DE4200073A1

DE4200073A1 - Dualer kraftstoff-brenner mit verringertem no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)ausstoss

Info

Publication number: DE4200073A1
Application number: DE4200073A
Authority: DE
Inventors: Shyh-Ching Yang; Steven J Bortz
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1992-01-03
Publication date: 1993-07-15
Anticipated expiration: 2012-01-04
Also published as: DE4200073C2; US5240410A; GB2262981A; GB2262981B; GB9127490D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen dualen Kraft stoff-Brenner mit verringertem NO_x Ausstoß.

In jüngster Zeit wird dem Umweltschutz weltweit mehr Beachtung ge schenkt. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß NO_x zuminde stens mitverantwortlich für die Entstehung des sauren Regens ist. Im we sentlichen entsteht NO_x bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Es wur den daher in vielen Industriestaaten strenge Bestimmungen erlassen, um den Ausstoß von Stickoxiden zu verringern. Beispiele sind in der nachfol genden Tabelle I angegeben:

Tabelle I

BO_x Emissions-Standards für verschiedene Arten von Kraftstof fen in verschiedenen Ländern (Einheit: ppm)

Insbesondere die Verbrennungsindustrie sieht sich nun mit dem Problem konfrontiert, die Werte für den Ausstoß von Stickoxiden auf die gesetzli chen Werte herabzusenken. Hierzu können die konventionellen Verbren nungstechnologien aber nur noch bedingt beitragen. Aus diesem Grunde wurden neue Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden in Öfen ent wickelt. Diese Verfahren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen, und zwar in eine erste, bei der eine Modifikation der Verbrennung erfolgt und in eine zweite, bei der eine Nachbehandlung durchgeführt wird. Bei der Modifikation hinsichtlich der Verbrennung wird NO_x das im Ab- bzw. Rauchgas enthalten ist, dadurch reduziert, daß neue Technologien für ei ne Nieder-NO_x-Verbrennung zum Einsatz kommen, wie dies beispielswei se bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Dagegen werden bei der Nachbehandlung dem Ab- bzw. Rauchgas reduzierende Mittel zugesetzt, beispielsweise Ammoniak oder Urea (Karbamid), um die Stickoxide zu Stickstoff zu reduzieren. Beispiele sind die selektive katalytische Reduk tion und die selektive nicht-katalytische Reduktion.

Bei der Bildung von NO_x in einem Verbrennungsprozeß entsteht einer seits sogenanntes Thermo-NO_x und andererseits sogenanntes Brennstoff- NO_x. Die Entstehung von Thermo-NO_x hängt. Im wesentlichen von der Spitzentemperatur der Flamme ab. Dagegen bestimmt sich der Anteil an Brennstoff-NO_x nach dem Stickstoffanteil des Brennstoffes und hängt darüber hinaus vom Mechanismus der Verbrennungsreaktion ab. Neuere Verfahren zur Reduzierung der NO_x Emission durch Verbrennungsmodifi kation betreffen:

