DE69802914T2

DE69802914T2 - FLACHFLAMMENBRENNER MIT NIEDRIGER NOx-EMISSION

Info

Publication number: DE69802914T2
Application number: DE69802914T
Authority: DE
Inventors: N. Newby; J. Nieszczur; A. Shannon
Original assignee: North American Manufacturing Co
Current assignee: North American Manufacturing Co
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: JP2002500744A; CA2285212A1; JP3428659B2; DE69802914D1; WO1998044295A1; EP0972160B1; EP0972160A1; US5813846A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Flachflammenbrennern des Typs, welche eine sich im wesentlichen entlang einer Oberfläche ausbreitenden Flamme erzeugen, für Anwendungen, die eine hohe Strahlungswärmeübertragung erfordern. Ein typischer vormaliger Flachflammenbrenner 10 ist in Fig. 1A gezeigt. Ein erster Reaktionsteilnehmer, typischerweise Luft, wird durch eine erste Passage 12 geleitet. Eine Drallströmung wird in der ersten Passage 12 mittels Verwendung einer Anzahl von Strömungsdreheinrichtungen erzeugt, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann die Formgebung der ersten Passage 12 derart sein, daß sie eine drehende Strömung erzeugt. Es kann auch eine diskrete Vorrichtung wie etwa ein Flammenstabilisator 14 für sich oder in Kombination mit der Formgebung verwendet werden, um eine drehende Drallströmung herzustellen. Weitere Arten von diskreten Vorrichtungen können verwendet werden und umfassen versetzte Luftanschlüsse, "Halbmond"-Einlaßdrehelemente, Verwirbler usw., wie sie auf diesem Fachgebiet bekannt sind. Gemäß der Darstellung von Fig. 1B ist der Flammenstabilisator 14 eine Platte mit einer Anzahl von Öffnungen, deren speziell gewählte Geometrie eine stark ausgeprägte Drallströmung erzeugt.
Ein zweiter Reaktionsteilnehmer, typischerweise Brennstoff, wird der Luftströmung durch eine zweite Passage 18 an einer Eindüsöffnung 16 zugesetzt. Die resultierende Brennstoff/Luft-Mischung verbrennt stromabwärts vom Stabilisator 14 in der Nähe des Brennersteins 20. Der Brennerstein 20 besitzt ein divergierendes, typischerweise hyperbolisches Profil. Die drehende Drallströmung divergiert radial von der Brennerachse, so daß sie dem Profil des hyperbolischen. Brennersteins 20 folgt. Die Verbrennung erleichtert die radiale Divergenz und erzeugt eine sich radial erweiternde Flammenfront mit einer sehr kleinen axialen Komponente.
Die radial divergierende Flamme erzeugt eine dünne, flache Flammenfront, typischerweise mit einer Dicke von weniger als zehn Zoll (Inch), die der sich konisch erweiternden Oberfläche des Brennersteins 20 folgt. Auf diese Weise weist die flache Flamme eine große Oberfläche auf, um Energie von der Flamme abzustrahlen, so daß die Anlage ohne direktes Auftreffen der Flamme erwärmt wird. Die radial divergierende Flamme erzeugt eine mittige Rückführungszone 22 um die Brennerachse, so daß die inerten Verbrennungsprodukte aus der Ofenatmosphäre in den äußeren Abschnitt der Flammenhülle eingezogen werden. Da die Flammenfront dem Profil des Brennersteins eng folgt, ist der Mittelbereich um die Brennerachse kühler als die äußeren Bereiche.
