DE2951796C2

DE2951796C2 - Brenner für gasförmige oder flüssige Brennstoffe für minimale NO↓x↓-Emission

Info

Publication number: DE2951796C2
Application number: DE2951796A
Authority: DE
Inventors: Kotaro Kobe Hyogo Morimoto; Tomio Suzuki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1978-12-21
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1982-11-04
Also published as: US4439137A; DE2951796A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmige oder flüssige Brennstoffe für minimale NO,-Emission nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 13 11 132 ist ein Gasbrenner bekannt, bei dem die Luftdüse für die Zufuhr der Verbrennungsluft unsymmetrisch in bezug auf die Gasdüse oberhalb derselben angeordnet ist Die Luftdüse ist durch die Mündung eines Strömungskanals gebildet dessen Achse auf die Achse des darunter liegenden Strömungskanals zugeneigt ist an dessen Mündung sich die Gasdüse berindet Durch die unsymmetrische Einspeisung der Verbrennungsluft wird angestrebt die Vermischung von Gas und Verbrennungsluft zu verzögern, um eine langgestreckte Flamme zu erhalten, die eine gleichmäßige Wärmeverteilung in einem großen Raum bewirkt. Durch die Vermeidung von örtlichen Hitzezentren im Inneren der Flamme werden günstige Werte für die NO*-Emission erreicht. Da jedoch die Verbrennungsluftströmung und die Gasströmung am Austritt aus den zugehörigen Düsen aufeinander zu gerichtet sind, tritt eine frühzeitige Verwirbelung und Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Gas ein. Die erzielte so Verminderung der ΝΟ,-Emission ist daher nicht optimal.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brenner mit unsymmetrischer Einspeisung der Verbrennungsluft so weiterzubilden, daß eine weitere Verminderung der ΝΟ,-Emission erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen Brenner wird eine vorzeitige Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff verhindert, da diese nicht aufeinander zu geführt werden, sondern voneinander fort abgelenkt werden. Ferner werden durch die Bewegung der Verbrennungsluft die heißen Verbrennungsgase mit dieser in Berührung gebracht, wodurch eine selbsttätige Zirkulation der Abgase auftritt, die sich günstig auf die ΝΟ,-Emission auswirkt. Bei dem erfindungsgemäßen Brenner ergibt sich eine wesentlich kürzere Flamme als bei dem Brenner nach der bereits genannten US-PS 13 11 132, weil der Brennstoff bei dem erfindungsgemäßen Brenner überwiegend in das Gebiet geführt wird, wo sich die heißen Verbrennungsgase aufgrund der Führung der Verbrennungsluft befinden. Bei dem bekannten Brenner wird hingegen nach der anfänglichen Berührung zwischen Verbrennungsluft und Gas unmittelbar nach dem Austreten aus den jeweiligen Düsen die Verbrennungsluft allmählich dem Brennstoff zugemischt so daß sich eine lange Flamme ergibt

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht eines Brenners nach einer ersten Ausführungsform; F i g. 2 eine Vorderansicht des Brenners nach F i g. 1; F i g. 3 eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des Brenners; F i g. 4 eine Vorderansicht des Brenners nach F i g. 3; F i g. 5 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des Brenners mit geneigter Brennstoffdüse; F i g. ö eine schematische Schnittansicht zur Darstellung der Anordnung des Brenners im Brennergehäuse; Fig.7 und 8 Diagramme, welche die Beziehung zwischen dem Spreizwinkel der Lufcdüse und der Abnahire der NO_x-Emission zeigen;

F i g. 9,10 und 11 Diagramme der Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und der NO*-Emission; Fig. 12 bis 15 Diagramme der Beziehung zwischen der Lage der Brennerspitze und der NO»-Emission;

Fig. 16 eine Darstellung der Brennstoff-Einspritzrichtungen des Brenners;

Fig. 17 bis 19 Diagramme der Beziehung zwischen den Brennstoff-Einspritzrichtungen und der NO_x-EmJssion;und

Fig.20 und 21 Diagramme zur Darstellung der Beziehung zwischen der NO»-Erzeugung und der Rauchentwicklung.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Brennergehäuse bezeichnet, während mit 2 ein Luftleitelement bezeichnet ist das fest in eine Bohrung des Brennergehäuses eingepaßt ist In einem Hohlraum des Luftleitelementes 2 ist koaxial ein Brenner 4 angeordnet der an seinem Vorderende mit einer Brennstoffdüse 3 versehen ist

