DE69900925T2

DE69900925T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von NOx-Emissionen bei Luft-Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennungsverfahren

Info

Publication number: DE69900925T2
Application number: DE69900925T
Authority: DE
Inventors: Baukal, Jr.; Robert C. Best; Eleazer, Iii; Vladimir Yliy Gershtein; James Francis Heffron
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1998-05-21
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: ES2173686T3; EP0959299A2; CA2271960C; EP0959299B1; US5871343A; DE69900925D1; EP0959299A3; CA2271960A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Luft-Sauerstoff-Brennstoff- Verbrennungsverfahren.
Eine große Majorität von Verbrennungsprozessen verwendet Luft als Oxidationsmittel, um einen Brennstoff, wie beispielsweise Natur- bzw. Erdgas, Heizöl, Propan, Abfallöle und andere Kohlenwasserstoffe sowie ähnliche Substanzen zu verbrennen. Die Leistung bzw. der Wirkungsgrad vieler Luft- Brennstoff-Verbrennungsprozesse kann verbessert werden, indem die Verbrennungsluft mit Sauerstoff angereichert wird. Anreicherung der Verbrennungsluft erhöht sowohl die Flammen-Temperatur als auch den thermischen Wirkungsgrad, während das Abgas-Volumen abnimmt, wenn sich die Sauerstoff-Konzentration in dem Oxidationsmittel erhöht. Die Kosten der Verwendung von hochreinem Sauerstoff für diese Anreicherung kann durch Erhöhungen der Produktivität aus der verbesserten Verbrennung kompensiert werden. Eine niedrige Anreicherung von bis zu 35% Gesamtsauerstoff-Gehalt in dem Oxidationsmittel kann im Allgemeinen bei existierenden Luft-Brennstoff- Systemen mit nur wenigen Modifikationen an dem System angewandt werden.
Es ist bekannt, dass der Einsatz von Sauerstoff zur Verbesserung der Verbrennung viele Vorteile bietet, zu denen die Erhöhung der Produktivität und des thermischen Wirkungsgrades gehören, die beide von Interesse in vielen Hochtemperatur-Heiz- und Schmelzprozessen sind, die in der Industrie eingesetzt werden. Die Kosten für den vollständigen Ersatz von Verbrennungsluft mit hochreinem Sauerstoff sind jedoch oft aus Kostengründen nicht gerechtfertigt und können auch nicht erforderlich oder wünschenswert sein. In diesen Fällen ist es besser, eine Zwischen-Sauerstoff-Zusammensetzung zu verwenden, die eine Kombination von Luft mit hochreinem Sauerstoff ist. Es ist demonstriert worden, dass es anfänglich eine rasche Steigerung des Nutzens gibt, wenn sich der Sauerstoff-Gehalt und das Oxidationsmittel auf bis zu ungefähr 60% erhöhen. Über 60% nimmt zwar der Nutzen noch mit dem Sauerstoff-Gehalt in dem Oxidationsmittel zu, jedoch mit einer viel niedrigeren Rate. Deshalb ist dies im Effekt ein Fall von abnehmendem bzw. verschwindendem ökonomischen Ertrag bzw. Gewinn.
Air Products and Chemicals, Inc. aus Allentown, Pennsylvania hat unter dem Markennamen EZ-Fire die Verwendung sowohl von Luft als auch von Sauerstoff in Verbrennungsprozessen eingeführt, um das Verhältnis Nutzen/Kosten maximal zu machen. Selbst bei diesen Brennern tritt jedoch noch das Problem der Nox- Erzeugung auf. NOx steigt rasch auf eine Spitze in dem mittleren Bereich der Oxidationsmittel-Zusammensetzungen an und nimmt dann auf Null ab, wenn reines Methan mit Oxidationsmitteln verbrannt wird, die in ihrer Zusammensetzung von Luft über Gemische aus Luft und reinem Sauerstoff bis zu reinem Sauerstoff reichen, da kein Stickstoff vorhanden ist, wenn das Oxidationsmittel reiner Sauerstoff ist. Die Herausforderung für das Bedienungspersonal bei der Verwendung von Zwischen-Sauerstoff-Zusammensetzungen liegt darin, die NOx- Emissionen zu steuern bzw. zu regeln. Luft-Brennstoff-Brenner-Hersteller haben neue Brenner mit niedrigen NOx-Werten entwickelt, die viele der bekannten Techniken zur Minimierung der NOx-Bildung enthalten, einschließlich Brennstoff- oder Ofen-Gasrezirkulation, Oxidationsmittel- oder Brennstoff-Stufenbildung (staging), Impuls-Verbrennung und gesteuertes bzw. geregeltes, verzögertes Mischen. In vielen Fällen kommt es jedoch zu einer Verringerung des thermischen Wirkungsgrades und der Produktivität. Es gibt Verfahren zur Reduzierung des NOx, nachdem es gebildet worden ist. Diese Verfahren werden üblicherweise als "Nachbehandlung" bezeichnet; diese Art von Ausstattung für die NOx-Reduktion ist jedoch strikt mit zusätzlichen Kosten ohne Prozessnutzen verbunden.
