brennstoff i fyringsanlegg.

Det er derfor en oppgave ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og brenner hvor det på en enkel måte kan foregå en tildosering, henholdsvis tilblanding av avgasser, henholdsvis røykgasser, og eventuelt også ved forskjellig innstilte brenner-effekter.

Ifølge foreliggende oppfinnelse løses denne oppgaven ved hjelp av en fremgangsmåte og en brenner av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av de respektive selvstendige patentkravene 1 og 10.

Fordelaktige utførelser av fremgangsmåten og brenneren fremgår av de respektive uselvstendige patentkravene 2 - 9 og 11.

Som kjent er det ved egnet valg av brenneroverflate, mulig å bestemme spesielt flam-medannelsen i alle detaljer. Dette angår spesielt fenomenet flammestabilitet, karbonmonoksid og nitrogenoksidutstråling. Ved utgangen av en fluidstråle, f.eks. en gass/luftblanding fra en åpning, som et rør eller hull, dannes det en fri stråle. Denne suger til seg omgivelsesmediet og blander seg med dette, som i det påfølgende er vist nærmere med henvisning til fig. 1. Ved parallelle fristråler påvirker disse seg gjensidig og det forekommer, i avhengighet av den karakteristiske størrelsen på strålebunten, til en forandret utpreging av utsugingen.

Blir nå, som i tilfellet av brennstoffet, fluidstrålen tent, så dannes det parallelle enkeltflammer. Da også disse flammene dannes av enkeltfluid-stråler, blir omgivelsesmediet sugd inn i flammen. Den opprinnelige rene brennstoffZ-luftblandingen blander seg fra området ved flammeroten ved brenneroverflaten med omgivelsesmediet. Da det ved denne omgivelsen av flammen utelukkende er tilstede avgass, oppstår en innblanding av det stort sett oksygenfrie mediet (oksygenkonsentrasjon i avgassen kun ca. 1 - 6 %).

Hovedtanken ved foreliggende oppfinnelse består altså i å tilveiebringe at avgassen i brennstoff/luftblandingen blandes i fra omgivelsen hvorved det oppnås en drastisk reduksjon i dannelsen av nitrogenoksider. Derved bortfaller nødvendigheten av å suge bort fra et brennkammer ved hjelp av rørledninger, styremekanismer og lignende avgasser å tilføre dem brennstoffgass- henholdsvis gassblandingen før disse forbrennes over brenneroverflaten.

Spesielt ved overflatebrennere tilveiebringes et større antall av ovenfor nevnte lignende, i det minste nærmest parallelle enkeltflammer. Som kjent, består brenneroverflaten av enkelte hull, og overraskende kunne nå ifølge den foreliggende oppfinnelse ved hjelp av valg av egnet geometri så vel som med hensyn til de enkelte hullene som også i forhold til hverandre, muliggjøres en aktiv innstilling av flammestrukturen, ved hjelp av hvilke utsendingen av karbonmonoksid og nitrogenoksider ble minimalisert. Det er altså ikke nødvendig med noen ytterligere tilleggsapparater, røykgassledninger, osv., kun i en egnet utforming av brenneroverflaten er det mulig å omsette den ovenfor nevnte grunnidé ved foreliggende oppfinnelse. Derved har det vist seg at fortrinnsvis velges et trekantformet hullmønster, idet flammeboringen i form er tilordnet i det minste nærmest likesidige trekanter

