AT527381A1

AT527381A1 - Brenner zur reduktion von stickoxid-emissionen und luftduese fuer diesen brenner

Info

Publication number: AT527381A1
Application number: ATA50408/2023A
Authority: AT
Inventors: Jechiu Vasile; Van Hoof Dirk; Guerler Ismail
Original assignee: Andritz Metals Germany Gmbh
Priority date: 2023-05-24
Filing date: 2023-05-24
Publication date: 2024-12-15
Also published as: CN121002327A; EP4720569A1; WO2024240385A1

Abstract

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Brenner (1), insbesondere ein Flachflammenbrenner, mit einer Brenngasdüse (2) für die Zufuhr eines Brenngases (4) und mit mehreren Luftdüsen (3), für die Zufuhr von Verbrennungsluft (10), die im Wesentlichen ringförmig um die Brenngasdüse (2) angeordnet sind. Erfindungsgemäß weisen die Luftdüsen (3) in einer seitlichen Düsenwand (13) jeweils zumindest eine Öffnung (12) auf, über die Sperrluft (9) der Verbrennungsluft (10) zuführbar ist, sodass die Sperrluft (9) im Wesentlichen senkrecht auf die Verbrennungsluft (10) trifft. Den Gegenstand dieser Erfindung bildet auch eine entsprechende Luftdüse (13).

Description

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BRENNER ZUR REDUKTION VON STICKOXID-EMISSIONEN UND LUFTDUESE FUÜUER DIESEN BRENNER

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Brenner, insbesondere ein Flachflammenbrenner, mit einer Brennergasdüse für die Zufuhr eines Brenngases, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff und mehreren Luftdüsen für die Zufuhr von Verbrennungsluft, die ringförmig um die Brenngasdüse angeordnet sind.

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet auch eine Luftdüse

für diesen Brenner.

Brenner, insbesondere für industrielle Anwendungen, werden häufig mit Erdgas betrieben. Die notwendige Verbrennungsluft wird dabei über mehrere Luftdüsen, die in der Regel ringförmig um den Gasaustritt angeordnet sind, zugeführt. Diese Brenner sind in der Regel für eine gewisse Brennerleistung ausgelegt, sie müssen aber auch häufig mit einer geringeren Leistung betrieben werden.

Erfahrungsgemäß steigt die Emissionsrate von Stickoxiden eines industriellen Brenners, wenn die Betriebsweise von dem Auslegungspunkt abweicht. Beim Reduzieren der Brennleistung kommt es in der Regel zum höheren Ausstoß von Stickoxiden. Dies kann dadurch begründet werden, dass infolge des geringer werdenden Massenstroms der Strömungsimpuls an der Brennerdüse sinkt, was die Kinetik der chemischen Reaktionen in der Flamme beeinflusst. Untersuchungen haben gezeigt, dass beispielsweise die NOxWerte für einen Erdgasbrenner der Fa. ANDRITZ mit einer nominalen Brennerleistung von 300 kW um 450% steigen, wenn dieser Brenner nur mit 25% seiner nominalen Brennerleistung betrieben wird. Die NOx-Konzentration steigt dabei auf 70 ppm. Dieser Anstieg wird hinsichtlich der erlaubten NOx-

Konzentration, die unter 100 ppm liegt, als unkritisch

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erachtet. Die Situation wird jedoch kritischer, wenn man diese Brenner mit Wasserstoff betreibt. Eine Verwendung von Wasserstoff anstelle von Erdgas führt zu höheren Verbrennungstemperaturen und damit auch zu höheren NOxWerten, da die Bildung von Stickoxiden durch höhere Temperaturen begünstigt wird. So beträgt beispielsweise die NOx-Konzentration bei einer nominalen Brennerleistung von 300 KW bereits - 50 ppm und steigt um über 300% bei einer Brennerleistung von 25% der nominalen Brennerleistung. Hier

liegt also die NOx-Konzentration deutlich über 150 ppm.

