DE60108711T2

DE60108711T2 - Vormischbrenner mit niedrigem NOx-Ausstoss und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE60108711T2
Application number: DE60108711T
Authority: DE
Inventors: Demetris Claremore Venizelos; Robert R. Collinsville Hayes; Richard T. Broken Arrow Waibel; Wesley R. Tulsa Bussman; Roger Beggs Poe
Original assignee: John Zink Co LLC; John Zink Co
Current assignee: John Zink Co LLC; Zinklahoma Inc
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: ES2234782T3; CA2364221A1; DE60108711D1; BR0105747B1; EP1211458B1; US20020064740A1; AR034275A1; CA2364221C; JP2002206709A; US6616442B2; EP1211458A3; EP1211458A2; BR0105747A; JP3833522B2; MXPA01012301A; SA01220572B1; KR20020042450A; KR100554636B1; AU8731501A; TW550363B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennervorrichtungen mit geringer NO_x-Erzeugung und Verfahren und insbesondere NO_x-arme axiale Vormischbrennervorrichtungen und Verfahren.
Aufgrund der Einführung von strengen Umweltemissionsstandards durch die staatlichen Behörden und Organisationen, sind bisher Brennervorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, die die Bildung von Stickoxiden (NO_x) in Abgasen, die durch das Verbrennen von Brennstoff-Luft-Gemischen erzeugt werden, unterdrücken. Zum Beispiel sind Brennervorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, bei denen flüssiger oder gasförmiger Brennstoff in einer weniger als stöchiometrischen Luftkonzentration verbrannt wird, um die Flammentemperatur zu reduzieren und dadurch thermisches NO_x zu verringern. Das heißt, dass gestufte Luftverbrennungsvorrichtungen und Verfahren entwickelt wurden, bei denen der Brennstoff unter einem Luftmangel in einer ersten Verbrennungszone verbrannt wird, wodurch eine reduzierende Umgebung, die die NO_x-Bildung unterdrückt, erzeugt wird, und der verbleibende Luftanteil in eine zweite, der ersten Zone nachgeschalteten Zone eingeleitet wird, in der der nicht verbrannte, verbleibende Brennstoff verbrannt wird.
Es sind auch gestufte Brennstoffbrennervorrichtungen entwickelt worden, bei denen die ganze Luft und etwas Brennstoff in einer ersten Zone verbrannt wird, wobei der verbleibende Brennstoff in einer zweiten, nachgeschalteten Zone verbrannt wird. Bei solchen gestuften Brennstoffbrennervorrichtungen und Verfahren wirkt ein Luftüberschuss in der ersten Zone als Verdünnungsmittel, das die Temperatur der verbrennenden Gase verringert und dadurch die NO_x-Bildung reduziert.
Während bisher gestufte Brennstoffbrenner, die Abgase mit niedrigen NO_x-Niveaus erzeugen, verwendet wurden, gibt es einen anhaltenden Bedarf an verbesserten axialen Vormischbrennervorrichtungen mit hohen Brennleistungen, die Abgase mit ultraniedrigen NO_x-Emissionsniveaus erzeugen, und an Verfahren zur Verwendung der Vorrichtungen.
Die WO 99/66261 offenbart einen Brenner, der in der Lage ist, mit reduzierten CO- und NO_x-Emissionen betrieben zu werden, umfassend ein Venturi-Rohr, das so angeordnet ist, dass ein Luftstrom durch den Brenner und in die Verbrennungskammer gelenkt wird. Die EP 0 562 710 A2 offenbart einen Gasbrenner mit geringer NO_x-Bildung, umfassend eine feuerfeste Brennerkachel mit angebrachten Mitteln, um einen Teil des Brenngases mit der Luft zu mischen und das Gemisch in eine primäre Brennzone abzugeben. Die EP 0 751 343 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Reduktion von NO_x-Emissionen in einem Gasbrenner, umfassend eine Umwälzeinrichtung zum Mischen von verbrauchten Gasen mit sekundärer Luft im Ofen.
