DE69609239T2

DE69609239T2 - Verbrennungsverfahren und Vorrichtung mit niedrigen Stickstoffoxidemissionen

Info

Publication number: DE69609239T2
Application number: DE69609239T
Authority: DE
Inventors: Toru Motegi
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2016-04-20
Also published as: DE69609239D1; EP0738854B1; EP0738854A2; US5863192A; EP0738854A3

Description

Die Vorschriften gegen die Emission von NOx, das durch Verbrennung entsteht, werden Jahr für Jahr verschärft, und es wird viel technischer Aufwand betrieben um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Durch Verbrennung erzeugtes NOx umfaßt NOx aus dem Brennstoff, unmittelbar erzeugtes NOx und thermisches NOx. Von diesen Arten von NOx wird thermisches NOx erzeugt, wenn die Stickstoffmoleküle in der Verbrennungsluft in einer Umgebung mit hoher Temperatur oxidieren, was stark von der Temperatur abhängt. Die Erzeugung von NOx nimmt bei höheren Verbrennungstemperaturen stark zu. Thermisches NOx wird zwangsläufig unvermeidbar erzeugt, wenn das Verbrennungsgas, d. h. das Gas, in dessen Anwesenheit die Verbrennung stattfindet, Stickstoffmoleküle enthält. Wenn ein Kohlenwasserstoff basierter Brennstoff verbrannt wird, ist das emittierte NOx meistens thermisches NOx. Es wurden eine Reihe von Verfahren zum Reduzieren von NOx vorgeschlagen, umfassend mehrstufige Verbrennungsverfahren, Abgasumwälzverfahren und Magerverbrennungsverfahren.
Bei mehrstufigen Verbrennungsverfahren wird der Brennstoff oder die Verbrennungsluft zur Verbrennung in zwei oder mehr Stufen aufgeteilt, wobei versucht wird, eine Verbrennung mit wenig NOx zu erreichen, indem die Flammentemperatur oder die Sauerstoffkonzentration niedrig gehalten werden. Die DE 38 20 038 A1 offenbart zum Beispiel einen Brenner, in dem Brennstoffgas stufenweise in die Flamme eingeführt wird, so daß die Flammengase von einer Stufe zur anderen abkühlen. Die dadurch erhaltene Flamme hat eine niedrigere Temperatur und bessere Strahlströmungseigenschaften. Es wird außerdem ein inertes Gas zugeführt, um eine noch kühlere Flamme zu erzeugen.
In der EP 0 012 778 A1 wird die Verbrennungstemperatur dadurch gesteuert, daß ein mehrstufiger Brenner vorgesehen ist, der eine kurze Flamme in einer Ecke des Brennergehäuses erzeugt, wobei vielfältige Gaseinstrittsöffnungen vorgesehen sind.
Bei beiden Brennern erfolgt eine Injektion von Zusatzbrennstoff in die Flamme am Ende eines Brennstoffrohres, das sich über eine Prallplatte hinaus erstreckt. Diese Verbrennungsverfahren haben den Nachteil, daß die mehrstufige Verbrennung den Brenner kompliziert macht. Abgasumwälzverfahren sollen die Flammentemperatur oder die Sauerstoffkonzentration senken, indem ein Teil des Verbrennungsgases mit der Verbrennungsluft oder dem Brennstoff vermischt wird, und umfassen erzwungene Abgasumwälzverfahren und selbstinduzierte Abgasumwälzverfahren. Die erzwungenen Abgasumwälzverfahren verwenden eine Umwälzleitung und ein Gebläse, um einen Teil des Verbrennungsgases (oder Abgases) zwangsweise mit der Verbrennungsluft oder dem Brennstoff zu vermischen, wobei dies die allgemein üblichen Verfahren sind.
Bei selbstinduzierten Abgasumwälzverfahren wird ein speziell ausgelegter Brenner verwendet, in dem der Verbrennungsluftstrom oder der Brennstoffstrom das Verbrennungsgas mitnimmt, um die Abgasumwälzung durch Strahlmitnahme zu erreichen. Selbstinduzierte Abgasumwälzverfahren haben den Vorteil, daß der Effekt der Abgasumwälzung erreicht werden kann, ohne das Verbrennungsgas zwangsweise umzuwälzen zu müssen, und sie sind frei von den Komplikationen der mehrstufigen Verbrennungsverfahren, bei denen der Brennstoff oder die Verbrennungsluft in mehrere Leitungen aufgeteilt wird. Ein Brenner, der mit selbstinduzierter Abgasumwälzung arbeitet, ist zum Beispiel in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 87-17506 offenbart. Es existieren andere Brenner, die das selbstinduzierte Abgasumwälzverfahren benützen. Die Fähigkeit dieser Verfahren, NOx zu reduzieren, ist jedoch begrenzt, und es sind weitere technische Entwicklungen nötigt, um die jüngsten schärferen NOx-Vorschriften zu erfüllen.
Verbrennungsverfahren zur Optimierung der selbstinduzierten Abgasumwälzung werden in den japanischen Patent-Offenlegungsschriften Nr. 89-300103 und 91- 91601, und in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 77- 61545 vorgeschlagen. Diese Verbrennungsverfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsluft und Brennstoff separat und unabhängig voneinander in einen Brennraum mit einem Brenner eingespritzt werden, der keinen Flammenstabilisierungsmechanismus aufweist, um den Effekt der selbstinduzierten Abgasumwälzung zu maximieren. Bei dieser Anordnung wird die Flamme nicht am Brenner stabilisiert, sondern wird an einer weiter oben liegenden Position gebildet, wobei die Verbrennung beginnt, nachdem ein Teil des Verbrennungsgases im Brennraum entweder durch den Brennstoff oder die Verbrennungsluft mitgenommen wurde. Bei diesen Verbrennungsverfahren ist die Flamme eine schwache Diffusionsflamme. Da kein Flammenstabilisierungmechanismus vorgesehen ist, kann es passieren, daß, außer bei hoher Brennraumtemperatur, keine stabile Zündung erreicht werden kann. Obwohl diese Verfahren für Hochtemperturöfen, wie zum Beispiel Heizöfen oder Schmelzöfen geeignet sind, haben sie darin Nachteile, daß die Menge des nicht verbrannten Brennstoffs zunimmt und ein größerer Ofen zur vollständigen Verbrennung verwendet werden muß, wenn sie an Boilern oder Niedertemperatur-Heizöfen angewendet werden.
Ein anderes Verfahren zur Reduzierung thermischen NOx besteht in der Verwendung einer vorgemischten Flamme. Ein vorgemischte Verbrennung bei einem hohen Luftüberschußverhältnis kann NOx beträchtlich verringern, ein hohes Luftüberschußverhältnis verringert jedoch die Verbrennungsleistung und den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung. Darüber hinaus hat die Flamme in einem System mit vorgemischter Verbrennung eine sehr schlechte Stabilität mit offensichtlichen Nachteilen.
Ein Verfahren zur Reduzierung von thermischem NOx durch Kombination einer vorgemischten Verbrennung mit selbstinduzierter Abgasumwälzung ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 91-175211 vorgeschlagen. Bei diesem Verbrennungsverfahren ist der Flammenstabilisator speziell gestaltet, und ein Teil des Verbrennungsgases wird bei relativ geringer Temperatur mit der Vormischung gemischt, bevor die Vormischung die Verbrennung einleitet, um die Flammentemperatur oder die Sauerstoffkonzentration zu senken und damit das NOx zu reduzieren. Dieses Verbrennungsverfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens haben auch die Nachteile anderer Vormisch- Brenner, dadurch, daß die Zündung ohne weiteres unmittelbar nach dem Mischen der Vormischung und des Verbrennungsgases auftreten kann, wenn ein Teil des Verbrennungsgases mit der unbrennbaren Vormischung gemischt wird, falls das Verbrennungsgas heiß ist, wodurch die volle Wirkung der selbstinduzierten Abgasumwälzung nicht ausreichend genutzt werden kann. Der Flammenstabilisator muß daher speziell ausgelegt sein, um sicherzustellen, daß die Vormischung nicht zündet, wenn die Vormischung und ein Teil des Verbrennungsgases vermischt werden.