1. Die Änderung der Betriebsbedingungen des Verbrennungssystems durch:
- a) Verminderung des Anteils an überschüssiger Luft. Mehr überschüssige Luft bedeutet höhere Sauerstoffdichte während der Verbrennung, was vorteilhaft für die Bildung von NO_x ist. Durch Reduzierung der Menge an überschüssiger Luft läßt sich somit das Verbrennungssystem im Vollver brennungszustand betreiben, was für die Reduzierung des NO_x Ausstoßes günstig ist. Infolge der Verminderung des Anteils an überschüssiger Luft wird auch weniger Wärme durch das Ab- bzw. Rauchgas fortgetragen, was zu einem höheren Verbrennungswirkungsgrad führt.
- b) Herabsetzung der Wärmebelastung oder Vergrößerung des Raumes für die Verbrennung. Dies führt zu einer vergrößerten Wärmeübertragungsra te und zu einer niedrigeren Verbrennungstemperatur, was wiederum eine Verringerung der Bildung von Thermo-NO_x zur Folge hat. Von Nachteil sind die verminderte Kapazität des Ofens und ein verkleinerter ökonomi scher Wirkungsgrad.
- c) Verringerung der Vorwärmtemperatur der Luft. Hierdurch läßt sich die Flammentemperatur wirksam herabsetzen, was ebenfalls zur Verringe rung des Anteils an Thermo-NO_x führt. Allerdings tritt hier ein Verlust nützlicher Energie auf.
2. Die Änderung des Brenners oder des Verbrennungssystems durch:
- a) die sogenannte Durchgangsluft-Verbrennung. Hierbei wird Luft in das Verbrennungssystem an unterschiedlichen Positionen injiziert. Der Zen tralbereich der Flamme bildet einen Fettbrennstoff-Reduktionsbereich, wodurch das Entstehen von NO_x verhindert wird. Dies kann das Mi schungsverhältnis von Luft und Brennstoff herabsetzen, was zu einer nie drigeren Spitzentemperatur der Flamme führt und damit zu einer weiteren Verringerung von NO_x.
- b) die sogenannte Wirbelverbrennung. Mit Hilfe eines Wirbelgenerators wird Luft in den Ofen geführt. Der Wirbelluftstrom verzögert die Mischung von Luft und Brennstoff und führt zu einer Rezirkulation bzw. Umwälzung im Zentralbereich der Flamme, wodurch sich wiederum die Spitzentempe ratur der Flamme verringert und damit der Ausstoß an NO_x.
- c) die sogenannte Wiederverbrennung. Der Verbrennungsbereich ist in ei nen Hauptverbrennungsbereich, einen Wiederverbrennungsbereich und einen Ausbrennbereich unterteilt. Der Hauptverbrennungsbereich erhält ca. 80% des Brennstoffs und wird in einem Magerzustand gehalten. In den Wiederverbrennungsbereich werden 10 bis 20% des Brennstoffs injiziert, und zwar stromabwärts vom Hauptverbrennungsbereich, um einen Fett brennstoff-Reduktionsbereich zu erhalten. Schließlich wird der Aus brennbereich mit 0 bis 10% an Brennstoff sowie mit Luft versorgt, um auch noch die Brennstoffpartikel zu verbrennen, die in den vorangegangenen Bereichen nicht verbrannt worden sind.
- d) die sogenannte Ab- bzw. Rauchgas-Rückführung. Ein Teil des Ab- bzw. Rauchgases wird gekühlt und anschließend zurückgeführt, um mit der Frischluft vermischt und dann zurück in den Brenner geleitet zu werden. Hierdurch läßt sich die Flammentemperatur verringern, während gleich zeitig der Sauerstoff verdünnt wird. Dies führt zu einer Reduktion von NO_x.

Um einen Brenner mit niedrigem NO_x-Ausstoß zu erhalten, können die obi gen Techniken zusammen oder auch einzeln zum Einsatz kommen. Ein solcher Brenner sollte mit geringer Überschußluft betrieben werden. Im Hinblick auf einen gasbetriebenen Brenner wäre die Hauptquelle für NO_x im wesentlichen das Thermo-NO_x, so daß hier im Vordergrund steht, das Thermo-NO_x zu reduzieren. Bei einem mit Öl betriebenen Brenner muß dagegen gleichzeitig auch das Augenmerk auf den im Brennstoffvorhande nen Stickstoff gerichtet werden, so daß hier auch die Reduktion des Brennstoff-NO_x wichtig ist. Allerdings ist die Bildung des Brennstoff-NO_x sehr viel komplexer als die Bildung des Thermo-NO_x. Es gibt zur Zeit noch keine vollentwickelten Technologien, mit denen sich der Brennstoff-NO_x vollständig beseitigen läßt, so daß die NO_x Emission eines mit Öl betrie benen Brenners immer noch höher ist als die eines mit Gas betriebenen Brenners.

Konventionelle Brenner sind nicht mehr in der Lage, die jetzt in vielen In dustrieländern geltenden gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich der Emission von Stickoxiden zur erfüllen, so daß neue Brenner mit niedrigem NO_x Ausstoß entwickelt werden müssen.

Die vorliegende Erfindung offenbart einen dualen Kraftstoff-Brenner mit niedrigem NO_x Ausstoß, bei dem Wirbelstromverbrennung. Durchgangs luftverbrennung und Ab- bzw. Rauchgas-Rückführung anwendbar sind, um den Ausstoß von Stickoxiden herabzusetzen. Bei 3% Sauerstoffüber schuß wird das beste Ergebnis mit 8 ppm NO_x erhalten, wenn Naturgas verbrannt wird, während 59 ppm NO_x erhalten werden, wenn Nr. 2 Öl ver brannt wird, oder 103 ppm NO_x, wenn Nr. 6 Öl verbrannt wird. Diese Er gebnisse zeigen, daß mit der vorliegenden Erfindung die strikten Bestim mungen in den USA, Europa, Japan oder Taiwan eingehalten werden kön nen.

