SE532338C2 - Förfarande samt anordning för förbränning av bränsle i fast fas - Google Patents

Description

532 338 en så diffus förbränningszon att en synlig flamma väsentligen saknas, och därmed åstadkomma lägre förbränningstemperaturer.

Således vore det önskvärt att åstadkomma ett sätt att för- bränna fastfasbränsle med hög verkningsgrad vars förbrän- ningsprodukter innehåller låga halter NOX.

Föreliggande uppfinning löser de ovan beskrivna problemen.

Således hänför sig uppfinningen till ett förfarande för att förbränna ett bränsle i fast fas, ett där bränslet med hjälp av icke~pneumatiskt matningsorgan bringas att matas fram till ett inmatningshål i en brännaranordning, där brännaran- ordningen bringas att innefatta ett första inlopp för oxidant genom. vilket, via en första tillförselledning, en oxidant bringas att strömma ut, genom ett brännarrör och vidare ut genom en brännarmynning till ett förbränningsutrymme, så att oxidanten genom att föras ejektorverkan bringar bränslet genom brännarröret och ut genom brännarmynningen, och utmärks av att det första inloppet för oxidant bringas att anordnas i form av en öppning som omger inmatningshålet, av att oxidan- ten bringas att strömma ut genom öppningen med en hastighet avs åtminstone 100 m/s och av kombinationen att oxidanten bringas att utgöras av åtminstone 80 viktsprocent syrgas samt dels att den mängd oxidant som. per tidsenhet bringas att strömma ut genom det första inloppet bringas att vara under- stökiometrisk i förhållande till den mängd bränsle som bring- as att matas fram till inmatningshålet så att den genom brän- narröret strömmande förbränningsblandningen är understökio- metrisk, och dels att ytterligare oxidant bringas att tillfö- ras till förbränningsblandningen i ett steg som bringas att vara anordnat nedströms om brännarröret. 532 338 Vidare hänför sig uppfinningen till en anordning av den typ och med de huvudsakliga särdrag som anges i kravet 13.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj, med hänvisning till exemplifierande utföringsformer av uppfinningen och den bifogade ritningen, där: Figur 1 är en schematisk vy över en brännaranordning enligt föreliggande uppfinning.

Figur 1 visar en brännaranordning 10 enligt föreliggande uppfinning vilken brännaranordning är lämplig för att tilläm- pa ett förfarande enligt föreliggande uppfinning. Brännaran- ordningen 10 är monterad i väggen i en industriugn 20, och är riktad så att ett med brännaranordningen 10 associerat för- bränningsutrymme 18 förefinns i ugnens 20 uppvärmda volym 21.

Industriugnen 20 kan användas för att värma olika material, till exempel glas, stål, icke järnhaltiga metaller och kera- miska material. Det är även möjligt att använda en brännaran- ordning enligt föreliggande uppfinning i exempelvis värme-, elkraft- eller värmekraftverk, i vilka den från brännaranord- ningen 1O alstrade värmen utnyttjas som till exempel fjärr- värme och/eller omvandlas till elektricitet.

Ett matningsorgan 11 i form av en skruvmatare eller motsva- rande är anordnat att mata fram en förutbestämd mängd bränsle i fast fas, exempelvis kolpulver, till ett inmatningshål lla, anordnat inne i brännaranordningen 10. Matningsorganet 11 kan även vara utformat på andra sätt, men det är föredraget att det inte är pneumatiskt drivet.

Ett tillförselsystenl 12 för oxidant förgrenas i en första tilloppsledning 13, en andra tilloppsledning 14 samt en tred- 532 338 je tilloppsledning 15 för oxidant. En i. sig» konventionell regleranordning 19 är anordnad att reglera tillförseln av oxidant genom tillförselsystemet 12.

Den första tilloppsledningen 13 mynnar i ett första inlopp, anordnat i form av en öppning l3a som omger inmatningshålet lla. Inmatningshålet lla och öppningen l3a mynnar i ett och samma brännarrör 16. strömmar oxidanten ut Med andra ord genom öppningen l3a och bränslet förs fram till inmatningshå- let lla, varvid oxidant och bränsle möts i brännarröret 16.

Enligt en föredragen utföringsform omger öppningen l3a inmat- ningshàlet lla pà ett symmetriskt sätt, företrädesvis i form av en cirkelsymmetrisk, smal öppning som löper periferiskt utmed inmatningshålet lla.

