DE69011036T2

DE69011036T2 - Brenner zur Reduzierung von NOx-Emissionen.

Info

Publication number: DE69011036T2
Application number: DE69011036T
Authority: DE
Inventors: Toshimitsu Ido; Kazuo Kaiya
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1990-10-24
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: US5049066A; KR940009423B1; KR910008335A; EP0425055B1; JPH0551809B2; JPH03140706A; EP0425055A2; EP0425055A3; DE69011036D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner mit:
einem Innenrohr Zum Einspritzen eines gasförmigen Brennstoffs,
einem Außenrohr zum Einspritzen von Luft konzentrisch um das Innenrohr und dadurch Bilden eines ringförmigen Raumes mit dem Außenrohr,
einem divergierenden Trichter, der an einem Ende des Innenrohrs befestigt ist und einen Ringspalt mit dem Außenrohr bildet,
einer Vielzahl von Öffnungen in dem Trichter und einer Vielzahl von Öffnungen an einem Ende des Innenrohrs innerhalb des Trichters, deren Achsen im allgemeinen parallel zur Wand des Trichters sind.
Ein derartiger Brenner ist aus der DE-A-20 35 461 bekannt.
In dieser bekannten Vorrichtung erstreckt sich der Abschnitt des Trichters, der mit dem Innenrohr verbunden ist, senkrecht zur Achse des Innenrohrs und nur in diesem Abschnitt des Trichters sind Öffnungen vorgesehen, deren Achsen parallel zur Achse des Innenrohrs liegen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner zu schaffen, der reduzierte NOx-Emissionen ermöglicht, niedrige Herstellungskosten hat und keine zusätzlichen Vorrichtungen zur Erniedrigung der Verbrennungstem peratur erfordert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Vermischung von gasförmigem Brennstoff und Luft in einem Brenner, um NOx-Emissionen zu reduzieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brenners, in dem eine große Anzahl von im allgemeinen unabhängiger Flammen zum Erreichen einer stabilen Verbrennung vorgesehen sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brenners, in dem gasförmiger Brennstoff in einen Strom von Verbrennungsluft stromauf eines perforier ten Trichters eingespritzt wird. Das so erzeugte magere Gemisch wird in das Innere des Trichters eingeführt, wo es mit zusätzlichem, im allgemeinen parallel zur Wand des Trichters eingespritztem gasförmigen Brennstoff vermischt. Weitere Mischung erfolgt stromauf des Spalts zwischen dem Umfang des Trichters und der Innenwand des Außenrohres.
Der Brenner nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß eine Vielzahl von Öffnungen im Innenrohr stromauf des Trichters angeordnet und radial auswärts in den ringförmigen Raum gerichtet sind, um einen ersten Strom des gasförmigen Brennstoffs in den ringförmigen Raum einzuspritzen, während der zweite Strom durch die öf fnungen in den Trichter eingespritzt wird, und daß eine Vielzahl von Einspritzöffnungen und Blindabschnitten abwechselnd am Außenumfang des Trichters innerhalb des Ringspalts angeordnet sind.
Ein Teil des im Inneren des Innenrohrs strömenden Gases wird von einer Vielzahl von auf dem Innenrohr gebildeten Gasöffnungen radial gespritzt und vermischt sich gut mit im Inneren des Außenrohres strömender Verbrennungsluft. Ein Teil dieses mageren Gemischs wird durch die Vielzahl von Öffnungen in das Innere des Trichters eingeführt, wo er gut vermischt wird mit dem entlang der Innenwand aus einer Vielzahl von Strahlöffnungen eingespritzten Gas, welche Öffnungen am Ende des Innenrohrs im Trichter gasförmigen Brennstoff im allgemeinen parallel zu der divergierenden Wand des Trichters lenken. Die Öffnungen im Trichter konzentrieren sich im Bereich des schmalen Endes mit, falls überhaupt, wenigen Öffnungen nahe dem weiten Ende des Trichters. Diese räumliche Verteilung und eine Größenverteilung der Öffnungen in der Wand des Trichters fördert die Bildung von einer großen Anzahl von im allgemeinen unabhängigen Flammen, wodurch eine stabile reiche Verbrennung nahe dem schmalen Ende des Trichters gefördert wird. Das magere Gemisch, das hinter dem weiten Ende des Trichters strömt, unterstützt die magere Verbrennung in diesem Bereich im allgemeinen unabhängig von der reichen Verbrennung am schmalen Ende des Trichters. Dies vermeidet eine lokale Hochtemperaturverbrennung und erlaubt daher eine effektive Reduktion von NOx-Emissionen.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugsziffern dieselben Elemente bezeichnen.
In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines konventionellen Brenners,
Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Brenners nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Vorderansicht der Ausführungsform in Fig. 2 und
Fig. 4 ein Graph der NOx-Konzentration in Abgasen eines konventionellen Brenners und eines erfindungsgemäßen Brenners.
Bezugnehmend auf Fig. 1 weist ein typischer konventioneller Brenner zum Gebrauch in einem Boiler oder ähnlichem ein Innenrohr 1 innerhalb eines Außenrohrs 4 auf. Ein perforierter Trichter mit einer Vielzahl von Öffnungen ist an einem Ende des Innenrohrs 1 befestigt.
Dieser konventionelle Brenner schafft eine stabile Verbrennung, erzeugt jedoch ein hohes Niveau an Stickoxid-(NOx-)Emissionen von beispielsweise 75 bis 100 ppm (O&sub2; = 0 %).