Wie vorstehend beschrieben, haben selbstinduzierte Abgasumwälzungsverfahren Vorteile gegenüber anderen Verbrennungsverfahren mit niedriger NOx-Emission, wie zum Beispiel mehrstufige Verbrennungsverfahren und Verbrennungsverfahren mit verdünnter Vormischung, in der Hinsicht, daß selbst mit einem einfachen Brenner eine Verbrennung mit niedriger NOx-Emission möglich ist. Bei Verbrennungsverfahren zum Reduzieren von thermischem NOx durch Verwendung der selbstinduzierten Abgasumwälzung, ist der im Ofen nutzbare Temperaturbereich begrenzt, ebenso wie die verwendbaren Verbrennungseinrichtungen begrenzt sind, falls die selbstinduzierte Abgasumwälzung in größtmöglichem Ausmaß für die Diffusionsflamme verwendet wird. Dies ist ein Nachteil. Die Anwendung der selbstinduzierten Abgasumwälzung an Brennern, die vorgemischten Brennstoff und Luft verwenden, bereitet darüber hinaus Probleme bei der Flammenstabilität, die speziell bei der vorgemischten Verbrennung auftreten, wie zum Beispiel ein Rückschlag bei der Verbrennung, und hat den Nachteil, daß sie speziell ausgelegte Flammenstabilisatoren benötigt.
Um in Reaktion auf die ständig verschärften NOx-Vorschriften für Brenner eine Verbrennung mit wenig NOx zu erreichen, ist eine Verbrennungstechnik gewünscht, bei der die selbstinduzierte Abgasumwälzung effektiver eingesetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung hat diesen Punkt berücksichtigt. Die vorliegenden Erfindung versucht, ein Verbrennungsverfahren und eine Vorrichtung mit einer geringen Emission von Stickstoffoxid zu schaffen, bei der eine effektive selbstinduzierte Abgasumwälzung stattfinden kann, bevor die Verbrennung durch Bilden von Diffusionsflammen eingeleitet wird, oder bei der ein Teil des Verbrennungsgases von einem Zusatzbrennstoffstrom oder von der Verbrennungsluft oder dem Hauptbrennstoffstrom vor dem Bilden von Diffusionsflammen mitgenommen werden kann, um die Umwälzung des Verbrennungsgases zu verstärken. Zusätzlich kann eine kombinierte fette und magere Verbrennung in den Diffusionsflammen erreicht werden, um die Emission von NOx durch eine Kombination dieser Maßnahmen zu verringern. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen haben selbst in einer Umgebung mit niedriger Temperatur eine ausgezeichnete Flammenstabilität.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erreichen einer Verbrennung mit einer geringen Emission von Stickstoffoxid geschaffen, bei dem Brenner verwendet wird, der ein Luftzufuhrrohr mit einer Prallplatte, die mehrere Luftzufuhröffnungen aufweist, die um ein Brennstoffrohr herum oder nahe am Ende des Brennstoffrohres angeordnet sind, und Hauptbrennstoffinjektoren, die mit dem Brennstoffrohr verbunden sind und Brennstoffauslässe in der Nähe der mehreren Luftzufuhröffnungen aufweisen, umfaßt, wobei das Ende des Brennstoffrohres über die Prallplatte hinausragt und zusätzliche Brennstoffeinspritzlöcher aufweist, wobei der Brennstoff unmittelbar bevor der Luftstrom aus den mehreren Luftzufuhröffnungen austritt aus den Hauptbrennstoffinjektoren quer zur Luftströmungsrichtung eingespritzt wird; wobei 10% bis 20% des gesamten Brennstoffs als Zusatzbrennstoff aus den zusätzlichen Brennstoffeinspritzlöchern so eingespritzt werden, daß das Brennraum-Verbrennungsgas zur Verbrennung mitgenommen wird; und wobei die Luftströmungsgeschwindigkeit an den Luftzufuhröffnungen zur Brennstoffströmungsgeschwindigkeit an den Hauptbrennstoffinjektoren in einem Verhältnis von 0,2 oder mehr steht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Verbrennungsvorrichtung mit niedriger Stickstoffoxid-Emission vorgesehen, umfassend ein Luftrohr mit einer Prallplatte, die mehrere Luftzufuhröffnungen aufweist, die um ein Brennstoffrohr herum sowie am oder in der Nähe des Endes des Brennstoffrohres angeordnet sind, Hauptbrennstoffeinspritzrohre, die in der Nähe der mehreren Luftzufuhröffnungen mit dem Brennstoffrohr verbunden sind und Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen zum radialen Einspritzen von Brennstoff in das Luftrohr aufweisen, wobei das Ende des Brennstoffrohres über die Prallplatte hinaus ragt, Zusatzbrennstoffeinspritzlöcher zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff, die am Ende des Brennstoffrohres gebildet sind, und eine Scheibe mit einem größeren Durchmesser als das Brennstoffrohr, die zwischen der Prallplatte und den Zusatzbrennstoffeinspritzlöchern angeordnet ist. Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A eine axiale Schnittansicht entlang der Linie I-I von Fig. 1B, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 1B eine Endansicht der in Fig. 1A dargestellten Ausführungsform;
Fig. 2A und 2B eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 2B bzw. eine Endansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3A und 3B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie III-III von Fig. 3B bzw. eine Endansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4A und 4B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 4B bzw. eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5A und 5B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie V-V von Fig. 5B, bzw. eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 eine axiale Schnittansicht der Ausführungsform der Fig. 1A und 1B bei Betrieb;
Fig. 7 eine axiale Schnittansicht der Ausführungsform der Fig. 5A und 5B bei Betrieb, wobei der Weg des Fluids durch den Brenner dargestellt ist;
Fig. 8 eine schematische Ansicht, in der gezeigt ist, wie der Brennstoff nach dem Verlassen des Auslassendes eines Brennstoffrohres zirkuliert;
Fig. 9 eine schematische Ansicht, in der gezeigt ist, wie der Brennstoff vom Luftstrom in den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 mitgenommen wird;
Fig. 10 ein Diagramm, einens typischen NOx-Emissionsverlaufs der Ausführungsformen der Fig. 1 bis 7;
Fig. 11 ein Diagramm, das zeigt, wie sich der NOx-Emissionsverlauf der Ausführungsformen der Fig. 1 bis 7 bei Änderung der Funktion von Zusatzbrennstoff verändert;
Fig. 12 ein Diagramm, in dem der NOx-Emissionsverlauf der Ausführungsformen der Fig. 1 bis 7 mit dem herkömmlicher Brenner verglichen wird,
Fig. 13A und 13B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XIII-XIII von Fig. 13B bzw. eine Endansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 14A und 14B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XIV-XIV von Fig. 14B bzw. eine Endansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform;
Fig. 15A und 15B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XV-XV von Fig. 15B bzw. eine Endansicht einer dritten alternativen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16A und 16B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XVI-XVI von Fig. 16B bzw. eine Endansicht einer vierten alternativen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 17A und 17B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XVII-XVII von Fig. 17B bzw. eine Endansicht einer fünften alternativen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 18A und 18B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XVIII-XVIII von Fig. 18B bzw. eine Endansicht einer sechsten alternativen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 19 eine axiale Schnittansicht, die den typischen Fluidpfad durch die Brennerdüse und die dadurch in den Ausführungsformen der Fig. 13 bis 18 bewirkten Mitnahmeeffekte zeigt;
Fig. 20 eine axiale Schnittansicht durch eine typische Ausführungsform der Fig. 13 bis 18, in der der Fluidfluß durch die Brennerdüse und die dadurch bewirkten Mitnahmeeffekte gezeigt sind;