Zu den Lösungen des Problems gehört ein Brenner, wie er von Air Products and Chemicals, Inc., für den Verkauf angeboten und in der US-Patentschrift Nr. 5,308,239 offenbart ist, der die Produktivität und den thermischen Wirkungsgrad erhöht, während gleichzeitig der NOx-Ausstoß minimal gemacht wird, indem dem Benutzer die Möglichkeit geboten wird, diesen Brenner an existierende Doppel- Brennstoff Luft-Brennstoff-Brenner nachträglich anzubauen.
Eine Verbesserung des Brenners nach der Patentschrift Nr. 239 wird von Air Products and Chemicals, Inc. zum Verkauf angeboten und in der US-Patentschrift Nr. 5,611,683 offenbart und beansprucht.
Eine weitere Technik wird in der US-Patentschrift Nr. 4,797,087 offenbart und beansprucht, wobei ein Sauerstoff-Kern von einem Mantel aus einem oder mehreren Brennstoffen umgeben wird, die dann wiederum von Luft umgeben werden. Eine andere Version dieser Technologie hat einen inneren Brennstoff- Kern, der von Sauerstoff umgeben wird, der durch einen Hilfs-Brennstoff umgeben wird, der dann wiederum von Luft umgeben wird. Das. Hauptziel dieser Technologie ist es, eine innere, brennstoffreiche, pyrolisierende Zone zu erzeugen, um Ruß und damit eine leuchtende Flamme zu bilden. Die äußere Zone ist brennstoffarm bzw. "mager", um den Ruß und noch verbleibenden Brennstoff auszubrennen. Dieser Typ einer Flamme hat zwei oder mehr Reaktionszonen, und zwar in Abhängigkeit davon, welche Ausführungsform verwendet wird. Die primäre Ausführungsform hat zwei Reaktionszonen; eine Reaktionszone zwischen dem inneren Sauerstoff und dem Brennstoff und eine Reaktionszone zwischen dem Brennstoff und Luft, um eine stark leuchtende Flamme zu erzeugen, jedoch gleichzeitig auch hohe NOx-Gehalte.
Die US-Patentschrift Nr. 5,454,712 beansprucht und offenbart einen Luft- Oxidationsmittel-Brennstoff-Brenner, wobei sich der Brennstoff und der Sauerstoff in dem Kern befinden, während die Luft um diese innere Flammenzone verwirbelt wird, um das Mischen zu intensivieren. Wie im Folgenden erläutert werden soll, ist dieser Gedanke im Prinzip entgegengesetzt zu dem Ziel der vorliegenden Erfindung.
Die US-Patentschrift Nr. 5,217,363 offenbart und beansprucht einen Luft- Oxidationsmittel-Brennstoff-Brenner mit Brennstoff in der Mitte, der von Sauerstoff umgeben wird, der dann von Luft umgeben wird. Der Kern des Brenners nach dem Patent '363 hat eine Funken-Zündeinrichtung, so dass der Brennstoff-Durchgang ein Kreisring und nicht kreisförmig wie bei allen Air Products Brennern ist. Die '363 Brenner haben bewegliche Durchgänge, die dazu verwendet werden, die Ablenkungswinkel und Geschwindigkeiten jedes Gases zu ändern, während die herkömmlichen Air Products Vorrichtungen alle geradlinige Durchgänge haben. Schließlich wird die Luft bei den Brennern nach dem '363 Patent in der Hauptsache zum Kühlen, nicht für die Verbrennung eingesetzt, während die Air Products Vorrichtungen Luft als einen integralen Bestandteil des Verbrennungsprozesses verwenden.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und einen Brenner für die Luft- Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung, um die Produktivität zu erhöhen, während die NOx Bildung minimal gemacht wird. Die Oxidationsmittel-Brennstoff-Verbrennung erfolgt in einem Nachmisch- oder Düsenmisch-Brenner. Luft wird auf jeder Seite der Oxidationsmittel-Brennstoff-Verbrennung mittels speziell geformter Durchgänge eingeführt, um die Mitnahme von Ofengasen in die Flammenzone zu erlauben, die durch die primäre Verbrennung von Brennstoffund Sauerstoff erzeugt wird. Zusätzlicher Sauerstoff kann direkt in jeden Luftdurchgang eingeführt werden, um die Verbrennung zu verstärken bzw. zu verbessern, was zu einem Gesamtverbrennungsprozess mit niedrigen NOx-Emissionen führt:
Nach einem ersten Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Luft-Sauerstoff- Brennstoff-Brenner, der in Kombination aufweist:
Eine zentrale Brennstoff-Gas-Leitung, die sich von einem ersten Ende mit Mitteln für die Zuführung bzw. Zulassung von Brennstoff zu der Leitung zu einem zweiten Ende erstreckt, das in einem Verbrennungsende endet;
eine Sauerstoff-Leitung, die rund um die Brennstoff-Leitung angeordnet ist, um einen Durchgang für Sauerstoff rund um die und längs der Brennstoff-Leitung zu definieren, wobei die Sauerstoff-Leitung ein erstes Ende in der Nähe des ersten Endes der Brennstoff-Leitung und ein zweites Ende hat, das in einer Ebene endet, die im Allgemeinen senkrecht zu der Längsachse des Brenners verläuft, wobei die Ebene an dem zweiten Ende der Brennstoff-Leitung oder in Strömungsrichtung gesehen vor dem zweiten Ende der Brennstoff-Leitung ist;
ein im Allgemeinen zylindrisches Gehäuses, das um die Sauerstoff-Leitung angeordnet ist und sich von einer Stelle in der Nähe des ersten Endes der Sauerstoff-Leitung zu einer Stelle in der Nähe des Verbrennungsendes der Brennstoff-Leitung erstreckt, um einen Durchgang für ein fluides Medium dazwischen und rund um die Sauerstoff-Leitung zu definieren;
eine Anordnung im Inneren des im Allgemeinen zylindrischen Gehäuses, um zwei einander diametral gegenüberliegende, sichel- bzw. halbmondförmige Durchgänge zu definieren, die mit dem Durchgang für das fluide Medium zwischen dem Gehäuse und der Sauerstoff-Leitung in Verbindung stehen, wobei die sichelförmigen Durchgänge in der gleichen Ebene wie das zweite Ende der Sauerstoff-Leitung enden;
Mittel zur Einführung von Luft in die sichelförmigen Durchgänge; und
Mittel zur Einführung von Sauerstoff in jeden der sichelförmigen Durchgänge.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Reduzierung der Stickoxid-Erzeugung während der Verbrennung eines Luft- Sauerstoff-Brennstoff-Gemisches mit den folgenden Schritten gerichtet:
Erzeugung einer Sauerstoff-Brennstoff-Flamme an einem Auslassende einer Brennstoff-Zuführleitung und einer Sauerstoff-Leitung, die nach außen in Abstand von der und rund um die Brennstoff-Zuführleitung angeordnet ist;
Umgeben der Sauerstoff-Brennstoff-Flamme mit Luft, die auf jeder Seite der Sauerstoff-Brennstoff-Flamme durch im Allgemeinen sichel- bzw. halbmondförmige Passagen zugeführt wird, die nach außen im Abstand von einem Auslassende der Brennstoff-Zuführleitung angeordnet sind;
Einführung von im Wesentlichen reinen Sauerstoff in jeden der sichelförmigen Durchgänge; und
Aufrechterhaltung der Verbrennung mit einem Gesamtoxidationsmittel-(Luft und reiner Sauerstoff) Gehalt von weniger als 60 Vol.-%.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Kurvendarstellung der adiabatischen Gleichgewichts- Flammentemperatur als eine Funktion der Oxidationsmittel- Zusammensetzung (Sauerstoff in Stickstoff) für die stöchiometrische Verbrennung von Methan.
Fig. 2 ist eine Kurvendarstellung der zur Verfügung stehenden Wärme als Funktion der Oxidationsmittel-Zusammensetzung (Sauerstoff in Stickstoff) und der Abgastemperatur für die stöchiometrische Gleichgewichtsverbrennung von Methan.
Fig. 3 ist eine Kurvendarstellung der adiabatischen Gleichgewichts Voraussage von NOx als Funktion der Oxidationsmittel- Zusammensetzung (Sauerstoff in Stickstoff) für die stöchiometrische Verbrennung von Methan.