Die EP-A-0592081 ist auf einen Flachflammenbrenner zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoffs in zwei Stufen gerichtet, so daß Verbrennungsgase mit einem ultraniedrigen Nox-Anteil erzeugt werden. Insbesondere lehrt die EP-A-0592081, dem Verbrennungsvorgang eine Mehrzahl von Vorgemischen entlang separater und unterschiedlicher Wege zur Verfügung zu stellen, und die Mehrzahl von Vorgemischen an separaten Orten in die Verbrennungszone einzuführen.
Ein Flachflammenbrenner gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der DE-A-40 01 378 bekannt.
Stickoxide bzw. NOx-Emissionen werden von Verbrennungssystemen erzeugt, bei denen Stickstoff und Sauerstoff innerhalb eines örtlich begrenzten Hochtemperaturbereichs vorliegen. Die Abkürzung NOx ist eine chemische Kurzbezeichnung für die kombinierten Spezies NO und NO&sub2;. Die Emission dieser Spezies stellt eine beträchtliche Gefährdung der Gesundheit in der Umgebungsluft dar und hat noch weitere schädliche Auswirkungen auf die Umwelt. NOx-Emissionen spielen eine Hauptrolle bei photochemischem Smog und saurem Regen, die weltweit in Industriegebieten angetroffen werden. Flachflammenbrenner produzieren naturgemäß wenig NOx, weil die hohe Rückführungsrate von inerten Verbrennungsprodukten eine Verbrennungsreaktion mit einer relativ niedrigen Temperatur zur Verfügung stellt. Trotz vergleichsweise niedriger Niveaus von erzeugten NOx entsteht ein Bedarf nach Flachflammenbrennern mit ultraniedrigen NOx-Emissionen durch Sachzwänge im Hinblick auf den Umweltschutz, die von Aufsichtsbehörden ausgehen. Einige Anwendungsgebiete wie deckenbefeuerte Aluminiumschmelzöfen und Stahlnachwärmöfen erfordern Flachflammenbrenner, die vorgewärmte Luft mit NOx-Emissionsniveaus von weniger als 100 ppmv anwenden. Einige vormalige Flachflammenbrennerkonzepte verringern NOx mittels Durchleiten von Rauchgas durch den Brenner, um die Flammentemperaturen abzusenken. Solche Konzepte sind jedoch sehr kompliziert und aufwendig und erfordern viel zusätzliche Hardware. Des weiteren wird bei solchen Konzepten die Leistungsfähigkeit verschlechtert, da sich die Befeuerungskapazität und die verfügbare Wärme verringern.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Angesichts des oben Gesagten besteht ein Bedarf nach einem Flachflammenbrenner mit niedrigen Niveaus von erzeugten NOx.
Es besteht des weiteren ein Bedarf nach einem Flachflammenbrenner mit niedrigen NOx-Emissionen, der eine weniger komplizierte Konstruktion aufweist.
Es besteht des weiteren ein Bedarf nach einem Flachflammenbrenner mit niedrigen NOx-Emissionen, der weniger aufwendig herzustellen ist.
Es besteht des weiteren ein Bedarf nach einem Flachflammenbrenner mit niedrigen NOx-Emissionen, der die Befeuerungskapazität oder die verfügbare Wärme nicht verringert.
Diese und weitere Erfordernisse werden durch den Flachflammenbrenner mit den Merkmalen von Anspruch 1 erfüllt.
Es wird verständlich sein, daß weitere und verschiedene Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung liegen, deren mehrere Einzelheiten sich in verschiedener Hinsicht für Modifikationen eignen, ohne von der in den Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen. Infolgedessen sind die Zeichnungen und die Beschreibung als veranschaulichend und nicht als einschränkend aufzufassen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es werden nun die Ausführungsformen der Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei die Einzelteile gleiche Bezugszeichen tragen, und worin:
Fig. 1A und 1B eine Seitenansicht im Schnitt bzw. eine Draufsicht des Aufbaus und des Betriebs eines vormaligen Flachflammenbrenners zeigen;
Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt des Flachflammenbrenners der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine Seitenansicht im Schnitt des Aufbaus und des Betriebs des vorliegenden Flachflammenbrenners zeigt;
Fig. 4 eine Schrägansicht zur Veranschaulichung des Mitreißens und Vermischens um die sekundäre Eindüseinrichtung der vorliegenden Erfindung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 2 und 3 zeigen den Aufbau und den Betrieb des Flachflammenbrenners 30 der vorliegenden Erfindung. Wie hierin veranschaulicht ist, ist der Brenner vorzugsweise Luft-primär, d. h. der primäre Reaktionsteilnehmer ist Luft. Der vorliegende Brenner weist eine erste Passage zum Zuführen des Stroms des primären Reaktionsteilnehmers auf, einschließlich einer Verbrennungsluftsammelkammer 32 zum Einlassen eines Stroms von Verbrennungsluft von einer externen Quelle. Ein strömungsdrehender Aufbau ist vorgesehen, um eine drehende Strömung in dem Luftstrom zu erzeugen. Der strömungsdrehende Aufbau kann beispielsweise als Einheit mit einer Formgebung, für sich oder in Kombination mit einem diskreten Aufbau wie etwa einem abgesetzten Luftanschluß, einem "Halbmond"-Einlaßdrehelement, einem Verwirbler oder einem Flammenstabilisator (gemäß der Darstellung) sein. Ein radial divergierender Brennerstein 36 ist vorgesehen, vorzugsweise mit einem hyperbolischen Profil, der in einer Austrittsebene 62 des Auslasses des Brennersteins 36 endet. Der Brennerstein 36 kann jedoch ein Profil aufweisen, das entweder im wesentlichen geradlinig, gekrümmt oder diskontinuierlich ist, mit wenigstens einem Abschnitt mit einer konischen oder Kegelschnittform. Die Drallströmung wirkt mit dem divergierenden Brennerstein 36 zusammen, so daß ein radial divergierendes Strömungsmuster erzeugt wird. Luft wird der Luftsammelkammer 32 durch einen Verbrennungslufteinlaß 38 zugeführt, der mit einer entfernt angeordneten Luftversorgung verbunden ist.
Gemäß der vorliegenden Darstellung wird der Strom des sekundären Reaktionsteilnehmers, vorzugsweise gasförmiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff, der Luftströmung in zwei Stufen zugeführt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch einen Flüssigbrennstoff verwenden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Eine zweite Passage ist zum Zuführen von Brennstoff vorgesehen und umfaßt eine primäre Brennstoffpassage 40 und eine sekundäre Brennstoffpassage 42, die vorzugsweise konzentrisch entlang der Brennerachse angebracht sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist der vorliegende Brenner Luft-primär; es wird jedoch verständlich sein, daß der vorliegende Brenner auch Brennstoff-primär sein kann, ohne von der Erfindung abzuweichen. Die primäre Gaspassage 40 führt der Verbrennungsluft Brennstoff über eine primäre Gaseindüseinrichtung 44 in der ersten Passage 32 an einer Stelle stromabwärts vom Brennerstein 36 zu. Die primäre Eindüseinrichtung 44 weist mindestens eine Öffnung auf, vorzugsweise eine Mehrzahl von primären Gaseindüsöffnungen 46. Bei der Öffnung kann es sich jedoch auch um einen kontinuierlichen Ringkanal handeln. Die sekundäre Gaspassage 42 führt Brennstoff im wesentlichen in der Nähe des Brennerauslasses über eine sekundäre Gaseindüseinrichtung 48 zu, die sich an der Austrittsebene 62 des Auslasses des Brennersteins 36 befindet und eine Mehrzahl von sekundären Gaseindüsöffnungen 50 aufweist, vorzugsweise vier. Brennstoff wird den jeweiligen Gaspassagen über eine primäre Gassammelkammer. 