Enligt en annan föredragen utföringsform omger öppningen l3a inmatningshålet lla på ett sätt som inte är cirkelsymmet- riskt, så att öppningen l3a är bredare eller större vid in- matningshålets lla undre del än vid dess övre del. Detta tillåter större volym oxidant per tidsenhet att strömma genom öppningen l3a vid inmatningshålets lla undre del, vilket i sin tur möjliggör lägre frammatningshastighet hos bränslet med bibehållen riktning hos den resulterande flamman in i ugnen 20. Öppningen l3a kan omsluta inmatningshålet lla helt, alterna- tivt omge inmatningshålet lla i form av ett antal hål, sar eller dylikt, slit- så att öppningen l3a inte helt omsluter inmatningshàlet lla.

Brännarröret 16 löper fram till en brännarmynning 17, som vetter ut mot förbränningsutrymmet 18. Enligt en mycket före- dragen utföringsform är brännarrörets 16 längd mellan cirka 4 532 338 och 6 gånger inmatningshålets lla invändiga diameter, helst cirka 5 gånger. Detta förhållande har visat sig medföra myck- et goda förbränningsegenskaper hos brännaranordningen 10.

Oxidanten strömmar ut genom öppningen l3a med hög hastighet, 100 m/s, Detta skapar en ejektorverkan, som drar med företrädesvis åtminstone åtminstone ännu hellre ljudhastigheten. sig fastfasbränslet. Blandningen av oxidant och bränsle, vilket bränsle sprids och transporteras med hjälp av strömmen av oxidant, strömmar därefter längs med brännarröret 16 fram till, och ut genom, mynningen 17.

Mot brännarrörets 16 slut finns en gradvis ökande förträng- ning l6a, vilken medför att brännarrörets 16 invändiga diame- ter vid mynningen 17 är mellan 2% och 30% mindre än vid öpp- ningen l3a. l3a, Dimensionerna för inmatningshålet lla, öppningen brännarröret 16 och förträngningen l6a är anpassade för den specifika tillämpningen, speciellt med avseende på effek- ten hos brännaranordningen 10. Speciellt dimensioneras för- trängningen l6a för att åstadkomma en specifik slutlig has- tighet med vilken blandningen av oxidant och bränsle strömmar ut genom mynningen 17. Denna hastighet beror bland annat på förbränningsutrymmets 18 geometri och önskade förbrännings- egenskaper, och väljs utifrån de aktuella förutsättningarna och syftena.

Således förs fastfasbränslet fram till förbränningsutrymmet 18 utan behov av en separat, inert bärgas. Istället används oxidanten själv som bärgas. Detta medför att inget ballastma- terial måste värmas, vilket ökar brännaranordningens 10 verk- ningsgrad. 532 338 Enligt en föredragen utföringsform är vidare den mängd oxi- dant som per tidsenhet strömmar ut genom öppningen 13a under- stökiometrisk i förhållande till den mängd bränsle som bring- as att matas fram till inmatningshålet lla. Med andra ord är den genom brännarröret 16 strömmande förbränningsblandningen understökiometrisk.

När blandningen närmar sig förbränningsutrymmet 18 kan den komma att antändas redan i brännarröret 16, på grund av stràlningsvärmen från förbränningsutrymmet 18. Denna förbrän- ningsreaktion kommer emellertid, på grund av det ovan be- skrivna understökiometriska förhållandet och det faktum att ingen ytterligare kvävgas tillförs i form av bärgas, leda till bildandet av bland annat CO på bekostnad av bildandet av NOX.

Enligt en föredragen utföringsform strömmar ytterligare oxi- dant, via den andra tilloppsledningen 14, ut genom ett eller flera andra utlopp 14a för oxidant. Detta eller dessa andra utlopp 14a är anordnade vettande mot förbränningsutrymmet 18 och i omedelbar närhet till brännarmynningen 17. Med uttryck- et ”i omedelbar närhet till brännarmynningen 17” avses häri att utloppet eller utloppen l4a och brännarmynningen 17 är anordnade så nära varandra att förbränningsblandningen och den ytterligare oxidanten väsentligen omedelbart blandas med varandra för att gemensamt bilda en enda, sammanhängande flamma i förbränningsutrymmet 18.