Die Erfüllung von Emissionsstandards erfordert die Addition von Vorrichtungen zur Abgasrückführung oder zum Einspritzen von Wasser in den Brenner zur Temperaturerniedrigung, wodurch die NOx-Emission reduziert wird. Derartige zusätzliche Vorrichtungen erhöhen den Aufwand für den Boiler. Beispielsweise können sich die Herstellungskosten für einen kleinen Boiler für industriellen Gebrauch um 20 bis 30 % erhöhen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 weist nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Außenrohr 4 und ein Innenrohr 1 auf. Ein Trichter 2 ist an einem Ende des Innenrohrs 1 befestigt. Nahe seinem schmalen Ende hat der Trichter 2 eine Vielzahl von Öffnungen 3, die das Hindurchtreten eines mageren Gemischs aus Gas und Luft erlauben. Der Rest des Trichters 2 ist massiv ohne Perforationen.
Ein Außendurchmesser des breiteren Endes des Trichters 20 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Außenrohrs 4, wodurch ein Ringspalt 5 zwischen Außenrohr 4 und Trichter 2 gebildet wird.
In bezug auf Fig. 3 wechselt eine Vielzahl von Luftgemischeinspritzabschnitten 6 und eine Vielzahl von Blindabschnitten 7 um den Ringspalt 5 herum ab.
Eine Vielzahl von Öffnungen 8 werden an der Vorderf läche des Innenrohrs 1 gebildet. Ein erster Strom gasförmigen Brennstoffs wird durch Öffnungen 8 in das Innere des Trichters 2 eingespritzt. Die Öffnungen 8 sind im allgemeinen parallel zur Wand des Trichters 2 gerichtet, wodurch der erste Strom gasförmigen Brennstoffs dazu neigt, parallel zur Wand des Trichters 2 zu fließen.
Nach Fig. 2 Spritzen weiterhin eine Vielzahl von Öffnungen 9 einen zweiten Strom von gasförmigem Brennstoff in einen ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr 1 und dem Außenrohr 4 stromauf des Trichters 2. Die Öffnungen 9 Spritzen den gasförmigen Brennstoff in einer im allgemeinen radialen Richtung.
Die Menge des durch die Öffnungen 9 gespritzten gasförmigen Brennstoffs produziert ein mageres Gemisch aus Brennstoff und Luft in dem ringförmigen Raum.
Wenn die Öffnungen 3 gleichförmig über die Fläche des Trichters 2 verteilt wären, würde die Flamme sich über den Trichter 2 einschließlich seinem breiten Ende verteilen. Dies könnte eine lokale Hochtemperaturverbrennung ermöglichen. Dies wiederum verhindert das Erreichen einer dichten, reichen Verbrennung an einem Ort und magere Verbrennung an einem anderen Ort. Folglich ist es unmöglich, eine effiziente Reduzierung der NOx-Emissionen zu erreichen.
Die Öffnungen 3 können auf den Trichter in eineia unregelmäßigen Muster angeordnet werden und ihre Größen können in einem weiten Bereich unterschiedlich sein. Insbesondere sind die Öffnungen 3 im Bereich des schmalen Endes des Trichters 2 verteilt mit wenigen, falls überhaupt, im Bereich des breiteren Endes. Dies ermöglicht die gewünschte dichte, reiche Verbrennung in der Umgebung des nahen Endes des Trichters 2, während eine separate magere Verbrennung in dem und gerade stromab von dem Ringspalt 5 ermöglicht wird.
Wenn ein gasförmiger Brennstoff im Innenrohr 1 strömt und Luft im Außenrohr 4 strömt, wird ein Teil des im Innenrohr 1 strömenden gasförmigen Brennstoffs radial von zweiten Gasspritzöffnungen 9 gespritzt und im Außenrohr 4 mit der strömenden Luft gut vermischt unter Bildung eines mageren Gemischs. Ein Teil des mageren Gemischs wird durch Öffnungen 3 in das Innere des Trichters 2 eingeführt und wird dann gut vermischt mit dem von den ersten Gasspritzöffnungen 8 entlang der Innenwand des Trichters 2 eingespritzten Gas. Im Ergebnis vermischt das Gas gut und erzeugt eine reiche und dichte Verbrennung.
Wenn die Vielzahl von Öffnungen 3 in unregelmäßiger Weise angeordnet wird und ihre Größen verschieden sind, werden eine große Anzahl von verschiedenen unabhängigen Flammen simultan erzeugt. Dies führt zur Einrichtung einer konstanten stabilen Verbrennung.
Das verbleibende magere Gemisch wird durch die Vielzahl von Luftgemischeinspritzabschnitten 6 am großen Umfang des Trichters 2 gespritzt. Die durch die Spritzabschnitte 6 passierende Luft bildet Wirbel im Bereich der Blindabschnitte 7, wo die Anreicherung des mageren Gemischs mit zusätzlichem gasförmigen Brennstoff im Trichter 2 eine weitere Verbrennung erlaubt.
Wie oben beschrieben, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verbrennung innerhalb des Trichters 2 relativ unabhängig von der Verbrennung im Außenbereich des Trichters 2.
Da eine große Anzahl von im allgemeinen unabhängigen Flammen erzeugt wird, wird eine lokale Hochtemperaturverbrennung vermieden. Die Begrenzung der Temperaturen reduziert die Erzeugung von NOx-Emissionen.
Fig. 4 zeigt einen vergleichenden Graph, der die NOx-Emissionen von einem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung und einem konventionellen Brenner darstellt. Wie aus Fig. 4 klar ersichtlich ist, ist die NOx-Emission des Brenners nach der vorliegenden Erfindung auf nicht mehr als 50 ppm (O&sub2; = 0 %) begrenzt, während die NOx-Emission eines konventionellen Brenners viel höher ist bei etwa 90 bis 60 ppm. Es ist klar, daß der Brenner nach der vorliegenden Erfindung die NOx-Emission verglichen mit konventionellen Brennern stark reduziert.
Die NOx-Reduktion nach der vorliegenden Erfindung wird ohne zusätzliche Vorrichtungen zur Abgasrückführung oder zum Einspritzen von Wasser erreicht. Mit anderen Worten, die Verminderung der NOx-Emissionen wird mittels der einzigartigen Konstruktion des Brenners selbst erreicht. Dem vorliegenden Brenner ist eine kompakte Konstruktion und niedrige Brennerkosten eigen.

