DE69127824T2

DE69127824T2 - RAUCHGASRÜCKFÜHRUNG ZUR NOx-REDUKTION IN VORMISCHBRENNERN

Info

Publication number: DE69127824T2
Application number: DE69127824T
Authority: DE
Inventors: Arthur Robert Dinicolantonio
Original assignee: Exxon Chemical Patents Inc
Current assignee: ExxonMobil Chemical Patents Inc
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2011-11-07
Also published as: EP0558610A1; DE69127824D1; JPH05507347A; CA2096414A1; MY112552A; MX9102142A; SG48366A1; US5092761A; ES2107523T3; AU9073891A; RU2068154C1; MX173962B; CA2096414C; KR0137956B1; EP0558610B1; AU654986B2; KR930702646A; WO1992008927A1; JP2796889B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verringerung von NOx-Emissionen aus Vormischbrennern, ohne die Wärmeverteilung aus den Brennern kritisch zu verändern. Diese Erfindung kann in Hochtemperaturöfen beispielsweise zum Dampfcracken von Kohlenwasserstoffen verwendet werden.

1. Beschreibung des Hintergrundes und relevante Informationen

In Luft werden bei hohen Temperaturen verschiedene Stickstoffoxide gebildet, d.h. NOx-Verbindungen; diese umfassen ohne Einschränkung darauf Stickoxid und Stickstoffdioxid. Die Verringerung von NOx-Emissionen ist ein gewünschtes Ziel, um die Luftverschmutzung zu erniedrigen und gesetzliche Vorschriften zu erfüllen.
In Brennern kann entweder flüssiger Brennstoff oder Gas verwendet werden. Brenner für flüssigen Brennstoff können den Brennstoff vor der Verbrennung mit Dampf mischen, um den Brennstoff zu versprühen und eine vollständigere Verbrennung zu ermöglichen, und Verbrennungsluft wird mit dem Brennstoff am Ort der Verbrennung gemischt.
Mit Gas gefeuerte Brenner sind entweder als Rohgas- oder Vormischbrenner klassifiziert, was von dem Verfahren abhängt, das verwendet wird, um die Verbrennungsluft und den Brennstoff zu kombinieren. Diese Brenner unterscheiden sich in der Konfiguration und in der Art der verwendeten Brennerspitze.
Rohgasbrenner spritzen den Brennstoff direkt in den Verbrennungsluftstrom ein, und das Mischen des Brennstoffs und der Luft tritt gleichzeitig mit der Verbrennung auf.
Vormischbrenner mischen den Brennstoff mit etwas oder allem von der Verbrennungsluft vor der Verbrennung. Eine Vormischung wird bewirkt, indem die Energie des Brennstoffstroms so verwendet wird, dass der Luftstrom im allgemeinen proportional zum Brennstoffstrom ist. Daher ist eine häufige Einstellung nicht erforderlich, und die Erzielung der gewünschten Flammeneigenschaften ist erleichtert.
In vielen Dampfcrackern und Reformern werden boden-gefeuerte Vormischbrenner verwendet, hauptsächlich aufgrund ihrer Fähigkeit, eine relativ gleichförmige Wärmeverteilung in den Schwanzstrahlungssektionen (tail radiant sections) dieser Öfen zu erzeugen. Die Flammen sind nicht-leuchtend, was eine leichte Überwachung der Rohrmetalltemperaturen erlaubt. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Vormischbrenner in verschiedenen Dampfcrackofenkonfigurationen weit verbreitet verwendet.
MICHELSON et al. beschreiben in dem amerikanischen Patent US-A-4 693 413 einen Vormischbrenner mit geringem NOx-Ausstoß und diskutieren die Vorteile von Vormischbrennern und Verfahren zur Verringerung von NOx-Emissionen. Der Vormischbrenner von MICHEL- SON et al. erniedrigt NOx-Emissionen, indem das Mischen von sekundärer Luft mit der Flamme verzögert wird und es erlaubt wird, dass etwas gekühltes Rauchgas zusammen mit der sekundären Luft rückgeführt wird bzw. rezirkuliert.
BRAZIER et al. beschreiben in dem amerikanischen Patent US- A-4 708 638 einen Fluidbrennstoffbrenner, in dem NOx-Emissionen verringert werden, indem die Flammentemperatur erniedrigt wird. Ein Luftrichter (Venturi) in einem Verbrennungsluftzufuhrweg, stromaufwärts von einem Durchwirbler, induziert das Strömen von Rauchgas in den Verbrennungsluftzufuhrweg aus Kanälen, die sich in den Ofen öffnen. Ein Verwirbler ist am freien Ende einer Brennstoffleitung angeordnet und vermischt das Rauchgas mit der primären Verbrennungsluft.
FERGUSON beschreibt in dem amerikanischen Patent US-A- 2 813 578 einen Brenner für einen schweren Flüssigbrennstoff, welcher den Brennstoff mit Dampf vor der Verbrennung mischt. Der ansaugende Effekt des Brennstoffs und des Dampfes zieht heiße Ofengase in einen Kanal und in den Brennerblock, um beim Erhitzen des Brennerblocks zu helfen, wobei der Brennstoff und der Dampf durch eine Bohrung in den Block gelangen. Diese Anordnung ist als effektiv dahingehend beschrieben, dass sie Koksablagerungen auf dem Brennerblock verhindert und außerdem jegliches Abtropfen des Öls verhindert. Da die Flammentemperatur erhöht. ist, würde diese Anordnung bei der Verringerung von NOx-Emissionen nicht helfen.