Fig. 21 eine schematische Darstellung der NOx-Emission und der Veränderung des Betriebsverhaltens durch Änderung der Querschnittsfläche des ringförmigen Luftstromes in Relation zur gesamten Querschnittsfläche der Lufteinlaßöffnungen, wobei ein Vergleich zur Emission eines herkömmlichen Brenners gezogen wird;
Fig. 22 ein Diagramm, in dem das Betriebsverhalten der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an einer kritischen oberen und unteren Grenze des Verhältnis von CO zu überschüssiger Luft bei Ausführungsformen verglichen wird, bei denen eine Öffnung vorgesehen ist, die einen ringförmigen Luftstrom bewirkt, wobei der Emissionsvergleich neben Ausführungsformen dargestellt ist, die keine Öffnung aufweisen, die einen ringförmigen Luftstrom bildet;
Fig. 23A und 23B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXIII-XXIII von Fig. 23B bzw. eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 24A und 24B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXIV-XXIV von Fig. 24B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 25B und 25B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXV-XXV von Fig. 25B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 26A und 26B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXVI-XXVI von Fig. 26B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 27A und 27B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXVII-XXVII von Fig. 27B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der eine alternative Gestaltung für eine der Komponenten strichliert dargestellt ist;
Fig. 28A und 28B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXVIII-XXVIII von Fig. 28B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mit einem strichliert dargestellten Element, das eine alternative Gestaltung einer der Komponenten zeigt;
Fig. 29A und 29B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXIX-XXIX von Fig. 29B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, mit verschiedenen strichliert und durchgehend dargestellten Elementen, die bestimmte Komponenten in vergrößertem Maßstab zeigen;
Fig. 30A und 30B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXX-XXX von Fig. 30B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, mit mehreren strichliert und durchgehend dargestellten Elementen, die die Gestaltung verschiedener Komponenten in größerem Maßstab zeigen.
Fig. 31A und 31 B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXXI-XXXI von Fig. 31 B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, mit verschiedenen strichliert und durchgehend dargestellten Komponenten in größerem Maßstab;
Fig. 32A und 32B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXXII-XXXII von Fig. 32B bzw. eine Endansicht, die verschiedene strichliert und in vergrößertem Maßstab dargestellte Komponenten und in durchgehenden Linien dargestellte Elemente zeigt;
Fig. 33A und 33B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXXIII-XXXIII von Fig. 33B bzw. eine Endansicht mit mehreren vergrößert dargestellten Elemente, die Details des Aufbaus zeigen, und einem strichliert dargestellten Element, das eine alternative Gestaltung für eine der Komponenten zeigt;
Fig. 34A und 34B eine axiale Schnittansicht entlang der Linie XXXIV-XXXIV von Fig. 34B bzw. eine Endansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, mit mehreren strichliert dargestellten Elementen in vergrößertem Maßstab und einer strichliert dargestellten alternativen Bauform für eine der Komponenten;
Fig. 35 eine Emissionsdiagramm eines erfindungsgemäßen Brenners im Vergleich zu einem herkömmlichen Brenner unter Verwendung der Ausführungsformen der Fig. 23 bis 34; und
Fig. 36 ein Diagramm, in dem das Betriebsverhalten der in den Fig. 23 bis 34 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung mit einem herkömmlichen Brenner verglichen wird, um die Abnahme der NOx-Emission bei verschiedenen Gesamtluftverhältnissen darzustellen.
In den Zeichnungen ist ein Brenner gezeigt, der das während der Verbrennung erzeugte NOx dadurch verringert, daß ein Luftstrom von schlitzartigen Luftinjektionsöffnungen zugeführt wird und ein Teil des Brennstoffs als Zusatzbrennstoff eingespritzt wird, so daß Diffusionsflammen, bei denen der Brennstoff von Luft umgeben ist, gebildet und verbrannt werden können, ohne sie an der Luftzufuhröffnung oder an den Brennstoffeinspritzauslässen zu stabilisieren, um sicherzustellen, daß ein Teil des Verbrennungsgases vom Zusatzbrennstoffstrom als auch vom Luft- und Brennstoffstrom mitgenommen wird, bevor die Diffusionsflammen gebildet werden, wodurch auf sehr effektive Weise eine selbstinduzierte Abgasumwälzung erreicht wird.
In Fig. 1 bezeichnet das Symbol 1 ein Brennstoffrohr, nahe dessen Ende eine Prallplatte 4 mit mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 angeordnet ist. Diese Prallplatte umgibt das Brennstoffrohr und berührt die Innenfläche eines Luftrohres 2, das das Brennstoffrohr 1 koaxial umgibt. Nahe neben den mehreren schlitzartigen Zufuhröffnungen 3 sind Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 angeordnet, die sich in radialer Richtung erstrecken, mit dem Brennstoffrohr 1 in Verbindung stehen und an ihren radialen äußeren Enden Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 aufweisen, um den Brennstoff in radialer Richtung einzuspritzen.
Am äußersten Ende des Brennstoffrohres 1 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 angeordnet, um Zusatzbrennstoff in die gleiche Richtung wie die Einspritzrichtung der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 am Ende der Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 einzuspritzen. Zwischen den Zusatzeinspritzlöchern 16 und der Prallplatte 4 ist eine Scheibe 9 angeordnet, die einen größeren Durchmesser als das Brennstoffrohr und etwa den gleichen Durchmesser wie der gedachte Kreis aufweist, auf dem die Enden der Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 liegen.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die meisten Komponenten mit denen der Ausführungsform von Fig. 2 identisch und mit den selben Bezugszeichen bezeichnet. Sie unterscheidet sich durch radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' am Ende des Gasrohres 1 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in radialen Richtungen in die Räume zwischen die Luftzufuhröffnungen stromabwärts dieser Öffnungen.
Die Ausführungsform von Fig. 3 unterscheidet sich von den zwei vorhergehenden Ausführungsformen dadurch, daß die radialen Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in radialen Richtungen zwischen die schlitzähnlichen Luftzufuhröffnungen 3 zusätzlich zu radialen Brennstoffeinspritzlöchern 16 zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in dieselben Richtungen wie die Einspritzrichtung der Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 vorgesehen sind.
In der Ausführungsform von Fig. 4 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum radialen Einspritzen des Zusatzbrennstoffs zwischen die schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3, und axial ausgerichtete Brennstoffeinspritzlöcher 17 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in einer zur Achse des Brennstoffrohres 1 parallelen Richtung vorgesehen.
Die Ausführungsform von Fig. 5 hat radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in dieselbe Richtung wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5, und axial ausgerichtete Brennstoffeinspritzlöcher 17 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in einer zur Mittelachse des Brennstoffrohres 1 parallelen Richtung.