Das die Luftdüse bildende Luftleitelement 2 ist, wie in Fig.2 gezeigt ist entgegen der Ausbildung bei gewöhnlichen Luftleitelementen, die über ihren gesamten Querschnitt geöffnet sind, mit Ausnahme von fünf Kanälen 5 geschlossen, die in dem massiven Teil entlang eines Bogens angeordnet sind, dessen Mittelpunkt auf der Achse des Luftleitelementes liegt Die Verbrennungsluft wird in den Ofen daher nicht gleichmäßig über den gesamten Umfang zugeführt, sondern nur durch diese Kanäle 5 hindurch. Die Ablenkung der Luftströmung hängt von der Größe der Spreizwinkels θ ab, der durch den Kreisbogen aufgespannt wird, auf dem die Austrittsdüsen der Kanäle S liegen. Wenn der Winkel θ 360° beträgt, so entspricht die Luftströmung der gewöhnlichen gleichmäßigen Strömung, und je kleiner der Winkel ist, desto stärker wird die Luftströmung abgelenkt. Die Stärke der Ablenkung kann dabei wunschgemäß gesteuert werden, indem die Anzahl von Kanälen in dem Luftleitelement und die Lage derselben in geeigneter Weise festgelegt werden. Eine andere Lösung, um die Luftströmung abzulenken, besteht darin.

3 4

ein Hindernis oder eine Verschlußplatte in einem Teil tätigen Zirkulation der Verbrennungsgase zusammen, der öffnung des Brennergehäuses anzuordnen, um diese um einen Kombinationseffekt zu ergeben, der eine stellenweise zu verschließen, wodurch ein Teil der gleichmäßige Flammentemperaturverteilung gewähr-

Luftströmung durch das Brennergehäuse bzw. Luftleit- leistet ohne daß örtliche Hochtemperaturbereiche in

element blockiert wird. Es ist auch möglich, ein 5 der Verbrennungszone auftreten. Dadurch wird eine

gebogenes Rohr stromaufwärts von der Lufteinlaßöff- bedeutende Reduzierung der NO^Emission erreicht

nung des Brennergehäuses und in der Nähe derselben wobei gleichzeitig die übrigen Verbrennungsbedingun-

anzuordnen, so daß eine abgelenkte Luftströmung nach gen gut sind.

den hydrodynamischen Gesetzen entsteht In der Die Reduzierung der NOr-Emission hängt stark von

folgenden Beschreibung wird der Öffnungsquerschnitt io der Ablenkung der Verbrennungsluftströmung ab. Da

für den Einlaß der Verbrennungsluft der in dem ein zu großer Spreizwinkel θ des Öffnungsquerschnitts

Brennergehäuse bzw. Luftleitelement örtlich begrenzt für die Verbrennungsluft den räumlichen Bsreich

ist auch einfach als »Öffnungsquerschnitt« bezeichnet verkleinert wo wenig Verbrennungsluft sich in der

und der Winkel (Winkel θ auf Mittelpunkt bezogen), Nähe der Brennstoffdüse befindet hat er zur Folge, daß

den der Öffnungsquerschnitt bildet wird als »Spreizwin- ¹⁵ sich der größere Teil des eingespritzten Brennstoffes

kel« bezeichnet und dient als Maßstab für die Stärke der bald mit der Verbrennungsluft vermischt so daß die

Ablenkung der einströmenden Luft Verbrennung schnell ablaufen kann und die Stärke der

In F i g. 2 sind die Kanäle 5 in der unteren Hälfte des selbsttätigen Zirkulation der Verbrennungsgase ge-

Luftleitelementes gezeigt; sie ergeben also eine schwächt wird. Um eine gute Verbrennung bei

abgelenkte Luftströmung im unteren Bereich; wie 20 minimaler NO^-Emission zu gewährleisten, muß die

später erläutert wird, kann jedoch der Bereich, wo die Verbrennungsluft die erfolgederliche Ablenkung erhal-

abgelenkte Luftströmung erzeugt wird, wunschgemäß ten, um die angestrebten Wirkungen zu erzielen. Zu

festgelegt werden. Die fünf Kanäle können z. B. im diesem Zweck muß der Spreizwinkel θ des Luftdurch-

oberen Bereich oder im rechten oder linken Teil des laßquerschnittes auf etwa 240° oder weniger begrenzt

Luftleitelementes angeordnet sein. 25 werden, wie später weiter erläutert wird.

