NL8902963A

NL8902963A - PROCESS FOR BURNING FUEL OF LOW NOX CONTENT IN THE COMBUSTION GASES USING THROUGH STAGE FUEL SUPPLY AND BURNER.

Info

Publication number: NL8902963A
Application number: NL8902963A
Authority: NL
Original assignee: Int Flame Research Foundation
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1991-07-01
Also published as: JPH03213901A; EP0430376A3; CA2031228A1; EP0430376A2

Description

WEEKWIJZE VOOR HET VERBRANDEN VAN BRANDSTOF MET EEN LAAG NO -GEHALTE IN DE VERBRANDINGSGASSEN DOOR MIDDEL VAN GETRAPTEWEEKLY FOR BURNING FUEL OF LOW NO CONTENT IN COMBUSTION GASES BY STIPPING

XX

BRANDSTOFTOEVOER EN BRANDER TE GEBRUIKEN DAARBIJ.FUEL SUPPLY AND BURNER TO BE USED THEREIN.

Door aanvraagster wordt als uitvinder genoemd:The applicant mentions as inventor:

Kevin James KNILL te ALKMAARKevin James KNILL in ALKMAAR

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbranden van brandstof met een laag NOx-gehalte in de verbrandingsgassen door middel van getrapte brandstoftoevoer (fuel staged burning) onder gebruikmaking van althans een brander van een type omvattende een zich naar een verbrandingsruimte verwijdend kanaal (quarl) nabij de keel (throat) waarvan twee concentrische ringvormige kanalen (annulus) uitmonden door de binnenste waarvan een eerste deel van de brandstof (primary fuel) wordt toegevoerd en door de buitenste waarvan verbrandingslucht (combustion air) met draaiing (swirl) wordt toegevoerd, waarbij men eerst het eerste deel van de brandstof en de verbrandingslucht laat verbranden in de verbrandingsruimte in een primaire verbrandingszone (primary combustion zone) waarbij een interne recirculatie zone (internal recirculation zone, IRZ) wordt gevormd, waarbij men vervolgens een tweede deel van de brandstof (secondary fuel, reburn fuel) nabij de primaire verbrandingszone aan de verbrandingsruimte toevoert, waarbij men het tweede deel van de brandstof in een secondaire verbrandingszone (reburn zone) stroomafwaarts van de primaire verbrandingszone laat verbranden onder substoichiometrische omstandigheden (substoichiometry) waarbij het in de primaire verbrandingszone gevormde NOx tenminste ten dele wordt gereduceerd en waarbij men tenslotte nabij de secondaire verbrandingszone tertiaire verbrandingslucht (tertiary air) toevoert, waarbij men de resterende brandstof in het in de secondaire verbrandingszone gevormde verbrandingsprodukt stroomafwaars van de secondaire verbrandingszone uitbrandt (burn out) in een uitbrandzone (burn-out zone). De uitvinding heeft tevens betrekking op een brander te gebruiken bij deze werkwijze.The invention relates to a method for burning fuel with a low NOx content in the combustion gases by means of a staged fuel supply (fuel staged burning) using at least a burner of a type comprising a duct widening to a combustion space (quarl ) near the throat (throat) of which two concentric annular channels (annulus) open through the interior of which a first part of the fuel (primary fuel) is supplied and through the outer one of which combustion air (combustion air) is supplied with rotation (swirl), first allowing the first part of the fuel and combustion air to be burned in the combustion space in a primary combustion zone (primary combustion zone), thereby forming an internal recirculation zone (IRZ), followed by a second part of the fuel (secondary fuel, reburn fuel) near the primary combustion zone on d The combustion space is fed, the second part of the fuel being burned in a secondary combustion zone (reburn zone) downstream of the primary combustion zone under substoichiometric conditions (substoichiometry), at least partly reducing the NOx formed in the primary combustion zone and finally tertiary air (tertiary air) is supplied near the secondary combustion zone, the residual fuel in the combustion product formed in the secondary combustion zone being burned downstream of the secondary combustion zone (burnout) in a burnout zone (burnout zone). The invention also relates to a burner to be used in this method.

Het in de aanhef genoemde type brander is uit de praktijk bekend als swirl stabilized burner. Een kenmerk van een dergelijke brander is, dat tijdens bedrijf een interne recirculatie-zone optreedt, waarin de verbrandingsprodukten van de primaire verbran-dingszone worden gerecirculeerd.The type of burner mentioned in the opening paragraph is known in practice as a swirl stabilized burner. A characteristic of such a burner is that during operation an internal recirculation zone occurs, in which the combustion products of the primary combustion zone are recycled.