Ifølge en foretrukket utførelsesvariant av brennerrøret ifølge foreliggende oppfinnelse, er dette utformet lengdeforskyvbart i aksialretningen. I denne sammenheng skal det igjen vises til EP-A-218 602 ved hvilke innbefattes en brenner med brennerrør som er opplagret forskyvbart i sin lengderetning. Som kjent krever realiseringen av en forbrenning med liten utstråling optimalisering av forbrenningsprosessen. For en stasjonær fremgangsmåte utgjør tilførsel og utførsel av stoffer, energi og impulser en prinsipiell del. Samtidig er reaksjonskinetiske effekter, som flammestabilitet, skadelig stoffdan-nelser, etc. viktig å ta hensyn til. Som optimalisering forstås et system med egnet varia-sjon av driftsparametre og geometri for å bringe til en ønsket tilstand. Da driftsparame-teme stort sett er gitt av de stilte kravene, må geometrien varieres. Dette blir tilveiebrakt ved en brenner ved utforming av brenneroverflaten på den ovenfor beskrevne form så vel som ved en aksial lengdeforskyvning av denne, som kjent fra EP-A-218 602. Det skal her bemerkes at forbrenningsrommet henholdsvis varmekjelen blir ikke variert. Ved en høy effektmodulasjonsbrenner, som f.eks. 1:10, fører dette til et brennkammer som i et ekstremt tilfelle er overdimensjonert med en størrelsesorden. Ut fra varmeveks-lerteknisk henseende er dette sikkert en fordel da avgasstapene minimaliseres. Forbren-ningsteknisk fører dette imidlertid til en flammeutforming som ligger langt fra det optimale da flammene ikke får noen stabiliserende effekt via brennkammeret.

Den foreslåtte fremgangsmåten og brenneren ifølge foreliggende oppfinnelse egner seg spesielt for overflatebrennere.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til figurene, hvor: Fig. 1 viser skjematisk i snitt parallelle fristråler, slik som de som dannes som regel ved forbrenning av gassformede brennstoffer.

Fig. 2 viser hullmønster ifølge foreliggende oppfinnelse på en brenneroverflate.

Fig. 3 viser et snitt i en utførelsesvariant av et brennerrør ifølge foreliggende oppfinnelse, innbefattende et tilleggsbrennerrør for drift av et såkalt grunnlasttrinn. Figur 1 viser skjematisk to parallelle fristråler 5, som f.eks. kan være to tente fluidstrå-ler. Disse tilveiebringes ved at et gassformet brennstoff føres gjennom flammeboringer 3 på en overflate 1 i et brennkammer 2 for forbrenning. Fortrinnsvis ved flammeroten 7 blir ved hjelp av det i brennkammeret 2 innstrømmende gass, sugd inn omgivelsesgass i brennstoffgassblandingen og blandet med denne. For at sammenblandingen av avgasser for omgivelsen ifølge oppfinnelsen skal foregå på en optimal måte, dannes en brenneroverflate fortrinnsvis i samsvar med et hullmønster, jfr. fig. 2. Figur 2 viser en brenneroverflate 1, innbefattende et uttall av flammeboringer henholdsvis enkelte huller 3, som er anordnet slik at hvert hull i forhold til hvert av sine direkte nabohuller har et identisk, fortrinnsvis tilsvarende en likesidet trekant eller tilnærmet lik avstand. Avstanden mellom hullene i fig. 2 blir betegnet med "a" og diameteren til hullene med "D".

Utgående fra enhetsligloven i strømlæren (II Theorem av Buckingham) er det mulig å utlede nøyaktig dimensjonsløse karakteristiske tall, som er relevante for den av enkelt-strålene tilsugde mengde av omgivelsesmedium. Dette er Reynoldske tall 111, så vel som det dimensjonsløse forholdet Fh, fra avstanden a til diameteren D.

Der betyr u hastigheten til det for boringen utstrømmende medium, f.eks. gass/luft og

v = kinematisk viskositet til mediet.

Det har i lenger tid vært kjent at ved resirkulasjon av avgass, er dannelsen av termisk nitrogenoksid svært sterkt reduserbart. Det skal i denne sammenheng vises til publikasjonen av H. Dreher, "Abgasrezirkulation zur Stickoxidminerung - Bestimmung der Rezirkulationsrate in Brenner/Kessel-Kombinationen mittels numerischer Stimulation", ETH Ziirich, 1994. Tidligere metoder anvendte, som ovenfor nevnt, for dette enten rør-ledninger så vel som en røykgassvifte for å føre på nytt avgassen fra brennkammeret eller kaminen til brenneren eller en venturidyse slik at med luftstrålen til brenneren su-ges avgassen direkte ut fra brennkammeret.

Foreliggende oppfinnelse anvender for avgassirkulasjonen kun optimale utforminger av brenneroverflaten (hullanordningen) som allerede nevnt. Derved har for den optimale utformingen av hullmønsteranordningen i brenneroverflaten til en mindre strålende overflatebrenner den følgende likesidede trekanten eller lignende mønster med følgende parametere vist seg som fordelaktig:

Foretrukne parameterverdier eller størrelser har vist seg som verdier a/D fra 2 til 4 henholdsvis fra 2,2 til 3,5, mens verdien for diameteren D er avhengig av effekten til brenneren.