Das Brennergehäuse bzw. Luftleitelement kann Das in F i g. 7 gezeigte Diagramm zeigt Testergebnisrechtwinkelig sein, wie in F i g. 4 dargestellt ist wobei es se unter Verwendung eines Verbrennungsofens (Durchdann auch möglich ist wie bei der Ausführungsform messer 1 m, Länge 4 m), mit dem die Auswirkung der nach Fig. 1, die Stärke der Ablenkung durch den Stärke der Ablenkung der Verbrennungsluftströmung Spreizwinkel θ des Öffnungsquerschnittes festzulegen. 30 auf die Abnahme der NO^-Bildung untersucht wurden. Die abgelenkte Einleitung der Verbrennungsluftströ- Brenner und Luftleitelement entsprechen dabei der mung in den Ofen hat den Zweck, ein schnelles Ausführung nach Fig. 1. Die Verbrennungsbedingun-Vermischen des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft gen sind dabei wie folgt: zu verhindern, wie zuvor beschrieben wurde, um einen
langsamen Verbrennungszustand aufrechtzuerhalten, 35 Brennstoff: während eine automatische Zirkulation der verbrannten Butangas; Gase gewährleistet ist Zu diesem Zweck wird der Verbrennungsgeschwindigkeit: Spreizwinkel auf etwa 240° oder weniger begrenzt, wie 1,67 χ 10⁹ J/h (4OxIO⁴ kcal/h); später erläutert wird. Ofentemperatur:

Der Brenner kann ein üblicher Brenner sein (im ⁴O 1300 bis 1350⁰C;

folgenden als »Geradeausbrenner« bezeichnet), bei dem Brennstoff/Luft-Verhältnis:

die Brennstoffdüse an der Spitze mit der Brennerachse 1,15;

fluchtet; es kann jedoch ein in F i g. 5 gezeigter Brenner Temperatur der vorgewärmten Verbrennungsluft:

sein, dessen Brennstoffdüse 3 um einen festen Winkel λ 320° C;

in bezug auf die Brennerachse A geneigt ist (ein solcher ⁴⁵ Brennertyp:

Brenner wird im folgenden als »Schrägbrenner« Geradeausbrenner oder Schrägbrenner

bezeichnet). (J^ewe>'^{s m}·* ^nur einer Düse).

F i g. 1 zeigt schematisch auch die Form der

Verbrennung, wobei der Brenner ein »Schrägbrenner« In F i g. 7 betrifft die Kurve (i) einen Geradeausbren-

der in F i g. 5 gezeigten Art ist. Die Verbrennungsluft A 5° ner, und Kurven (ii) und (iii) betreffen die Verwendung

wird durch einen Öffnungsquerschnitt eingeleitet, der im von Schrägbrennern, mit einem Neigungswinkel von

unteren Bereich eines Luftleitelemente!· 2 begrenzt ist, 15° bzw. 30°.

und wird von der unteren Hälfte des Brennergehäuses 1 Die Ordinate zeigt die Abnahme der NO_x- Bildung im ausgehend in den Ofen verteilt. Brennstoff Fwird zu der Verhältnis zu der NOx-Menge, die gebildet wird, wenn Seite hin eingesprüht, wo weniger Verbrennungsluft A 55 die Verbrennungsluft eine gleichmäßige Strömung hat vorhanden ist und durchströmt die Hälfte der (wobei die NO*-Menge für eine gleichmäßige Luftsrö-Brennergehäusebohrung, um in den Ofen eingeleitet zu mung und bei einem Geradeausbrenner 108 Teile auf werden. Infolgedessen verläuft das Vermischen der eine Million bzw. 80 Teile auf eine Million bei 15° Verbrennungsluft mit dem Brennstoff allmählich, so daß Neigung und 56 Teile auf eine Million bei 30° Neigung die Verbrennung langsam abläuft im Vergleich zu der 6° beträgt). Wie das Diagramm zeigt, nimmt die Stärke der herkömmlichen gleichmäßigen Zuführung der Verbren- Abnahme der NO^Bildung zu, während der Spreizwinnungsluft Bei dem erfindungsgemäßen Brenner werden kel θ der Verbrennungsluft-Eintrittsöffnung abnimmt, darüber hinaus die verbrannten Gase G in die so daß die Stärke der Ablenkung zunimmt, und zwar Verbrennungsluftströmung A gedrängt, und zwar un&hhängig vom Brennertyp; es ist ersichtlich, daß die aufgrund der Stoßkraft derselben, und überdies tritt eine ⁶⁵ NO^Menge bei einem Spreizwinkel von etwa 240° oder selbsttätige Zirkulation der Verbrennungsgase auf. weniger um etwa 20% und mehr im Vergleich zu der Die langsame Verbrennung aufgrund der allmähli- NO*-Menge bei gleichmäßiger Luftströmung (Spreizchen Luft/Brennstoffvermischung wirkt mit der selbst- winkel θ = 360°) abnimmt. Bedeutend ist vor allem die