Een werkwijze van het in de aanhef genoemde type is bekend uit een publikatie van de hand van K. Leikert, K.D. Rennert en W. Schreiber getiteld "Test data of a multiple staged-mixing burner using fuel staging" gepubliceerd in de proceedings van de IFRF 8th Members Conference, Noordwijkerhout May 28-30, 1986. Bij deze bekende werkwijze wordt het tweede deel van de brandstof door middel van een aantal doorvoeren door de wand van de verbrandingsruimte toegevoerd.A method of the type mentioned in the opening paragraph is known from a publication by K. Leikert, K.D. Rennert and W. Schreiber entitled "Test data of a multiple staged-mixing burner using fuel staging" published in the proceedings of the IFRF 8th Members Conference, Noordwijkerhout May 28-30, 1986. In this known method, the second part of the fuel supplied through the wall of the combustion chamber by means of a number of passages.

Een werkwijze van het in de aanhef genoemde type is eveneens bekend uit een publikatie van de hand van R. Waibel en D. Nickeson getiteld "Staged fuel burners for NOx Control" eveneens gepubliceerd in de bovengenoemde proceedings. Bij deze bekende werkwijze wordt het tweede deel van de brandstof bij iedere brander toegevoerd en is deze toevoer in het brander ontwerp geïntegreerd. De brandstoftoevoer vindt echter aan de buitenzijde van de toevoer van de verbrandingslucht plaats.A method of the type mentioned in the opening paragraph is also known from a publication by R. Waibel and D. Nickeson entitled "Staged fuel burners for NOx Control", also published in the above-mentioned proceedings. In this known method, the second part of the fuel is supplied to each burner and this supply is integrated into the burner design. However, the fuel supply takes place on the outside of the combustion air supply.

Bij de laatstgenoemde bekende werkwijze wordt het eerste deel van de brandstof in de keel met behulp van een verdeelkop ringvormig verdeeld aan de verbrandingsruimte toegevoerd. Een dergelijke uitvoeringsvorm wordt in het kader van deze aanvrage identiek geacht met toevoer door middel van het in aanhef genoemde binnenste ringvormige kanaal.In the latter known method, the first part of the fuel is fed into the combustion space in the throat by means of a distributor head distributed in an annular manner. In the context of this application, such an embodiment is considered to be identical with feed via the inner annular channel mentioned above.

Een bezwaar van de bekende werkwijzen is dat de menging van het tweede deel van de brandstof en de verbrandingsprodukten uit de primaire verbrandingszone slecht is, waardoor de werkwijze moeilijk te optimaliseren is.A drawback of the known processes is that the mixing of the second part of the fuel and the combustion products from the primary combustion zone is poor, which makes the process difficult to optimize.

De uitvinding beoogt hierin verbetering te brengen. Dit wordt volgens de uitvinding bereikt doordat men het tweede deel van de brandstof toevoert door althans een met de twee ringvormige kanalen concentrisch of nagenoeg concentrisch kanaal door hetwelk het tweede deel van de brandstof in de verbrandingsruimte wordt geïnjecteerd. Dit heeft verschillende voordelen. Voor het toevoeren van het tweede deel van de brandstof zijn geen extra doorvoeren door de wand van de verbrandingsruimte nodig. De wijze van toevoeren van het tweede deel van de brandstof maakt een bijzonder eenvoudige en compacte opbouw van de brander mogelijk. Verder kan het tweede deel van de brandstof met een lagere snelheid toegevoerd worden dan bij de stand van de techniek omdat de omstandigheden voor het mengen van het tweede deel van de brandstof met de verbrandingsprodukten uit de primaire verbrandingszone gunstiger zijn. Ook kan het tweede deel van de brandstof kleiner zijn dan bij de stand van de techniek omdat de CH radicalen in het tweede deel van de brandstof niet zo snel geoxideerd worden door de afwezigheid van lucht. Tenslotte vindt de verbranding van het tweede deel van de brandstof onder substoichiometrische condities in de secondaire verbrandingszone meer dan bij de stand van de techniek op afstand van de wand van de verbrandingsruimte plaats. Hierdoor treedt minder hoge-temperatuurscorrosie van de stalen pijpen in deze wand op. Ook wordt daardoor het af zetten van dikke slak op de wand van de verbrandingsruimte meer dan bij de stand van de techniek beperkt tot het brandergedeelte daarvan.The object of the invention is to improve on this. This is achieved according to the invention in that the second part of the fuel is fed through at least one channel concentric with the two annular channels or substantially concentric through which the second part of the fuel is injected into the combustion space. This has several advantages. No additional penetrations through the wall of the combustion chamber are required to supply the second part of the fuel. The manner in which the second part of the fuel is supplied allows a particularly simple and compact construction of the burner. Furthermore, the second part of the fuel can be fed at a slower rate than in the prior art because the conditions for mixing the second part of the fuel with the combustion products from the primary combustion zone are more favorable. Also, the second part of the fuel may be smaller than in the prior art because the CH radicals in the second part of the fuel are not oxidized as quickly due to the absence of air. Finally, the combustion of the second part of the fuel takes place under substoichiometric conditions in the secondary combustion zone more than in the prior art at a distance from the wall of the combustion chamber. As a result, less high-temperature corrosion of the steel pipes occurs in this wall. Also, the deposition of thick slag on the wall of the combustion space is thus more limited than in the prior art to the burner part thereof.