På fig. 3 er et snitt av et brennerrør 4 vist, som innbefatter på den ene siden en brenneroverflate 1 med hullmønster ifølge foreliggende oppfinnelse så vel som en ytterligere anordning for dannelse av et såkalt grunnlasttrinn. Brennerrøret 4 kan i aksial retning være lengdeforskyvbart (pil) på brennkammerveggen 21 og bevegelsen inne i brennkammeret eller ut av brennkammeret 2. I avhengighet av brennerrørets 4 stilling er et uttall av de i brennkammeret 2 anordnede huller 3 frilagt, eller lukket. Ved bevegelse av brennerrøret er det mulig å variere dri ftsparameterne henholdsvis effekten til brenneren. Samtidig blir imidlertid brennkammeret henholdsvis varmekjelen ikke variert. Den således frembrakte effektmodulasjonsbredden gir et brennkammer, som i ekstremtilfellet er overdimensjonert med størrelsesorden. Spesielt i de tilfellene hvor brennerrøret er trukket lengst ut av brennkammeret 2, fører dette til en flammeform som ligger langt fra den optimale, da flammene ikke får noen stabiliserende effekt som følge av brennkammeret. Av denne grunn blir nå ifølge oppfinnelsen foreslått et såkalt grunnlasttrinn, som tilveiebringer det nødvendige "brennkammer" for å stabilisere flammen og således mu-liggjør optimalisering av forbrenningen. Det foreslåtte brennkammeret for flammen i små effektområder er anordnet på frontsiden av brennerrøret 4 og betegnet med henvis-ningstall 18. Dette brennkammeret 18 for grunnlasttrinnet blir på den ene siden dannet ved hjelp av et ytterligere frontsidig ved brennerrøret 4 anordnet ytterligere brennerrør 24, idet det på brennoverflaten 26 til dette røret igjen er anordnet flammeboringer henholdsvis huller 28 i samsvar med hullmønsteret ifølge foreliggende oppfinnelse. Disse boringene 28 har derved fortrinnsvis en mindre diameter D enn diameteren til boringen 3 i overflaten 1 til brennerrør 4. Frontsidig på dette ytterligere brennerrør 24 er anordnet en nedre aksial begrensning 25, som fortrinnsvis er fremstilt av et materiale som gløder. Av dette samme materialet er fortrinnsvis også den øvre ringformede begrensningen 31 fremstilt, som er anordnet ringformet aksialt om det ytterligere brennerrør 24, tildekken-de frontsiden av brennerrørets 4 sylinderbunnsoverflate. Dette brennkammer 18, som befinner seg i det lille effektområdet, av brennerrøret 4, beveges med. Det fremkommer også altså ikke noen relativbevegelse av brenner og brennkammer i det minste effektområdet. Størrelsen på grunnlasttrinnet kan strekke seg fra ca. 5 - 30 % av fullasten fortrinnsvis 5 -10 %. Utformingen av brenneroverflaten til det ytterligere brennerrør 24 henholdsvis det såkalte grunnlasttrinnet foregår ved hjelp av det samme ovenfor beskrevne mønster som anvendes for hovedbrenneroverflaten 1. Parametervalget til mønsteret a/D, D kan foregå forskjellig for grunnlast og hovedbrenneroverflate. Ved at den øvre og nedre begrensning av grunnlasttrinnet fortrinnsvis består av et glødbart materiale, tilveiebringes ved hvert tidspunkt, også når flammen slukkes lokalt eller innsta-sjonært (typisk fenomen turbulente flammer) oppvarmes den forbistrømmende gassen og blir tent på nytt. Dette muliggjør en tilnærmet karbonmonoksid fri drift, også ved grunnlast.

Fordelen av utformingen av en brenner ifølge fig. 3 ligger i sikringen av optimalisering-en av flammeutformingen ved alle effektmodulasjonsområdene og derved oppretthol-delse av ekstrem liten utstråling av karbonmonoksid og nitrogenoksid. Derved er det imidlertid også mulig å forsyne en brenner med brenneroverflaten ifølge foreliggende oppfinnelse og drive dem med forskjellige effekter uten at for sikring av optimal utstrå-lingsverdi er ikke størrelsen av brennkammeret vesentlig henholdsvis det er også mulig med optimale utstrålingsverdier ved overdimensjonerte brennkammer.