Der Brenner nach der Erfindung enthält einen speziell ausgebildeten Wir belgenerator, eine rohrförmige Gaskanone mit kreisringförmigem Quer schnitt sowie eine Ölkanone innerhalb der Gaskanone. Die Gasdüsen der Gaskanone und die Öldüsen der Ölkanone weisen jeweils einen vorbe stimmten Winkel bezüglich er der Zentrumslinie des Brenners auf, also be züglich seiner Längsachse. Mit Hilfe des Wirbelgenerators läßt sich ein Wirbelluftstrom erzeugen, und zwar mit nur geringem Druckverlust und praktisch keinen Turbulenzen. Dies führt zu einer besseren Flammensta bilität, einer Verringerung der Flammentemperatur und einer Verzöge rung bei der Mischung von Luft und Brennstoff, so daß die Bildung von NO_x verringert wird. Die bereits erwähnte Durchgangsluftverbrennung und die Ab- bzw. Rauchgas-Rückführung können zur weiteren Reduktion von Stickoxiden herangezogen werden.

Der Brenner nach der vorliegenden Erfindung enthält einen feuerfesten, innen divergenten Brennerblock mit einem Eingang und einem Ausgang sowie mit einer Mehrzahl von sich in Axialrichtung des Brenners er streckenden Durchgangslufteinlässen, die unter gleichen Abständen von einander um den Ausgang herum angeordnet sind; ein Windrohr, das koa xial mit dem Eingang des innen divergenten Brennerblocks verbunden ist und einen Primär-Verbrennungsluft-Einlaß aufweist; einen Wirbelgene rator, der koaxial im Windrohr angeordnet ist und eine Mehrzahl von Schaufeln mit vorbestimmter Krümmung sowie eine Zentralöffnung be sitzt; eine Gaskanone mit einem koaxial in der Zentralöffnung des Wirbel generators angeordneten Rohr, das an seinem dem Eingang des Brenner blocks zu gewandten Ende einen Gasauslaß mit einer Mehrzahl von Durch gangsöffnungen sowie ferner einen Gaseinlaß aufweist; und eine Ölkano ne mit einem koaxial im Rohr der Gaskanone angeordneten weiteren Rohr, das an seiner dem Eingang des Brennerblocks zugewandten Seite einen Ölauslaß mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen sowie ferner ei nen Öleinlaß aufweist, wobei innerhalb des weiteren Rohrs der Ölkano ne ein koaxiales Lufthochdruckrohr liegt das mit einem Einlaß für unter hohem Druck stehende Luft versehen ist.

Beim Brenner nach der Erfindung liegen von innen nach außen und koaxi al zueinander das Rohr für die unter hohem Druck stehende Luft, das wei tere Rohr der Ölkanone und das Rohr der Gaskanone. Auf dem Rohr der Gaskanone befindet sich der Wirbelgenerator, der vom Windrohr umgeben ist, das koaxial zu den zuvorgenannten Rohren liegt. Der Auslaß der Öl kanone besteht aus einem Kopf mit mehreren Ölausspritzdüsen, die je weils durch Kanäle innerhalb des Kopfes gebildet sind. Jeweils einer dieser Düsenkanäle wird mit Öl aus der Ölkanone und mit Hochdruckluft aus dem Lufthochdruckrohr versorgt, wozu die Düsenkanäle jeweils Y-förmig verzweigt sind. Ein Zweig führt zum Lufthochdruckrohr, während der an dere Zweig zum Ölrohr führt. Die Düsenkanäle selbst sind gegenüber der Längsachse des Brenners geneigt. Konzentrisch zu den Ölausspritzdü sen liegen die Gasausströmdüsen, die ebenfalls gegenüber der Längsachse des Brenners geneigt sind. Sämtliche Düsen liegen an der Seite des Ein gangs des Brennerblocks, der innen konvergent ausgebildet ist, innen also einen konisch verlaufenden Hohlraum aufweist. Dieser vergrößert sich im Durchmesser in Strömungsrichtung. Darüber hinaus sind im Brenner block Luftdurchgangskanäle vorhanden, die außerhalb des genannten Hohlraums verlaufen und parallel zur Längsachse des Brenners liegen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnitt durch einen dualen Kraftstoff-Brenner nach der Er findung mit niedrigem NO_x Ausstoß,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Perspektivdarstellung einer Gas kanone und einer Ölkanone des dualen Kraftstoff-Brenners nach der Er findung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wirbelgenerators für den Bren ner nach der Erfindung,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Strömungsfeldes der Flamme im Bereich des Brennblocks,

Fig. 5 Testdaten des Brenners bei Verwendung von Gas als Brennstoff, die die Energie- und Resourcen-Laboratorien des Industrial Technology Rese arch Institutes der Republic China aufgenommen haben (Betrieb bei 6,6 bis 8,7×10⁶ Btu/hr),

Fig. 6 Testdaten des Brenners bei Verwendung von Gas als Brennstoff, die die Energie- und Resourcen-Laboratorien des Industrial Technology Rese arch Institutes der Republic China aufgenommen haben (Betrieb bei 10× 10⁶ Btu/hr),

Fig. 7 Testdaten des Brenners bei Verwendung von Gas als Brennstoff, auf genommen durch R-C Environmental Service and Technologies in den USA (Betrieb bei 2 bis 4×10⁶ Btu/hr), und

Fig. 8 Testdaten des Brenners bei Verwendung von Öl als Brennstoff, auf genommen durch R-C Environmental Service and Technologies in den USA (Betrieb bei 3×10⁶ Btu/hr).