• Auswirkung der Anwendung eines Schrägbrenners; die Abnahme erreicht bei einem Spreizwinkel von 120° den hohen Wert von 80%. Der Schrägbrenner erfüllt die Funktion, daß in den frühen Verbrennungsstadien die Brennstoff/Luft-Vermischung langsam abläuft, wodurch s die Flammentemperatur reduziert wird und die Verbrennung bei konstanter Temperatur ablaufen kann, was die Reduzierung der gebildeten Menge sogenannter »thermischer Stickstoffoxide« und »Brennstoffoxide« zur Folge hat Dieser auf der Verwendung des Schrägbrenners beruhende Effekt tritt in Zusammenwirkung mit dem Effekt auf, der durch die gesteuerte Strömungsablenkung der Verbrennungsluft verursacht wird, um die Menge der NO_x- Bildung weiter zu reduzieren. Der Neigungswinkel « des Schrägbrenners kann, um diese Funktion wirksam zu erfüllen, innerhalb des Bereichs von 5 bis 45° gewählt werden, wobei der vorteilhafteste Wert etwa 30° beträgt.

Im allgemeinen wird in der Technik angenommen, daß die Wirkung der Anwendung von zwei oder mehr verschiedenen Methoden zur Reduzierung der NO_x-Erzeugung wesentlich geringer ist als die Summe der einzelnen Auswirkungen. Gemäß der Erfindung ergibt jedoch die Anwendung verschiedener Techniken zur NO*-Reduzierung, nämlich des Schrägbrenners und der 2s gesteuerten Umlenkung der Verbrennungsluft, einen Kombinationseffekt, der zu einer überraschenden Reduzierung der NO^-Menge führt Ein solcher Kombinationseffekt kann auch durch Anwendung von zwei oder mehr der im folgenden beschriebenen Techniken zur NCVReduzierung erreicht werden. Ein bedeutendes Merkmal der Erfindung besteht also darin, daß die kombinierte Anwendung von. zwei verschiedenen Techniken zur NO*-Reduzierung vorgesehen ist, um einen über die bloße Summe dieser Techniken hinausgehenden NCVHerabsetzungseffekt zu erzielen, im Gegensatz zu den üblicherweise in der Technik gemachten Annahmen.

Die durch die Erfindung erreichte NO^-Abnahme kann weiter dadurch verbessert werden, daß einzeln oder in Kombination folgende Maßnahmen getroffen werden: Wahl des Brennertyps, Luftdurchsatz, Brennstoff/Luft-Verhältnis, Richtung der Brennstoffeinspritzung und Lage der Brennerspitze.

Das Diagramm in Fig.8 zeigt zum Vergleich der Reduzierung der erzeugten NO*-Menge in Prozent bei Anwendung verschiedener Brenner, wobei der Spreizwinkel θ des Verbrennungsluft-Einlaßquerschnitts verändert wird, und zwar bei einem Verbrennungstestgerät für Schweröl (Klasse C). Die Symbole in den Diagrammen dienen zur Unterscheidung der verschiedenen Brenner typen entsprechend Tabelle 1.

Tabelle 1 Verbrennungsbedingungen

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*) Der Brennstoffdurchsatz ist je nach Durchmesser der Einspritzdüse des verwendeten Brenners unterschiedlich, wobei die Durchsätze a, b und c so sind, daß b das Zweifache von a und c das Dreifache a betragen.

	Geradeaus	10°	Brennstoff	C
	Schräg	20°	*durchsatz)**	3
		a b	Δ
Brennertyp		O Θ
		Δ Δ
		□ El

Das Diagramm zeigt, daß bei abnehmendem Spreizwinkel θ der ΝΟϊ-Reduziereffekt stärker wird, wenngleich je nach Brennertyp gewisse Unterschiede vorhanden sind, und daß ein Winkel θ-240° oder weniger einen besonders guten Effekt bewirkt

F i g. 9 zeigt in Form eines Diagramms die Beziehung zwischen dem Verhältnis von Brennstoffdurchsatz zu Luftdruchsatz und die NOjrEmission bei einem Verbrennungsversuch mit Anwendung von Butangas als Brennstoff, wobei die Stärke der Strömungsablenkung der Verbrennungsluft als Parameter fungiert In dem Diagramm betrifft Kurve (a) eine gleichmäßige Luftströmung (Spreizwinkel-360°), und Kurve (b) betrifft einen Spreizwinkel von 180°, während Kurve (c) einen Spreizwinkel von 120° betrifft Zusätzlich wird in jedem Falle der Querschnitt der Lufteir.trittsöffp.ung im unteren Teil des Luftleitelements angeordnet, und der Neigungswinkel der Brennstoffdüse ist als Erhöhungswinkel angegeben. Fig. 10 zeigt als Diagramm die Meßergebnisse der NCvEmission bei einem Verbrennungsversuch unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen wie in Fig.9, mit der Ausnahme, daß Koksofengas (COG) als Brennstoff verwendet wird. Der Neigungswinkel λ der Brennstoffdüse beträgt jedoch 15°.

