<Desc/Clms Page number 1>
Brenner zur Verbrennung grosser Mengen strömender Brennstoffe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbrennen von strömenden Brennstoffen jeder Art in einer begrenzten Zone, insbesondere auf Brenner zum Verbrennen von Gasen in grossen
Volumsmengen und mit hohen Geschwindigkeiten zum Schmelzen und Raffinieren von Abfallmetallen, wobei der Lärmpegel bei der Verbrennung äusserst niedrig gehalten wird.
Gasbrenner werden bei metallurgischen Prozessen zur ergänzenden Zufuhr von Wärme bei ver- schiedenen Ofenarten, z. B. Siemens-Martin-Öfen, Flammöfen oder elektrischen Öfen, in grossem Ausmass verwendet. Bei diesen Prozessen dienen sie zur Verminderung der Heiz- oder Schmelzdauer, zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Ofens, zur Verminderung des Gesamtstromverbrauches und im Falle von elektrischen Öfen auch zur Verminderung des Elektrodenabbrandes und zur Erhöhung der Einsatzfähigkeit des Ofens. Damit Gasbrenner wirksam bei solchen Verfahren angewendet werden können, müssen sie auf längere Dauer Flammentemperaturen im Bereich von 1650 bis 28000 C entwickeln. Es werden grosse Volumsmengen brennbarer Gase, wie Naturgas, mit einem oxydierenden Gas, wie Sauerstoff, vermischt, um die erforderlichen Temperaturen zu erzielen.
Der Brenner wird zwangsläufig im
Ofeninnern betrieben. Als Folge dieser Art von Verbrennung entsteht ein ohrenbetäubender Lärm, der nicht nur den Gehörsinn schädigt, sondern auch in manchen Fällen dazu geführt hat, dass die Arbeiter sich weigern, in Abteilungen, in denen die Brenner in Betrieb sind, zu arbeiten.
Die Erfindung zielt nun darauf, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher hohe Temperaturen und Verbrennungswärmen über die erforderlichen Zeiten ohne die sonst bei Brennern auftretende Lärmentwicklung erreicht werden können, wobei verschiedenartige strömungsfähige Brennstoffe in wirksamer und wirtschaftlicher Weise verbrannt werden, insbesondere von gasförmigen Brennstoffen in einer begrenzten Zone bei hohen Geschwindigkeiten und hohen Temperaturen.
Zu diesem Zweck wird von einem Brenner für die Verbrennung zweier strömungsfähiger Verbrennungskomponenten ausgegangen, der mit zwei koaxialen, zur Brennermündung hin offenen Kammern ausgestattet ist, von denen eine ringförmige Aussenkammer zur Durchleitung der einen Verbrennungskomponente und eine rohrförmige Innenkammer zur Durchleitung der andem Verbrennungskomponente dient, sowie mit einer den Brenner aussen umschliessenden Kühlkammer, wobei in der ringförmigen Aussenkammer im Strömungsweg der einen Verbrennungskomponente mindestens bis zum Austrittsende der Innenkammer reichende Strömungsleitvorrichtungen vorgesehen sind.
Der erfindungsgemässe Brenner ist nun dadurch ausgezeichnet, dass die Strömungsleitvorrichtungen aus in der ringförmigen, den Brennstoff führenden Aussenkammer in deren Längsrichtung angeordneten Strömungsleitrohren mit vorzugsweise gleichem Durchmesser bestehen.
Die Wirkungsweise des Brenners gemäss der Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass ein
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
EMI2.2
<tb>
<tb> Versuch <SEP> Naturgas <SEP> Sauerstoff <SEP> Verhältnis <SEP> Sauerstoff <SEP>
<tb> Nr. <SEP> (mh) <SEP> (m <SEP> /h) <SEP> zu <SEP> Naturgas <SEP>
<tb> 1 <SEP> 327 <SEP> 496 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> l
<tb> 2 <SEP> 345 <SEP> 496 <SEP> 1, <SEP> 45 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 333 <SEP> 521 <SEP> 1, <SEP> 65 <SEP> : <SEP> 1 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 368 <SEP> 521 <SEP> 1, <SEP> 44 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 354 <SEP> 460 <SEP> 1, <SEP> 37 <SEP> : <SEP> 1 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 368 <SEP> 552 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> :
<SEP> 1 <SEP>
<tb> 7 <SEP> 368 <SEP> 567 <SEP> 1, <SEP> 57 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 8 <SEP> 390 <SEP> 545 <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 9 <SEP> 368 <SEP> 552 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> 1
<tb> 10 <SEP> 390 <SEP> 567 <SEP> 1, <SEP> 45 <SEP> 1 <SEP>
<tb>
EMI2.3
<Desc/Clms Page number 3>
Der Brenner --10-- besteht aus drei konzentrisch angeordneten Rohren --11, 12 und 13-- aus Schwarzblech. Das äussere Rohr-13-hat zwei abgerundete Enden--17 und 18-- und ist an den Stellen--15-- mit dem Rohr --12-- verschweisst. Das innere Rohr --11-- bildet eine Kammer --20--, durch die ein oxydierendes Gas durch den Brenner-10-- geleitet wird, und endet kurz vor der Verbindung zwischen Rohr --12-- und dem abgerundeten Ende --18-- des Rohres --13--. Die Innenfläche des Rohres --12-- zwischen den Enden der Rohre --11 und 12-- begrenzt den Düsenteil--21-- des Brenners gemäss der Erfindung. Zwischen den Rohren --11 und 12-- sind Kupferrohre --23-- angeordnet, die etwas in den Düsenteil --21-- hineinagen.