Nachfolgend wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen. Der Brenner nach der Erfindung enthält als wesentliche Einheiten einen Windschacht 1, eine Gaskanone 2, eine Ölkanone 3, ein Trägerrohr 4, einen Wirbelge nerator 5, einen innen divergenten Brennerblock 6 (Brennerstein) sowie Durchgangslufteinlässe 7. Der Brenner ist so aufgebaut, das er mit einem Ofen bzw. Brennofen zusammenarbeiten kann. Primäre Verbrennungsluft tritt durch einen Primär-Lufteinlaß 11 in den Windschacht 1 ein und strömt dann durch ein konvergentes Rohr 12 hindurch in ein Hals- bzw. Kragenrohr 13 hinein. Innerhalb des Hals- bzw. Kragenrohrs 13 befindet sich der Wirbelgenerator 5, der im Patent Nr. 61 534, gültig in der Republik China, genauer beschrieben ist. Eine perspektivische Ansicht des Wirbel generators 5 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Schaufeln 51 des Wirbelgenerators 5 weisen eine vorbestimmte Krümmung auf, um die Richtung der Luftströ mung zu ändern, und um eine Wirbelströmung im Brennerblock 6 zu er zeugen. Dabei ist die Krümmung der Schaufeln 51 so gewählt, daß nur ein niedriger Druckverlust entsteht und praktisch keine Turbulenzen gebil det werden. An der stromabwärts liegenden Seite des Wirbelgenerators 5 befindet sich der Brennblock 6. Nachdem die Verbrennungsluft den Wir belgenerator 5 durchströmt hat, bildet sie einen Hochgeschwindigkeits- Wirbelluftstrom, der ausgehend vom Brennerblock 6 in den nicht darge stellten Ofen expandiert und in starkem Umfang zur Flammenwurzel zu rückgeführt wird. Diese starke interne Rückführung führt zu einerverbes serten Flammenstabilität sowie zu einer verringerten Flammentempera tur und damit zu reduzierten NO_x Emissionen.

Der Brennerblock 6 besteht aus feuerfestem Material 61 und weist in sei nem Inneren eine divergente Düse auf. Die Düse erweitert sich dabei in Hauptströmungsrichtung bzw. in Richtung zum Ofen. Das feuerfeste Ma terial 61 ist an einer rückwärtigen Platte 62 fixiert, durch die vier Durch gangslufteinlässe 7 hindurchgehen. Diese vier Durchgangslufteinlässe 7 durchlaufen auch das feuerfeste Material bzw. den Brennerblock 6 und dienen ferner dazu, diesen auch zu halten. Ein Flansch 14 des Wind schachtes 1 ist an der rückwärtigen Platte 62 befestigt so daß diese auch den Windschacht 1 trägt. Über die Durchgangslufteinlässe 7 wird Durch gangsluft in den Ofen injiziert. Wie bereits eingangs erwähnt, bilden infol ge der Durchgangsluftverbrennung der injizierte Brennstoff und die pri märe Verbrennungsluft eine Verarmungszone für fetten Brennstoff im Zentralbereich der Flamme, wodurch die Bildung von NO_x verringert wird. Die restlichen Brennstoffpartikel werden vollständig durch Zufuhr der Durchgangsluft verbrannt.

Die Gaskanone 2 besteht aus einem Hohlzylinder mit ringförmigem Quer schnitt, der an seinem einen Ende mit einem Gaseinlaß 21 versehen ist. Am anderen Ende dieses Hohlzylinders befindet sich ein Gasauslaß 22. Entsprechend der Fig. 2 gehören zum Gasauslaß 22 mehrere Gasdüsen 221, die in Umfangsrichtung des Gasauslasses 22 unter gleichen Abstän den angeordnet sind. Die Gasdüsen 221 verlaufen geneigt zur Zentrumsli nie des Brenners bzw. unter einem vorbestimmten Winkel relativ zu dieser. Wie in Fig. 4 dargestellt, durchläuft der gasförmige Brennstoff nach Injek tion in den Brennraum zunächst den Rezirkulations- bzw. Rückführungs bereich und vermischt sich dann mit der Verbrennungsluft. Auf diese Wei se kann eine Verzögerung bei der Vermischung von Brennstoff und Luft er reicht werden, was zu einer stärkeren Verbrennung des fetten Brennstof fes führt und damit zu einer weiteren Verringerung der NO_x Emissionen. Die Gaskanone 2 befindet sich im Trägerrohr 4. Ein Ende des Trägerrohrs 4 ist mit einem Rohrflansch 41 versehen, über den das Trägerrohr 4 an einer Seitenplatte 15 des Windschachtes 1 befestigt ist. Der Wirbelgenerator 5 ist am anderen Ende des Trägerrohrs 4 angeordnet, und zwar koaxial zu diesem.