Fig. 4 ist ein schematischer Längs-Querschnitt einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine Ansicht längs der Linie 5-5 von Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Kurvendarstellung der Stickoxid-Erzeugung über der Oxidationsmittel-Zusammensetzung für zwei herkömmliche Brenner und den Brenner nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine Kurvendarstellung der NOx Bildung über der Sauerstoff- Strömung in den Luft-Durchgängen des Brenners nach der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bezugnehmend auf Fig. 1 zeigen die aufgetragenen Daten, dass die Verwendung von Sauerstoff zur Verbesserung der Verbrennung die Produktivität erhöhen kann, indem die Flammentemperatur gesteigert wird. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann der thermische Wirkungsgrad erhöht werden, indem die Sauerstoff-Menge in dem Oxidationsmittel erhöht wird, was von besonderem Interesse und Wert bei Hochtemperatur-Heiz- und Schmelzprozessen ist. Weil es nicht immer kosteneffektiv ist, die Verbrennungsluft vollständig mit hochreinem Sauerstoff zu ersetzen, und auch nicht erforderlich oder wünschenswert sein muss, ist es besser, Zwischen-Sauerstoff-Zusammensetzungen zu verwenden, die durch eine Kombination von Luft und hochreinem Sauerstoff erzeugt werden. Die Fig. 1 und 2 zeigen, dass es einen anfänglichen, raschen Anstieg des Nutzens gibt, wenn sich der Sauerstoff in dem Oxidationsmittel bis zu ungefähr 60% erhöht. Über 60% nimmt zwar der Nutzen noch mit der Sauerstoff-Konzentration des Oxidationsmittels zu, jedoch mit einer viel niedrigeren Rate. Diese erzeugt deshalb den Effekt eines ökonomisch abnehmenden Ertrags.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, steigt NOx rasch zu einem Peak im Mittelbereich der Oxidationsmittel-Zusammensetzung an und nimmt dann auf Null ab, wenn reines Methan mit reinem Sauerstoff verbrannt wird, da in dem zuletzt erwähnten Fall kein Stickstoff vorhanden ist. Es gibt deshalb den Bedarf, Wege zu finden, um Zwischen-Sauerstoff-Zusammensetzungen zu verwenden, während die NOx- Emissionen minimal gemacht werden.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist also, die thermischen Wirkungsgrade und die Produktivität in Verbrennungs-Erwärmungs-Prozessen ökonomisch zu erhöhen, während die NOx-Bildung minimal gemacht wird. Dies gilt insbesondere für die Aluminium-Industrie, bei der eins der primären Ziele ist, die Produktion unter Verwendung von existierenden Öfen zu erhöhen statt neue Öfen zn bauen. Ein weiterer Bedarf liegt darin, den Wirkungsgrad zu verbessern, um die Kosten für die Erzeugung von Aluminium zu verringern. Dies wird noch weiterhin durch das Bestreben verstärkt, die NOx-Bildung -minimal zu machen, da NOx ein durch Bestimmungen geregelter Schadstoff für Aluminium-Erzeuger ist.
Wie oben erläutert wurde, wurden zwei Lösungen von der Patentinhaberin in den US-Patenten 5,308,239 und 5,611,683 vorgeschlagen.
Bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5 hat ein Brenner 10 nach der vorliegenden Erfindung eine zentrale Brennstoff-Leitung 12, die mit einer Quelle für ein Brennstoffgas durch einen geeigneten Anschluss 14 verbunden werden kann, wie auf diesem Gebiet bekannt ist. Das erste Ende 16 der Leitung 12 kann durch einen abnehmbaren Flansch vom Fluid-Typ und eine Deckelanordnung 18 verschlossen werden. Der Flansch und der Deckel 18 können ein Fitting bzw. einen Anschluss 19 für die Einführung einer Zündeinrichtung und/oder eines UV-Sensors in den Brenner enthalten und zwar für Zwecke, wie sie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. Das zweite oder Verbrennungsende 20 der Brennstoff-Leitung 12 ist angepasst, um einen Brennstoffkern zu erzeugen. Die Brennstoff-Leitung 12 umgibt eine Sauerstoff-Zuführleitung 22, die konzentrisch um die Brennstoff-Leitung 12 angeordnet