JANSSEN beschreibt in dem amerikanischen Patent US-A- 4 230 445 einen Fluidbrennstoffbrenner, der NOx-Emissionen verringert, indem eine Rauchgas/Luft-Mischung auf verschiedenen Wegen zugeführt wird. Das Rauchgas wird durch ein Gebläse aus der Verbrennungskammer gezogen.
ZINK et al. beschreiben in dem amerikanischen Patent US-A- 4 004 875 einen Brenner mit wenig NOx-Ausstoß, in dem verbrannter Brennstoff und verbrannte Luft abgekühlt und dann zurück in die Verbrennungszone geführt werden. Der rezirkulierte verbrannte Brennstoff und die rezirkulierte verbrannte Luft werden in einer Zone mit einem Mangel an Luft gebildet.
OPPENBERG et al. beschreiben in dem amerikanischen Patent US-A-4 575 332 einen Brenner, der sowohl Öl- als auch Gasbrennerlanzen aufweist, in dem NOx-Emissionen verringert werden, indem Verbrennungsluft diskontinuierlich in die Ölflamme oder in die Gasflamme gemischt werden, um die Verbrennung zu verlangsamen und die Temperatur der Flamme zu erniedrigen.
GRIFFIN beschreibt in dem amerikanischen Patent US-A- 2 918 117 einen Brenner für schweren Flüssigbrennstoff, der einen Luftrichter (Venturi) umfasst, um Verbrennungsprodukte in die primäre Luft zu ziehen und den hereinkommenden Luftstrom zu erhitzen, um so den Brennstoff vollständig zu verdampfen.
In der EP-A-0 374 423, DE-U-9 003 576 und der EP-A- 284 011 ist jeweils ein Brenner mit einer Rauchgasrückführung bzw. -rezirkulation beschrieben, der einen Vormischbrenner für die Reduzierung von NOx-Emissionen umfasst, wenn Brennstoffgas verbrannt wird, wobei der Vormischbrenner benachbart zu einer ersten Öffnung in dem Ofen angeordnet ist. Der Vormischbrenner umfasst eine Brennerspitze, die an einem stromabwärtigen Ende eines Brennerrohres angebracht ist, und ein stromaufwärtiges Ende zur Aufnahme von an der Brennerspitze zu verbrennender Luft und zu verbrennendem Brennstoffgas. Das Brennstoffgas wird in das Brennerrohr über eine Gasleitung eingeführt, die benachbart zu dem stromaufwärtigen (angrenzend an das stromaufwärtige) Ende des Brennerrohres angeordnet ist. Ein Durchgangsweg mit einem ersten Ende an einer zweiten Öffnung in dem Ofen und einem zweiten Ende angrenzend an das stromaufwärtige Ende des Brennerrohrs ermöglicht es dem Rauchgas aus dem Ofen gezogen und mit der Luft am stromaufwärtigen Ende des Brennerrohres vor der Verbrennung des Brennstoffgases und der Luft gemischt zu werden.
In der US-A-4 130 388 ist ein Brennstoffbrenner zur Erzeugung einer stabilen, nicht-verunreinigenden Brennstoffflamme über einen breiten Betriebsbereich beschrieben, bei dem der Brennstoff ein flüssiger Kohlenwasserstoff ist, zu dem ein gasförmiger Kohlenwasserstoff zugesetzt werden kann. Das in der US- A-4 130 388 angesprochene Problem besteht darin, eine ausreichende Versprühung des flüssigen Brennstoffs zu liefern, um einen effizienten Betrieb über einen weiten Betriebsbereich zu erzielen, d.h. einen weiten Flüssigkeitsströmungsarbeitsbereich bis zum Herunterf ahren. Durch Zuführung von Verbrennungsluft direkt in die Verbrennungszone werden Probleme von beanstandendswerten Verunreinigungen überwunden, die gebildet werden, wenn der Brenner heruntergefahren wird. Um das Problem einer unvollständigen Verbrennung zu lösen, wird die Verbrennungsluft direkt in die Verbrennungszone geführt, und ein Teil des in der Verbrennungszone erzeugten heißen Verbrennungsgases wird zurückgeführt, um den versprühten flüssigen Brennstoff zu verdampfen, der in die Verbrennungszone eingeführt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zum Nachrüsten bzw. Umbauen eines bestehenden Vormischbrenners zu liefern, um die NOx-Emissionen zu erniedrigen und dadurch die Luftverschmutzung zu vermindern und gesetzliche Vorschriften zu erfüllen. Ein Nachrüsten bzw. Umbauen eines bestehenden Vormischbrenners kostet schätzungsweise unter Anwendung der vorliegenden Erfindung ungefähr 2000 US-Dollar pro Brenner. Im Vergleich würde ein Ersetzen eines bestehenden Vormischbrenners durch einen neuen Vormischbrenner mit geringem NOx-Austoß ungefähr 8000 US-Dollar bis 10 000 US-Dollar pro Brenner kosten. Weil ein Dampfcrackofen 50 Brenner haben kann, würde beispielsweise ein Nachrüsten oder Umbauen des Ofens unter Anwendung der vorliegenden Erfindung daher erhebliche Einsparungen gegenüber dem Ersetzen der Brenner in dem Ofen mit sich bringen.