Wie Fig.9 und 10 zeigen, ändert sich zwar die ΝΟϊ-Menge je nach Art des Brennstoffes und Brennertyp; je stärker die Ablenkung der Verbrennungsluftströmung ist desto schwächer ist jedoch die NO_x- Bildung, wobei zu bemerken ist daß bei gasförmigen Brennstoffen die NO^Abnahme groß ist wenn das Verhältnis von Brennstoff zu Luft etwa 03 oder mehr beträgt, insbesondere etwa 0,5 bis 2. Bei flüssigen Brennstoffen hat hingegen dieses Durchsatzverhältnis nur einen geringen Einfluß auf die NO*-Bildung.

F i g. 11 zeigt als Diagramm das Brennstoff/Luft-Durchsatzverhältnis und die Menge der NO_rBildung bei verschiedenen Brennertypen unter Verwendung von Butangas als Brennstoff, wobei der Spreizwinkel θ des Verbrennungsluft-Öffnungsquerschnitts 240° beträgt In dem Diagramm werden für den Geradeausbrenner kreisförmige Zeichen, für den Schrägbrenner mit einem Neigungswinkel « von 15° (oder 10°) dreieckförmige Zeichen und für einen Schrägbrenner mit einem Neigungswinkel « von 30° (oder 20°) rechteckige Zeichen verwendet Der Luftdruchsatz für die schraffierten Zeichen ist etwa doppelt so groß wie für unschraffierte Zeichen. Durch stärkere Ablenkung der Luftströmung und Erhöhung des Brennstoff/Luft-Durchsatzverhältnisses werden innerhalb eines bestimmten Bereiches dieses Verhältnisses für jede Brenristoffari ausgezeichnete Ergebnisse erzielt

Wie bereits erwähnt wird der NO^Abschwächungseffekt verbessert indem die Verbrennungsluft eine Ablenkung bestimmter Stärke erhält und indem ein Schrägbrenner anstelle eines Geradeausbrenners verwendet wird, wobei die optimale Verminderung der NOjr-Bildung erreicht wird, indem ein Schrägbrenner mit einem Neigungswinkel α von etwa 30° verwendet wird. Wenn jedoch ein solcher Schrägbrenner mit einem Neigungswinkel « von etwa 30° direkt in einer Vorrichtung verwendet wird, so kann manchmal der sehr große Ablenkwinkel der eingesprühten Brennstoffströmung dazu führen, daß der Brennstoff an der Ofenwandung oder an der Wandung der Brennergehäusebohrung anhaftet wodurch der praktische Neigungswinkel eingeschränkt wird. Günstig ist die Anwendung von Winkeln in der Größenordnung von 10 bis 20°. Ob

die Brennstoffströmung abgelenkt wird oder nicht, beeinflußt ferner stark den Brennstoff/Luft-Gemischzustand derart, daß dieser sich vollständig ändert Unter solchen Bedingungen ist die Einstellung des Brennstoff/ Luft-Durchsatzverhältnisses ein sehr wirksames Mittel, um die Menge der NO»-Bildung ausreichend zu reduzieren.

Durch die Erfindung wird es ermöglicht, die Menge der NOx-Bildung auf stabile Weise weiter zu reduzieren, indem zusätzlich die Lage der Brennstoffdüse eingestellt to wird. Unter der »Lage der Brennerspitze«, wie sie in F i g. 6 gezeigt ist, ist der Abstand L von der inneren Ofenbegrenzungsoberfläche / des Brennergehäuses i bis zur Brennerspitze 4 zu verstehen. Im Interesse einer schnellen und gleichmäßigen Vermischung der einge- '5 sprühten Brennstoffströmung mit der Verbrennungsluft, eines frühen Abschlusses der Verbrennung und der Vermeidung einer Beschädigung der Brennerspitze durch Hitze wurde üblicherweise die Brennerspitze bisher gegenüber der Begrenzungsoberfläche / des Brennergehäuses zurückversetzt, und zwar in eine Lage entsprechend dem Wert 1 bis 1,5 für das Verhältnis UD.