ist, d. h. sie haben eine gemeinsame Längsachse. Die Sauerstoff-Leitung 12 ist angepasst, um über ein Fitting 24 mit einer Sauerstoff-Quelle verbunden zu werden, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Das erste Ende der Sauerstoff-Leitung 22 kann durch eine fluid-dichte, angebrachte ringförmige Kappe oder einen Flansch 26 verschlossen werden. Das zweite oder Verbrennungsende der Sauerstoff-Leitung 22 endet in einer Ebene, die nach innen im Abstand von dem Verbrennungsende 20 der Brennsfoffleitung 12 angeordnet ist. Die Sauerstoff- Leitung 22 ist wiederum von einem Gehäuse 30 umgeben, das ein erstes Ende 32 hat, das durch eine Platte oder eine Kappe bzw. einen Deckel 34 verschlossen ist, die bzw. der über die Sauerstoff-Leitung 22 passt. Das Gehäuse 30 erstreckt sich zu einem zweiten Ende 36, das an einer Stelle in Strömungsrichtung gesehen etwas vor dem oder innerhalb des Verbrennungsendes 20 der Brennstoffleitung 12 endet. Das Ende 36 des Gehäuses 30 enthält einen Anschluss oder ein Fitting zur Befestigung des Brenners in einem Brennerblock oder der Wand des Ofens. In dem Ende 36 des Gehäuses 30 ist eine in Fig. 4 gezeigte Platte 38 angeordnet. Die Platte 38 ist so geformt, dass sie zwei im. Allgemeinen sichel- bzw. halbmondförmige Durchgänge. 40, 42 definiert, die diametral einander gegenüberliegend und senkrecht zu der Längsachse der Brennstoff-Leitung 12 angeordnet sind. Die Platte 38 erstreckt sich zu einer Stelle innerhalb des Gehäuses 30 und endet an dem Auslass der Sauerstoff-Leitung 28. Zwei diametral gegenüberliegende Sauerstoff-Leitungen 44, 46 erstrecken sich längs der Sauerstoff-Leitung 22 und enden in Luft-Durchgängen 40, 42. Die in Fig. 4 gezeigte Sauerstoff-Leitung 44 kann angepasst werden, um Sauerstoff von einem getrennten Sauerstoff-Zuführsystem oder dem gleichen Zuführsystem zu empfangen, das für die Zuführung des Sauerstoffs zu dem Anschluss 24 und der Sauerstoff-Leitung 22 verwendet wird.
Das Gehäuse 30 enthält einen Lufteinlass 48, der ein im Allgemeinen zylindrisches Rohr sein kann, das an dem Gehäuse 30 befestigt ist und in einer mit Flansch versehenen Öffnung 50 endet, um Luft aus der Umgebung aufzunehmen.
Der Brenner 10 ist angepasst, um in einem Brennblock (nicht dargestellt) für die Einführung in die Wand des Ofens befestigt zu werden, wie auf diesem Gebiet bekannt ist.
Der in den Fig. 4 und 5 gezeigte Brenner hat die Flexibilität, mit verschiedenen Oxidationsmitteln/Brennstoff-Gemischen betrieben zu werden, und zwar bis zu und einschließlich reinem Sauerstoff. Der normale Betrieb würde bei einer ungefähren Aufteilung 50 : 50 erfolgen, wobei 50% des Sauerstoffes aus der Luft kommt und 50% aus dem hochreinen Sauerstoff, der dem Brenner zugeführt wird. Die Sauerstoffzuführung kann zwischen dem primären Sauerstoff-Durchgang zwischen der Brennstoff-Leitung 12 und der Sauerstoff-Leitung 22 und den Sauerstofflanzen- Durchgängen 44, 46 aufgeteilt werden. Die Sauerstoff-Anreicherung der Luftdurchgänge ist nicht durch Sicherheitsbedenken für die Reinheit des Sauerstoffs und die Kompatibilität beschränkt, da Sauerstoff getrennt durch seine eigenen sauberen Sauerstoff-Durchgänge zugeführt wird. Da die Sauerstoff-Lanze von Luft umgeben wird, wird auch die Geschwindigkeit minimal gemacht, mit der Stickstoff in die Flammenzone gelangt, was weiterhin dazu beiträgt, die NOx-Bildung minimal zu machen, wenn man dies mit den existierenden Technologien vergleicht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sollte das Gesamtverhältnis Sauerstoff/Stickstoff bei dem oder nahe bei dem stöchiometrischen Wert liegen. Das aktuelle Verhältnis hängt von verschiedenen Faktoren ab. Bei einem Prozess, bei dem eine starke Luft-Infiltration auftritt, sollte das Verhältnis auf der brennstoffreichen Seite sein, um NOx minimal zu machen, ohne dass zuviel Kohlenmonoxid