Bij voorkeur wordt het tweede deel van de brandstof met een zodanige snelheid in de verbrandingsruimte geïnjecteerd, dat de brandstof als een straal(jet) door de interne recirculatiezone tot het stroomafwaartse einde van de interne recirculatiezone penetreert en aldaar met de verbrandingsprodukten van de primaire verbrandingszone wordt gemengd en voert men het tweede deel van de brandstof aan de verbrandingsruimte toe met een snelheid van ten minste 30 m/sec. Hierdoor wordt de werkwijze volgens de uitvinding verder geoptimaliseerd. Bij voorkeur is daarbij het tweede deel van de brandstof 10 tot 30% van de brandstof is en is de stoichiometrie in de secondaire verbrandingszone (reburn zone stoichiometry) 0,60 tot 1,0 en meer bij voorkeur 0,70 tot 0,90.Preferably, the second part of the fuel is injected into the combustion space at such a rate that the fuel penetrates as a jet (jet) through the internal recirculation zone to the downstream end of the internal recirculation zone and is there with the combustion products of the primary combustion zone. mixed and the second part of the fuel is fed to the combustion chamber at a speed of at least 30 m / sec. The method according to the invention is hereby further optimized. Preferably, the second part of the fuel is 10 to 30% of the fuel and the stoichiometry in the secondary combustion zone (reburn zone stoichiometry) is 0.60 to 1.0 and more preferably 0.70 to 0.90.

In een ander opzicht wordt de uitvinding tevens belichaamd in een brander van een type omvattende een zich naar een verbrandingsruimte verwijdend kanaal en een tweetal nabij de keel van het verwijdende kanaal uitmondende concentrische ringvormige kanalen, waarvan de binnenste is bestemd voor het toevoeren van brandstof en het buitenste voor het toevoeren van verbrandingslucht en is voorzien van middelen om de verbrandingslucht in draaiing te brengen. Een dergelijke brander is zoals hiervoor genoemd uit de praktijk bekend als swirl stabilized burer. Volgens de uitvinding is de brander voorzien van althans een met de twee ringvormige kanalen concentrisch of nagenoeg concentrisch kanaal bestemd voor het tijdens bedrijf toevoeren van een deel van de brandstof. Verdere optimalisatie van de werkwijze volgens de uitvinding wordt verkregen hierdoor dat bij de brander het met de twee ringvormige kanalen concentrische kanaal in de brander uitmondt in een gebied dat ligt van nabij de keel van het verwijdende kanaal tot het tijdens bedrijf met de binnenwand van een verbrandingsruimte gelijkliggende uiteinde van het verwijdend kanaal.In another respect, the invention is also embodied in a burner of a type comprising a duct widening to a combustion space and two concentric annular ducts opening near the throat of the widening duct, the innermost of which is for supplying fuel and outer for supplying combustion air and provided with means for rotating the combustion air. As mentioned above, such a burner is known from practice as a swirl stabilized burer. According to the invention, the burner is provided with at least one channel concentric or substantially concentric with the two annular channels, intended for supplying part of the fuel during operation. Further optimization of the method according to the invention is obtained by the fact that at the burner the channel concentric with the two annular channels opens into the burner in an area which lies close to the throat of the dilating channel until it is in operation with the inner wall of a combustion space. flush end of the dilating channel.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van de tekening.The invention will be elucidated with reference to the drawing.