Wie in der strichliert dargestellten zusätzlichen Abbildung von Fig. 5 gezeigt ist, können die Brennstoffeinspritzlöcher 17 auch ein ringförmiges Führungsloch 18 aufweisen. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet ein Drallblech im ringförmigen Führungsloch 18.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird Luft durch die schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 zugeführt, und Brennstoffgas wird unmittelbar bevor der Luftstrom aus den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 austritt quer zur Luftströmungsrichtung von den Hauptbrennstoffeinspritzrohren 5 in den Luftstrom eingespritzt. In diesem Fall muß das Verhältnis der Luftstromgeschwindigkeit an den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 zur Brennstoffgasstromgeschwindigkeit an den Einspritzöffnungen 6 der Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 auf 0,2 oder größer eingestellt sein, wobei es in der Praxis zwischen 0,2 und etwa 5 liegt. Falls das Verhältnis kleiner als 0,2 ist, kann das Brennstoffgas unmittelbar durch den Luftstrom hindurchtreten und gegen die Innenwand des Luftrohres 2 stoßen, wobei es sich in der Luft verteilt und sich Flammen im Luftrohr 2 bilden und stabilisieren können. Falls das Verhältnis wie oben angegeben eingestellt wird, bilden sich keine an den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 stabilisierten Diffusionsflammen, sondern der quer zur Luftströmungsrichtung eingespritzte Brennstoffgasstrom wird vom Luftstrom 12, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, eingehüllt. In diesem Fall werden der radiale Zusatzbrennstoffinjektionsstrom 19 und gegebenenfalls der axiale Zusatzbrennstoffinjektionsstrom 20 aus den radialen und/oder axialen Zusatzbrennstoffeinspritzlöchern 16, 16' und 17 nach Wunsch in den Umwälzbereich 10 und in Richtung des Brennraumverbrennungsgasstromes 13 und des internen Umwälzbereichs 14 eingespritzt. Der radiale Zusatzbrennstoffinjektionsstrom 19 und der axiale Zusatzbrennstoffinjektionsstom 20 nehmen jeweils eine große Menge Verbrennungsgas mit, bevor die Verbrennung stattfindet, wodurch die selbstinduzierte Abgasumwälzung im internen Umwälzbereich 14 weiter unterstützt und eine weitere Senkung von NOx bewirkt wird.
Wenn der Brennstoffgasstrom 11 im Zentrum des Stroms angeordnet ist, bildet sich der Luftstrom 12 wie ein Donut außen um ihn herum. Der radiale Zusatzbrennstoffinjektionsstrom 18 und gegebenenfalls der axiale Zusatzbrennstoffinjektionsstrom nehmen jeweils Brennraumgas 13 mit, um den Umwälzstrom im Umwälzbereich 14, wie durch Pfeile gezeigt ist, zu bilden. Das Brennraumgas 13 wird durch den Luftstrom 12 um den ringförmigen Strom aus Gas und Luft mitgenommen. Der Hochtemperatur-Brennraumgasstrom 13 wird von außen vermischt und verteilt, während gleichzeitig der Brennstoffgasstrom 11 von innen vermischt und verteilt wird.
Im Falle von Diffusionsflammen, die von bekannten Brennern gebildet werden, beginnt die Verbrennung, bevor der Luftstrom das umgebende Brennraumgas mitnehmen kann, da die Flammen an Luftinjektionslöchern oder Brennstoffgaseinspritzlöchern stabilisiert sind. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Flammen jedoch nicht an den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 oder den Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 stabilisiert, da das Fließgeschwindigkeitsverhältnis wie vorstehend beschrieben eingestellt ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Luftstrom 12 mit dem Brennraumgasstrom 13 vermischt während er erhitzt wird, und gleichzeitig wird er allmählich mit dem Brennstoffgasstrom 11 und mit dem radialen Zusatzbrennstoffinjektionsstrom 19, und, gegebenenfalls mit dem axialen Zusatzbrennstoffinjektionsstrom 20 vermischt. Diese vier Komponenten bilden einen bevorzugten Mischungszustand, und wenn die Temperatur, Brennstoffkonzentration und Sauerstoffkonzentration die Zündbedingungen erfüllen, erfolgt die Verbrennung, um Diffusionsflammen zu bilden. Da ein Teil des Verbrennungsgases mit der Verbrennungsluft und dem Brennstoffstrom und/oder dem Zusatzbrennstoffstrom vermischt wird, bevor die Verbrennung einsetzt, kann bei diesen Diffusionsflammen die selbstinduzierte Abgasumwälzung in maximalem Ausmaß erreicht werden, und die resultierende niedrigere Flammentemperatur und die niedrigere Sauerstoffkonzentration stellen eine sehr geringe NOx-Emission sicher. In diesem Fall tragen der interne Umwälzbereich 14 und der externe Umwälzbereich 15 wesentlich zur Mitnahme einer großen Menge des Brennraumgasstromes 13 bei.
Die am Ende des Brennstoffrohres 1 im Luftrohr 2, um das Brennstoffrohr 1 herum angeordnete und in Kontakt mit der Innenwand des Luftrohres 2 stehende Prallplatte hat relativ große schlitzartige Luftzufuhröffnungen 3, durch die Verbrennungsluft zugeführt wird. Daher kann die Fläche der Luftströme groß sein, und das um den Luftstrom herum befindliche Verbrennungsgas kann effektiv mitgenommen werden. Da mehrere schlitzartige Luftzufuhröffnungen 3 gebildet sind, wird der Luftstrom 12 darüber hinaus in Form separater Ströme oder Strahlen zugeführt, wobei die jeweiligen Strahlen den Brennraumgasstrom 13 mitnehmen. Verglichen mit einem Brenner mit nur einem Luftstrahl, kann das um den Luftstrom herum befindliche Verbrennungsgas somit effektiv mitgenommen werden, um den Effekt der selbstinduzierten Abgasumwälzung zu verstärken. In dem Bereich, der von den mehreren Verbrennungsluftströmen umgeben ist, ist der interne Umwälzbereich 14 gebildet, und um die mehreren Verbrennungsluftströme herum ist der externe Umwälzbereich 15 gebildet. In beiden Umwälzbereichen wird ein Teil des Verbrennungsgases im Kreislauf rückgeführt und von den Verbrennungsluftströmen mitgenommen. Insbesondere im internen Umwälzbereich 14 wird Hochtemperatur-Verbrennungsgas umgewälzt, wodurch die nicht an den Öffnungen stabilisierten Diffusionsflammen gezündet und stabil gebildet werden können.
Durch das Einspritzen des Brennstoffes quer zur Luftströmungsrichtung und das Einstellen des Verhältnisses der Luftströmungsgeschwindigkeit zur Brennstoffströmungsgeschwindigkeit in der vorstehend angegebenen Weise, können die Brennstoffströme zuverlässig in die Mitte der Verbrennungsluftströme eingespritzt werden. In diesem Fall, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, bildet jeder Brennstoffstrom zweifache Wirbel. Die Wirbel wachsen mit zunehmender Mischung des Brennstoffs und der Luft und mit zunehmendem Abstand von den Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6, und auch von den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3. Die Wirbel werden mit dem Brennstoff und der Luft vermischt und nehmen darüber hinaus allmählich den Teil des von der Luft mitgenommenen Verbrennungsgases mit. Falls eine genügend große Menge heißen Verbrennungsgases mitgenommen wird, um den Brennstoff zu zünden, so initiiert der Brennstoff die Verbrennung. Die Wirbel stellen die stabile Zündung der Flammen sicher, selbst wenn die Flammen nicht an den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 oder den Haupteinspritzöffnungen 6 stabilisiert sind. Falls der Brennstoff quer zur Richtung des Luftstromes 12, der durch die schlitzartigen Luftzufuhröffnungen hindurch tritt, eingespritzt wird, wobei das Verhältnis der Verbrennungsluftströmungsgeschwindigkeit zur Brennstoffströmungsgeschwindigkeit auf 0,2 oder mehr gehalten wird, können die Flammen, ohne an den Einspritzlöchern stabilisiert zu werden, mit sehr geringer NOx-Emission, wie vorstehend beschrieben, gebildet werden.