Den mängd ytterligare oxidant som strömmar ut genom utloppet eller utloppen 14a väljs så att den sammanlagda mängden till- förd oxidant och mängden tillfört bränsle uppnår stökiomet- risk jämvikt. 532 338 I den flamma som således uppstår i förbränningsutrymmet 18 förbränns ännu ej förbränt bränsle i förbränningsblandningen som strömmar ut från brännarröret 16, men även ofullständigt oxiderade föreningar såsom CO. Denna förbränning kan ske vid en förhållandevis låg, kontrollerad temperatur, eftersom viss recirkulation med ugnsatmosfären uppstår i flamman på grund av den via utloppen l4a ytterligare tillförda oxidanten.

Detta medför att flamman ökar i storlek och blir mer diffus, vilket sänker den maximala förbränningstemperaturen och där- med även bildandet av NOX-föreningar.

Det är vidare föredraget att den ytterligare oxidanten ström- mar ut genom utloppet eller utloppen l4a med en hastighet av åtminstone ljudhastigheten. Detta medför att recirkulationen ökas kraftigt i förbränningsutrymmet 18, med de ovan angivna fördelarna.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform strömmar yt- terligare oxidant, via den tredje tilloppsledningen 15, ut genom ett eller flera, tredje utlopp l5a för oxidant, vilket eller vilka är anordnade vettande in mot förbränningsutrymmet 18 och på avstånd från brännarmynningen 17.

Med uttrycket ”på avstånd från brännarmynningen 17” avses häri att avståndet mellan. utloppet eller utloppen 15a och brännarmynningen 17 är anordnade på sådant avstånd ifrån varandra att den från utloppet eller utloppen 15a strömmande, ytterligare oxidanten inte omedelbart blandas med förbrän- ningsblandningen som strömmar ut genom brännarmynningen 17, utan att dessa två eller flera strömmar blandas först ett stycke ut i förbränningsutrymmet 18 från brännarmynningen 17 sett. 532 338 I vissa tillämpningar är det föredraget att utloppet eller utloppen l5a är anordnade väsentligen parallellt med brännar- rörets 16 längsgående axel.

I andra tillämpningar, speciellt där brännaranordningen 10 är förhållandevis stor och ugnsutrymmet 21 är förhållandevis begränsat, är det föredraget att utloppet eller utloppen 15a är anordnade så att den ytterligare oxidanten strömmar ut i förbränningsutrymmet 18 med en vinkel i förhållande till den riktning i vilken förbränningsblandningen strömmar ut ur mynningen 17, så att strömmarna får en gemensam skärnings- punkt ett stycke ut från mynningen 17.

Enligt en föredragen utföringsform är utloppet eller utloppen 15a så belägna och vinklade i förhållande till brännarrörets 16 längsgående axel att en sammanhängande flamma bildas i förbränningsutrymmet 18.

Det är vidare föredraget att den ytterligare oxidanten ström- mar ut genom utloppet eller utloppen l5a med en hastighet av åtminstone ljudhastigheten. Detta medför att recirkulationen ökas kraftigt i förbränningsutrymmet 18, i förekommande fall i och kring den punkt i vilken strömmarna av förbrännings- blandning och ytterligare oxidant möts. Detta medför att flamman blir än mer diffus, och med lägre topptemperaturer, det är på detta sätt möjligt att åstadkomma flamlös förbrän- ning, vilket bland annat medför minskad produktion av NOX- föreningar. Dessutom sprids värmen från förbränningsreaktio- nen jämnare i utrymmet 18.

Det är även möjligt att låta ytterligare oxidant strömma ut genom en kombination av både ett eller flera utlopp 14a an- ordnade i omedelbar närhet av brännarmynningeno 17 och ett 532 338 eller flera utlopp 15a anordnade på avstånd från brännarmyn- ningen 17, så länge som den sammantaget tillförda oxidanten väsentligen står i stökiometrisk jämvikt med det tillförda bränslet. Mängdförhållandet mellan strömmen av oxidant genom utloppen l4a, 15a, dessas inbördes geometriska positionering och vinkling, deras respektive strömningshastigheter, etc. avgörs från fall till fall beroende på aktuella förutsätt- ningar och syften. Önskas en ndndre, mer väldefinierad flamma, används främst inloppet eller inloppen 14a. Önskas, à andra sidan, en flam- lös förbränning, används främst inloppet eller inloppen 15a.

Det är även möjligt att låta tilloppsledningarna 13, 14, 15 vara anslutna till två eller flera tillförselsystem, varvid olika typer av oxidant kan tillföras genom. öppningen 13a respektive de ytterligare tilloppen 14a, 15a. I detta fall kan regleranordningen 19 vara anordnad att reglera tillför- seln av oxidant till de olika tilloppsledningarna 13, 14, 15, alternativt kan flera olika regleranordningar 19 användas parallellt.