Erfindungsgemäß wird ein Vormischbrenner zur Erzielung verringerter NOx-Emissionen bei der Verbrennung von Brennstoffgas bereitgestellt, wobei der Brenner, wenn er in Kombination mit einem Ofen vorliegt, benachbart zu einer (angrenzend an eine erste) ersten Öffnung in dem Ofen angeordnet ist und
(a) ein Brennerrohr, das ein stromaufwärtiges Ende aufweist und Luft und Brennstoffgas aufnimmt, ein stromabwärtiges Ende und eine Brennerspitze aufweist, die so an dem stromabwärtigen Ende angebracht ist, dass sie der ersten Öffnung in dem Ofen benachbart ist, wenn eine Kombination mit dem Ofen vorliegt, so dass bei Gebrauch des Brenners die Verbrennung des Brennstoffgases an der Brennerspitze erfolgt;
(b) eine Gasleitung, die angrenzend an das stromaufwärtige Ende des Brennerrohres angeordnet ist, um Brennstoffgas in das Brennerrohr einzuführen;
(c) mindestens einen Rauchdurchgangsweg mit einem ersten Ende, das so ausgelegt ist, dass es an einer zweiten Öffnung in dem Ofen angeordnet ist, und einem zweiten Ende, das dem stromaufwärtigen Ende des Brennerrohres benachbart ist;
(d) Mittel zum Ziehen von Rauchgas aus dem Ofen, wenn eine Kombination mit dem Ofen vorliegt, durch den Rauchdurchgangsweg in Reaktion auf den ansaugenden Effekt von unverbranntem Brennstoffgas umfasst, das durch das Brennerrohr von seinem stromaufwärtigen Ende in Richtung seines stromabwärtigen Endes strömt, wodurch das Rauchgas mit Luft an dem stromaufwärtigen Ende des Brennerrohres vor dem Punkt der Verbrennung des Brennstoffgases und der Luft gemischt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner mit
(e) mindestens einer Luftöffnung ausgestattet ist, die mit Abstand von dem Rauchdurchgangsweg vorliegt und so lokalisiert ist, dass sie sich in dem Ofen öffnet, wenn eine Kombination mit dem Ofen vorliegt, wobei sie so angeordnet ist, dass es unverbrannter Luft, die kühler ist als das Rauchgas, erlaubt ist, dorthindurch in den Ofen geführt zu werden und anschließend zusammen mit Rauchgas in den Rauchdurchgangsweg gezogen zu werden, um dadurch die Temperatur des gezogenen Rauchgases zu erniedrigen.
Es wird außerdem ein Verfahren zum Nachrüsten bzw. Umbauen einer bestehenden Vormischbrenner/Ofen-Kombination zur Verringerung von NOx-Emissionen bereitgestellt, bei dem ein bestehender Vormischbrenner durch einen Vormischbrenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ersetzt wird, wobei der neue Vormischbrenner mit dem Ofen durch mindestens einen Durchgangsweg verbunden ist, der ein erstes Ende, das an der zweiten Öffnung in dem Ofen angeordnet ist, und ein zweites Ende aufweist, das an das stromaufwärtige Ende von Brennerrohren angrenzt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Rauchgas aus dem Ofen in den Durchgangsweg als Reaktion auf das durch einen Venturi-Teil in dem Brennerrohr strömendes Rauchgas gezogen. Der Durchgangsweg umfasst einen Kanal, der sich an einem Ende in eine zweite Öffnung in dem Ofen und am anderen Ende in die primäre Luftkammer erstreckt. Mindestens eine einstellbare Drossel öffnet sich aus der Umgebungin die primäre Luftkammer, um die Menge an Umgebungsluft einzuschränken, die in die primäre Luftkammer gelangt, wodurch ein Vakuum erzeugt wird, um Rauchgas aus dem Ofen zu ziehen.
Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt der Durchgangsweg zwei Kanäle. Jeder Kanal kann im wesentlichen L-förmig sein und umfaßt ferner flexible Dichtmittel an einem oder beiden Enden des Kanals.