Durch die vorliegende Erfindung werden NO_x-arme axiale Vormischbrennervorrichtungen und Verfahren zur Verfügung gestellt, die die oben beschriebenen Erfordernisse erfüllen und die Mängel des Standes der Technik überwinden. Das heißt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung eine NO_x-arme axiale Vormischbrennervorrichtung zum Verbrennen von Brenngas zur Verfügung gestellt wird, die an einer Öffnung in einem Ofenraum angebracht werden kann, umfassend:
ein Gehäuse mit einem Auslassende, das an der Öffnung im Ofenraum angebracht ist, und einem geschlossenen gegenüberliegenden Ende;
Mittel zum Einbringen von Luft in das daran angebrachte Gehäuse;
eine Brennerkachel mit einer hindurchführenden Öffnung, die am Auslassende des Gehäuses angebracht oder anderweitig im Ofenraum benachbart der darin befindlichen Öffnung angeordnet ist;
mindestens einen länglichen Venturi-Mischer für Primärbrenngas und Luft, der in dem Gehäuse angeordnet ist und ein offenes Einlassende, das benachbart dem geschlossenen Ende des Gehäuses angeordnet ist, und eine Auslassdüse für ein Primärbrenngas-Luft-Gemisch, die an dessen anderem Ende angebracht ist, aufweist;
eine erste Primärbrenngasdüse, die mit einer Quelle von unter Druck stehendem Brenngas verbunden und so angeordnet ist, dass sie einen Primärbrenngasstrahl in das offene Einlassende des länglichen Venturi-Mischers abgibt, wodurch Luft aus dem Inneren des Gehäuses in den Mischer gezogen und mit dem darin befindlichen Primärbrenngas gemischt wird und das sich ergebende Primärbrenngas-Luft-Gemisch durch die Auslassdüse abgegeben und in der Brennerkachel und im Ofenraum verbrannt wird;
eine zweite Primärbrenngasdüse, die mit einer Quelle von unter Druck stehendem Brenngas verbunden und in der Brennerkachel zur Abgabe von zusätzlichem Primärbrenngas in die Flamme angeordnet ist, die durch das Verbrennen des Primärbrenngas-Luft-Gemischs erzeugt wird, um die Flamme zu stabilisieren; und
mindestens eine Sekundärbrenngasdüse, die mit einer Quelle von unter Druck stehendem Brenngas verbunden und so angeordnet ist, dass sie Sekundärbrenngas in dem Ofenraum abgibt, wodurch sich das Sekundärbrenngas mit Luft und Abgasen im Ofenraum mischt und darin verbrannt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abgabe eines zumindest im Wesentlichen stöchiometrischen Gemischs aus Brenngas und Luft in den Ofenraum zur Verfügung gestellt, wobei das Gemisch verbrannt wird und Abgase mit niedrigem NO_x-Gehalt daraus gebildet werden, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Mischen eines ersten Teils des Brenngases und der ganzen Luft, um ein mageres Primärbrenngas-Luft-Gemisch zu bilden;
(b) Abgeben des mageren Primärbrenngas-Luft-Gemischs in den Ofenraum, wodurch das Gemisch in einer primären darin befindlichen Verbrennungszone verbrannt wird und Abgase mit niedrigem NO_x-Gehalt daraus gebildet werden;
(c) Abgeben eines zweiten Teils des Brenngases in die primäre Verbrennungszone, wodurch der zweite Teil des Brenngases mit Luft gemischt und verbrannt wird, um die darin erzeugte Flamme zu stabilisieren; und
(d) Abgeben des verbleibenden Teils des Brenngases in eine sekundäre Verbrennungszone in dem Ofenraum, wobei der verbleibende Teil des Brenngases sich mit im Ofenraum verbliebener Luft und mit darin enthaltenen Abgasen mischt, um ein zweites Brenngas-Luft-Gemisch zu bilden, das mit Abgasen verdünnt ist, wonach das Gemisch in der sekundären Verbrennungszone verbrannt wird und zusätzliche Abgase mit niedrigem NO_x-Gehalt daraus gebildet werden.

Die Flamme, die in der primären Verbrennungszone durch das Verbrennen des mageren primären, gemäß Schritt (a) abgegebenen Brenngas-Luft-Gemischs erzeugt wird, kann wahlweise mit einem Flammenstabilisierungsblock im Ofenraum in Kontakt gelangen.
Es ist daher ein allgemeiner Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, NO_x-arme axiale Vormischbrennervorrichtung und Verfahren zum Verbrennen eines zumindest im Wesentlichen stöchiometrischen Gemischs aus Brenngas und Luft zur Verfügung zu stellen, wodurch Abgase mit einem sehr niedrigen NO_x-Gehalt daraus gebildet werden.
Andere und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind dem Fachmann nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht ersichtlich.
Die Erfindung wird nun mittels eines nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine Seitenansicht der Brennervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, die an einen Ofenraum angebracht ist;
2 eine Endansicht der Brennervorrichtung entlang der Linie 2-2 der 1 ist;
3 eine Ansicht des gegenüberliegenden Endes der Brennervorrichtung entlang der Linie 3-3 der 1 ist;
4 eine Querschnittsansicht der Brennervorrichtung entlang der Linie 4-4 der 3 ist.
Die vorliegende Erfindung stellt einen NO_x-armen axialen Vormischbrenner zur Verfügung, der eine hohe Wärmefreisetzung und eine hohe Brennerwirksamkeit vorsieht und gleichzeitig eine sehr geringe NO_x-Bildung beibehält. Die Brennervorrichtung kann eine sehr hohe Brennleistung, eine Vielfalt von Flammenformen, eine ausgezeichnete Stabilität und sehr geringe, die gewünschten Leistungsanforderungen erfüllende NO_x-Emissionen erzielen. Die Brennervorrichtung kann dazu verwendet werden, dass ein Brennen horizontal entlang einem Ofenboden, vertikal eine Ofenwand hinauf oder in einem Winkel entlang einer Ofenwand erfolgt. Andere Vorteile der Brennervorrichtung und Verfahren der vorliegenden Erfindung sind dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
Die NO_x-arme axiale Brennervorrichtung der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen veranschaulicht und ist allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Brenner 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einem offenen Auslassende 14 und einem geschlossenen gegenüberliegenden Ende 16. Wie in der 1 veranschaulicht, kann das offene Ende 14 des Gehäuses 12 mit einer Öffnung 18 in einer Wand 20 eines Ofens verbunden sein. Wie für den Fachmann nachvollziehbar ist, weist die Ofenwand 18 im Allgemeinen eine Innenschicht aus Isolationsmaterial 22 auf, und die Wand 20 und das Isolationsmaterial 22 begrenzen einen Ofenraum 24, in dem Brennstoff und Luft verbrannt werden, um heiße Abgase zu bilden.