Fig. 1 toont getrapte brandstoftoevoer voor een fornuis volgens de stand van de techniek.Fig. 1 shows a stepped fuel supply for a prior art cooker.

Fig. 2 toont getrapte brandstoftoevoer voor een brander volgens de stand van de techniek.Fig. 2 shows a stepped fuel supply for a prior art burner.

Fig. 3 toont getrapte brandstoftoevoer volgens de uitvinding.Fig. 3 shows a staged fuel supply according to the invention.

Fig. 4 toont een karakteristiek van de uitvinding.Fig. 4 shows a characteristic of the invention.

In fig. 1 en 2 is getrapte brandstoftoevoer getoond volgens de stand van de techniek voor een fornuis 1, respectievelijk voor een brander 2 in de wand 3 van een fornuis. Een eerste deel van de brandstof 4 (primary fuel) en verbrandingslucht 5 (combustion air) wordt toegevoerd en verbrand in een primaire verbrandingszone 6 (primary combustion zone). Bij deze verbranding ontstaat NOx.Figures 1 and 2 show stepped fuel supply according to the prior art for a stove 1 and for a burner 2 in the wall 3 of a stove, respectively. A first part of the fuel 4 (primary fuel) and combustion air 5 (combustion air) is supplied and burned in a primary combustion zone 6 (primary combustion zone). NOx is produced during this combustion.

Tevens wordt er een tweede deel van de brandstof 7 (reburn fuel) toegevoerd dat na menging met de verbrandingsprodukten uit de primaire verbrandingszone onder substoichiometrische omstandigheden wordt verbrand in een secondaire verbrandingszone 8 (reburn zone). Hierbij wordt het in de primaire verbrandingszone gevormde NOx althans gedeeltelijk gereduceerd. Deze reductie vindt in principe plaats volgens de resulterende reactie:Also, a second part of the fuel 7 (reburn fuel) is supplied which, after mixing with the combustion products from the primary combustion zone, is burned under substoichiometric conditions in a secondary combustion zone 8 (reburn zone). The NOx formed in the primary combustion zone is at least partially reduced. In principle, this reduction takes place according to the resulting reaction:

2 NO + CH---N2 + CO + OH2 NO + CH --- N2 + CO + OH

De verbrandingsprodukten uit de secondaire verbrandingszone bevatten nog brandbare bestanddelen. Deze worden onder toevoer van tertiaire verbrandingslucht (tertiary air) in een uitbrandzone 10 (burnout zone) uitgebrand.The combustion products from the secondary combustion zone still contain flammable components. These are burnt out in a burn-out zone 10 with the supply of tertiary combustion air (tertiary air).

De bij deze bekende werkwijze toegepaste brander is veelal een swirl stabilized burner, waarbij (zie fig. 2) in de keel 11 van een verwijdend kanaal 12 twee concentrische ringvormige kanalen 13 en 14 voor de toevoer van het eerste deel van de brandstof 4 respectievelijk de verbrandingslucht 5. De verbrandingslucht wordt met draaiing toegevoerd (niet getoond). Bij dit type brander vindt in de primaire verbrandingszone een interne recirculatie plaats.The burner used in this known method is often a swirl stabilized burner, wherein (see fig. 2) in the throat 11 of a widening channel 12 two concentric annular channels 13 and 14 for the supply of the first part of the fuel 4, respectively. combustion air 5. The combustion air is supplied with rotation (not shown). With this type of burner, internal recirculation takes place in the primary combustion zone.

De uitvinding is getoond in fig. 3. Hierbij wordt het tweede deel van de brandstof 7 toegevoerd door een met de kanalen 13 en 14 concentrisch kanaal 15. Deze brandstofstraal penetreert de interne recirculatiezone 16 en wordt vooral aan het stroomafwaartse einde 17 daarvan met de verbrandingsprodukten uit de primaire verbrandingszone gemengd, waarna verbranding in de uitbrandzone 8 plaatsvindt. Het kanaal 15 mondt zoals in fig. 3 met een gestreepte lijn is weergegeven uit in de brander op een plaats die ligt in een gebied begrensd door enerzijds de deel 12 en anderzijds de binnenwand 18 van de verbrandingsruimte.The invention is shown in fig. 3. The second part of the fuel 7 is supplied through a channel 15 concentric with the channels 13 and 14. This fuel jet penetrates the internal recirculation zone 16 and is mainly at the downstream end 17 thereof with the combustion products. from the primary combustion zone, after which combustion takes place in the burn-out zone 8. The channel 15, as shown in dashed line in Fig. 3, opens into the burner at a location which is in an area delimited by the part 12 on the one hand and the inner wall 18 of the combustion space on the other hand.