Die Ölkanone 3 ist in die Gaskanone 2 eingesetzt wobei die Ölkanone 3 an ihrem einen Ende einen Ölauslaß 31 aufweist. In die Ölkanone 3 ist ein Rohr 33 eingesetzt, welches einen Einlaß für Hochdruckluft besitzt. Komprimierte Luft wird in diesen Hochdrucklufteinlaß hineingeführt. Die Ölkanone 3 ist ebenfalls rohrförmig ausgebildet und liegt koaxial zu dem Rohr 33. Zwischen dem Rohr 33 und der Ölkanone 3 ist also eine Hohl passage vorhanden. Der Ölauslaß 31 weist eine Mehrzahl von Y-förmigen Öldüsen 31 1 auf. Flüssiger Brennstoff wird über einen Öleinlaß 32 in die Ölkanone 3 hineingeleitet und verläßt den Ölauslaß 31 nach Durchlau fen der Hohlpassage zwischen der äußeren Wandung des Rohres 33 und der Innenwand des Rohres 3. Er wird dann durch die Y-förmigen Düsen 311 ausgespritzt. Genauer gesagt wird zunächst der flüssige Brennstoff mit der komprimierten Luft vermischt und atomisiert, bevor er mit hoher Geschwindigkeit und unter einem vorbestimmten Winkel bezüglich der Zentrumslinie des Brenners aus den Öldüsen 311 herausgespritzt wird. Die Gaskanone und die Ölkanone beim erfindungsgemäßen Brenner sind voneinander lösbar, wobei sich auch ihre Positionen axial und winkelmä ßig relativ zueinander einstellen lassen. Das System kann daher leicht ge wartet werden. Darüber hinaus kann ein Benutzer die Brennstoffzufuhr einfach einstellen, um auf diese Weise einen wirksamen Betriebszustand zu erhalten.

Eine Rauchgas- bzw. Abgas-Umwälzung kann beim Brenner nach der Er findung ebenfalls durchgeführt werden. Rauch- bzw. Abgas kann erneut mit der primären Verbrennungsluft vermischt werden, indem es dem Windschacht 1 zugeführt wird, und zwar über den primären Lufteinlaß 11. Darüber hinaus läßt sich das Rauch- bzw. Abgas auch über die Durch gangslufteinlässe 7 dem Verbrennungssystem erneut zuführen. Nach ei nem anderen Weg kann das Rauch- bzw. Abgas auch über einen Gaseinlaß im Bereich des konvergenten Rohrs 12 zugeführt werden, wobei es dann über diesen Einlaß in den Windschacht 1 gelangt und mit der primären Verbrennungsluft vermischt wird. Der Zweck der Ab- bzw. Rauchgas-Re zirkulation bzw. -umwälzung besteht darin, die Spitzentemperatur der Flamme zu verringern und den Sauerstoff in der Verbrennungsluft zu ver dünnen, wodurch sich eine Verringerung der Thermo-NO_x Emissionen er gibt.

Der erfindungsgemäße Brenner weist im wesentlichen folgende Merkmale auf:

1. Neben der Zufuhr von Durchgangsluft durch die Durchgangslufteinläs se 7 kann zusätzlich auch Ab- bzw. Rauchgas erneut dem Verbrennungs prozeß zugeführt bzw. umgewälzt werden.
2. Zur Zuführung von gasförmigem Brennstoff steht eine rohrförmige Gas kanone zur Verfügung, die einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Im Innern der Gaskanone liegt koaxial zu dieser eine rohrförmige Ölkanone.
3. Gasförmiger Brennstoff wird unter einem Winkel von 15 bis 400 relativ zur Zentrumslinie des Brenners aus der Gaskanone ausgegeben.
4. Der gasförmige Brennstoff wird in den Brennerblock mit einer Ge schwindigkeit von 20 bis 150 m/sec injiziert.
5. Primäre Verbrennungsluft tritt in den Brennerblock ein und umgibt bzw. umkreist die Gaskanone.
6. Die primäre Verbrennungsluft tritt mit einer Geschwindigkeit von 7 bis 70 m/sec in den Brennerblock ein.
7. Die primäre Verbrennungsluft bildet 60 bis 90% des Gesamtanteils an zugeführter Luft.
8. Die Wirbelzahl der primären Verbrennungsluft, also der tangentiale Im puls über den axialen Impuls und dem Radius ist 0,5 bis 1,5.
9. Der äußere Durchmesser der Gaskanone über dem inneren Durchmes ser des Hals- bzw. Kragenrohrs 13 ist 0,45 bis 0,75.
10. Die primäre Verbrennungsluft durchströmt einen Wirbelgenerator 5 (gemäß Patent Nr. 61 534 in der Republik China) und bildet einen niedrig turbulenten Wirbelstrom zur Steuerung des Mischungsverhältnisses von Luft und Brennstoff.
11. Brennstoff und Primärluft werden in einem in spezieller Weise ausge bildeten Brennerblock gemischt, dessen Austrittsöffnung im Durchmes ser 2 bis 3 mal größer ist als der Durchmesser seiner Eintrittsöffnung, wo bei seine innere Umfangswand einen Winkel von 18 bis 37° bezüglich der Zentrumslinie des Brenners einnimmt.
12. Die gesamte zugeführte Verbrennungsluft beträgt das 1,05- bis 1,3fa che des Minimumbetrags an Luft, der zur vollständigen Verbrennung er forderlich ist.
13. 3 bis 8 Durchgangslufteinlässe 7 sind unter gleichen Winkelabstän den in Umfangsrichtung des Brennerblocks verteilt angeordnet.
14. Durchgangsluft tritt in die Verbrennungskammer mit einer Geschwin digkeit von 14 bis 80 m/sec ein.
15. Schweröl der Nummern 2 oder 6 wird über Y-förmig ausgebildete Öl düsen der Ölkanone 3 injiziert.
16. Die Ölpartikel werden mit einer Geschwindigkeit von 80 bis 400 m/sec eingespritzt.
17. Die Ölpartikel werden unter einem Winkel von 15 bis 40° relativ zur Zentrumslinie des Brenners in den Brennerraum eingespritzt.
18. Der mittlere Durchmesser der Ölpartikel beträgt 20 bis 40 Mikrome ter.
19. Die Gaskanone und die Ölkanone sind regulier- bzw. einstellbar. Ins besondere können sie auch gegeneinander gedreht und axial gegeneinan der verschoben werden.

Zur Überprüfung der NO_x Emissionen des erfindungsgemäßen Brenners wurde ein Experiment durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein Dual kraftstoffbrenner mit niedrigem NO_x Ausstoß entwickelt, dessen Betriebs bereich bei 2 bis 10×10⁶ Btu/hr lag. Der Gasauslaß des Brenners wies 20 Gasdüsen 221 auf, die jeweils unter einem Winkel von 25° bezüglich der Zentrumslinie des Brenners nach außen geneigt waren. Der Ölauslaß wies dagegen sechs Öldüsen 311 auf, die jeweils unter einem Winkel von 220 bezüglich der Zentrumslinie des Brenners nach außen geneigt waren. Der Durchmesser des Ausgangs des Brennerblocks war 2,4 mal größer als der Durchmesser des Eingangs des Brennerblocks, während die Innen wand des Brennerblocks unter einem Winkel von 30° zur Zentrumslinie des Brenners verlief. Vier Durchgangslufteinlässe 7 waren unter gleich mäßigem Winkelabstand entlang des Umfangs des Brennerblocks 6 ver teilt angeordnet. Rauch- bzw. Abgas wurde zwecks Mischung mit der pri mären Verbrennungsluft dem Windschacht 1 zugeführt, und zwar über den primären Lufteinlaß 11. Der Brennerblock 6 war während des Tests in einem Ofen eingebettet.

Der Brenner wurde einerseits durch die Energie- und Resourcen-Labora torien des Industrial Technology Research Institutes der Republik China und andererseits durch die Firma Research Cottrell Environment Service Technology Inc./USA getestet. Die Testdaten sind in den Fig. 5 bis 8 sowie in der Tabelle II angegeben.