Der Vormischbrenner umfasst ferner mindestens eine gestufte (staged) Luftöffnung in den Ofen. Umgebungsluft strömt durch die mindestens eine gestufte Luftöffnung in den Ofen und wird in den mindestens einen Kanal gezogen, um die Temperatur des Gases zu erniedrigen, das durch den Kanal strömt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Nachrüstung oder zum Umbau eines bestehenden Vormischbrenners in einem Ofen zu liefern, um die NOx-Emissionen zu verringern, bei dem der Vormischbrenner ein Brennerrohr mit einem stromabwärtigen Ende und einem stromaufwärtigen Ende umfasst, wobei eine Brennerspitze an dem stromabwärtigen Ende des Brennerrohres angebracht ist, wo die Verbrennung des Brennstoffgases und der Luft stattfindet. Brennstoffgas wird in das stromaufwärtige Ende des Brennerrohrs in eine primäre Luftkammer eingeführt, so dass Luft mit dem Brennstoffgas in der primären Luftkammer vor dem Punkt der Verbrennung gemischt wird.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Zwischen dem Ofen und der primären Luftkammer wird ein Durchgangsweg installiert. Rauchgas wird aus dem Ofen durch den Durchgangsweg als Reaktion auf Brennstoffgas und Luft gezogen, die in Richtung des stromabwärtigen Endes des Brennerrohres strömen. Das Brennstoffgas wird mit der Luft in der primären Luftkammer vor dem Punkt der Verbrennung gemischt, so dass die NOx-Emissionen vermindert werden.
Zwischen dem Ofen und der primären Luftkammer können entweder ein oder zwei Rohre installiert werden. Flexible Dichtungen sind an jedem der Endbereiche der Rohre und an einem Teil des Ofens befestigt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Brennerrohr ein Venturi-Teil, und Rauchgas wird aus dem Ofen durch den ansaugenden Effekt des Brennstoffgases und der Luft gezogen, die durch den Venturi-Teil geführt werden. Die Menge an Umgebungsluft, die in die primäre Luftkammer gezogen wird, kann einstellbar beschränkt werden, um das Vakuum zu liefern, das notwendig ist, um Rauchgas aus dem Ofen zu ziehen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden die Rohre installiert, indem Öffnungen in dem Boden des Ofens und in einer Wand der primären Luftkammer gebildet werden und ein Ende mindestens eines Rohres in die Öffnung in dem Boden und das andere Ende des Rohres in die Öffnung in der Wand eingesetzt werden. Das Rohr kann dann mit einem Keramikfasermantel umhüllt werden.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung von NOx-Emissionen bei einem Vormischbrenner zu liefern. Der Vormischbrenner ist benachbart zu einer ersten Öffnung in einem Ofen angeordnet, und das Verfahren umfasst die Schritte der/des: Kombinierung des Brennstoffgases und der Luft in einer primären Luftkammer; Bewirkung einer Verbrennung des Brennstoffgases und der Luft an einem Verbrennungspunkt stromabwärts von dem Schritt der Kombinierung des Brennstoffgases und der Luft; und Ziehens von Rauchgas aus dem Ofen in Reaktion auf Brennstoffgas und Luft, die in Richtung des Verbrennungspunktes strömen, wodurch sich das Rauchgas mit der Luft in der primären Luftkammer vor dem Punkt der Verbrennung mischt, um dadurch NOx-Emissionen zu verringern.
Der Ziehschritt kann das Führen des Brennstoffgases und der Luft durch eine Venturi-Vorrichtung umfassen, wodurch der ansaugende Effekt des Brennstoffgases und der Luft, die durch die Venturi-Vorrichtung strömen, das Rauchgas aus dem Ofen zieht. Umgebungsluft, die eine niedrigere Temperatur aufweist als das Brennstoffgas, gelangt in den Ofen, und dann werden die Luft der mit niedrigeren Temperatur und das Rauchgas beide aus dem Ofen zu der primären Luftkammer gezogen, wobei als Ergebnis die Temperatur des gezogenen Rauchgases erniedrigt wird. Die Umgebungsluft kann frische Luft mit Umgebungstemperatur sein, obwohl die Temperatur in einem Bereich zwischen einer Temperatur liegen kann, die kälter ist die Umgebungstemperatur, und einer Temperatur, die etwas niedriger ist als die Temperatur des Rauchgases in dem Ofen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die veranschaulichenden Zeichnungen durch nichteinschränkende Beispiele und verschiedene Ausführungsformen der Erfindung weiter erklärt, wobei:
Figur 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vormischbrenners ist;
Figur 1A eine Teilansicht eines Vormischbrenners ähnlich dem von Figur 1 ist und eine sekundäre Luftöffnung anstelle von gestuften Luftöffnungen umfasst;
Figur 2 eine teilweise geschnittene Ansicht ist, die entlang der Linie 2-2 von Figur 1 angefertigt wurde;
Figur 3 eine Aufsicht ist, die entlang der Linie 3-3 von Figur 1 angefertigt wurde;
Figur 4 eine Aufsicht ist, die entlang der Linie 4-4 von Figur 1 angefertigt wurde;
Figur 5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vormischbrenners ist,
Figur 6 eine teilweise geschnittene Ansicht des Rezirkulationsrohres der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 7 eine teilweise geschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vormischbrenners ist;