52 und eine sekundäre Gassammelkammer 54 zugeführt, die jeweils einen Einlaß 56, 58 zum Einleiten von Brennstoff aufweisen.
Während des Betriebs des vorliegenden Brenners 30 wird dem Brennerstein 36 Verbrennungsluft über die Luftsammelkammer 32 zugeführt. Die Verbrennungsluft kann mit Umgebungstemperatur zugeführt werden oder auf Temperaturen vorgewärmt werden, wie sie in Brennern üblicherweise verwendet werden. Während des Hochfahrens strömt Brennstoff durch die primäre und sekundäre Gaspassage 40, 42 vorzugsweise in im wesentlichen gleichen Anteilen (d. h. 50% des gesamten Brennstoffs durch jede Passage). Eine Pilotflamme wird durch die Pilotflammenöffnung 60 zum Entzünden der Brennstoff/Luft-Mischung an der primären Eindüseinrichtung 44 versorgt. Die Pilotflamme kann permanent, intermittierend und mit Unterbrechungen betrieben werden, wie auf diesem technischen Gebiet bekannt ist. Um die Flammenstabilität bei niedrigen Temperaturen wie etwa während des Hochfahrens zu gewährleisten, werden die Anteile von Brennstoff und Luft derart gesteuert, daß die brennbare Mischung in der Primärstufe an der primären Eindüseinrichtung 44 mager ist (d. h. mit einem Luftüberschuß). Sekundärgas wird den Produkten der Primärstufe durch die sekundäre Eindüseinrichtung 48 zugeführt, um eine im wesentlichen stöchiometrische Befeuerung der zweiten Stufe zu erzielen. Bei diesem zweistufigen Betriebsmodus werden die NOx-Nivaus auf ca. 80-100 ppmv reduziert. Der vorliegende Brenner wird vorzugsweise in Hochtemperaturofenumgebungen verwendet. Bei Betriebstemperaturen über der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoffs, bei denen die Verbrennung als selbstunterhaltend anzunehmen ist, ist die Verwendung der primären Eindüseinrichtung 44 nicht erforderlich, und 100% des Brennstoffs können durch die sekundäre Eindüseinrichtung 48 zugeführt werden. Bei diesem Betriebsmodus werden die NOx-Niveaus auf ca. 30 ppmv verringert.
Die NOx-Erzeugung wird durch die Befeuerung durch die sekundäre Eindüseinrichtung 48 stark unterdrückt. Durch die sekundäre Eindüseinrichtung 48 zugeführter Brennstoff vermischt sich mit den in die Rückführungszone mitgerissenen inerten Ofenprodukten und verdünnt den Brennstoff im wesentlichen mit Inertstoffen vor dem Vermischen mit der vom Brennerstein 36 divergierenden Verbrennungsluftströmung. Örtliche Sauerstoffkonzentrationen werden somit durch das Vorhandensein dieser Inertstoffe verringert, wodurch die Rate der Verbrennungsreaktion verringert und die Verbrennungsreaktionstemperatur gesenkt wird. Die Inertstoffe müssen auf die Reaktionstemperatur gebracht werden, weshalb die Temperatur niedriger sein muß, wodurch die Erzeugung von NOx gesenkt wird.