Ziel der Erfindung ist es, einen Brenner bereitzustellen, der gegenüber herkömmlicheren Brennern geringere Stickoxidemissionen aufweist, wenn er unterhalb der

nominalen Brennerleistung betrieben wird.

Der Strömungsimpuls einer Düse setzt sich aus dem Produkt des Massenstroms und der Strömungsaustrittsgeschwindigkeit zusammen. Entsprechend sinkt der Strömungsimpuls mit sinkendem Massenstrom. Wird ein herkömmlicher Brenner mit geringerer Leistung betrieben, so wird nicht nur das Brenngas, sondern auch die über die Luftdüsen zugeführte Verbrennungsluft reduziert. Somit sinkt auch der Strömungsimpuls an der Luftdüse und die NOx-Werte steigen. Durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der

Verbrennungsluft kann dieser Verlust kompensiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft im Teillastbetrieb eines Brenners zu erhöhen, um die NOxEmissionen zur reduzieren, ohne dass dazu eine mechanische

Einwirkung auf den Düsenquerschnitt erforderlich ist.

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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Brenner, insbesondere

durch einen Flachflammenbrenner, gemäß Anspruch 1.

Erfindungsgemäß weisen die Luftdüsen des Brenners in ihrer seitlichen Düsenwand jeweils zumindest eine Öffnung auf, über die Sperrluft der Verbrennungsluft zugeführt werden kann, sodass die Sperrluft im Wesentlichen senkrecht auf

die Verbrennungsluft trifft.

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet somit das Konzept der Beaufschlagung der Luftdüsen mit Sperrluft (Druckluft) zur Veränderung der Strömungscharakteristik des Gases vor dem Brenner.

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Luftdüse mit

Sperrluftbeaufschlagung ist in Figur 2 veranschaulicht.

Vorzugsweise ist die Öffnung in der seitlichen Düsenwand

der Luftdüsen schlitzförmig ausgebildet und erstreckt sich zumindest über einen Teilumfang der Düsenwand. Es ist auch denkbar, dass sich die Öffnung über den gesamten Umfang der

Düsenwand erstreckt.

Die Luftdüsen können einen kreisförmigen Querschnitt, einen

rechteckigen oder einen polygonalen Querschnitt aufweisen.

Es ist günstig, wenn sich die Luftdüsen in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft betrachtet, vor der Öffnung für die Zufuhr der Sperrluft verjüngen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Reduzierwinkel C, mit dem sich die Luftdüsen vor der Öffnung verjüngen, zwischen 20° und 50°

liegt.

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Es ist vorteilhaft, wenn die Öffnung in der Düsenwand im Bereich der Luftdüse mit dem kleinsten freien Querschnitt angeordnet ist. Also an der Stelle, an der die Strömung die

maximale Beschleunigung erfährt.

Die Erfindung bildet auch eine Luftdüse für die Zufuhr von Verbrennungsluft zur Verwendung in einem Brenner, insbesondere Flachflammenbrenner. Erfindungsgemäß weist die Luftdüse in ihrer seitlichen Düsenwand eine Öffnung auf, über die Sperrluft der Verbrennungsluft zugeführt werden kann, wobei die Sperrluft im Wesentlichen senkrecht auf die

Verbrennungsluft trifft.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung

anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Brenner, der hier ein Flachflammenbrenner

ist;

Fig. 2 eine Detailansicht der Luftdüse des Brenners aus

Figur 1;

Fig. 3 den erfindungsgemäßen Flachflammenbrenner aus Figur

1;

Fig. 4 und 5 die Funktionsweise der erfindungsgemäßen

Luftdüse;

Fig. 6 einige geometrische Parameter eines

Ausführungsbeispiels der Luftdüse;

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Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Brenner 1 in

Gestalt eines Flachflammenbrenners. Brenngas 4, zum Beispiel Erdgas oder Wasserstoff, wird über einen Brenngaskanal 11 der Brenngasdüse 2 zugeführt. Die