Die Diagramme in Fig. 12 und Fig. 13 zeigen die Beziehung zwischen der Lage der Brennerspitze und der Menge der NO^-Bildung, die bei einem Spreizwinkel von 180° und Anwendung von Butangas als Brennstoff beobachtet wurde, wobei die Zahlenwerte auf der Abszisse die Brennerlage angeben (LSD=O bedeutet, daß die Brennerspitze mit der inneren Begrenzungsoberfläche des Brennergehäuses F fluchtet, und UD 0 bedeutet, daß die Spitze in den Ofen vorsteht). In Fig. 12 ist die Verbrennungsluftströmung gleichmäßig (Spreizwink-jl θ - 360°), und in F i g. 13 ist sie abgelenkt (Spreizwinkel θ =180°). Die in den Diagrammen verwendeten Zeichen ermöglichen die Unterscheidung zwischen den Brennertypen (Geradeaustyp und Schrägtyp) und zwischen den Brennstoff-Durchsatzverhältnissen, die sich bei den verschiedenen Durchmessern des Brennstoff-Einsprühloches ergeben, entsprechend Tabelle 2.

Tabelle 2

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	Geradeaus	15°	Brennstoff	c'
	Schräg	30°	*durchsatz)**	Q
		a' b'	Δ
Brennertyp		O Θ	Π
		Δ
		Q El

*)Die Durchsätze a', b' und c' sind folgendermaßen: b' ist doppelt so groß wie a' und c' ist achtmal größer als a'.

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Wenn die Verbrennungsluftströmung gleichmäßig ist (Fig. 12), so besteht beim Heranbringen der Brennerspitze an den Ofen in einigen Fällen die Neigung, daß die NOx-Menge abnimmt jedoch nicht sehr stark; in anderen Fällen tritt jedoch die Neigung zu einer verstärkten Nd-Erzeugung auf, wodurch die Erwartung eines bestimmten Ergebnisses unmöglich gemacht wird. Der durch Ablenkung der Verbrennungsluftströmung gemäß der Erfindung erzielte Effekt der NO_x-Abnahme ist jedoch klar und deutlich, unabhängig vom Brennertyp, und besonders wenn das Verhältnis UD ungefähr gleich 0 ist (Brennerspitze fluchtend mit innerer Begrenzungsoberfläche des Ofens), so wird eine sehr starke NOjrReduzierung auf etwa die Hälfte oder noch weniger beobachtet, im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren.

F i g. 14 und 15 zeigen ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Brennerlage und der Menge der NO*-Bildung unter denselben Bedingungen wie bei F i g. 12 und F i g. 13, jedoch unter Anwendung von Koksgas als Brennstoff. Die in der Graphik verwendeten Zeichen sollen zwischen den verschiedenen Brennertypen und Durchmessern des Einsprühloches unterscheiden, entsprechend Tabelle 3.

Tabelle 3

Brennstoffdurchsatz*)

a" b"

Brennertyp Geradeaus O Θ Φ 3

Schräg 15° Δ Δ - Δ

30° - □ - B

*) Durchflußraten a", b", c" und d" haben folgende Werte: b" ist doppelt so groß wie a", c" hat den dreifachen Wert von a" und d" ist viermal so groß wie a".

Der Grund dafür, daß die Verschiebung der Brennerspitze zur Innenseite des Ofens hin eine Reduzierung der erzeugten NO^-Menge bewirkt, besteht darin, daß dadurch eine Brennstoff/Luft-Vermischung bereits früh in dem Brennergehäuse geringen Volumens verhindert wird und stattdessen ermöglicht wird, daß diese Vermischung allmählich in dem geräumigen Bereich erfolgt, und die sich so ergebende Verbrennungsluftströmung, die in den Ofen als Strahl eingeführt wird, eine ausreichende Stoßkraft aufweist, um die verbrannten Gase zu erfassen und eine selbsttätige Zirkulation dieser verbrannten Gase zur Verbrennungszone hin in wirksamer Weise ermöglicht Die Stelle, an der sich die Brennerspitze befinden muß, um eine ausreichende Reduzierung der NO^-Bildung zu erzielen, ändert sich je nach Brennertyp; der Abstand L zwischen der inneren Begrenzungsoberfläche / des Ofens und der Brennerspitze soll nicht mehr als etwa das 0,8fache des Bohrungsdurchmessers D bei einem Geradeausbrenner und nicht mehr als das etwa l,3fache des Bohrungsdurchmessers D bei einem Schrägbrenner betragen (wobei jeweils Anordnungen vorgesehen sind, bei denen die Brennerspitze in den Innenraum des Ofens vorsteht); besonders günstig ist eine fluchtende Anordnung der Brenr.erspitze in bezug auf die innere Begrenzungsoberfläche des Ofens (UD-O). Wenn die Brennerspitze in den Innenraum des Ofens gebracht wird, so ist es ferner günstig, wenn der Winkel der divergierenden Bohrung in dem Brennergehäuse (der Winkel, den die geneigte Innenwandungsoberfläche des Brennergehäuses bildet) etwa 45° oder weniger beträgt, um eine gute Verbrennung und wirksame Unterdrükkung der NO₁-Bildung zu erzielen.