Die Testdaten in den Fig. 5 und 6 stammen von den Energie- und Re sourcen-Laboratorien des Industrial Technology Research Institutes. Hierin bedeuten: Φ_T die gesamte zugeführte Verbrennungsluft geteilt durch den minimalen Betrag an Luft für eine vollständige Verbrennung, FGR das Verhältnis aus rückgeführter Rauch- bzw. Abgasmenge zur tota len Rauch- bzw. Abgasmenge, der Ausdruck UNSTAGED, daß keine Durchgangsluft über die Durchgangslufteinlässe zugeführt wurde, der Ausdruck STAGED, daß Durchgangsluft zugeführt wurde, und der Aus druck PRIMARY STORAGE das Verhältnis Primärluft zu minimaler Menge an Luft für vollständige Verbrennung. Fig. 5 läßt erkennen, daß bei einem Brenner, der bei 6,6×10⁶ Btu/hr betrieben wird, bei Zuführung von Durchgangsluft eine stärkere NO_x Verringerung erzielt wird gegenüber dem Fall, bei dem keine Durchgangsluft zugeführt wird. Werden sowohl Durchgangsluft als auch 4 bis 5% Rauch- bzw. Abgas zurückgeführt, so kann die NO_x Emission auf 13 ppm reduziert werden. Die Fig. 6 zeigt unter schiedliche Resultate bei einem Betrieb mit 10×10⁶ Btu/hr ohne Zufüh rung von Durchgangsluft. Wie anhand der Fig. 6 zu erkennen ist, läßt sich der NO_x-Anteil dadurch reduzieren, daß die Rauch- bzw. Abgas-Rezirkula tion bzw. Rückführung verstärkt wird. Das beste Resultat von 13 ppm wird dann erhalten, wenn der Ausdruck FGR bei 10% liegt.

Die Daten in den Fig. 7 und 8 wurden mit einem anderen Ofen ermit telt, wobei der Brenner bei 2 bis 4×10⁶ Btu/hr betrieben wurde. NO_x Emissionen nehmen ab, wenn der Ausdruck FGR vergrößert wird. Das be ste Ergebnis mit 8 ppm wurde erzielt bei einem Brennerbetrieb bei 4×10⁶ Btu/hr. Die Fig. 5 bis 7 lassen erkennen, daß bei gasförmigem Brenn stoff und im Betriebsbereich von 2 bis 10×10⁶ Btu/hr der Brenner ein sta biles Verhalten aufweist sowie einen relativ niedrigen NO_x Ausstoß, der kleiner ist als bei einem konventionellen Gasbrenner (Ausstoß im Bereich von 80 bis 130 ppm).

Die Fig. 8 zeigt Ergebnisse für flüssige Brennstoffe, nämlich für Nr. 2 Öl (0,05% N) und für Low Amis. Nr. 2 Öl (0,02% N). Das beste Ergebnis für Low Amis. Nr. 2 Öl (0,02% N) liegt bei 20 ppm. Die Ergebnisse für Nr. 2 Öl (0,05% N) sind nicht so gut aufgrund des höheren Brennstoff-NO_x, so daß der beste Wert bei 59 ppm lag.

Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse für Nr. 6 Öl (0,3% N), die durch das In dustrial Technology Research Institute ermittelt wurden. Das beste Ergeb nis lag bei 103 ppm NO_x. Alle Resultate liegen zwischen 100 bis 150 ppm und sind damit besser als die, die bei konventionellen Brennern erzielt werden, und die dort üblicherweise im Bereich von 250 bis 330 ppm liegen. Es ist unmittelbar ersichtlich, daß noch bessere Werte bezüglich des NO_x Ausstoßes erhalten werden können, die unterhalb von 100 ppm liegen, wenn zur selben Zeit eine Abgas- bzw. Rauchgas-Rückführung erfolgt.

Tabelle II

Testdaten für Nr. 6 Öl (0,3% N) (8,4 × 10⁶ Btu/hr, keine Abgas- bzw. Rauchgas-Rückführung)

Der Ausdruck Btu/hr bedeutet British Thermal Unit pro Stunde.