Genom att använda en brännaranordning 10 enligt föreliggande uppfinning är det möjligt att som oxidant använda en gas med högre syrgasinnehåll än exempelvis luft utan att detta resul- terar i alltför höga lokala förbränningstemperaturer. Således är det föredraget att oxidanten utgörs av åtminstone 80 viktsprocent syrgas, ännu hellre åtminstone 95 viktsprocent syrgas. Detta medför att verkningsgraden hos brännaranord- ningen 10 ökar. Trots detta ökar alltså inte mängden bildad NOK, genom att förbränningstemperaturen hålls nere med hjälp av den recirkulation i förbränningsutrymmet 18 som beskrivits ovan. 532 338 Ovan har föredragna utföringsformer beskrivits. Emellertid är det uppenbart för fackmannen att många förändringar kan göras av de beskrivna utföringsformerna utan att frångâ uppfinning- ens tanke. Sålunda skall uppfinningen inte vara begränsad av de beskrivna utföringsformerna, utan kan varieras inom ramen för de bifogade kraven.

Claims (15)

10 15 20 25 30 532 338 ll P A T E N T K R. A 'V

1. l. Förfarande för att förbränna ett bränsle i fast fas, där bränslet med hjälp av ett icke-pneumatiskt matningsorgan (ll) fram. till ett (10), bringas att matas (118) i en (10) att innefatta ett första inlopp för oxidant genom vilket, via (13), en (16) till ett förbränningsutrymme inmatningshål brännaranordning där brännaranordningen bringas en första tillförselledning oxidant bringas att strömma ut, genom ett brännarrör (17) och vidare ut genom en brännarmynning (18), så att oxidanten att föras (17), genom ejektorverkan bringar bränslet (16) k ä n n e t e c k n a t genom brännarröret och ut genom brännarmynningen a v att det första inloppet för oxidant bringas att anordnas i form av en öppning som omger inmatningshàlet (lla), av att oxidanten bringas att strömma ut genom öppningen (l3a) med en hastighet av åtminstone lO0 m/s och av kombinationen att oxidanten bringas att utgöras av åtminstone 80 viktsprocent syrgas samt dels att den. mängd oxidant som per tidsenhet bringas att strömma ut genom det första inloppet bringas att vara understökiometrisk i förhål- lande till den mängd bränsle som bringas att matas fram till (lla) så (16) strömmande förbränningsblandningen är understökiometrisk, och inmatningshàlet att den genom brännarröret dels att ytterligare oxidant bringas att tillföras till för- bränningsblandningen i ett steg som bringas att vara anordnat nedströms om brännarröret (16).

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att öppningen (l3a) bringas att omge inmatningshàlet (lla) på ett cirkelsymmetriskt sätt.

3. Förfarande enligt krav l, (l3a) k ä n n e t e c k n a t a v att öppningen bringas att omge inmatningshålet (lla) på 10 15 20 25 30 532 338 12 ett (l3a) sätt som inte är cirkelsymmetriskt, så att öppningen är bredare eller större vid inmatningshålets (lla) undre del än vid inmatningshålets (lla) övre del.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, k ärzn e- t e c k n a t a v att inmatningshålets (lla) diameter bring- (16) mellan inmatningshålet (lla) och brännarmynningen (17). as att vara mellan 1/6 och 1/4 av brännarrörets längd

5. Förfarande enligt något av .föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t a v att oxidanten bringas att strömma genom det första inloppet (13a) med en hastighet av åtminstone ljudhastigheten.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, k äx1n.e - t e c k n a t a v att brännarröret (16) bringas vara utfor- (l6a), (16) invändiga diameter vid brännarmynningen (17) är mellan 2% och mat med en förträngning så att brännarrörets 30% mindre än vid det första inloppet (l3a).

7. Förfarande enligt något av' föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t a v att ytterligare oxidant bringas att ström- ma, via en andra ytterligare tilloppsledning (14), ut genom ett andra och ytterligare utlopp (l4a) för oxidant, anordnat mot förbränningsutrymmet (18) och i omedelbar närhet till brännarmynningen (17).