Brenngasdüse 2 ist von mehreren Luftdüsen 3 umgeben. Den Luftdüsen 3 wird über die Verbrennungsluftzufuhr 5 und den Verbrennungsluftkanal 8 Verbrennungsluft 10 zugeführt. Zusätzlich wird den Luftdüsen 3 über die Sperrluftzufuhr 6 und den Sperrluftkanal 7 Sperrluft 9 zugeführt. Die Sperrluft 9 wird dabei durch die Öffnung 12 in der

Düsenwand 13 der Verbrennungsluft 10 zugeführt.

Figur 2 zeigt die Luftdüse aus Figur 1 im Detail. Man erkennt dabei deutlich die Öffnung 12 in der Düsenwand 13. Diese Öffnung 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel schlitzförmig. Der Querschnitt der Luftdüsen 3 ist in diesem Beispiel im Wesentlichen quadratisch, dies lässt sich gut der Figur 3 entnehmen. Dort erkennt man auch gut die schlitzförmige Öffnung 12 in der Düsenwand 13, die sich hier parallel Zur innenliegenden (zur Brenngasdüse weisenden) Seitenkante der Düsenwand 13 erstreckt. Der gezeigte Brenner 1 weist hier zehn Luftdüsen 3 auf, die ringförmig um die Brenngasdüse 2 angeordnet sind. Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, dass die in Figur 2 gezeigte Luftdüse 3 besonders gute Ergebnisse liefert, wenn gewisse geometrische Voraussetzungen erfüllt

sind. Sie funktioniert besonders gut, wenn die folgende Beziehung

gilt: 0,3 < X/Z < 0,5

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Wobei X der Abstand der Öffnung 12 vom Austrittsende 16 der Luftdüse 3 ist und Z der Durchmesser der Luftdüse 3 am Austrittsende 16 ist.

Die Luftdüse 3 weist im vorliegenden Beispiel auch eine Verjüngung 15 vor der Öffnung 12 für die Sperrluft 9 auf. Der Düsendurchmesser verringert sich also zur Öffnung 12 hin. Der Reduzierwinkel C der Verjüngung 15 liegt hier im Bereich von 20° oder mehr. Im vorliegenden Beispiel verjüngt sich die Luftdüse 3 nur auf der Seite, wo auch die

Sperrluft 9 zugeführt wird.

In den Figuren 4 und 5 wird nun das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Luftdüse 3 erläutert. Figur 4 zeigt die Strömungsverhältnisse einer Luftdüse 3, wenn der Brenner 1 mit seiner nominalen Brennleistung betrieben wird. Für diesen Betriebspunkt ist der Brenner 1 in der Regel ausgelegt und die Strömungsverhältnisse für die Verbrennungsluft 10 sind optimal. Eine Zufuhr von Sperrluft

9 ist hier nicht notwendig.

Figur 5 zeigt nun einen Betriebszustand einer Luftdüse 3 in einem Brenner 1, der mit einer geringeren Brennerleistung als der nominalen Brennerleistung betrieben wird. Hier wird nun der Luftdüse 3 über die Öffnung 12 Sperrluft 9 zugeführt. Die Öffnung 12 befindet sich hier an der Stelle, an der die Luftdüse 3 den kleinsten freien Querschnitt aufweist und an der die Luftströmung die maximale

Beschleunigung erfährt.

Die Luftdüse 3 hat im vorliegenden Beispiel einen kreisrunden Querschnitt und die Öffnung 12 in der Düsenwand 13 ist hier ringförmig. Durch die Sperrluft 9 wird die

Verbrennungsluft 10 nach innen gedrückt, sie bewirkt also

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eine Krümmung der Strömung der Verbrennungsluft 10. Der freie Querschnitt für die Verbrennungsluft 10 wird dadurch verkleinert und die Strömungsgeschwindigkeit und somit auch der Strömungsimpuls werden erhöht. Im Bereich, in dem die Verbrennungsluft 10 nach innen gedrückt wird, entstehen Wirbel und ein Unterdruck, durch den Umgebungsluft 14 im Bereich der Austrittsöffnung angesaugt wird. Dies ist in

Figur 5 schematisch dargestellt.