Da im Fall der Ausführungsform von Fig. 1 der radiale Zusatzbrennstoffinjektionsstrom 19, der von den radialen Brennstoffeinspritzlöchern 16 eingespritzt wird, in die gleichen Richtungen gerichtet ist, wie die Injektionsrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6, werden der Zusatzbrennstoff und das Brennraumgas vor der Verbrennung vermischt, wie vorstehend beschrieben wurde, um die selbstinduzierte Abgasumwälzung zu fördern, wodurch der Effekt der NOx-Verringerung in Synergie mit der Verbrennung weiter gefördert wird.
Da der Zusatzbrennstoff aus den radialen Brennstoffeinspritzlöchern 16' in radialen Richtungen in die stromabwärts der zwischen den benachbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereich gelegenen Räume eingespritzt und gleichzeitig aus den radialen Brennstoffeinspritzlöchern 16 in die gleichen Richtungen wie die Injektionsrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 eingespritzt wird, werden im Falle der Ausführungsform von Fig. 3 der Zusatzbrennstoff und das Brennraumgas vor der Verbrennung vermischt, wie vorstehend beschrieben wurde, um die selbstinduzierte Abgasumwälzung zu fördern, wodurch die Verringerung von NOx in Synergie mit der Verbrennung weiter gefördert wird.
Im Falle von Fig. 4 wird der Zusatzbrennstoff nicht nur aus den radialen Brennstoffeinspritzlöchern 16' in radialer Richtung in die stromabwärts der zwischen benachbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereiche liegenden Räume eingespritzt, sondern auch gleichzeitig aus den axialen Brennstoffeinspritzlöchern 17 in Axialrichtung des Brennstoffrohres 1, wobei der Zusatzbrennstoff und das Brennraumgas, wie vorstehend beschrieben, vermischt werden, um die selbstinduzierte Abgasumwälzung zu fördern, wodurch die Verringerung von NOx in Synergie mit der Verbrennung weiter gefördert wird. Da der Zusatzbrennstoff aus den radialen Brennstoffeinspritzlöchern 16' in die gleichen Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 eingespritzt wird, während er gleichzeitig aus den axialen Brennstoffeinspritzlöchern 17 in Axialrichtung des Brennstoffrohres 1 eingespritzt wird, werden im Fall der Ausführungsform von Fig. 5 der Zusatzbrennstoff und das Brennraumgas vor der Verbrennung, wie vorstehend beschrieben wurde, vermischt, um die selbstinduzierte Abgasumwälzung zu fördern, wodurch die Verringerung von NOx in Synergie mit der Verbrennung weiter gefördert wird.
Falls das zentrale axiale Brennstoffeinspritzloch 17 mit einem oder als ein ringförmiges Führungsloch 18 gebildet ist, ist der Zusatzbrennstoffstrom ringförmig, wodurch der Kontaktbereich mit dem Brennraumgas vergrößert wird, um die selbstinduzierte Abgasumwälzung beträchtlich zu verbessern und die NOx-Reduzierung zu fördern. Falls ein Drallblech 21 im ringförmigen Loch 18 angeordnet ist, wird der Brennstoff ringförmig und mit Drall eingespritzt, um die Menge des mitgenommenen Brennraumgases zu erhöhen und die selbstinduzierte Abgasumwälzung weiter zu verbessern, wodurch die NOx- Reduzierung gefördert wird.
Fig. 10 zeigt den NOx-Reduzierungseffekt der vorliegenden Erfindung. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die NOx-Emission verglichen mit herkömmlichen Brennern beträchtlich reduziert ist, wenn das Luft/Brennstoff- Geschwindigkeitsverhältnis 0,2 oder größer ist.
Fig. 11 zeigt den NOx-Reduzierungseffekt dieser Erfindung. Aus den Fig. 11 und 12, die einen Vergleich mit herkömmlichen Brennern zeigen, ist ersichtlich, daß die NOx-Emission beträchtlich reduziert wird, wenn das Luft/Brennstoff- Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis 0,2 oder größer ist und wenn 10 bis 20% des gesamten Brennstoffes als Zusatzbrennstoff eingespritzt werden.
In den Fig. 13 bis 21 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen wird die NOx-Emission dadurch verringert, daß ein Luftstrom aus schlitzartigen Luftzufuhröffnungen zugeführt und Brennstoff, unmittelbar bevor der Luftstrom aus den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen austritt, quer zur Luftströmungsrichtung in den Luftstrom eingespritzt wird, während gleichzeitig Zusatzbrennstoff eingespritzt wird, so daß mit dem luftumhüllten Brennstoff Diffusionsflammen gebildet werden, die brennen können, ohne an den Luftzufuhröffnungen oder Brennstoffeinspritzöffnungen stabilisiert zu werden, um sicherzustellen, daß ein Teil des Verbrennungsgases vom Zusatzbrennstoffstrom, vom Luftstrom und vom Brennstoffstrom mitgenommen werden kann, bevor die Diffusionsflammen gebildet werden, wodurch die selbstinduzierte Abgasumwälzung auf sehr effektive Weise erreicht wird; und daß ferner Luft aus einer Luftzufuhröffnung zugeführt wird, die so geformt ist, daß sich stromabwärts einer Prallplatte ein ringförmiger Luftstrom bildet, so daß ein Bereich mit starkem Unterdruck innerhalb des ringförmigen Luftstromes gebildet sein kann, um den Umwälzstrom des Brennraumverbrennungsgases zur Förderung der internen Umwälzung zu verstärken, wobei durch die Umwälzung der Hochtemperatur-Brennraumgase ein starker Zündherd gebildet wird, wodurch eine ausgezeichnete Flammenzündung und eine stabile Verbrennung erreicht, und die Verbrennung mit selbstinduzierter Abgasumwälzung effektiv gefördert wird.
In den Fig. 13 und 14 bezeichnet das Symbol 1 ein in einem Luftrohr 2 angeordnetes Brennstoffrohr. Eine mit mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 versehene Prallplatte 4 ist am Ende des Brennstoffrohres 1 um das Brennstoffrohr 1 herum montiert. Entlang der Kante der Prallplatte ist eine Luftstromzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes vorgesehen, und neben den mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 sind Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 montiert, die mit dem Brennstoffrohr 1 in Verbindung stehen. An den Enden der Hauptbrennstoffeinspritzrohre befinden sich Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 zum radialen Einspritzen von Brennstoffgas in die Ströme. Am Ende des Brennstoffrohres 1 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoffgas in die gleichen Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 vorgesehen, und eine Scheibe 9 mit einem größeren Durchmesser als das Brennstoffrohr 1 ist stromaufwärts der radialen Brennstoffeinspritzlöcher 16 angeordnet. Die Luftzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes kann als ringförmiger Schlitz 24 zwischen dem Luftrohr 2 und der Prallplatte 4 oder durch eine ringförmige Anordnung kleiner Löcher 25 gebildet sein, die unmittelbar innerhalb der Kante der Prallplatte angeordnet sind. In den Fig. 15 bis 18 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der ringförmige Schlitz 24 gezeigt, dieser kann jedoch durch eine ringförmige Anordnung von Löchern ersetzt werden.
Im Fall der Fig. 15 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in radialen Richtungen in die stromabwärts der zwischen den benachtbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereiche liegenden Räume vorgesehen.
Im Fall von Fig. 16 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in radiale Richtungen in die Räume stromabwärts der zwischen benachbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereiche, sowie radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in dieselben Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 vorgesehen.