erzeugt wird. Bei einem Prozess, bei dem die Oxidation des Produktes ein Thema ist, kann es bevorzugt sein, ein brennstoffreiches Verhältnis zu haben, sogar einschließlich der Luft-Infiltration. Jeder unverbrannte Brennstoff, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, kann einer Nachverbrennung unterzogen werden, um zu vermeiden, dass nicht akzeptable Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem Abgaskamin existieren. Bei einem Verfahren, bei dem Brennstoff während des Erwärmungsprozesses freigesetzt werden kann, wie es beispielsweise bei der Abgasverbrennung der Fall ist, bei der Kohlenwasserstoffe in dem Abfall verflüchtigt und in den Verbrennungsraum emittiert weiden können, kann das Verhältnis stärker auf der brennstoffmageren Seite liegen, um ausreichend Oxidationsmittel für die Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffes zur Verfügung zu stellen, wenn die Luft-Infiltration in dem Prozess nicht ausreicht. Im Allgemeinen wird gewünscht, den Brenner so brennstoffreich wie praktikabel zu betreiben, um die NOx-Emission minimal zu machen, ohne ein Problem mit Kohlenmonoxid und verbrennbaren Emissionen zu erzeugen.
Die sichelförmigen oder halbmondförmigen Luftdurchgänge sind so ausgelegt, dass zwischen ihnen eine Mitnahme von Ofengas stattfinden kann, die die Flamme verdünnt, die Flammentemperatur verringert und deshalb die NOx-Bildung minimal macht. Die spezifische Form des Luftdurchgangs ist nicht so wichtig, wie die allgemeinen Konzepte für die Luftdurchgänge. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sollte so viel Raum wie möglich zwischen den Durchgängen sein, um diese Mitnähme zu ermöglichen. Weniger oder größere Durchgänge sind besser als mehr kleinere Durchgänge, wieder aus dem Grund, den Bereich bzw. die Fläche für die Mitnahme maximal zu machen. Das Ausmaß des Grenflächenbereiches zwischen dem Luft- und dem primären Sauerstoff-Durchgang sollte minimal gemacht werden, um intensives Mischen oder chemische Reaktionen zu vermeiden, die die NOx-Bildung erhöhen würden. Der Brenner und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung können als ein Luft-Brennstoff-Brenner oder -Verfahren betrieben werden, da dies die bevorzugte Betriebsweise während bestimmter Phasen von einigen Erwärmungs- und Schmelz-Prozessen ist. Ein solches Beispiel würde während der Legierungsbildung und der Entnahme- bzw. dem Abstich in einem Ofen für die Aluminiumerzeugung sein.
Die Gas-Geschwindigkeiten sollten so äquivalent zueinander wie möglich sein, um Mischen zu vermeiden, das die Flammen-Intensität und deshalb die NOx- Emissionen verringern würde. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sollte die Gas-Geschwindigkeit zwischen ungefähr 30 und 300 ft/s liegen. Um die NOx- Bildung minimal zu machen, sollten näherungsweise 25 bis 75% des hochreinen Sauerstoffs durch die Sauerstofflanzen oder Leitungen 44, 46 zugeführt werden, wobei der Rest dem primären Sauerstoff-Durchgang zugeführt wird.
Ein Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt und in einem Ofen einer sekundären Aluminium-Schmelzanlage über einen Zeitraum von vier Wochen getestet. Das Ziel der Tests war, die NOx-Emissionen als eine Funktion des stöchiometrischen Verhältnisses des Brenners und der Oxidationsmittel- Zusammensetzung (Luft + Sauerstoff) zu messen. Die stöchiometrischen Gesamtverhältnisse lagen im Bereich von 1,9 (leicht brennstoffreich) bis 11 (sehr brennstoffmager), wobei 2,08 das theoretisch perfekte stöchiometrische Verhältnis darstellt. Die Sauerstoff-Konzentration in dem Oxidationsmittel lag im Bereich von 21% (Luft) bis 45% (Luft + reiner Sauerstoff). Die Tests wurden unter positiven bzw. Überdrücken des Ofens durchgeführt, um die Auswirkungen der Luft- Infiltration auszuschließen. Die NOx-Emissionen lagen im Bereich von 0,031 bis 1,3 1b. NO2/MMBtu bei einer Luftvorwärmung von ungefähr 200ºF. Für eine Ziel-Konstruktion, bei der der Brenner mit einer Gesamt-Anreicherung von, 35% betrieben wird, betrug die NOx-Emission ungefähr 0,2 1b. NO2/MMBtu, was eine Reduktion der NOx-Bildung von ungefähr 75% im Vergleich mit herkömmlichen Brennern darstellt.