Durch die Sperrluftzufuhr 6 kann somit bei Brennern 1, die mit einer geringeren Leistung als der nominalen Brennerleistung betrieben werden, der Strömungsimpuls der Verbrennungsluft 10 erhöht werden und somit die Kinetik der chemischen Reaktionen der Flamme positiv beeinflusst werden. Dies führt zu einer Reduktion der Bildung von

Stickoxiden.

In den Ausführungsbeispielen in den Figuren 1 bis 3 wird die Sperrluft 9 nur von einer Seite der Düsenwand 13 zugeführt. Die Strömung der Verbrennungsluft 10 wird dadurch von einer Seite her zusammengedrückt.

Bei den Ausführungsbeispielen in den Figuren 4 bis 6 ist die Öffnung 12 in der Düsenwand 13 ringspaltförmig. Die Strömung der Verbrennungsluft 10 wird hier also von allen Seiten zusammengedrückt. Bei allen Ausführungsbeispielen führt die Zufuhr von Sperrluft 9 zur Reduzierung des effektiven freien Querschnittes der Luftdüse 3 und entsprechend zu einer Strömungsbeschleunigung über die

Luftdüse 3. In Figur 6 ist die Luftdüse 3 mit der ringspaltförmigen

Öffnung 12 aus den Figuren 4 und 5 mit geometrischen

Parametern dargestellt.

Es hat sich gezeigt, dass diese Luftdüse 3 besonders gut funktioniert, wenn die folgende Beziehung gilt:

0,1 < B?/A < 0,32

Wobei B der Abstand der Öffnung 12 vom Austrittsende 16 der Luftdüse 3 ist und A der Durchmesser der Luftdüse 3 am

Austrittsende 16.

Bezugszeichen

1 Brenner

2 Brenngasdüse

3 Luftdüse

4 Brenngas

5 Verbrennungsluftzufuhr 6 Sperrluftzufuhr

7 Sperrluftkanal

8 Verbrennungsluftkanal 9 Sperrluft

10 Verbrennungsluft

11 Brenngaskanal

12 Öffnung für Sperrluft 13 Düsenwand

14 Umgebungsluft

15 Verjüngung

16 Austrittsende der Luftdüse 3

Claims

15 20 25 30 3374 AT 9 Patentansprüche

1. Brenner (1), insbesondere Flachflammenbrenner, mit einer Brenngasdüse (2) für die Zufuhr eines Brenngases (4), beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, und mit mehreren Luftdüsen (3), für die Zufuhr von Verbrennungsluft (10), die im Wesentlichen ringförmig um die Brenngasdüse (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüsen (3) in einer seitlichen Düsenwand (13) jeweils zumindest eine Öffnung (12) aufweisen, über die Sperrluft (9) der Verbrennungsluft (10) zuführbar ist, sodass die Sperrluft (9) im Wesentlichen senkrecht auf die Verbrennungsluft (10)

trifft.

2. Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (12) in der seitlichen Düsenwand (13) der Luftdüsen (3) schlitzförmig ist und sich zumindest über

einen Teilumfang der Düsenwand (13) erstreckt.

3. Brenner (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnung (12) über den gesamten Umfang der

Düsenwand (13) erstreckt.

4. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüsen (3) einen kreisförmigen

Querschnitt aufweisen.

5. Brenner (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Beziehung gilt:

0,3 < X/Z < 0,5 wobei X der Abstand der Öffnung (12) vom Austrittsende (16) der Luftdüse (3) ist und Z der Durchmesser der Luftdüse (3)

am Austrittsende (16) ist.