De uitvinding kan worden toegepast voor allerlei soorten brandstof zoals poederkool, olie, residue en gas.The invention can be applied to all kinds of fuel such as pulverized coal, oil, residue and gas.

De resultaten van de uitvinding in termen van NOx gehalte in de rookgassen zijn afhankelijk van onder andere de soort brandstof en de plaats van toevoer voor de tertiaire verbrandingslucht. Het is echter gebleken dat de invloed van de stochiometrie en de hoeveelheid tweede deel van de brandstof, onder overigens gelijkblijvende omstandigheden, wordt bepaald door een parameter, namelijk de stochiometrie in de secondaire verbrandingszone (reburn zone stoichiometry), waaronder wordt verstaan de stoichiometrie van alle toegevoerde brandstof en lucht tot en met de secondaire verbrandingszone.The results of the invention in terms of NOx content in the flue gases depend on, inter alia, the type of fuel and the place of supply for the tertiary combustion air. However, it has been found that the influence of the stoichiometry and the amount of second part of the fuel, under otherwise constant conditions, is determined by a parameter, namely the stoichiometry in the secondary combustion zone (reburn zone stoichiometry), which is understood to mean the stoichiometry of all fuel and air supplied up to and including the secondary combustion zone.

Fig. 4 toont een op deze basis gevonden karakteristiek van de uitvinding. De stochiometrie in de secundaire verbrandingszone bedraagt bij voorkeur 0,70 - 0,90. De hierbij toegepaste hoeveelheid tweede deel van de brandstof is bij voorkeur zo klein mogelijk maar ligt uit praktische overwegingen in het gebied van 10 tot 30%.Fig. 4 shows a characteristic of the invention found on this basis. The stoichiometry in the secondary combustion zone is preferably 0.70-0.90. The amount of second part of the fuel used here is preferably as small as possible, but for practical reasons lies in the range of 10 to 30%.

Claims

Method for burning fuel with a low NOx content in the combustion gases by means of a staged fuel supply (fuel staged burning) using at least a burner of a type comprising a channel (quarl) widening to a combustion space near the throat (throat) of which two concentric annular channels (annulus) open through the inner part of which a first part of the fuel (primary fuel) is supplied and through the outer part of which combustion air (combustion air) is supplied with rotation (swirl), first first part of the fuel and the combustion air is burned in the combustion space in a primary combustion zone (primary combustion zone), whereby an internal recirculation zone (IRZ) is formed, whereby a second part of the fuel (secondary fuel, reburn fuel) near the primary combustion zone to the combustion space, where the second part of the fuel is burned in a secondary combustion zone (reburn zone) downstream of the primary combustion zone under substoichiometric conditions (substoichiometry) whereby the NOx formed in the primary combustion zone is at least partially reduced and finally close to the secondary combustion zone supplies tertiary combustion air (tertiary air), the residual fuel in the combustion product formed in the secondary combustion zone being burned downstream of the secondary combustion zone (burnout), characterized in that the second part of the fuel is fed through at least one channel concentric with the two annular channels or substantially concentric, through which the second part of the fuel is injected into the combustion space.

Method according to claim 1, characterized in that the second part of the fuel is injected into the combustion space at such a speed that the fuel penetrates as a jet (jet) through the internal recirculation zone to the downstream end of the internal recirculation zone. and mixed there with the combustion products of the primary combustion zone.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the second part of the fuel is supplied to the combustion space at a speed of at least 30 m / sec.

Method according to claims 1-3, characterized in that the second part of the fuel is 10 to 30% of the fuel.

Method according to claims 1-4, characterized in that the stoichiometry in the secondary combustion zone (reburn zone stoichiometry) is 0.60 to 1.0 and preferably 0.70 to 0.90.

Burner for use in the method according to claims 1-5, of a type comprising a duct expanding to a combustion space and two concentric annular ducts opening near the throat of the expanding duct, the interior of which is intended for supplying fuel and the outer one for supplying combustion air and provided with means for rotating the combustion air, characterized in that the burner is provided with at least one channel concentrically or substantially concentric with the two annular channels, intended for supplying during operation part of the fuel.

Burner according to claim 6, characterized in that the concentric channel with the two annular channels opens into the burner in an area which lies from near the throat of the widening channel to the end of the pipe flush with the inner wall of a combustion chamber during operation. the dilating channel.