Im Fall von Fig. 17 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in radiale Richtungen in die Räume stromabwärts der zwischen benachbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereiche, sowie axiale Brennstoffeinspritzlöcher 17 zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in Axialrichtung des Brennstoffrohres 1 vorgesehen.
Im Fall von Fig. 18 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in dieselben Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6, sowie axiale Brennstoffeinspritzlöcher 17 zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in Axialrichtung des Brennstoffrohres 1 vorgesehen.
Die axialen Brennstoffeinspritzlöcher 17 können auch ein ringförmiges Führungsloch 18 aufweisen, das in der strichliert dargestellten zusätzlichen Abbildung gezeigt ist. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet ein Drallblech im ringförmigen Führungsloch 18.
Bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen bildet die durch die Luftzufuhröffnung 23 geführte Luft einen ringförmigen Luftstrom 26 stromabwärts der Prallplatte 4, wie in den Fig. 19 und 20 gezeigt ist, und es bildet sich ein Bereich mit starkem Unterdruck innerhalb des ringförmigen Luftstroms 26, um den Umwälzstrom von Brennraumgasen zu verstärken, wodurch die selbstinduzierte Abgasumwälzung im internen Umwälzbereich 14 weiter gefördert wird. Die interne Umwälzung ermöglicht, daß sich durch die Umwälzung des Brennraumgases bei hohen Temperaturen ein starker Zündherd bildet, um eine ausgezeichnete Flammenzündung und eine stabile Verbrennung zu erreichen und die Verbrennung mit selbstinduzierter Abgasumwälzung effektiv zu unterstützen, wodurch die NOx-reduzierende Wirkung gefördert wird. Unabhängig davon, ob die Luftzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstroms als der ringförmige Schlitz 24 oder durch eine Anordnung kleiner Löcher 25 gebildet ist, können dasselbe Phänomen und derselbe Effekt erzielt werden. Falls die Fläche der Luftzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes 20% oder weniger der gesamten Lufteinführfläche beträgt, können die Phänomene und die Wirkung gefördert werden (siehe Fig. 21).
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform trägt die Luftzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes wesentlich zur Erweiterung des Verbrennungsbereichs bei. Fig. 22 zeigt die oberen und unteren Grenzen des Luftüberschußverhältnis mit kritischem CO-Wert, gemessen mit und ohne der Luftzufuhröffnung 23. Aus Fig. 22 ist klar ersichtlich, daß die Luftzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes die obere Grenze des Luftüberschußverhältnis mit kritischem CO-Wert wesentlich erhöht.
Nachstehend werden weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese dienen auch zum Verringern der NOx-Emission während der Verbrennung, indem Luft aus schlitzartigen Luftzufuhröffnungen eingebracht und Brennstoff, unmittelbar bevor der Luftstrom aus den schlitzartigen Luftzufuhröffnungen austritt, in Richtungen quer zur Luftströmungsrichtung in den Luftstrahl eingespritzt wird, während auch Zusatzbrennstoff eingespritzt wird, so daß Diffusionsflammen mit dem von Luft umhüllten Brennstoff gebildet werden und brennen können, ohne an den Luftzufuhröffnungen oder den Brennstoffeinspritzöffnungen stabilisiert zu werden, um sicherzustellen, daß ein Teil des Verbrennungsgases vom Zusatzbrennstoffstrom, vom Luftstrom und vom Hauptbrennstoffstrom mitgenommen wird, bevor die Diffusionsflammen gebildet werden, um eine selbstinduzierte Abgasumwälzung zu erreichen. Durch Erzeugen von Diffusionsflammen bei verschiedenen Luftüberschußverhältnissen, um effektiv fette und magere Flammen zu erzeugen, und durch Zuführen von Luft aus einer Luftzufuhröffnung zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes stromabwärts einer Prallplatte, so daß sich ein Bereich mit starkem Unterdruck innerhalb des ringförmigen Luftstromes bilden kann, wird der Umwälzstrom des Brennraumverbrennungsgases verstärkt und ein starker Zündherd wird aufgrund der Umwälzung des Hochtemperatur-Brennraum-Verbrennungsgases gebildet, wodurch eine ausgezeichnete Flammenzündung und eine stabile Verbrennung ermöglicht und die Verbrennung mit selbstinduzierter Abgasumwälzung effektiv gefördert wird.
In den Fig. 23 und 24 und den Fig. 29 und 30 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Brennstoffrohr, das koaxial innerhalb eines Luftrohres 2 angeordnet ist. Eine Prallplatte 4 mit mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 ist am Ende des Brennstoffrohres um das Brennstoffrohr 1 herum montiert. Um die Prallplatte 4 herum oder unmittelbar innerhalb der Kante der Prallplatte 4 ist eine Luftzufuhröffnung 23 angeordnet, um einen ringförmigen Luftstrom zu bilden, und an den radialen inneren Enden der mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 sind Haupteinspritzrohre 5 angeordnet, die mit dem Brennstoffrohr 1 in Verbindung stehen. Die mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 umfassen zwei Zufuhröffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme und eine Zufuhröffnung 28 zum Bilden einer mageren Flamme.
An den Enden der Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 sind Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 zum Einspritzen von Brennstoff in radiale Richtungen vorgesehen. Am Ende des Brennstoffrohres 1 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in die gleichen Richtungen wie die Injektionsrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 vorgesehen, und eine Scheibe 9 mit einem größeren Durchmesser als das Brennstoffrohr 1 ist stromaufwärts der radialen Brennstoffeinspritzlöcher 16 angeordnet.
Die Luftzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes kann als ein ringförmiger Schlitz 24 zwischen dem Luftrohr 2 und der Prallplatte 4, oder durch eine ringförmige Anordnung kleiner Löcher 25 gebildet sein, die unmittelbar innerhalb der Kante der Prallplatte 4 angeordnet sind. In den Fig. 25 bis 30 ist die Öffnung als ein ringförmiger Schlitz gezeigt, während in Fig. 24 eine ringförmige Anordnung kleiner Löcher 25 gezeigt ist.
Im Fall der Fig. 25 und 31 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in radiale Richtungen in die Räume stromabwärts der zwischen den benachbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereiche vorgesehen.
Im Falle der Fig. 26 und 32 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in radiale Richtungen in die Räume stromabwärts der zwischen benachbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereiche, sowie radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in die gleichen Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 vorgesehen.
Im Falle der Fig. 27 und 33 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16' zum Einspritzen des Zusatzbrennstoffs in radiale Richtungen in die Räume stromabwärts der zwischen benachbarten schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 befindlichen Bereiche, sowie axiale Brennstoffeinspritzlöcher 17 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in Axialrichtung des Brennstoffrohres 1 vorgesehen.
Im Falle der Fig. 28 und 34 sind radiale Brennstoffeinspritzlöcher 16 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in die gleichen Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6, und axiale Brennstoffeinspritzlöcher 17 zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff in Axialrichtung des Brennstoffrohres 1 vorgesehen.
Die axialen Brennstoffeinspritzlöcher 17 können auch ein ringförmiges Führungsloch 18, wie dargestellt, aufweisen. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet ein im ringförmigen Loch 18 befestigtes Drallblech.