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6. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

gekennzeichnet, dass die Luftdüs

en (3) einen

polygonförmigen, insbesondere einen rechteckigen oder

quadratischen Querschnitt aufwei

7. Brenner (1) nach Anspruch 6

dass die folgende Beziehung gilt 0,1 < B?/A < 0,32

wobei B der Abstand der Öffnung

Sen.

dadurch

‚ dadurch gekennzeichnet,

(12)

vom Austrittsende

(16)

der Luftdüse (3) ist und A der Durchmesser der Luftdüse (3)

am Austrittsende (16) ist.

8. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

gekennzeichnet, dass sich die Luftdüsen (3) in

Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (10) betrachtet

der Öffnung (12) für die Zufuhr der Sperrluft (9)

verjüngen.

9. Brenner (1) nach Anspruch 8

dadurch

„ vor

‚ dadurch gekennzeichnet,

dass der Reduzierwinkel (C), mit dem sich die Luftdüsen (3)

vor der Öffnung (12) verjüngen,

10. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

gekennzeichnet, dass die Öffnung

zwischen 20° und 50° Liegt.

(12)

in der Düsenwand

im Bereich der Luftdüse (3) mit kleinstem freiem

Querschnitt angeordnet ist.

11. Luftdüse (3) für die Zufuhr von Verbrennungsluft

zur Verwendung in einem Brenner

(1),

insbesondere

Flachflammenbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass die

dadurch

(13)

(10)

Luftdüse (3) in ihrer seitlichen Düsenwand (13) zumindest

eine Öffnung (12) aufweist, über die Sperrluft (9) der

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Verbrennungsluft

(10)

11

zuführbar ist,

sodass die Sperrluft

(9) im Wesentlichen senkrecht auf die Verbrennungsluft (10)

trifft.

12. Luftdüse (3)

dass die Öffnung

nach Anspruch 11,

(12)

dadurch gekennzeichnet,

in der seitlichen Düsenwand (13) der

Luftdüse (3) schlitzförmig ist und sich zumindest über

einen Teilumfang der Düsenwand (13)

13. Luftdüse (3)

dass sich die Öffnung

nach Anspruch 12,

(12) über den

Düsenwand (13) erstreckt.

14. Luftdüse (3)

erstreckt.

dadurch gekennzeichnet,

gesamten Umfang der

nach einem der Ansprüche 11 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüse (3) einen

kreisförmigen Querschnitt aufweist.

15. Luftdüse (3)

nach Anspruch 14,

dass die folgende Beziehung gilt:

0,3 < X/Z < 0,5

wobei X der Abstand der Öffnung (12)

der Luftdüse (3)

am Austrittsende

16. Luftdüse (3)

dadurch gekennzeichnet,

vom Austrittsende (16)

ist und Z der Durchmesser der Luftdüse (3)

(16)

ist.

nach einem der Ansprüche 11 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüse (3) einen

polygonförmigen Querschnitt aufweist.

17. Luftdüse (3)

nach Anspruch 16,

dass die folgende Beziehung gilt:

0,1 < B?/A < 0,32

dadurch gekennzeichnet,

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wobei B der Abstand der Öffnung (12)

vom Austrittsende (16)

der Luftdüse (3) ist und A der Durchmesser der Luftdüse (3)

am Austrittsende (16) ist.

18. Luftdüse (3) nach einem der Ansprüche 11 bis 17,

dadurch gekennzeichnet, dass sich die Luftdüse (3) in

Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (10) betrachtet, vor

der Öffnung (12) für die Zufuhr der

19. Luftdüse (3) nach Anspruch 18,

dass der Reduzierwinkel (c) mit dem

Sperrluft (9) verJjüngt.

dadurch gekennzeichnet,

sich die Luftdüse (3)

vor der Öffnung (12) verjüngt, zwischen 20° und 50° liegt.

20. Luftdüse (3) nach einem der Ansprüche 11 bis 19,

dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (12) in der

Düsenwand (13) im Bereich der Luftdüse (3) mit kleinstem

freiem Querschnitt angeordnet ist.