Wie in der 2 gezeigt ist, ist ein Lüftungsgitter abdichtend über einer Öffnung (nicht gezeigt) in einer Seite des Gehäuses 12 zum Einbringen einer gesteuerten Menge an Luft in das Gehäuse 12 angebracht. Das Lüftungsgitter 26 umfasst Klappen 28 oder dergleichen, die mittels eines Handgriffs 29 eingestellt werden können, um die Menge an Luft, die da hindurch und in das Gehäuse 12 strömt, zu steuern.
Eine Brennerkachel, die allgemein mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist, ist an dem offenen Einlassende 14 des Gehäuses 12 angebracht und erstreckt sich in den Ofenraum 24 hinein, wie in den 1 und 4 gezeigt ist. In einer alternativen Anordnung kann die Brennerkachel 28 in dem Ofenraum 24 abdichtend über der Öffnung 18 in der Wand 20 des Ofenraums 24 angebracht angeordnet sein. Die Brennerkachel 28 besteht aus einem wärme- und flammfesten Keramikmaterial und kann als einzelnes Teil geformt oder aus mehreren Teilen gebildet sein, wie in den 1 und 3 gezeigt ist. Die Brennerkachel 28 weist zwei Öffnungen 30 (3) auf, um Auslassdüsen 32 aufzunehmen, die mit einem Paar Venturi-Mischem für Brenngas- und Luft, die nachfolgend näher beschrieben werden, verbunden sind. Die Öffnungen 30 und die Auslassdüsen 32 sind von der Seiten- und Bodenwänden 34, 36, 38 und 40 der Brennerkachel 28 umgeben. Der Mittelteil der Brennerkachel 28, der die Auslassdüsen 32 umgibt, weist eine Öffnung 42 auf. Ein Flammenstabilisierungsblock 44 kann auch wahlweise an der Bodenwand 38 der Brennerkachel 28 angebracht oder anderweitig benachbart dazu angeordnet sein.
Wie in den 1, 3 und 4 gezeigt ist, sind ein Paar Venturi-Mischer 46 für Brenngas- und Luft axial in dem Gehäuse 12 angeordnet. Die länglichen Venturi-Mischer 46 weisen jeweils ein offenes Ende 48 auf, das benachbart dem geschlossenen Ende 16 des Gehäuses 12 angeordnet ist, wobei das andere Ende mit einer zuvor erwähnten Auslassdüse 32 verbunden ist. Die Auslassdüsen 32 sind in einem leichten Winkel so angeordnet, dass die Brenngas- und Luft-Gemische durch die Düsen 32 abgegeben werden und die Flamme, die aus deren Verbrennung resultiert, in Richtung auf den Flammenstabilisierungsblock 44 vorstehen gelassen wird, wenn dieser verwendet wird. Jeder der Venturi-Mischer 46 weist eine einstellbare Lufttüranordnung an dessen offenem Einlassende auf, die generell mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist (1). Steuerhandgriffe 52, die ein Teil der Anordnungen 50 bilden, werden dazu verwendet, die Luft, die in die Venturi-Mischer 46 gelangt, zu steuern und auszugleichen.
Wie am besten in den 1 und 4 gezeigt ist, befindet sich in dem Gehäuse 20 ein geschlossener Raum, der allgemein mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet und über der Öffnung 18 im Ofenraum 24 abdichtend angebracht ist. Der geschlossene Raum 54 weist eine Öffnung 56 (4) auf, und eine Tür 58 ist mit einem Scharnier an dem Raum 54 über der Öffnung 56 angebracht. Die Tür 58 ist mit einer Stange 60 verbunden, die wiederum mit einem Steuerhandgriff verbunden ist, der an der Außenseite des geschlossenen Endes des Gehäuses 12 zum Öffnen und Schließen der Tür 58 angebracht ist. Wenn die Tür 58 geöffnet wird, strömt Luft vom Inneren des Gehäuses 12 durch die Öffnung 56 in den geschlossenen Raum 54 und strömt dann durch die Öffnung 42 in der Brennerkachel 28 in den Ofenraum 24. Obwohl die Tür 58 dazu verwendet werden kann, eine gesteuerte Rate an Sekundärluft in den Ofenraum 24 einströmen zu lassen, wird sie normalerweise nur benutzt, wenn die Brenngas-Luft-Gemische, die von den Venturimischern 46 abgegeben werden, zuerst entzündet werden, wie nachfolgend beschrieben ist.