Die erzielte Reduzierung der ΝΟχ-Emission kann weiter verstärkt werden, indem die Richtung des aus dem Brenner eingesprühten Brennstoffes eingestellt wird. Unter dem Begriff »Richtung der Brennstoffeinsprühung« ist unter Bezugnahme auf F i g. 16 und bei Anwendung eines Schrägbrenners mit einem bestimmten Neigungswinkel et eine Richtung (a) zu verstehen,

ίο

bei der das Brennstoff-Aussprühloch einen Winkel λ mit einer waagerechten Ebene //bildet, die die Achse A des Brennergehäuses bzw. Luftleitelementes enthält, bzw. eine Richtung (b), in der ein Neigungswinkel <x mit dieser waagerechten Ebene gebildet wird, oder aber eine Richtung (c) oder (d) für eine Ablenkung nach links oder rechts in dieser waagerechten Ebene H. Es ist also die Richtung gemeint, in der die Brennstoffdüse bezüglich der Achse A geneigt ist

Die Fig. 17 bis 19 sind Diagramme zur Darstellung der Beziehung zwischen der Richtung der Brennstoffeinspritzung und der Menge der NOrBildung, wenn die Verbrennungsluftströmung abgelenkt wird und die Richtung der Brennstoffeinspritzung unter Verwendung eines Schrägbrenners verändert wird. (Als Brennstoff wird Butangas verwendet.) Die Verbrennungsbedingungen sind dabei in Tabelle 4 aufgeführt

Tabelle 4

20

Figur Nr. Luftleitelement Lage des Spreizwinkel

Öflhungs-

querschnitts (dl⁰)

17 18 19

oben oben unten

180 120 120

Brenner Neigungswinkel

15 15 15

25

30

Bei allen diesen Figuren bezeichnet das Symbol oben links die Lage der Luftdüse in dem Luftleitelement und der schraffierte Teil ist dabei die offene Fläche, während der Zentrumswinkel θ der Spreizwinkel der offenen Fläche ist Die Abszisse stellt in jedem Diagramm die Richtung der Brennstoffeinsprühung in Winkelgraden dar. Wenn der Winkel z. B. 0° beträgt (oder 360°), so bedeutet dies die Richtung (b) in Fig. 16, wo die Einspritzdüse einen Winkel«in der senkrechten Ebene V bildet, welche die Achse A enthält Der Winkel 90° bedeutet die Richtung (c) in der waagerechten Ebene H. Der Winkel 180° bedeutet die Richtung (a), die eine Inklination λ in der senkrechten Ebene V bildet Schließlich bedeutet der Winkel 270° die Richtung (d) in der waagerechten Ebene H. In dem Diagramm bedeuten die nichtschraffierten Zeichen eine Einstellung der Brennerspitze derart, daß LZD=Q, während die schraffierten Zeichen bedeuten, daß Z/D» 1,0 (siehe » F ig. 6).

Wie aus diesen Figuren hervorgeht, kann eine beträchtliche Verminderung der NO«-Erzeugung erreicht werden, indem der Brennstoff in einen anderen Bereich gesprüht wird als der Bereich, wohin die abgelenkte Verbrennungsluftströmung geführt wird, insbesondere in den Bereich, der dieser abgelenkten Luftströmung gegenüberliegt (wenn z. B. der untere Teil des Luftleitelementes offen ist und die abgelenkte Verbrennungsluft durch diesen Teil hindurchgeführt wird, so zeigt die Brennstoffdüse in Richtung (a) in F ig. 16).

Die Einleitungsrichtungen von Verbrennungsluft und Brennstoff können relativ zueinander so abgestimmt werden, daß sie nicht miteinander übereinstimmen, es Solange die Richtung der Brennstoffeinsprühung unter Beachtung der Richtung der abgelenkten Verbrennungsluftströmung bestimmt wird, kann also diese Luft durch den oberen oder unteren Teil bzw. rechten oder linken Teil des Luftleitelementes in jeder gewünschten Richtung einströmen. Wenn jedoch ein aus Stahl bestehender Werkstoff, der im Ofen erhitzt werden soll, der Luftströmung ausgesetzt ist, so wird er dadurch abgekühlt, was im Hinblick auf eine gute Ausnutzung der Wärme ungünstig ist Um dies zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Ablenkrichtung der Luftströmung in Abhängigkeit von der Lage des zu erhitzenden Materials bzw. Stahls bezüglich des Brenners so zu wählen, daß diese Strömung nicht direkt auf dieses Material auftrifft

Es werden im folgenden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, die eine Reduzierung der erzeugten NOjr-Menge bewirken.