Claims

1. Brenner mit:

einem Innenrohr (1) zum Einspritzen eines gasförmigen Brennstoffs,

einem Außenrohr (4) zum Einspritzen von Luft konzentrisch um das Innenrohr (1) und dadurch Bilden eines ringförmigen Raumes mit dem Außenrohr (4), einem divergierenden Trichter (2), der an einem Ende des Innenrohrs (1) befestigt ist und einen Ringspalt mit dem Außenrohr (4) bildet,

einer Vielzahl von Öffnungen (3) in dem Trichter (2) und

einer Vielzahl von Öffnungen (8) an einem Ende des Innenrohrs (1) innerhalb des Trichters (2), deren Achsen im allgemeinen parallel zur Wand des Trichters sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Öffnungen (9) im Innenrohr (1) stromauf des Trichters (2) angeordnet und radial auswärts in den ringförmigen Raum gerichtet sind, um einen ersten Strom des gasförmigen Brennstoffs in den ringförmigen Raum einzuspritzen, während der zweite Strom durch die Öffnungen (8) in den Trichter (2) eingespritzt wird, und daß eine Vielzahl von Einspritzöffnungen (3) und Blindabschnitten abwechselnd am Außenumfang des Trichters (2) innerhalb des Ringspalts angeordnet sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (8) im Trichter (2) ungleichmäßig auf dem Trichter (2) verteilt sind.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (8) im Trichter (2) unterschiedliche Größen haben.