Ein Paar Primärbrenngasdüsen 64 ist an dem geschlossenen Ende 16 des Gehäuses 12 angebracht und so angeordnet, dass Primärbrenngasstrahlen in die offenen Enden 48 der Venturi-Mischer 46 abgegeben werden (in der 1 sind nur eine der Düsen 64 und ein Venturi-Mischer 46 gezeigt). Jede der Primärbrenngasdüsen 64 ist über eine Leitung 66 mit einem Brenngasverteiler 68 verbunden, wie in den 1 und 2 gezeigt ist. Wie für den Fachmann nachvollziehbar ist, bewirken die Primärbrenngasstrahlen, die in die offenen Enden 48 der Venturi-Mischer 46 abgegeben werden, dass Luft aus dem Inneren des Gehäuses 12 in die Venturimischer 46 gezogen wird, wodurch die Luft mit dem abgegebenen Primärbrenngas gemischt wird, und die sich ergebenden Gemische die Venturi-Mischer 46 durch die daran angebrachten Auslassdüsen 32 verlassen. Die Auslassdüsen 32 weisen eine Mehrzahl von Öffnungen auf, die so ausgeführt sind, dass sie den gesamten Ausgangsbereich versorgen, was notwendig ist, damit die Brenngas-Luft-Gemische aus den Venturi-Mischern durch die Auslassdüsen strömen. Wie für den Fachmann gut nachvollziehbar ist, haben die Auslassdüsen 32 weiterhin einen solchen Aufbau, dass sichergestellt ist, dass der Brenner 10 ohne das Auftreten eines Flammenrückschlags betrieben werden kann.
Ein Paar Sekundärbrenngasdüsen (gestufte Brenngasdüsen) 70 sind am Ende der Brennerkachel 28 im Ofenraum 24 angeordnet. Die Sekundärbrenngasspitzen 70 sind über und auf gegenüberliegenden Seiten der beiden Brenngas-Luft-Gemisch-Auslassdüsen 32 angeordnet, und die Düsen 70 sind so ausgerichtet, dass das Sekundärbrenngas in eine sekundäre, der primären Verbrennungszone nachgeschaltete Verbrennungszone im Ofenraum 24 abgegeben wird.
Die Flamme, die durch das Verbrennen der Primärbrenngas-Luft-Gemische erzeugt wird, die aus den Düsen 32 abgegeben werden, trifft auf den Flammenstabilisierungsblock 44 auf, wenn dieser verwendet wird, was zu einem Erwärmen des Blocks führt, wodurch die Flamme stabilisiert und eine Mischzone in der primären Verbrennungszone im Ofenraum 24 eingerichtet wird. Weil die Primärbrenngas-Luft-Gemische, die in die primäre Verbrennungszone abgegeben werden, einen Überschuss an Luft enthalten, haben die Abgase, die in der primären Verbrennungszone erzeugt werden, einen sehr niedrigen NO_x-Gehalt. Das Sekundärbrenngas, das durch die Sekundärbrenngasdüsen 70 in die sekundäre Verbrennungszone abgegeben werden, wird mit der Luft, die im Ofenraum verbleibt, und mit den darin enthaltenen Abgasen zu einem zweiten mit Abgasen verdünnten Brenngas-Luft-Gemisch gemischt, das in der sekundären Verbrennungszone verbrannt wird, wodurch zusätzlich Abgase mit sehr niedrigem NO_x-Gehalt gebildet werden. Die Sekundärbrenngasdüsen 70 sind über Leitungen 72 mit dem Gehäuse 12 und über Leitungen 74 außerhalb des geschlossenen Endes 16 des Gehäuses 12 mit dem Brenngaseinlassverteiler 68 verbunden.
Um die Flamme, die in der primären Verbrennungszone erzeugt wird, zusätzlich zur Flammenstabilisierung, die durch den Stabilisierungsblock 44 zustande gebracht wird, wenn dieser verwendet wird, weiter zu stabilisieren, wird eine Primärbrenngasdüse 76 benachbart den Primärbrenngas-Luft-Auslassdüsen 32 angeordnet. Das heißt, dass die Primärbrenngasdüse 76 unter und zwischen den Auslassdüsen 32 angeordnet ist, wie am besten in der 3 zu sehen ist. Die Primärbrenngasdüse 76 ist über eine Leitung 78 mit dem Gehäuse 12 und eine Leitung 80 außerhalb des Gehäuses 12 mit dem Brenngaseinlassverteiler 68 verbunden. Das Primärbrenngas, das durch die Brenngasdüse 76 in die primäre Verbrennungszone abgegeben wird, wird mit Luft in der primären Verbrennungszone gemischt und bildet darin ein Brenngas-Luft-Gemisch, das im Wesentlichen stöchiometrisch ist. Das Verbrennen dieses Gemischs in der primären Verbrennungszone wirkt dahingehend, dass die gesamte erzeugte Flamme stabilisiert wird.