Der Brenner, der in dem Ofen der sekundären Aluminium-Schmelzanlage (Konstruktion Nr. 3) getestet wurde, wurde getestet und mit den Brennern nach den US-Patenten 4,308,239 (Konstruktion Nr. 1) und 5,611,683 (Konstruktion Nr. 2) verglichen, wobei die Ergebnisse in Fig. 6 aufgetragen sind. Wie man in Fig. 6 erkennen kann, reduzierte der Brenner nach Konstruktion 3 (nach der vorliegenden Erfindung) die NOx-Bildung um bis zu 75% im Vergleich mit den beiden herkömmlichen Brennern.
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, hat die Lanzen-Einführung des hochreinen Sauerstoffs durch die Lanzen-Sauerstoff-Durchgänge 44, 46, die im Inneren des Luftdurchgangs angeordnet sind, eine dramatische Auswirkung. Wie man aus, den in Fig. 7 aufgetragenen Ergebnissen erkennt, liegt der bevorzugte Betrag bzw. das bevorzugte Ausmaß der Lanzeneinführung zwischen näherungsweise 25 bis 75% der gesamten Strömung an hochreinem Sauerstoff durch den Brenner.
Es gibt verschiedene wichtige Unterschiede zwischen dem Brenner und dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung und dem oben erläuterten Stand der Technik. Der Brenner nach der vorliegenden Erfindung hat zwei ausgeprägte und stark getrennte, reflexionssymmetrische Luftdurchgänge, die außerhalb des inneren Sauerstoff-Durchgangs angeordnet sind. Der Brenner nach der vorliegenden Erfindung ist ausgelegt, um Ofen-Gase in dem Flammenbereich mitzunehmen, während bei den herkömmlichen Air Products Brennern keine Mitnahme bevorzugt war. Es gibt auch eine Sauerstoff-Anreicherung der Luftdurchgänge unter Verwendung von getrennten Sauerstoff-Injektoren innerhalb des Luftdurchgangs in dem Brenner nach der vorliegenden Erfindung, während die herkömmlichen Air Products Brenner so ausgelegt wurden, dass Luft und Sauerstoff in ihren eigenen Durchgängen vollständig getrennt wurden, mit dem angestrebten Ziel, die Mischung zwischen den Luft- und Sauerstoffströmen zu verlangsamen oder zu verzögern. Der Brenner nach der vorliegenden Erfindung hat zwei getrennte Stellen für die Sauerstoff-Injektion. Der größte Unterschied zwischen dem Brenner nach der vorliegenden Erfindung und denen nach dem Stand der Technik ist die verringerte Erzeugung von NOx.
Die geringere NOx-Menge, die bei der Verwendung des Brenners nach der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, beruht primär auf der Mitnahme des Ofengases in die Flammenzone, die die Sauerstoffkonzentration in der Luft verdünnt, was die Reaktionschemie verlangsamt und die NOx-Bildung minimal macht. Die zugesetzte Masse an im Wesentlichen inerten Ofengasen, die primär Kohlenmonoxid, Wasser und Stickstoff enthalten, verdünnten die Flamme, deren Temperatur und damit die NOx-Erzeugung verringert werden. Schließlich ist die Aufteilung des hochreinen Sauerstoffs in getrennte Zonen eine Form der Stufenbildung/Staging, die zu dem inneren Mechanismus des Brenners gehört. Durch Injizieren eines Teils des Sauerstoffs in den Luftstrom wird der hochreine Sauerstoff direkt und persönlich gegen die Flammenzone durch die Luft abgeschirmt, was wiederum das Mischen verzögert, die Reaktionen verlangsamt, die Neigung zu niedrigeren Spitzentemperaturen der Flamme fördert und, damit die NOx-Bildung verringert. Diese gleichen Unterschiede ergeben sich auch in Bezug auf den anderen Stand der Technik, der oben erläutert wurde.
Damit schafft also die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur signifikanten Verringerung der NOx-Bildung in einem Luft-Sauerstoff- Brennstoff-Verbrennungsprozess.