Figur 8 eine teilweise geschnittene Ansicht ist, die entlang der Linie 8-8 von Figur 7 angefertigt wurde; und
Figur 9 eine Aufsicht ist, die entlang der Linie 9-9 von Figur 7 angefertigt wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Insbesondere gemäß den Figuren 1 bis 4 umfasst ein Vormischbrenner 10 ein freistehendes Brennerrohr 12, das in einer Bohrung in einem Ofenboden 14 angeordnet ist. Das Brennerrohr 12 umfasst ein stromaufwärtiges Ende 16, ein stromabwärtiges Ende 18 und ein Venturi-Teil 19. Eine Brennerspitze 20 ist an dem stromabwärtigen Ende 18 angeordnet und ist von einem ringförmigen Ziegel umgeben. Eine Gasleitung 24 ist am stromaufwärtigen Ende 16 angeordnet und führt Brennstoffgas in das Brennerrohr 12 ein. Frische Luft oder Umgebungsluft wird in die primäre Luft-. kammer 26 durch eine einstellbare Drossel 28 eingeführt, um sich mit dem Brennstoffgas am stromaufwärtigen Ende 16 des Brennerrohrs 12 zu mischen. Die Verbrennung des Brennstoffgases und der frischen Luft erfolgt an der Brennerspitze 20.
Eine Vielzahl von Luftöffnungen 30 haben ihren Ursprung in einer sekundären Luftkammer 32 und führen durch den Ofenboden 14 in den Ofen. Frische Luft tritt in die sekundäre Luftkammer 32 durch einstellbare Drosseln 34 ein und gelangt durch gestufte (staged) Luftöffnungen 30 durch die sekundäre Luftöffnung 90 in den Ofen, um eine sekundäre oder gestufte Verbrennung zu liefern und die Sauerstoffkonzentration des Rauchgases zu verdünnen, wie es von MICHELSON et al. beschrieben ist.
Um Rauchgas aus dem Ofen zu der primären Luftkammer zurückzuführen, erstrecken sich Kanäle oder Rohre 36 bzw. 38 von Öffnungen 40 bzw. 42 in dem Boden des Ofens zu Öffnungen 44 bzw. 46 in dem Brennerplenum 48. Rauchgas, das beispielsweise 6 bis 10 % O&sub2; enthält, wird aufgrund des ansaugenden Effektes des Brennstoffgases, das durch den Venturi-Teil 19 des Brennerrohres 12 strömt, durch die Rohre 36 und 38 gezogen. Auf diese Weise werden primäre Luft und Rauchgas in der primären Luftkammer 26 gemischt, was vor dem Punkt der Verbrennung ist. Die Sauerstoffkonzentration der primären Luft wird daher vor dem Punkt der Verbrennung verdünnt, wodurch die Verbrennung verlangsamt wird und als ein Ergebnis die NOx-Emissionen verringert werden. Dies steht im Gegensatz zu einem Flüssigbrennstoffbrenner, wie demjenigen von FERGUSON et al., in dem die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff an dem Punkt der Verbrennung gemischt wird, anstelle vor dem Punkt der Verbrennung.
Ein Schließen der Drossel 28 beschränkt die Menge an Frischluft, die in die primäre Luftkammer gezogen werden kann und liefert daher das Vakuum, das notwendig ist, um Rauchgas aus dem Ofenboden zu ziehen.
Ungemischte Umgebungsluft mit niedriger Temperatur, die durch die Drossel 34 in die sekundäre Luftkammer 32 eingetreten ist und durch die Luftöffnungen 30 in den Ofen gelangt ist, wird ebenfalls durch den ansaugenden Effekt des Brennstoffgases, das durch den Venturi-Teil 19 strömt, durch die Rohre 36 und 38 in die primäre Luftkammer gezogen. Die Umgebungsluft kann Frischluft sein, wie es oben beschrieben ist. Das Mischen der Umgebungsluft mit dem Rauchgas erniedrigt die Temperatur des heißen Rauchgases, das durch die Rohre 36 und 38 strömt, erhöht dadurch die Lebensdauer der rohre erheblich und erlaubt eine Verwendung dieses Brennertyps zur Reduzierung von NOx-Emissionen in Hochtemperaturcracköfen mit einer Rauchgastemperatur oberhalb von 1900 ºF in der Strahlungssektion des Ofens.
Vorteilhafterweise wird eine Mischung aus ungefähr 50 % Rauchgas und ungefähr 50 % Umgebungsluft durch die Rohre 36 und 38 gezogen. Die gewünschten Anteile an Rauchgas und Umgebungsluft können durch geeignete Anordnung und/oder Ausgestaltung der Rohre 36 und 38 im Verhältnis zu den Luftöffrnungen 30 erzielt werden. Das heißt, die Geometrie der Luftöffnungen, einschließlich aber nicht eingeschränkt auf deren Abstand von dem Brennerrohr, der Zahl der Luftöf fnungen und die Größe der Luftöffnungen kann variiert werden, um die gewünschten Prozentsätze an Rauchgas und Umgebungsluft zu erhalten.
Eine Sicht- und Anzündungsöffnung so ist in dem Brennerplenum 48 angeordnet, um sowohl eine Inspektion des Inneren der Brenneranordnung zu erlauben, als auch einen Zugang für das Anzünden des Brenners zu liefern. Das Brennerplenum kann mit Mineralwollgeräuschdämmmaterial 52 und Drahtsiebgewebe 54 bedeckt sein, um eine Isolierung dafür zu liefern.