8. Förfarande enligt något av :föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t a v att ytterligare oxidant bringas att ström- ma, via en tredje ytterligare tilloppsledning (15), ut genom ett tredje och ytterligare utlopp (l5a) för oxidant, anordnat mot förbränningsutrymmet (18) (17). och på avstånd från brännarmyn- ningen 10 15 20 25 30 532 338 13

9. Förfarande enligt krav 8, (l5a) anordnat med en vinkel i k ä n n e t e c k n a t a_v att det tredje utloppet för oxidant bringas att vara förhållande till den riktning i vilken den utströmmande blandningen av bränsle och oxidant kan strömma ut ur brännarmynningen (17), så att strömmen av oxidant ut ur det tredje utloppet (l5a) bringas att möta strömmen av blandningen på ett visst avstånd från brännarmyn- ningen (17).

10. Förfarande enligt något av kraven 7 - 9, k ä n n e - t e c k n a t a v att åtminstone en ström av ytterligare oxidant bringas att strömma ut ur ett ytterligare utlopp (14a;15a) med åtminstone ljudhastigheten.

11. Anordning för förbränning av ett bränsle i fast fas, där ett icke-pneumatiskt matningsorgan (11) är anordnat att mata bränslet fram till ett inmatningshål (lla) i en brännaranord- (10), (10) förselsystem som är anordnat att tillföra oxidant ning där brännaranordningen innefattar ett till- (12:19) till brännaranordningen (10) via en första tillförselledning (13) (13a) tillförselsystemet (12;l9) är anordnat att tillföra oxidanten genom ett brännarrör och ett första inlopp för oxidant, genom vilket (16) och vidare ut genom en brännarmyn- ning (17) till ett förbränningsutrymme (18), och därmed föra bränslet, genom. ejektorverkan på grund av oxidantströmmen, (16) (17), k ä n n e t e c k n a d (13a) genom brännarröret och ut genom brännarmynningen a v att det första inloppet för oxidant är anordnat i form av en öppning som omger inmat- ningshålet (lla), av att tillförselsystemet (l2;l9) är anord- nat att tillföra oxidanten genom det första inloppet (13a) i en ström med en hastighet av åtminstone 100 m/s, och av kom- binationen att oxidanten är anordnad att utgöras av åtminsto- 10 15 20 25 30 532 338 14 ne 80 viktsprocent (12;l9) het genom det första inloppet (13a) syrgas och dels att tillförselsystemet är anordnat att tillföra en mängd oxidant per tidsen- som är understökiometrisk i förhållande till den mängd bränsle son1 matas fram till (lla) så (16) inmatningshålet att den genom brännarröret strömmande förbränningsblandningen är understökiometrisk, och dels att en tillförselanordning för oxidant är anordnad att tillföra ytterligare oxidant till förbränningsblandningen i ett steg anordnat nedströms om brännarröret (16).

12. Anordning enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d a v att inmatningshålets (16) (lla) diameter är mellan 1/6 och 1/4 av brännarrörets (lla) längd mellan inmatningshàlet och brännarmynningen (17).

13. Anordning enligt krav 11 eller 12, (12;l9) k ä n n e t e c k n a d a v att tillförselsystemet är anordnat att reglera den mängd oxidant som per tidsenhet strömmar ut genom det första inloppet (13a) så att detta är understökiometriskt i förhållande till den mängd bränsle som matas fram till inmat- (lla), (12;19) är anordnat att tillföra en ytterligare ström av oxidant, ningshàlet och av att tillförselsystemet via åtminstone en ytterligare tilloppsledning (14;15), ett (l4a;15a) anordnat mot förbränningsutrymmet (18), ut genom åtminstone ytterligare utlopp för oxidant, så att den sammanlag- da mängden tillförd oxidant stökiometriskt kan motsvara mäng- den tillfört bränsle.

14. Anordning enligt krav 13, k å n n e t e c k n a t av att ett ytterligare utlopp (14a;15a) för oxidant är anordnat med en vinkel i förhållande till riktningen för den utström- mande blandningen av bränsle och oxidant, så att strömmen av oxidant ut ur det ytterligare utloppet (l4a;15a) är anordnad 10 532 338 15 att möta strömmen av blandningen på ett visst avstånd från brännarmynningen (17).

15. Anordning enligt något av kraven ll - 14, k ä n n e - t e c k n a d (16) så att brännarrörets (17) än vid det första inloppet (l3a). av (16a), är utformat med en (16) att brännarröret invändiga dia- och 30% förträngning meter vid brännarmynningen mindre är mellan 2%