Im Falle der Fig. 23 bis 28 haben die Luftzufuhröffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme und die Zufuhröffnungen 28 zum Bilden einer mageren Flamme unterschiedliche Flächen. In den Zeichnungen sind zum Beispiel eine Luftzufuhröffnung 28 zum Bilden einer mageren Flamme und zwei Luftzufuhröffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme mit kleineren Flächen vorgesehen. Die Hauptbrennstoffeinspritzrohre 5 haben alle denselben Durchmesser, so daß in diesem Fall eine magere Flamme mit überschüssiger Luft stromabwärts der Luftzufuhröffnung 28 zum Bilden der mageren Flamme gebildet wird, und brennstoffreiche Flammen, das heißt Flammen mit einem Überschuß an Brennstoff, stromabwärts der zwei Luftzufuhröffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme, mit kleinerer Fläche, gebildet werden.
Im Falle der Fig. 29 bis 34 haben die mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 alle die gleiche Fläche, und die Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 haben eine unterschiedliche Fläche, um zwei Brennstoffeinspritzöffnungen zum Bilden einer fetten Flamme und eine Brennstoffeinspritzöffnung zum Bilden einer mageren Flamme zu bilden. Da die Einspritzöffnung 28 zum Bilden der mageren Flamme einen Durchmesser d2 hat, der kleiner ist, als der Durchmesser d1 der anderen Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 27a, bildet sich eine Flamme mit überschüssiger Luft stromabwärts der Brennstoffeinspritzöffnung 28 zum Bilden der mageren Flamme, und brennstoffreiche Flammen, das heißt Flammen mit überschüssigem Brennstoff, bilden sich stromabwärts der anderen Brennstoffeinspritzöffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme.
Es ist auch möglich, die Fläche der schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 unterschiedlich zu gestalten, ebenso wie die Hauptbrennstoffeinspritzöffnung 6, so daß sowohl die Brennstoff- als auch die Luftöffnungen zu einer fetten bzw. mageren Verbrennung stromabwärts der Einspritzöffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme und der Einspritzöffnungen 28 zum Bilden einer mageren Flamme beitragen. Das heißt, sowohl die Menge der zugeführten Luft als auch die Menge des eingespritzten Brennstoffs kann unterschiedlich sein, um beide Luftüberschußverhältnisse in geeigneter Weise einzustellen, um sowohl eine fette als auch eine magere Verbrennung mit demselben Brenner zu erreichen.
Da in diesem Beispiel die mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 als die Luftzufuhröffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme und die Luftzufuhröffnungen 28 zum Bilden einer mageren Flamme gebildet sind, erfolgt eine fette Verbrennung und eine magere Verbrennung gleichzeitig nebeneinander. Stromabwärts der Luftzufuhröffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme werden fette Flammen mit einem Überschuß an Brennstoff gebildet, und stromabwärts der Luftzufuhröffnungen 27 zum Bilden einer mageren Flamme werden magere Flammen mit einem Überschuß an Luft gebildet. Die brennstoffreichen Flammen haben wegen der ungenügenden Sauerstoffkonzentration und dem resultierenden Abfall der Flammentemperatur eine geringere NOx-Emission als die stöchiometrischen Verbrennungsflammen, und die magere Flamme hat wegen des Abfalls der Flammentemperatur ebenfalls eine geringere NOx-Emission. In diesem Fall, falls beide Luftüberschußverhältnisse richtig eingestellt sind, so daß die überschüssige Luft der mageren Flamme verwendet werden kann, um eine ausreichende Verbrennung des überschüssigen Brennstoffs in der fetten Flamme zu ermöglichen, kann eine effektive fette und magere Verbrennung erreicht werden. Da in diesem Fall der NOx-Emissionspegel das gewichtete Mittel der Brennstoffdurchflußmengen sowohl der fetten Flamme als auch der mageren Flamme ist, die beide eine niedrigere NOx-Emission aufweisen als eine Flamme nahe des stöchiometrischen Luftverhältnisses, wie vorstehend beschrieben wurde, kann bei der gesamten Verbrennung eine niedrige NOx-Emission erreicht werden. Bei der vorliegenden Erfindung, deren wesentliches Merkmal es ist, daß die Flammen an keiner der Einspritzöffnungen stabilisiert sind, da der Brennstoff und die Verbrennungsluft das Verbrennungsgas vor dem Einleiten der Verbrennung mitnehmen, kann aufgrund einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration und einer niedrigeren Flammentemperatur ein niedrigerer NOx-Pegel effektiver erreicht werden. Diese fette und magere Verbrennung kann ferner die Reduktion von NOx in Synergie mit der vorstehend beschriebenen speziellen Verbrennung weiter fördern.
Fig. 35 zeigt die Reduktion von NOx, die durch Verwendung der mehreren schlitzartigen Luftzufuhröffnungen 3 mit unterschiedlicher Größe, wie z. B. die Luftzufuhröffnungen 27 zum Bilden einer fetten Flamme und die Luftzufuhröffnungen 28 zum Bilden einer mageren Flamme, erreicht wird. Es ist zu beachten, daß ein Luft-Brennstoff-Fließgeschwindigkeitsverhältnis von 0,2 oder mehr, die Verwendung von 10 bis 20% des gesamten Brennstoffs als Zusatzbrennstoff, die Verwendung des Luftzufuhrabschnitts 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes mit einer Fläche, die 20% oder weniger der gesamten Luftzufuhrfläche beträgt, und die Anwendung der oben erwähnten fetten und mageren Verbrennung ermöglicht, daß das NOx verglichen mit herkömmlichen Brennern beträchtlich reduziert werden kann.
Fig. 36 zeigt die NOx-Reduktion, die durch Verwendung der Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 6 mit unterschiedlicher Fläche, wie z. B. die Brennstoffeinspritzöffnung 27 zum Bilden einer fetten Flamme und die Brennstoffeinspritzöffnung 28 zum Bilden einer mageren Flamme, erreicht wird, wobei mehrere gleich große schlitzartige Luftzufuhröffnungen 3 verwendet werden. Es sollte beachtet werden, daß ein Luft-Brennstoff- Fließgeschwindigkeitsverhältnis von 0,2 oder mehr, die Verwendung von 10 bis 20% des Gesamtbrennstoffs als Zusatzbrennstoff, die Verwendung der Luftzufuhröffnung 23 zum Bilden eines ringförmigen Luftstromes mit einer Fläche, die 20% oder weniger der gesamten Luftzufuhrfläche beträgt, und die Anwendung der oben erwähnten fetten oder mageren Verbrennung ermöglicht, daß das NOx verglichen mit den herkömmlichen Brennern und Verfahren beträchtlich reduziert werden kann.
Falls die in das Luftrohr 2 eingeführte Verbrennungsluft eine mit Sauerstoff angereicherte Luft ist, die mehr als 21 Vol% Sauerstoff enthält, kann die Verbrennungsleistung erhöht werden, wobei die Verbrennung mit einer geringen NOx-Emission beibehalten wird.