For ikke sirkelrunde huller med den av hullflaten dannede sammenligningskretsdiameter beregnes etter formelen:

Djq ekvivalenter (sammenlignings-)diameter

A2 = tverrsnittsflate til de enkelte hullene.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å redusere nitrøse oksider ved forbrenning av gasser eller gassakti-geJ flytende brennstoff eller brennstoffblanding i en brennerdyse eller brennerrør med flammeboringer, hvor de tente fluidstrålene er anordnet atskilt slik at det omgivende mediet som inneholder avfallsgasser eller røkgasser blir uttrukket/ekstrahert i området av flammeroten for å redusere flammetemperaturen, karakterisert ved at i det minste noen av flammeboringene er anordnet i formen av likesidige triangler, hvor diameteren (D) til flammeboringene ligger i størrelsesorden 3 til 10 mm og forholdet mellom avstanden (a) mellom boringene og boringsdiameteren (D), dvs. forholdet (a/D) ligger i et område på 2 til 4.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at et hovedsakelig sylindrisk brennerrør opereres eller drives med flammeboringer anordnet i den sylindriske veggen.

3. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at brennerrøret blir operert eller drevet longitudinalt mobilt i den aksiale retningen.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 eller 3, karakterisert ved at brennerrøret blir operert eller drevet som en hoved-brenner og at det i, eller på, den sylindriske basisen som lukker det sylindriske brenner-røret og springer konsentrisk frem fra dette, blir operert/drevet et ytterligere brennerrør med mindre diameter for å danne et basislasttrinn.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 4, karakterisert ved at forholdet (a/D) til flammeboringene anordnet i et ytterligere brennerrør eller basislasttrinnet ligger i det samme størrelsesorden som forholdet (a/D) til hovedbrenneroverflaten eller brennerrøroverflaten.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 5, karakterisert ved at diameteren (D) til boringene i et ytterligere bren-nerrør eller basislasttrinnet er mindre enn diameteren til boringene i hovedbrenneroverflaten.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 6, karakterisert ved at et ytterligere brennerrør eller basislasttrinnet er tilformet sylindrisk med en frontlukkebasis eller frontbegrensning som er tilformet slik at den springer frem radielt over sylinderveggen, med en diameter som korresponderer omtrent med diameteren til brennerrøret eller hovedbrenneren, og at den frie overflaten til sylinderbasisen til hovedbrenneren eller brennerrøret som overlapper denne overflaten er anordnet som en ringlignende vegg, hvor lukkebasisen og den ringlignende veggen fortrinnsvis er laget av et materiale som gløder med brennerdrift, slik som for ek-sempel platestål, keramikk eller tilsvarende.

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 7, karakterisert ved at stort sett ren brenngass/luftblanding som opprinne-lig passerer gjennom flammeboringen fra området til flammeroten, blir blandet med hovedsakelig oksygenfritt medium.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 8, karakterisert ved at for å kontrollere eller styre den aktive brenneroverflaten i den aksiale retningen blir brennerrøret forflyttet inn i eller ut av et brennerkam-mer eller varmekammer hvorpå basislasten til brennerrøret blir forflyttet maksimalt opp til sylinderlukkebasisen fra brenneren eller varmekammeret og således i det laveste fre-kvensområdet til forbrenningen til brennstoffet som finner sted bare ved hjelp av fronten som springer frem ytterligere fra brennrøret eller basislasttrinnet.

10. Brenner for utførelse av fremgangsmåten ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 9, karakterisert ved at minst noen av flammeboringene er anordnet i formen av likesidede triangler, hvor forholdet mellom boringsavstanden (a) og boringsdiameteren (D), dvs. forholdet (a/D) har en størrelse i området 2 til 4, og diameteren (D) til flammeboringen ligger i størrelsesområdet på 3 til 10 mm.

11. Brenner ifølge krav 10, karakterisert ved at forholdet (a/D) har en størrelse i området fra 2,2 til 3,5.