Die mit Öffnungen versehene Geometrie der sekundären Eindüseinrichtung 48 spielt eine Rolle beim Erzielen von niedrigen NOx-Erzeugungsraten. Die Erfinder haben beobachtet, daß überraschenderweise eine geringere Anzahl von Öffnungen 50 in einem niedrigeren NOx-Niveau resultiert. Zahlreiche Öffnungen reduzieren den Anteil der mitgerissenen inerten Ofenprodukte, die vom Brenner rückgeführt werden. Die Erfinder haben entdeckt, daß eine Eindüseinrichtung 48 unter Verwendung von acht Öffnungen 50 in NOx-Niveaus von etwa 100 ppmv resultiert, während die Eineindüseinrichtung 48 unter Verwendung von nur vier Öffnungen in NOx-Niveaus von nur etwa 30 ppmv resultiert. Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, ist zu beobachten, daß der Abstand zwischen den vier Öffnungen 50 zum Mitreißen von Inertstoffen beiträgt und es ermöglicht, daß die inerten Ofenprodukte auf geeignete Weise auf jeden der Brennstoffstrahlen und auch innerhalb des Verbrennungsluftstroms verteilt werden. Eine solche Beabstandung fördert das Vermischen mit den Produkten der Primärstufe und den mitgerissenen Inertstoffen entlang des gesamten Umfangs der Sekundärgasstrahlen. Die mitgerissenen Gase durchqueren die Ebene der Öffnungen 50 und fördern dadurch eine weitere Vermischung entlang des Umfangs. Eine Anzahl von weniger als vier Öffnungen resultiert hingegen in einer schlecht definierten Flammenform mit einer übermäßig verzögerten Vermischung zwischen der Brennstoff- und der Luftströmung. Auch wenn die Erfindung nicht durch die Anzahl von Öffnungen eingeschränkt wird, so werden die am meisten zufriedenstellenden Ergebnisse gegenwärtig unter Verwendung von vier Öffnungen beobachtet.
Die vorliegende Erfindung stellt auch weitere Vorteile zusätzlich zu und über eine verringerte NOx-Erzeugung hinaus zur Verfügung. Die sekundäre Eindüseinrichtung 48 erweitert den Flammendurchmesser, was in einem geringeren Wärmefluß pro Einheit von Wand-/Deckenfläche resultiert. Bei gleichwertigen Befeuerungsraten und sonstigen Bedingungen erzeugt dies eine gleichförmigere Beheizung über Wand und Decke des Ofens. Des weiteren können Durchsatzraten zwischen der primären Eindüseinrichtung und der sekundären Eindüseinrichtung variiert werden, um ein optimales Gleichgewicht zwischen NOx-Emissionsniveaus und Wand-/Decken-Wärmeflußraten zur Verfügung zu stellen, so daß gegenüber vormaligen Flachflammenbrennern eine beträchtliche Flexibilität zu Verfügung gestellt wird.
Die sekundäre Eindüseinrichtung 48 liefert Energie an den sekundären Reaktionsteilnehmer parallel zur Decke, wodurch die Wahrscheinlichkeit, daß der Flachflammenbrenner in Vorwärtsrichtung feuert, verringert wird; dies ist eine Schwierigkeit, die allen Flachflammenbrennern zu eigen ist.
Wie im vorangegangenen beschrieben wurde, löst die vorliegende Erfindung viele Probleme, die mit früheren Flachflammenbrennern in Zusammenhang stehen, und weist eine verbesserte Emissionsverringerung und einen verbesserten Betrieb auf. Es wird jedoch verständlich sein, daß verschiedene Änderungen in den Details, Materialien und Anordnungen der Teile, die vorliegend beschrieben und veranschaulicht wurden, um das Wesen der Erfindung zu erklären, vom Fachmann durchgeführt werden können, die im Grundgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen, so wie sie in den Ansprüchen dargestellt ist.