Eine alternative Ausführungsform des Vormischbrenners 10 ist in Figur 5 gezeigt, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen. Der Hauptunterschied zwischen den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 4 und derjenigen von Figur 5 ist derjenige, dass letztere nur ein Rezirkulationsrohr 56 verwendet. Beispielsweise kann ein 6-Inch-Durchmesserrohr anstelle von zwei 4- Inch-Rohren verwendet werden.
Die Rückführungsrohr 56 von Figur 5 oder die Rückführungsrohre 36 und 38 der Figuren 1 bis 4 können in einen bestehenden Vormischbrenner nachgerüstet oder nachträglich eingebaut werden. Gemäß Figur 6 wird eine Öffnung 58 in dem Ofenboden 14 gebildet, und eine Öffnung 60 wird in einer Wand des Brennerplenums 48 gebildet. Dann wird die Rohr 56 so eingesetzt, dass seine jeweiligen Enden sich in die Öffnungen 58 und 60 erstrecken. Das Rohr 56 kann durch Isolationsteile 62 und 64 bedeckt sein, die Keramikfasermäntel sein können.
Der Flansch 66 ist an der Ofenbodengehäuseplatte 68 angebracht, und der Flansch 70 ist an dem Brennerplenum 48 angebracht. Ein Dichtungsbeutel 72 ist mit einem Ende am Flansch 66 angebracht und mit dem anderen Ende an dem Isolationsteil 62. Ein Dichtungsbeutel 74 ist mit einem Ende am Flansch 70 und mit dem anderen Ende am Isolationsteil 62 angebracht. Die Dichtungsbeutel 72 und 74 können flexibel sein und aus irgendeinem geeigneten hitzebeständigen Material sein. Alternativ kann einer oder können beide Dichtungsbeutel beseitigt werden das Rückführungsrohr mit der Bodengehäuseplatte 68 versiegelt oder dem Brennerplenum 48 verschweißt werden.
Das Rauchgasrecyclesystem der vorliegenden Erfindung kann auch auf einen neuen Brenner mit geringem NOx-Ausstoß angewendet werden, wie es in den Figuren 7, 8 und 9 veranschaulicht ist, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen. Ein Rauchgasrückführungsdurchgangsweg 76 ist im Ofenboden 14 gebildet und erstreckt sich in die primäre Luftkammer 78, so dass Rauchgas mit frischer Luft gemischt wird, die durch Öffnung 80 in die primäre Luftkammer gezogen wird. Die äußere Oberfläche des Durchgangsweges 76 kann mit einer Isolation 82 umwickelt sein, die ein Keramikfasermantel sein kann. Eine Sicht- und Anzündungsöffnung 84 gibt Zugang zu dem Inneren des Brennerplenums 86 für ein Anlagenanzündungselement 88. Es wird angemerkt, dass ein ähnliches Anlagenanzündungselement auch in den Ausführungsformen 1 und 5 verwendet werden kann.
Vormischbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung können unter einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen verwendet werden. Ein Beispiel ist im Folgenden unter Bezugnahme auf Figur 5 beschrieben.
Brennstoffgas wird mit 190 lbs/Stunde aus dem Gasleitung 24 in das Brennerrohr 12 eingeführt. Frische Luft strömt mit 620 lbs/Stunde und 60 ºF durch die Drossel 28 in die primäre Luftkammer 26. Luft strömt mit 2760 lbs/Stunde und 60 ºF durch die Drossel 34 in die sekundäre Luftkammer 32 und tritt mit 2400 lbs/Stunde und 60 ºF durch die Luftöffnungen 30. Als ein Ergebnis werden Brennstoff und Rauchgas mit 1550 lbs/Stunde und 2100 ºF an der Brennerspitze 20 bereitgestellt. Die Luftöffnungen 30 und das Rohr 56 sind so angeordnet, dass Rauchgas mit 380 lbs/Stunde und 1840 ºF und Luft aus den Luftöffnungen 30 mit 360 ºF, zu einer Luftmischung mit 740 lbs/Stunde führt, die 9,4 % O&sub2; enthält und bei 1025 ºF im Rohr 56 vorliegt.
Wie oben beschrieben ist, erhöht das Abkühlen des Rauchgases durch die Frischluft die Betriebslebensdauer des Recyclerohres 56. Das rezirkulierte Rauchgas verdünnt die Konzentration von O&sub2; in der Verbrennungsluft, was die Flammentempertur erniedrigt und dadurch die NOx-Emissionen verringert.
Obwohl die erfindungsgemäßen Vormischbrenner in Verbindung mit bodengefeuerten Kohlenwasserstoffcracköfen beschrieben worden sind, können sie auch an den Seitenwänden von solchen Öfen oder in Öfen zum Ausführen anderer Reaktionen oder Funktionen verwendet werden.
Es ist daher ersichtlich, dass bei Verwendung dieser Erfindung die NOx-Emissionen in einem Vormischbrenner ohne Verwendung von Gebläsen oder Spezialbrennern verringert werden können. Das erfindungsgemäße Rauchgasrückführungssystem kann auch leicht in bestehenden Vormischbrennern nachgerüstet werden.