Eine Leitung 82 zum Erleichtern der Zündung der Primärbrenngas-Luft-Gemische, die durch die Venturi-Mischer-Auslassdüsen 32 abgegeben werden, ist durch das geschlossene Ende 16 des Gehäuses 12 und weiter hindurch und abdichtend in den geschlossenen Raum 54. Eine Abdecktür ist am Gehäuse 12 über dem äußeren Ende der Leitung 82 angebracht. Wie für den Fachmann nachvollziehbar ist, wird ein Fackelzünder durch die Leitung 82 in den geschlossenen Raum 54 und durch die Öffnung 42 eingeführt, um das Primärbrenngas-Luft-Gemisch, das die Düsen 32 verlässt, zu entzünden. Vor dem Einführen des Fackelzünders wird die Lufttür 58 im geschlossenen Raum 54 geöffnet, um sicherzustellen, dass Brenngas vor dem Entzünden nicht in den geschlossenen Raum 54 gelangt.
Wie für den Fachmann nachvollziehbar ist, kann die Brennervorrichtung je nach den von der Brennervorrichtung 10 zu erfüllenden Aufbaubedingungen ein oder mehr Venturi-Mischer für Primärbrenngas und Luft, ein oder mehr erste Primärbrenngasdüsen zum Einspritzen von Primärbrenngas in den Venturi-Mischer oder die Venturi-Mischer, ein oder mehr zweite Primärbrenngasdüsen zum Stabilisieren der Flamme in der primären Verbrennungszone und ein oder mehr Sekundärbrenngasdüsen zum Einführen von Brenngas in die sekundäre Verbrennungszone aufweisen. Weiter kann ein einzelner Venturi-Mischer für Primärbrenngas und Luft mit einer Mehrzahl von Primärbrennstoffdüsen verwendet werden, um zu bewirken, dass Luft in den Venturi-Mischer eingezogen wird.
Die Verfahren, die mit der Brennervorrichtung der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, d.h. die Verfahren zum Abgeben eines zumindest im Wesentlichen stöchiometrischen Gemischs aus Brenngas und Luft in einen Ofenraum, in dem das Gemisch verbrannt wird und Abgase mit einem sehr niedrigen NO_x-Gehalt daraus gebildet werden, umfassen im Wesentlichen die folgenden Schritte:
(a) ein erster Teil des Brenngases (auf den hier als Primärbrenngas Bezug genommen wird) und die ganze Luft werden in den Venturi-Mischern 46 gemischt, um magere Pimärbrenngas-Luft-Gemische zu bilden; (b) die mageren Primärbrenngas-Luft-Gemische werden in den Ofenraum 24 abgegeben, wonach die Gemische in einer primären Verbrennungszone verbrannt werden, die erzeugte Flamme wahlweise mit einem Flammenstabilisierungsblock 44 in dem Ofenraum 24 in Kontakt gelangt und dadurch stabilisiert wird und Abgase mit einem sehr niedrigen NO_x-Gehalt daraus gebildet werden; (c) ein zweiter Teil des Brenngases (der auch als Primärbrenngas bezeichnet wird) wird in die primäre Verbrennungszone abgegeben, wonach der zweite Teil des Primärbrenngases mit Luft gemischt und verbrannt wird, um die in der primären Verbrennungszone erzeugte Flamme zu stabilisieren, und (d) der verbleibende Teil des Brenngases (auf den als Sekundärbrenngas Bezug genommen wird) wird in eine sekundäre Verbrennungs zone im Ofenraum 24 abgegeben, in dem der verbleibende Teil des Brenngases sich mit Luft, die im Ofenraum 24 verblieben ist, und mit darin enthaltenen Abgasen gemischt wird, um ein zweites Brenngas-Luft-Gemisch zu bilden, das mit Abgasen verdünnt wird, wonach das Gemisch in der sekundären Verbrennungszone verbrannt wird und zusätzliche Abgase mit sehr niedrigem NO_x-Gehalt daraus gebildet werden.
Wie oben erwähnt, kann je nach der bestimmten beteiligten Anwendung das oben beschriebene Verfahren in einer Brennervorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem oder mehr Primärbrenngas-Luft-Venturi-Mischern, einem oder mehr ersten Primärbrenngasdüsen zum Einspritzen von Primärbrenngas in den Venturi-Mischer oder die Venturi-Mischer, einem oder mehr zweiten Primärbrenngasdüsen zum Stabilisieren der Flamme in der primären Verbrennungszone und einem oder mehr Sekundärbrenngasdüsen zum Einführen von Brenngas in die sekundäre Verbrennungszone durchgeführt werden.