Claims

1. Brenner, gekennzeichnet durch:

- einen feuerfesten, innen divergenten Brennerblock (6) mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einer Mehrzahl von sich in Axialrichtung des Brenners erstreckenden Öffnungen (7), die unter gleichen Abständen von einander um den Ausgang herum angeordnet sind,
- ein Windrohr (13), das koaxial mit dem Eingang des innen divergenten Brennerblocks (6) verbunden ist und einen Lufteinlaß (11) aufweist,
- einen Wirbelgenerator (5), der koaxial im Windrohr (13) angeordnet ist und eine Mehrzahl von Schaufeln (51) mit vorbestimmter Krümmung so wie eine Zentralöffnung besitzt,
- eine Gaskanone (2) mit einem koaxial in der Zentralöffnung des Wirbelge nerators (5) angeordneten Rohr, das an seinem dem Eingang des Brenner blocks (6) zugewandten Ende einen Gasauslaß (22) mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (221) sowie ferner einen Gaseinlaß (21) aufweist, und
- eine Ölkanone (3) mit einem koaxial im Rohr der Gaskanone (2) angeord neten weiteren Rohr, das an seiner dem Eingang des Brennerblocks (6) zu gewandten Seite einen Ölauslaß (31) mit einer Mehrzahl von Durchgangs öffnungen (311) sowie ferner einen Öleinlaß (32) aufweist, wobei inner halb des weiteren Rohrs ein koaxiales Lufthochdruckrohr liegt das mit ei nem Einlaß (33) für unter hohem Druck stehende Luft versehen ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnungen (221) des Gasauslasses (22) einen Winkel von 15 bis 40 Grad relativ zur Zentrumslinie des Brenners einnehmen.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnungen (311) des Ölauslasses (31) einen Winkel von 15 bis 40 Grad relativ zur Zentrumslinie des Brenners einnehmen.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äuße re Durchmesser der Gaskanone (2) das 0,45 bis 0,75fache des inneren Durchmessers des Windrohrs (13) beträgt.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Ausgangs des innen divergenten Brennerblocks (6) zwei bis dreimal größer ist als der Durchmesser seines Eingangs.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen wand des Brennerblocks (6) einen Winkel von 18 bis 37 Grad gegenüber der Zentrumslinie des Brenners einnimmt.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas kanone (2) und die Ölkanone (3) axial verschiebbar und die axialen Posi tionen von Gaskanone (2) und Ölkanone (3) einstellbar sind.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnungen (311) des Ölauslasses (31) jeweils Y-förmig ver zweigt sind.

9. Dualer Kraftstoff-Brenner, bei dem Gas als Brennstoff und Öl als Brennstoff sowie primäre Verbrennungsluft und Durchgangsluft in einen Ofen injiziert und darin verbrannt werden, wobei nach der Verbrennung Rauch- bzw. Abgas entsteht mit:

- einem feuerfesten, innen divergenten Brennerblock (6) mit einem Ein gang und einem Ausgang sowie einer Mehrzahl von sich in Axialrichtung des Brenners erstreckenden Durchgangslufteinlässen (7), die unter glei chen Abständen voneinander um den Ausgang herum angeordnet sind,
- einem Windrohr (13), das koaxial mit dem Eingang des innen divergenten Brennerblocks (6) verbunden ist und einen Primärverbrennungsluft-Ein laß (11) aufweist,
- einem Wirbelgenerator (5), der koaxial im Windrohr (13) angeordnet ist und eine Mehrzahl von Schaufeln (51) mit vorbestimmter Krümmung so wie eine Zentralöffnung besitzt.
- einer Gaskanone (2) mit einem koaxial in der Zentralöffnung des Wirbel generators (5) angeordneten Rohr, das an seinem dem Eingang des Bren nerblocks (6) zugewandten Ende einen Gasauslaß (22) mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (221) sowie ferner einen Gaseinlaß (21) auf weist, und
- einer Ölkanone (3) mit einem koaxial im Rohr der Gaskanone angeord neten weiteren Rohr, das an seiner dem Eingang des Brennerblocks zuge wandten Seite einen Ölauslaß (31) mit einer Mehrzahl von Durchgangs öffnungen (311) sowie ferner einen Öleinlaß (32) aufweist, wobei inner halb des weiteren Rohrs ein koaxiales Lufthochdruckrohr liegt, das mit ei nem Einlaß (33) für unter hohem Druck stehenden Luft versehen ist.

10. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß das Ab- bzw. Rauchgas zurückgeführt und mit der Verbren nungsluft gemischt wird.

11. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß das Ab- bzw. Rauchgas zurückgeführt und mit der Durchgangs luft gemischt wird.

12. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß der gasförmige Brennstoff mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 150 m/sec injiziert wird.

13. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Menge an primärer Verbrennungsluft 60 bis 90% desjenigen Minimumanteils an Luft beträgt, der zur vollständigen Verbrennung erfor derlich ist.

14. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Wirbelzahl der primären Verbrennungsluft im Bereich von 0,5 bis 1,5 liegt.

15. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Gesamtmenge von primärer Verbrennungsluft und Durch gangsluft das 1,05 bis 1,3fache des minimalen Anteils an Luft beträgt der zur vollständigen Verbrennung erforderlich ist.

16. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß der innen divergente Brennerblock (6) 3 bis 8 Durchgangsluft- Einlässe (7) aufweist.

17. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Durchgangsluft mit einer Geschwindigkeit von 14 bis 80 m/sec eintritt.

18. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß das als Brennstoff vorgesehene Öl mit einer Geschwindigkeit von 18 bis 400 m/sec injiziert wird.

19. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß der mittlere Durchmesser der als Brennstoff injizieren Ölparti kel 20 bis 40 Micrometer beträgt.

20. Dualer Kraftstoff-Brenner nach Anspruch 9. dadurch gekennzeich net, daß die primäre Verbrennungsluft mit einer Geschwindigkeit von 7 bis 70 m/sec eintritt.