Claims

1. Vormischbrenner (10) zur Erhaltung verringerter NOx-Emissionen bei der Verbrennung von Brennstoffgas, wobei der Brenner, wenn er in Kombination mit einem Ofen vorliegt, benachbart zu einer ersten Öffnung in dem Ofen angeordnet ist und

(a) ein Brennerrohr (12), das ein stromaufwärtiges Ende (16) aufweist und Luft und Brennstoffgas aufnimmt, ein stromabwärtiges Ende (18) und eine Brennerspitze (20) aufweist, die so an dem stromabwärtigen Ende angebracht ist, dass sie der ersten Öffnung in dem Ofen benachbart ist, wenn eine Kombination mit dem Ofen vorliegt, so dass bei Gebrauch des Brenners die Verbrennung des Brennstoffgases an der Brennerspitze erfolgt;

(b) eine Gasleitung (24), die angrenzend an das stromaufwärtige Ende (16) des Brennerrohres (12) angeordnet ist, um Brennstoffgas in das Brennerrohr einzuführen;

(c) mindestens einen Rauchdurchgangsweg (36, 38) mit einem ersten Ende, das so ausgelegt ist, dass es an einer zweiten Öffnung in dem Ofen angeordnet ist, und einem zweiten Ende, das dem stromaufwärtigen Ende (16) des Brennerrohres (12) benachbart ist;

(d) Mittel zum Ziehen von Rauchgas aus dem Ofen, wenn eine Kombination mit dem Ofen vorliegt, durch den Rauchdurchgangsweg in Reaktion auf den ansaugenden Effekt von unverbranntem Brennstoffgas umfasst, das durch das Brennerrohr (12) von seinem stromaufwärtigen Ende (16) in Richtung seines stromabwärtigen Endes (18) strömt, wodurch das Rauchgas mit Luft an dem stromaufwärtigen Ende des Brennerrohres vor dem Punkt der Verbrennung des Brennstoffgases und der Luft gemischt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner mit