Claims

1. Flachflammenbrenner, welcher aufweist:

einen Brennerstein (36) zum Umsetzen eines brennbaren Gemisches zum Erzeugen einer Flamme, wobei der Brennerstein (36) einen Auslaß mit einer in Radialrichtung divergierenden Oberfläche aufweist, der in einer Austrittsebene (62) des Auslasses des Brennersteins (36) endet;

eine erste Passage (32) zum Einleiten eines Stroms eines primären Reaktionsteilnehmers in den Brennerstein (36);

eine zweite Passage (40, 42) mit einer primären Eindüseinrichtung (44) zum Einleiten eines ersten Stroms eines sekundären Reaktionsteilnehmers in den Strom des primären Reaktionsteilnehmers zum Bilden des brennbaren Gemisches;

eine in der ersten Passage (32) gehaltene Strömungsdreheinrichtung (34) zum Erzeugen einer Drallströmung im Strom des primären Reaktionsteilnehmers, wobei die Drallströmung mit der divergierenden Oberfläche des Brennersteins (36) zusammenwirkt, um am Auslaß eine in Radialrichtung divergierende Flamme hervorzurufen, und wobei die Drallströmung Inertgase aus einer Umgebung um den Brenner mitreißt;

wobei die zweite Passage (40, 42) des weiteren eine sekundäre Eindüseinrichtung (48) zum Einleiten eines zweiten Stroms des sekundären Reaktionsteilnehmers in die mitgerissenen Inertgase aufweist;

dadurch gekennzeichnet, daß

die sekundäre Eindüseinrichtung (48) an der Austrittsebene (62) angeordnet ist, so daß sie den zweiten Strom des sekundären Reaktionsteilnehmers im wesentlichen in der Nähe des Auslasses des Brennersteins (36) zuführt, um dadurch ein Vermischen des zweiten Stroms des sekundären Reaktionsteilnehmers mit den mitgerissenen Inertgasen zu erzielen, wodurch der zweite Strom des sekundären Reaktionsteilnehmers vor dem Vermischen mit dem divergierenden Strom des Reaktionsteilnehmers aus dem Brennerstein (36) im wesentlichen verdünnt wird.

2. Flachflammenbrenner nach Anspruch 1, wobei die erste Passage (32) im wesentlichen zylindrisch ist, und die zweite Passage (40, 42) eine zur ersten Passage (32) im wesentlichen konzentrische Röhre ist.

3. Flachflammenbrenner nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt der divergierenden Oberfläche ein konisch geformtes Profil aufweist.

4. Flachflammenbrenner nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt der divergierenden Oberfläche des Brennersteins (36) gekrümmt ist.

5. Flachflammenbrenner nach Anspruch 4, wobei zumindest ein Abschnitt der divergierenden Oberfläche des Brennersteins (36) eine Kegelschnittform aufweist.

6. Flachflammenbrenner nach Anspruch 5, wobei zumindest ein Abschnitt der divergierenden Oberfläche des Brennersteins (36) eine Hyperboloidform aufweist.

7. Flachflammenbrenner nach Anspruch 1, wobei die sekundäre Eindüseinrichtung (48) eine Mehrzahl von Eindüsöffnungen (50) aufweist.

8. Flachflammenbrenner nach Anspruch 7, wobei die sekundäre Eindüseinrichtung (48) vier Eindüsöffnungen (50) aufweist.

9. Flachflammenbrenner nach Anspruch 1, wobei der primäre Reaktionsteilnehmer Luft ist, und der sekundäre Reaktionsteilnehmer ein gasförmiger Brennstoff ist.

10. Verfahren zum Erzeugen einer flachen Flamme mit niedriger NOx-Emission unter Verwendung eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches die Schritte aufweist:

Vorsehen eines Brennersteins (36) zum Umsetzen eines brennbaren Gemisches zum Erzeugen einer Flamme, wobei der Brennerstein (36) einen Auslaß mit einer divergierenden Oberfläche aufweist;

Einleiten eines Stroms des primären Reaktionsteilnehmers in den Brennerstein (36);

Einleiten eines ersten Stroms des sekundären Reaktionsteilnehmers in den Strom des primären Reaktionsteilnehmers zum Bilden des brennbaren Gemisches;

Erzeugen einer Drallströmung im Strom des primären Reaktionsteilnehmers, wobei die Drallströmung mit der divergierenden Oberfläche zusammenwirkt, um am Auslaß einen in Radialrichtung divergierenden Strom hervorzurufen, und wobei die Drallströmung Inertgase aus einer Umgebung um den Brenner mitreißt;

wobei ein zweiter Strom des sekundären Reaktionsteilnehmers im wesentlichen in der Nähe des Auslasses eingeleitet wird und mit dem in Radialrichtung divergierenden Strom verbrennt, wodurch eine Verbrennungsreaktion mit niedriger NOx-Emission resultiert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei bei Erreichen einer vorgegebenen Ofentemperatur der erste Strom des sekundären Reaktionsteilnehmers unterbrochen wird, so daß der zweite Strom des sekundären Reaktionsteilnehmers die Verbrennungsreaktion mit niedriger NOx- Emission unterhält.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der primäre Reaktionsteilnehmer Luft ist, und der sekundäre Reaktionsteilnehmer ein gasförmiger Brennstoff ist.