Claims

1. Luft-Sauerstoff-Brennstoff-Brenner, aufweisend in Kombination:

eine zentrale Brennstoffgas-Leitung, die sich von einem ersten Ende mit einem Mittel für die Zulassung von Brennstoff zu der Leitung zu einem zweiten Ende erstreckt, das in einem Verbrennungsende endet;

eine Sauerstoff-Leitung, die rund um die Brennstoff-Leitung angeordnet ist, uni einen Durchgang für Sauerstoff rund um die und längs- der Brennstoff-Leitung zu definieren, wobei die Sauerstoff-Leitung ein erstes Ende in der Nähe des ersten Endes der Brennstoff-Leitung und ein zweites Ende hat, das in einer Ebene endet, die im allgemeinen senkrecht zu der Längsachse des Brenners verläuft, wobei die Ebene an dem zweiten Ende der Brennstoff-Leitung oder in Strömungsrichtung gesehen vor dem zweiten Ende der Brennstoff-Leitung ist;

ein im allgemeinen zylindrisches Gehäuse, das um die Sauerstoff-Leitung angeordnet ist und sich von einer Stelle in der Nähe des ersten Endes der Sauerstoff-Leitung zu einer Stelle in der Nähe des Verbrennungsendes der Brennstoff-Leitung erstreckt, um einen Durchgang für ein fluides Medium zwischen und rund um die Sauerstoff-Leitung zu definieren,

eine Anordnung im Innern des im allgemeinen zylindrischen Gehäuses, um zwei einander diametral gegenüberliegende, sichel- bzw. halbmondförmige Durchgänge zu definieren, die mit dem Durchgang für das fluide Medium zwischen dem Gehäuse und der Sauerstoff-Leitung in Verbindung stehen, wobei die sichelförmigen Durchgänge, in der gleichen Ebene wie das zweite Ende der Sauerstoff-Leitung enden;

Mittel zur Einführung von Luft in die sichelförmigen Durchgänge; und

Mittel zur Einführung von Sauerstoff in jeden der sichelförmigen Durchgänge.

2. Brenner nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Einführung von Sauerstoff in jeden der sichelförmigen Durchgänge eine Leitung aufweisen, die sich durch das im Allgemeinen zylinderförmige Gehäuse mit einem Düsenende erstreckt, das in der Ebene der Sauerstoff-Leitung endet.

3. Brenner nach Anspruch 1, wobei die Mittel im Innern des Gehäuses, die die sichelförmigen Durchgänge definieren, eine Platte mit einem Durchmesser sind, um mit einem Bereich eines inneren Durchmessers des Gehäuses in Eingriff zu kommen, wobei die Platte einander diametral gegenüberliegende, sichel- bzw. halbmondförmige, ausgeschnittene Bereiche hat, um die Öffnungen zu definieren, und wobei die Platte eine zentrale Öffnung hat, die angepasst ist, um rund um die Sauerstoff-Leitung zu passen und daran befestigt zu sein.

4. Brenner nach Anspruch 3, wobei die Mittel zur Einführung von Luft in das Gehäuse ein im Allgemeinen zylindrisches Merkmal bzw. Element bzw. Rohr bzw. Schild (sign) sind, das an dem Gehäuse befestigt ist und mit dem Innern des Gehäuses in Verbindung steht.

5. Brenner nach Anspruch 1, wobei das Ende des Gehäuses in der Nähe des ersten Endes der Sauerstoff-Leitung durch eine Platte verschlossen ist, die rund um die Sauerstoff- Leitung angeordnet und daran befestigt ist.

6. Brenner nach Anspruch 1, wobei das erste Ende der Brennstoff-Leitung angepasst ist, um mit einer Quelle für gasförmigen Brennstoff verbunden zu werden, und wobei das erste Ende der Sauerstoff-Leitung angepasst ist, um mit einer Sauerstoff-Quelle verbunden zu werden.

7. Verfahren zur Reduzierung der Stickoxid-Erzeugung bzw. -Emission während der Verbrennung eines Luft-Sauerstoff-Brennstoff-Gemisches mit den Schritten:

Erzeugung einer Sauerstoff-Brennstoff-Flamme an einem Auslassende einer Brennstoff-Zuführleitung und einer Sauerstoff-Leitung, die nach außen im Abstand von der und rund um die Brennstoff-Zuführleitung angeordnet ist;

Umgeben der Sauerstoff-Brennstoff-Flamme mit Luft, die auf jeder Seite der Sauerstoff-Brennstoff-Flamme durch im Allgemeinen sichel- bzw. halbmondförmige Passagen zugeführt wird, die nach außen im Abstand von einem Auslassende der Brennstoffzuführleitung angeordnet sind;

Einführung von im Wesentlichen reinen Sauerstoff in jeden der sichelförmigen Durchgänge; und

Aufrechterhalten der Verbrennung mit einem Gesamtoxidationsmittel-, Luft + reiner Sauerstoff, Gehalt von weniger als 60 Vol.-%.

8. Verfahren nach Anspruch 7 mit Aufrechterhalten des Gesamtoxidationsmittel-Gehaltes zwischen 21 und 45 Vol.-%.

9. Verfahren nach Anspruch 7 mit Einführung einer Gesamtsauerstoffströmung zwischen 25 und 75 Vol.-% durch den Brenner in die sichelförmigen Durchgänge.

10. Verfahren nach Anspruch 8 mit Aufrechterhalten eines Gesamtoxidationsmittel-Gehaltes von ungefähr 35 Vol.-%.