Durch die Erfindung wird nicht nur eine minimale NCVEmission erreicht, wie vorstehend beschrieben wurde, sondern darüber hinaus kann auch die Emission von Rauch wirkungsvoll unterdrückt werden, wodurch eine gute Verbrennung bei minimalen Wärmeverlusten erzielt wird. Die F i g. 20 und 21 sind Diagramme, welche die Beziehung zwischen der ΝΟ,-Emission und der Rauchemission zeigen, wie sie bei Verbrennungstests beobachtet wurden, bei denen verschiedene Brennertypen eingesetzt wurden und als Brennstoff bei F i g. 20 Butangas bzw. bei Fig.21 schweres Heizöl (Klasse C) verwendet wurden. In diesen Diagrammen bedeuten die Kreise Meßpunkte bei der Verwendung von Geradeausbrennern, während Dreiecke bzw. Quadrate die Verwendung von Schrägbrennern mit dem Neigungswinkel α = 15° bzw. 30° bedeuten (die nichtschraffierten Zeichen bedeuten eine gleichmäßige Verbrennungsluftströmung, während die schraffierten Zeichen eine Ablenkung bedeuten, die einem Spreizwinkel θ von 180° entspricht). Die Richtung der Brennstoffeinsprühung ist dabei für die Schrägbrenner die Richtung (a) in Fig. 16. Der Öffnungsquerschnitt des Luftleitelements, der die Ablenkung der Verbrennungsluftströmung bewirkt, befindet sich in beiden Fällen im unteren Teil des Luftleitelements. Wie Fig.20 zeigt, kann bei der herkömmlichen Anordnung, wo die Verbrennungsluftströmung nicht abgelenkt wird (Kurve (i)), die Menge der ΝΟχ-Emission nicht auf einen Wert unterhalb 50 Teilen pro eine Million gebracht werden, ohne daß Rauch emittiert wird, während bei dem erfindungsgemäßen Brenner (Kurve (U)) selbst dann kein Rauch emittiert wird, wenn die Menge der ΝΟχ-Emission auf etwa 20 Teile pro eine Million reduziert wird. F i g. 21 betrifft den Fall, wo schweres Heizöl (Klasse C) als Brennstoff verwendet wird. Die Verbrennungsbedingungen und die Bedeutung der verschiedenen verwendeten Zeichen sind die gleichen wie in Fig.20 mit Ausnahme des Neigungswinkels α des Schrägbrenners, der hier 10° (Dreieckzeichen) bzw. 20° (Quadratzeichen) beträgt Die bei dem herkömmlichen Verfahren erreichte Grenze für die Rauchemission beträgt 100 Teile NO_x auf eine Million, und eine weitere Abnahme der NOi-Emission führt zur Emission von Rauch (Kurve (i)), während gemäß der Erfindung die ΝΟχ-Emission auf etwa 50 Teile pro eine Million herabgesetzt werden kann, ohne daß Rauch emittiert wird, wobei gleichzeitig eine gute Verbrennung gewährleistet ist

Um die Emission von Rauch zu verhindern, ist es im allgemeinen erforderlich, eine große Luftmenge (Sauerstoff) für die Verbrennung zuzuführen; die verstärkte Luftzufuhr vergrößert jedoch auch die Menge der Abgase. Infolgedessen steigt auch die Menge der von den Abgasen fortgetragenen Wärme, was Wärmeverlu-

ste und höhere Brennstoffkosten bedeutet Folglich ist eine Verbrennung anzustreben, die möglichst wenig Luft benötigt Da erfindungsgemäß die Rauchemission im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren wirkungsvoll verhindert werden kann, ist ein stabiler

Verbrennungszustand möglich, der eine relativ geringe Luftmenge benötigt was im Hinblick auf eine wirtschaftliche Wärmeausnutzung sehr günstig ist und zur Energieeinsparung beiträgt

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brenner für gasförmige oder flüssige Brennstoffe für minimale NCVEmission, mit unsymmetrischer Anordnung der Luft- und Brennstoffdüse, wobei der Spreizwinkel der Luftdüse weniger als 240" beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (3) gegenüber der Luftdüse um 0° bis 45° fortgeneigt und die Luftdüse bogenförmig um die Achse der Brennstoffzuführung angeordnet ist

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüse in mehrere Kanäle (5) unterteilt ist

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch '5 gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Brennstoffdurchsatz zu Verbrennungsluftdurchsatz auf einen Wert größer als 0,3 eingestellt ist

4. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung, in der der Brennstoff von der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft fortgeneigt eingespeist wird, symmetrisch in bezug auf einen Bogensektor ist, über den die Verbrennungsluft eingespeist wird.

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