Das magere Gemisch des ersten Teils des Primärbrenngases und der Luft, die in die primäre Verbrennungszone abgegeben wird, ist allgemein ein Gemisch mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Brenngas zu Luft von etwa 1,5:4. Der erste Teil des Primärbrenngases in dem mageren Primärbrenngas-Luft-Gemisch ist auch allgemein eine Menge im Bereich von etwa 30 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% des gesamten Brenngases, das in den Ofenraum abgegeben wird. Der zweite Teil des Primärbrenngases, der in die primäre Verbrennungszone abgegeben wird, um die Flamme zu stabilisieren, ist allgemein eine Menge im Bereich von etwa 2 Vol.-% bis etwa 25 Vol.-% des gesamten Brenngases, das in den Ofenraum abgegeben wird. Der verbleibende Teil des Brenngases, d.h. das Sekundärbrenngas, wird generell in einer Menge im Bereich von etwa 25 Vol.-% bis etwa 68 Vol.-% des gesamten Brenngases, das in den Ofenraum abgegeben wird, in die sekundäre Verbrennungszone eingeleitet.
Um die Brennervorrichtung und die Verfahren der vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen, wird das folgende Beispiel angegeben.
Beispiel
Eine Brennervorrichtung 10, die für eine Wärmeabgabe von 5 KJ (4,8 BTU) pro Stunde durch Verbrennen von Brenngas mit einem Brennwert von 43.000 KJ/m³ (1160 BTU für SCF) ausgelegt ist, wird in den Ofenraum 24 hinein brennen gelassen. Unter Druck stehendes Brenngas wird dem Brenner 10 bei einem Druck von etwa 45 psig und einer Rate von 116 m³ (4100 SCF) pro Stunde zugeführt. Ein Teil des Brenngases strömt in und durch die Venturi-Mischer 46 für Primärbrenngas und Luft, wo das Brenngas mit Luft gemischt wird. Die mageren Primärbrenngas-Luft-Gemische, die in den Venturi-Mischern 46 gebildet werden, werden in eine primäre Verbrennungszone im Ofenraum abgegeben, wo sie verbrannt werden, und die erzeugte Flamme gelangt mit dem Flammenstabilisierungsblock 44 in Kontakt und wird dadurch stabilisiert. Ein zweiter Teil des Brenngases wird mittels der Primärbrenngasdüse 76 in den Ofenraum 24 abgegeben, wo er mit Luft gemischt und verbrannt wird, um die in der primären Verbrennungszone erzeugte Flamme weiter zu stabilisieren. Der verbleibende Teil des Brenngases wird mittels der Sekundärbrenngasdüsen 70 in den Ofenraum abgegeben. Bei diesem Beispiel wird die Rate der in das Gehäuse 12 eingeführten Luft mittels der Klappe 28 so gesteuert, dass die Gesamtrate der in den Ofenraum 24 eingeführten Luft eine Menge ist, die darin zu einem Luftüberschuss von 15 % führt. Die ganze Luft wird mittels der Venturimischer 46 in den Ofenraum 24 eingeführt.
Das Sekundärbrenngas, das aus den Sekundärbrenndüsen 70 abgegeben wird, mischt sich mit der Luft, die im Ofenraum 24 verbleibt, und darin befindlichen, relativ kühlen Abgasen, um ein mit Abgasen verdünntes Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden, das in einer sekundären Verbrennungszone benachbart der primären Verbrennungszone im Ofenraum 24 verbrannt wird.
Aufgrund des Verbrennens des mageren Primärbrenngas-Luft-Gemischs in der primären Verbrennungszone und des mit Abgasen verdünnten Sekundärbrenngas-Luft-Gemischs in der sekundären Verbrennungszone haben die Abgase, die den Ofenraum 24 verlassen, einen sehr niedrigen NO_x-Gehalt. Das heißt, dass die Abgase, die aus dem Ofenraum 24 abgezogen werden, einen NO_x-Gehalt von weniger als etwa 12 ppm aufweisen.
Daher ist die vorliegende Erfindung gut angepasst, um die Gegenstände und die Ziele und Vorteile, wie erwähnt, sowie die hier inhärenten durchzuführen. Obwohl gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung für die Zwecke dieser Offenbarung beschrieben wurden, sind zahlreiche Änderungen im Aufbau und in der Anordnung von Teilen und Schritten für den Fachmann nahe liegend, die im Rahmen der Erfindung liegen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

NO_x-arme axiale Vormischbrennervorrichtung (10) zum Verbrennen von Brenngas, die an eine Öffnung (18) in einem Ofenraum (24) anbringbar ist, umfassend: ein Gehäuse (12) mit einem Auslassende, das an der Öffnung (18) in dem Ofenraum (24) angebracht ist, und einem geschlossenen gegenüberliegenden Ende (16); Mittel (26) zum Einbringen von Luft in das daran angebrachte Gehäuse; eine Brennerkachel (28) mit einer hindurchführenden Öffnung (30), die an dem Auslassende (14) des Gehäuses angebracht oder anderweitig in dem Ofenraum (24) benachbart zu der darin befindlichen Öffnung angeordnet ist; mindestens einen länglichen Venturi-Mischer (46) für Primärbrenngas und Luft, der in dem Gehäuse (12) angeordnet ist und ein offenes Einlassende (48), das benachbart dem geschlossenen Ende (16) des Gehäuses angeordnet ist, und eine Auslassdüse (32) für ein Primärbrenngas-Luft-Gemisch, die an dessen anderem Ende angebracht ist, aufweist; eine erste Primärbrenngasdüse (64), die mit einer Quelle (68) von unter Druck stehendem Brenngas verbunden und so angeordnet ist, dass