Claims

1. Verfahren zum Erreichen einer Verbrennung mit einer geringen Emission von Stickstoffoxiden, bei welchem ein Brenner verwendet wird, welcher ein Luftzufuhrrohr (2) mit einer Prallplatte (4), die mehrere Luftzufuhröffnungen (3) aufweist, welche um ein Brennstoffrohr (1) herum sowie am oder in der Nähe des Endes des Brennstoffrohres angeordnet sind, und Hauptbrennstoffinjektoren (5), die mit dem Brennstoffrohr (1) verbunden sind und Brennstoffauslässe (6) in der Nähe der mehreren Luftzufuhröffnungen (3) aufweisen umfaßt, wobei das Ende des Brennstoffrohres über die Prallplatte (4) hinausragt und

Zusatzbrennstoffeinspritzlöcher (16; 16'; 17) aufweist, wobei der Brennstoff unmittelbar bevor der Luftstrom aus den mehreren Luftzufuhröffnungen (3) austritt aus den Hauptbrennstoffinjektoren (5) quer zur Luftströmungsrichtung eingespritzt wird; wobei 10% bis 20% des gesamten Brennstoffes als Zusatzbrennstoff aus den Zusatzbrennstoffeinspritzlöchern (16; 16'; 17) so eingespritzt werden, dass das als Gas vorhandene Ofenverbrennungsprodukt zur Verbrennung mitgerissen wird; und wobei die Luftströmungsgeschwindigkeit an den Luftzufuhröffnungen (3) zur Brennstoffströmungsgeschwindigkeit an den Hauptbrennstoffinjektoren (5) in einem Verhältnis von 0,2 oder mehr steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Zusatzbrennstoff durch die in dem Ende des Brennstoffrohres befindlichen radialen Brennstoffeinspritzlöcher (16) radial in Räume stromabwärts der Prallplatte (4) eingespritzt wird, wobei die Brennstoffeinspritzlöcher so ausgerichtet sind, dass

der Zusatzbrennstoff in denselben Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffinjektoren (5) und/oder in radialen Richtungen in die Räume stromabwärts der Bereiche zwischen benachbarten Luftzufuhröffnungen (3) eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbrennstoff in axialer Richtung des Brennstoffrohres (1) durch ein in dem Ende des Brennstoffrohres (1) befindliches, axiales Brennstoffeinspritzloch (17) eingespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Gase vorhandenen Ofenverbrennungsprodukte von einer ringförmigen Brennstoffströmung aus einem axialen Brennstoffeinspritzloch (18) mitgerissen werden, das als eine ringförmige Öffnung in dem Ende des Brennstoffrohres zur Einspritzung des Zusatzbrennstoffes vorgesehen ist, um eine ringförmige Brennstoffströmung zu bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das als Gas im Ofen vorhandene Verbrennungsprodukt von einer ringförmigen Brennsstoffströmung mitgerissen wird, die aufgrund einer Wirbelsteuerfläche (21), die in dem ringförmigen Loch (18) angeordnet ist, verwirbelt strömt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmige Luftströmung von Luft gebildet wird, welche eine Luftzufuhröffnung (24; 25) durchtritt, die an oder in der Nähe der Kante der Prallplatte (4) ausgebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, iadurch gekennzeichnet, dass Luft durch einen Ringschlitz (24), der zwischen dem Luftrohr (2) und der Prallplatte (4) ausgebildet ist, zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Luft durch eine ringförmige Anordnung von Löchern (25) zugeführt wird, wodurch eine in der Nähe der Kante der Prallplatte (4) verlaufende, ringförmige Luftströmung gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmige Luftströmung, welche von der gesamten Luftzufuhr 20% oder weniger darstellt, durch die ringförmige Luifzufuhröffnung (24; 25) zugeführt wird, wodurch eine ringförmige Strömung gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine fette und eine magere Verbrennung durch Ändern des Verhältnisses von Brennstoff zu Luft an verschiedenen Stellen des Brenners gleichzeitig erreicht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft zum Bilden einer fetten Flamme durch eine Luftzufuhröffnung (3) zugeführt wird, welche kleiner ist als diejenige, durch welche die Verbrennungsluft für eine magere Flamme zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass

der Brennstoff zum Bilden einer fetten Flamme durch ein Hauptbrennstoffeinspritzrohr (5) zugeführt wird, das einen Auslaß (6) mit einer Querschnittfläche aufweist, welche größer ist als diejenige eines Hauptbrennstoffeinspritzrohres (5), durch welches der Brennstoff zum Bilden einer mageren Flamme zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoffangereicherte Luft mit einer Sauerstoffkonzentration von 21 vol% oder mehr als in das Luftrohr einzuführende Verbrennungsluft verwendet wird.

14. Vorrichtung zum Erreichen einer Verbrennung mit einer geringen Emission von Stickstoffoxiden, umfassend ein Luftrohr (2) mit einer Prallplatte (4), die mehrere Luftzufuhröffnungen (3) aufweist, welche um ein Brennstoffrohr (1) herum sowie am der in der Nähe des Endes des Brennstoffrohres angeordnet sind, Hauptbrennstoffeinspritzrohre (5), die in der Nähe der mehreren Luftzufuhröffnungen (3) mit dem Brennstoffrohr (1) verbunden sind und Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen (6) zum radialen Einspritzen von Brennstoff in das Luftrohr (2) aufweisen, wobei das Ende des Brennstoffrohres über die Prallplatte (4) hinausragt, Zusatzbrennstoffeinspritzlöcher (16; 16'; 17) zum Einspritzen von Zusatzbrennstoff, welche am Ende des Brennstoffrohres ausgebildet sind, und eine Scheibe (9), die einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser des Brennstoffrohres ist und die zwischen der Prallplatte (4) und den Zusatzbrennstoffeinspritzlöchern (16; 16'; 17) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ende des Brennstoffrohres (1) befindlichen Zusatzbrennstoffeinspritzlöcher (16) so ausgerichtet sind, dass der Zusatzbrennstoff in denselben Richtungen wie die Einspritzrichtungen der Hauptbrennstoffinjektoren (5) und/oder in radialen Richtungen in die Räume stromabwärts der Bereiche zwischen benachbarten Luftzufuhröffnungen (3) eingespritzt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ende des Brennstoffrohres befindlichen Zusatzbrennstoffeinspritzlöcher (16; 16'; 17) ein Loch (17; 18) umgeben, das zur Einspritzung des Zusatzbrennstoffes in axialer Richtung des Brennstoffrohres (1) ausgerichtet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Brennstoffeinspritzloch als eine ringförmige Öffnung (18) zur Einspritzung des Zusatzbrennstoffes ausgebildet ist, um eine aus dem axialen Brennstoffeinspritzloch (18) kommende, ringförmige Strömung zu bilden, wodurch als Gase vorhandene Ofenverbrennungsprodukte mitgerissen werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wirbelsteuerfläche (21) in dem ringförmigen Loch (18) angeordnet ist, um Zusatzbrennstoff aus dem ringförmigen Loch (18) ringförmig verwirbelt einzuspritzen.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 18, adurch gekennzeichnet, dass eine Luftzufuhröffnung (24) oder Öffnungen (25) zum Bilden einer ringförmigen Luftströmung an oder in der Nähe der Kante der Prallplatte (4) ausgebildet ist oder sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhröffnung (24; 25) zum Bilden einer ringförmigen Luftströmung von einem Ringschlitz (24) gebildet wird, der zwischen dem Luftrohr (2) und der Prallplatte (4) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhröffnung zum Bilden einer ringförmigen Luftströmung von einer Kreisförmigen Anordnung von Löchern (25) gebildet wird, welche sich in der Nähe der Kante der Prallplatte (4) befindet.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Luftzufuhröffnung (24) oder -Öffnungen (25) zum Bilden einer Ringförmigen Luftströmung 20% oder weniger der gesamten Luftzufuhrfläche beträgt.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass schlitzartige Luftzufuhröffnungen (3) als Luftzufuhröffnungen zum Bilden einer fetten Flamme und als Luftzufuhröffnungen zum Bilden einer mageren Flamme ausgebildet sind, um eine fette und eine magere Verbrennung gleichzeitig zu erzielen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhröffnungen (3) zum Bilden einer fetten Flamme und die Luftzufuhröffnungen (3) zum Bilden einer mageren Flamme als mehrere Öffnungen mit verschiedener Fläche ausgebildet sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen (6) der Hauptbrennstoffeinspritzrohre (5) unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen, wodurch sie als Brennstoffinjektoren zum Bilden einer fetten bzw. als Brennstoffinjektoren zum Bilden einer mageren Flamme wirken.