Combustion, Burners & Furnaces

Ancient Sri Lankan  Furnaces‐Monsoon Steel ! ‐

Small Scale Versions

The basic concept of a furnace

Classification of Furnaces

Modern Iron Smelting Blast Furnace

Abraham Darby’s pioneering furnace

Other Types

mixed feed vertical shaft lime kiln

Regenerative Glass Smelter

Flash Smelter for Copper Smelting

Flash furnace for alumina, lime or cement

Reducing kiln (mineral sands industry)

Combustion in Furnaces• Fuel is admitted through burners to generate heat• It is necessary to ensure that adequate air is supplied for complete mixing and that the burner is designed to mix the fuel and air streams effectively and efficiently

• At the same time the amount of excess air should be as small as possible to maximize thermal efficiency and minimize the production of some pollutants.

• Some small burners are designed to premix the fuel and air prior to ignition, but most industrial burners are designed for diffusion mixing

• In a diffusion burner, any air that is premixed with, or conveys, the fuel is termed primary air. 

• The balance of the air required for combustion is supplied through one or more separate channels or ducts and, depending on their relative locations with respect to the fuel jet, are termed as secondary, tertiary, etc., air.

Entrainment of Air & Burning Fuel

• The initial jet velocity is normally high enough to produce a turbulent flow stream. • Friction occurs between the boundary of the jet and its surroundings, causing the surrounding fluid to be locally accelerated to the jet velocity. 

• The accelerated air is then pulled into the jet, thus expanding it. This process is known as entrainment. 

• The momentum flux of the jet controls the amount of air entrained, and the process continues until the velocity of the jet is the same as that of its surroundings.

The entrainment rate of a free jet:

0.32.

= mass flow rate of jet fluid at the nozzle= mass flow rate of jet fluid at distance from nozzle due to entrainment

= density of nozzle jet fluid= density of entrained fluid= diameter of nozzle.

0

0

Q. Assuming complete combustion at 10% excess airconditions what will be the length of a raw natural gasflame issuing into stagnant air with a density of 1.2928kg/Nm3 , at the same temperature, at a rate of 1.5 kg/sthrough a 100 mm diameter nozzle?

The stoichiometric air requirement of the natural gas is9.751 m3/m3 , with a density of 0.7615 kg/Nm3 .

1.5 1.5 1.1 9.751 ..

28.81 kg/s

1.5kg/s0 0.7615kg/Nm31 1.2928kg/Nm30 100mm

0.32.

28.811.5 0.32

1.29280.7615

.

0.1 4.6

Typical Burner Designs

(partial) Premix Gas Burner Typical Furnace Oil Burner (water cooled)

Gas Burner Types• Premixed burners ‐ fuel and most of the air are mixed together prior to passing through the nozzle. 

• Turbulent jet diffusion burners ‐ fuel and most of the air are introduced separately and are mixed within the furnace. Combustion is then controlled by the rate at which the air mixes with the fuel.

NB: Premixing & Flash back  ‐• Premix burner will only operate within clearly defined limits. • Since the mixture is within flammable limits, there is the risk that the flame front will travel back though the nozzle or ‘ flash back ’. 

• Flashback is prevented by a combination of two techniques:• Maintaining a nozzle exit velocity that exceeds the flame speed of the fuel.• Using a nozzle design that is, in effect, a flame arrestor.

Oil Burners

• Premix burners are limited to very volatile fuels such as naphtha and kerosene which, owing to their high cost, have little industrial application.

• Oil burners consist of an air register to control the combustion air flow and a means of stabilizing the flame and the atomizer. An igniter may also be provided to assist start‐up. 

• The atomizer is a critical component of an oil burner

Atomizers

Classification of oil burners by atomizer type

AtomizersContd.,

Examples of medium pressure and twin fluid atomizers

Flow Across Atomizers• The flow through pressure jet atomizers is given by a modified version of Bernoulli ’ s equation:

.

Q = the flow rate /   = exit orfice diameter /  = the fuel supply pressure /  = a constant

• It is common in the industrial field to combine the constant,  , and the orifice diameter,  , into a single constant that characterizes the atomizer. This constant is known as the flow number FN:

.

• The drop size produced by a pressure jet atomizer is strongly dependent on the fuel viscosity and the surface tension.

Coal Burners

Typical pulverized coal burner with auxiliary oil firing for rotary kilns

Typical open ended pipe kiln burner arrangement

Furnaces

Types Based on Draught

A Box Type Natural Draught Furnace An Induced Draught Furnace

Types Based on Draught contd.,

A Forced Draught Furnace A Balanced Draught Furnace

Types Based on Configuration

Types Based on Configuration contd.,

Typical Burner / Firing Arrangements

Air Preheating Arrangements in Furnaces

Thermal Considerations

Heat Transfer in Furnaces

ConvectiveHeatTransfer · ·

• Molecules and atoms emit electromagnetic waves when at high energy levels corresponding to high temperatures; this release of energy allows for the atom or molecule to return to a lower energy state. 

• Combustion products H2O and CO2 are Polar molecules that emit radiation at elevated temperatures: N2 & O2 do not emit radiation.

RadiativeHeatTransfer · · · ) 

Q.A small oxidized horizontal metal tube is placed in a very large furnace enclosure with

firebrick walls. The metal tube has an outside diameter of 1 inch, a length of 2ft, a

surface emissivity of 0.6, and its surface is maintained at 600oF. The hot air in the

furnace is at 1500oF and the furnace brick walls are at 1350oF. The convection heat

transfer coefficient for the horizontal tube is 2.8 Btu/h.ft2.oF

[σ = 1.714×10−9 BTU hr−1 ft−2 °R−4]

Calculate the percent of total heat transferred by radiation

Flame Temperature• Flame temperature is the temperature attained by the combustion of a fuel. This temperature depends essentially on the calorific value of the fuel. 

• A theoretical or ideal flame temperature may be calculated assuming complete combustion of the fuel and perfect mixing. But even when complete combustion is assumed, the actual flame temperature would always be lower than the theoretical temperature. 

• There are several reasons for this, chiefly the dissociation reactions of the combustion products at higher temperatures (greater than about 1370◦C), which are highly endothermic and absorb an enormous amount of heat, and heat losses by radiation and convection to the walls of the combustion chamber.

Related Codes – API 560• Design Considerations • Tubes • Headers • Piping, Terminals, And Manifolds• Tube Supports• Refractories And Insulation• Structures And Appurtenances• Stacks, Ducts, And Breeching• Burners, Sootblowers, And Damper Controls• Centrifugal Fans And Drivers For Fired Heater 

Systems• Instrument And Auxiliary Connections• Shop Fabrication And Field Erection• Inspection, Examination, And Testing

Operation & Control:‐ Flow Control

Pressure Control

Temperature Control

Combustion Air Control

Pilot Gas Control

Fuel Gas Control

Fuel Oil Control

Fuel Control ‐ 1

Fuel Control ‐ 2

Atomizing Steam Control

Environmental Control

Air Preheating Control