sie einen Primärbrenngasstrahl in das offene Einlassende (48) des länglichen Venturimischers (46) abgibt, wodurch Luft von innerhalb des Gehäuses in den Mischer gezogen und mit dem darin befindlichen Primärbrenngas gemischt wird und das sich erge bende Primärbrenngas-Luft-Gemisch durch die Auslassdüse (32) abgegeben und in der Brennfliese (28) und in dem Ofenraum (24) verbrannt wird; eine zweite Primärbrenngasdüse (76), die mit einer Quelle (68) von unter Druck stehendem Brenngas verbunden und in der Brennerkachel (28) zur Abgabe von zusätzlichem Primärbrenngas in die Flamme angeordnet ist, die durch das Verbrennen des Primärbrenngas-Luft-Gemischs erzeugt wird, um die Flamme zu stabilisieren; und mindestens eine Sekundärbrenngasdüse (70), die mit einer Quelle (68) von unter Druck stehendem Brenngas verbunden und so angeordnet ist, dass sie Sekundärbrenngas in dem Ofenraum (24) abgibt, wodurch sich das Sekundärbrenngas mit der Luft und mit Abgasen in dem Ofenraum mischt und darin verbrannt wird.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Flammenstabilisierungsblock (44), der an der Brennerkachel (28) angebracht oder anderweitig in dem Ofenraum (24) angeordnet ist, so dass die Flamme, die durch das Verbrennen des durch die Auslassdüse (32) abgegebenen Primärbrenngas-Luft-Gemischs erzeugt wird, auf den Flammenstabilisierungsblock auftrifft und dadurch stabilisiert wird.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend einen Luftkanal in der Brennerkachel (28) und einen geschlossenen Raum (54), der in dem Gehäuse (12) angeordnet ist und abdichtend über der Öffnung (18) in dem Ofenraum (24) angebracht ist, wobei der Raum eine darin befindliche Lufttür (58) aufweist, die wahlweise geöffnet werden kann, damit Luft in den Raum und über den Luftkanal in der Brennerkachel in den Ofenraum strömen kann.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiter umfassend ein oder mehr zusätzliche längliche Primärbrenngas- und -Luft-Venturi-Mischer (46) mit daran angebrachten Auslassdüsen (32), die sich in die Brennerkachel (28) durch darin befindliche Öffnungen erstrecken, und mit ersten Primärbrenngasdüsen (64), die so angeordnet sind, dass sie Primärbrenngasstrahlen in dessen offene Einlassenden (48) abgeben.
Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 4, weiter umfassend ein oder mehr zusätzliche, zweite Primärbrenngasdüsen (76), die in der Brennerkachel (28) angeordnet sind, um die Flamme weiter zu stabilisieren.
Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend ein oder mehr zusätzliche Sekundärbrenngasdüsen (70).
Brennervorrichtung nach Anspruch 3, weiter umfassend eine Leitung (82) zum Vereinfachen der Zündung des durch die Venturimischer-Einleitungsdüse (32) abgegebenen Primärbrenngas-Luft-Gemischs, die mit ihrem einen Ende abdichtend durch das geschlossene Ende (16) des Gehäuses (12) verbunden ist und mit ihrem anderen Ende abdichtend durch und in den geschlossenen Raum (54), der sich in dem Gehäuse befindet, verbunden ist.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brennerkachel (28) ein Paar hindurchführende Öffnungen hat, die an dem Auslassende (14) des Gehäuses (12) angebracht oder anderweitig in dem Ofenraum (24) benachbart zu der darin befindlichen Öffnung angeordnet sind, wobei die Brennerkachel einen Flammenstabilisierungsblock (14) als Teil davon aufweist; und die Vorrichtung folgendes umfasst: ein Paar längliche Venturimischer (46), für Primärbrenngas und Luft, die in dem Gehäuse (12) angeordnet sind, wobei jeder ein offenes Einlassende (48), das benachbart zu dem geschlossenen Ende (16) des Gehäuses angeordnet ist, und Primärbrenngas-Luft-Gemisch-Auslassdüsen (32), die an dem anderen Ende angebracht sind, aufweist, wobei sich die Auslassdüsen in die Brennerkachel (28) durch die darin befindlichen Öffnungen erstrecken und darin so angeordnet sind, dass die durch das Verbrennen des von den Auslassdüsen (32) abgegebenen Primärbrenngas-Luft-Gemischs erzeugte Flamme auf den Flammenstabilisierungsblock auftrifft und dadurch stabilisiert wird; ein Paar erste Primärbrenngasdüsen (64), die mit einer Quelle (68) von unter Druck stehendem Brenngas verbunden und jeweils so angeordnet sind, dass sie einen Primärbrenngasstrahl in ein offenes Einlassende (48) von einem der länglichen Venturimischer (46) abgeben, wodurch Luft von innerhalb des Gehäuses in die Mischer gezogen und mit dem darin befindlichen Primärbrenngas gemischt wird und die sich ergebenden Primärbrenngas-Luft-Gemische durch die Auslassdüsen (32) abgegeben und in der Brennerkachel (28) und in dem Ofenraum (24) verbrannt werden; und ein Paar Sekundärbrenngasdüsen (70), die mit einer Quelle (68) von unter Druck stehendem Brennstoff verbunden und so angeordnet sind, dass sie ein Sekundärbrenngas in dem Ofenraum (24) abgeben, wodurch sich das Sekundärbrenngas mit den Luft- und Abgasen in dem Ofenraum vermischt und darin verbrannt wird.
Brennervorrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend einen Luftkanal in der Brennerkachel (28) und einen geschlossenen Raum (54), der in dem Gehäuse (12) angeordnet und abdichtend über der Öffnung (18) in dem Ofenraum (24) angebracht ist, wobei der Raum eine darin befindliche Lufttür (58) aufweist, die wahlweise geöffnet werden kann, damit Luft in den Raum und durch den Luftkanal in der Brennerkachel in den Ofenraum strömen kann.
Brennervorrichtung nach Anspruch 9, weiter umfassend eine Leitung (82) zum Erleichtern der Zündung der durch die Venturimischer-Auslassdüsen (32) abgegebenen Primärbrenngas-Luft-Gemische, die mit ihrem einen Ende abdichtend durch das geschlossene Ende (16) des Gehäuses (12) verbunden sind und mit ihrem anderen Ende abdichtend durch und in den geschlossenen Raum (54), der sich in dem Gehäuse befindet, verbunden sind.
Brennervorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Luftkanal in der Brennerkachel (28) zwischen den Venturimischer-Auslassdüsenöffnungen in der Brennerkachel angeordnet ist.
Verfahren zur Abgabe eines zumindest im Wesentlichen stöchiometrischen Gemischs aus Brenngas und Luft in den Ofenraum (24), wobei das Gemisch verbrannt wird und Abgase mit niedrigem NO_x-Gehalt daraus gebildet werden, umfassend die folgenden Schritte: (a) Mischen eines ersten Teils des Brenngases und der ganzen Luft, um ein mageres Primärbrenngas-Luft-Gemisch zu bilden; (b) Abgeben des mageren Primärbrenngas-Luft-Gemischs in den Ofenraum (24), wodurch das Gemisch in einer primären darin befindlichen Verbrennungszone verbrannt wird und Abgase mit niedrigem NO_x-Gehalt daraus gebildet werden; (c) Abgeben eines zweiten Teils des Brenngases in die primäre Verbrennungszone, wodurch der zweite Teil des Brenngases mit Luft gemischt und verbrannt wird, um die darin erzeugte Flamme zu stabilisieren; und (d) Abgeben des verbleibenden Teils des Brenngases in eine sekundäre Verbrennungszone in dem Ofenraum, wobei der verbleibende Teil des Brenngases sich mit in dem Ofenraum verbliebener Luft und mit darin enthaltenen Abgasen mischt, um ein zweites Brenngas-Luft-Gemisch zu bilden, das mit Abgasen verdünnt ist, wodurch das Gemisch in der sekundären Verbrennungszone verbrannt wird und zusätzliche Abgase mit niedrigem NO_x-Gehalt daraus gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt des Vorsehens eines Flammenstabilisierungsblocks (44) in dem Ofenraum, der so angeordnet ist, dass die durch das Verbrennen des darin befindlichen, mageren Primärbrenngas- Luft-Gemischs erzeugte Flamme auf den Flammenstabilisierungsblock auftrifft und dadurch stabilisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das magere Primärbrenngas-Luft-Gemisch in einem Venturimischer (46) für Primärbrenngas und Luft gebildet wird und durch eine daran angebrachte Auslassdüse (32) in die primäre Verbrennungszone abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei das magere Primärbrenngas-Luft-Gemisch in zwei oder mehr Venturimischern (46) für Primärbrenngas und Luft gebildet und durch die daran angebrachten Auslassdüsen (32) in die primäre Verbrennungszone abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der verbliebene Teil des Brenngases durch mindestens eine sekundäre Brenngasdüse (76) in die sekundäre Verbrennungszone abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das magere Primärbrenngas-Luft-Gemisch, das in den Ofenraum abgegeben wird, ein stöchiometrisches Brenngas-Luft-Verhältnis von etwa 1,5:4 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der erste Teil des Brenngases in dem mageren Primärbrenngas-Luft-Gemisch, das in den Ofenraum abgegeben wird, in einer Menge im Bereich von etwa 30 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% gesamten in den Ofenraum abgegebenen Brenngases vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der zweite Teil des in den Ofenraum abgegebenen Brenngases in einer Menge im Bereich von etwa 2 Vol.-% bis etwa 25 Vol.-% des gesamten in den Ofenraum abgegebenen Brenngases vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei der verbliebene Teil des in den Ofenraum abgegebenen Brenngases in einer Menge im Bereich von etwa 25 Vol.-% bis etwa 68 Vol.-% des gesamten in den Ofenraum abgegebenen Brenngases vorliegt.