(e) mindestens einer Luftöffnung (30) ausgestattet ist, die mit Abstand von dem Rauchdurchgangsweg (36, 38) vorliegt und so lokalisiert ist, dass sie sich in dem Ofen öffnet, wenn eine Kombination mit dem Ofen vorliegt, wobei sie so angeordnet ist, dass es unverbrannter Luft, die kühler ist als das Rauchgas, erlaubt ist, dorthindurch in den Ofen geführt zu werden und anschließend zusammen mit Rauchgas in den Rauchdurchgangsweg (36, 38) gezogen zu werden, um dadurch die Temperatur des gezogenen Rauchgases zu erniedrigen.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zum Ziehen von Rauchgas aus dem Ofen ein Venturi-Teil (19) in dem Brennerrohr (12) umfassen.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, der eine primäre Luftkammer (26) zum Einführen von Luft in das stromaufwärtige Ende (16) des Brennerrohres (12) umfaßt und mindestens eine einstellbare Drosselöffnung (28) in die primäre Luftkammer umfasst, um die Menge an Umgebungsluft zu beschränken, die in die primäre Luftkammer eintritt, und dadurch ein Vakuum zum Ziehen von Rauchgas aus dem Ofen zu liefern.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Rauchdurchgangsweg im wesentlichen L-förmig ist und einen Kanal (36, 38) umfasst, der ein erstes Ende aufweist, das so ausgelegt ist, dass es sich in den Ofen erstreckt, und ein zweites Endes aufweist, das sich in die primäre Luftkammer (26) erstreckt.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 1, der zwei Rauchdurchgangswege (36, 38) umfasst.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 4 oder 5, der ferner flexible Dichtungsmittel (72, 74) an dem ersten Ende und/oder dem zweiten Ende des Kanals oder eines der Kanäle umfasst.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 6, bei dem die Dichtungsmittel (72) an dem ersten Ende für eine Verbindung mit einem Teil des Ofens und mit dem Kanal vorhanden sind und die Dichtungsmittel (74) an dem zweiten Ende mit dem Kanal und der primären Luftkammer verbunden sind.

8. Vormischbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alles von der Verbrennungsluft mit dem Brennstoffgas vor der Verbrennung gemischt wird.

9. Verfahren zur Nachrüstung einer bestehenden Vormischbrenner/Ofen-Kombination zur Erniedrigung der NOx-Emissionen, wobei in der Kombination der Vormischbrenner (10) eine Gasleitung (24), ein Brennerrohr (12) mit einem stromabwärtigen Ende (18), an dem bei Gebrauch die Verbrennung von Brennstoffgas stattfindet, und Mittel zur Einführung von Brennstoffgas in das stromaufwärtige Ende in einer primären Luftkammer umfasst, so das Luft mit dem Brennstoffgas in der primären Luftkammer (26) vor dem Punkt der Verbrennung gemischt wird; wobei das Verfahren die Schritte der Installierung mindestens eines Durchgangsweges (36, 38) zwischen dem Ofen und der primären Luftkammer (26) umfasst, um den Vormischbrenner (10) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche zu bilden, worin bei Gebrauch die Kombination ein Ziehen von Rauchgas aus dem Ofen durch den Durchgangsweg in Reaktion auf den ansaugenden Effekt von unverbranntem Brennstoffgas, das durch das Brennerrohr von seinem stromaufwärtigen Ende in Richtung seines stromabwärtigen Endes strömt und in die Ofenluft geführt wird, die eine Temperatur niedriger als die Temperatur des Rauchgases aufweist, zu der primären Luftkammer liefert, um dadurch die Temperatur des gezogenen Rauchgases zu erniedrigen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt die Installierung mindestens eines Rohres, vorzugsweise von zwei Rohren (56) zwischen dem Ofen und der primären Luftkammer und gegebenenfalls ein Umhüllen mindestens einer Leitung mit einem Keramikfasermantel (62, 64) umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das die Bildung einer Öffnung (58) im Boden (14) des Ofens und einer Öffnung (60) in einer Wand der primären Luftkammer sowie das Einsetzen eines Endes dieses mindestens einen Rohres in die Öffnung (58) in dem Boden und des anderes Endes dieses Rohres in die Öffnung (60) in der Wand umfasst.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, das ferner die Anbringung flexibler Dichtungsmittel (72, 74) an jeden Endbereich des Rohres oder eines der Rohre und außerdem die Anbringung der Dichtungsmittel an einem Teil des Ofens umfasst.

13. Verfahren zum Betreiben eines Vormischbrenners (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn eine Kombination mit einem Ofen vorliegt, oder zum Betreiben einer Vormischbrenner/- Ofen-Kombination, der/die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 nachgerüstet oder umgebaut worden ist, mit verringerten NOx-Emissionen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) Kombination von Brennstoffgas und Luft an einem vorbestimmten Ort (16);

(b) Verbrennung des Brennstoffgases an einem Verbrennungspunkt (20) stromabwärts von dem vorbestimmten Ort;

(c) Ziehen von Rauchgas aus dem Ofen in Reaktion auf den ansaugenden Effekt von unverbranntem Brennstoffgas, das die Gasleitung (24) verlässt und in Richtung des Verbrennungspunktes strömt, wobei sich das Rauchgas mit der Luft an dem vorbestimmten Ort (16) stromaufwärts von dem Punkt der Verbrennung mischt; und

(d) Führung von Luft mit einer Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur des Rauchgases, in den Ofen und anschließendes Ziehen der Luft mit der niedrigeren Temperatur zusammen mit dem Rauchgas zu dem vorbestimmten Ort, um dadurch die Temperatur des gezogenen Rauchgases zu erniedrigen.