Alle diese Rohre haben praktisch die gleichen Innenund Aussendurchmesser und sind parallel zur Längsachse des Brenners angeordnet. Diese Anordnung ist aus Fig. 3 ersichtlich. Die Rohre --23-- liegen rings um die mittlere Kammer --20-- und berühren sich in der Kammer --25--, die zwischen den Rohren --11 und 12-- gebildet wird. Durch letzteres wird ein gasförmiger, flüssiger oder staubförmiger Brennstoff dem Düsenende zugeführt. Die Enden der Rohre --23-- liegen in derselben Querschnittsfläche, und die Rohre --23-- zwischen den Rohren --11 und 12-- in der Kammer --25-- sind zweckmässig mit der Aussenwand des Rohres --11-- hart verlötet.
Darüber hinaus können Unterlegbleche eingefügt werden, um einen Kontakt zwischen den Rohren --23-und den Oberflächen der Rohre --11 und 12-- zu erzielen. Dadurch, dass die Rohre --23-- untereinander und mit der Aussenwand des Rohres --11-- in Berührung stehen, wird eine Anzahl von kleinen dreieckigen Kanälen --26-- unmittelbar am Rohr-11-und um den Umfang des Rohres --11-- geschaffen.
Der Düsenteil--21-- wird mit Hilfe einer konzentrischen Kühlkammer --30-- gekühlt, die sich zwischen den konzentrischen Rohren--12 und 13-- befindet. Ein seitlich angeordnetes Wasserzu- leitungsrohr --32-- mit dem Knie --33-- steht mit der Kammer--30-- im Düsenteil in Verbindung und dient zur Zuführung von Kühlwasser zu der Düse. Das erhitzte Wasser verlässt den Brenner an seinem
EMI3.1
des Rohres-13-- angebracht.
Eine gasdichte Verbindung zwischen den Rohren --11 und 12-- wird durch die Stopfbüchse --37-- und die Flansche--38 und 39--, die auch zur konzentrischen Ausrichtung des Rohres --12-- zum Rohr --11-- am hinteren Ende des Brenners dienen, hergestellt. Die Stopfbüchse --37-- umfasst auch ein gekrümmtes Halsstück --40--, das bei --41-- an den Flansch --38-- angeschweisst ist und einen
EMI3.2
--42-- zurist, sind miteinander durch die Kopfschrauben-55-verbunden. Der Dichtungsring --56-- bewirkt den erforderlichen gasdichten Verschluss.
Wie in Fig. l gezeigt ist, wird ein oxydierendes Gas über das T-Stück--46-- dem Rohr --1-- zugeführt. wobei das dem Rohr --1-- abgewendete Ende, das als Öffnung für die Reinigung mit Dampf dienen kann, bei --48-- mit einem Stopfen versehen ist.
Die relativen Abmessungen der den Brenner-10-- bildenden Rohre sind wesentlich, da es, wie schon eingangs erwähnt, auf die Mengen und Geschwindigkeiten der Gase sowie auf die Art deren Zusammenführung während der Verbrennung ankommt. Das mittlere Sauerstoffrohr --11-- ist ein Standardrohr mit einem Innendurchmesser von 2,66 cm und das Rohr-12-, ebenfalls ein solches mit Standardabmessungen, d. h. mit einem Innendurchmesser von etwa 6, 35 cm. Die Rohre --23-- sind Standardrohre mit einem Innendurchmesser von etwa 9, 25 mm und einer Wandstärke von etwa 2, 28 mm, während das Rohr --11-- eine Wandstärke von 3, 38 mm hat.
Beim Vergleich der Querschnittsflächen der Kammern --20 und 25--, nach Einführung der Rohre --23-- in die Kammer --25--, ergibt sich, dass die übrigbleibende Querschnittsfläche, d.h. die Querschnittsfläche der Rohre --23-- und der dreieckigen Kanäle --26 und 50-- etwas mehr als das 2fache, d.h. das 2,265 fache der Querschnittsfläche der Kammer --20-- beträgt.
Die Wichtigkeit der vorstehend genannten Abmessungen ergibt sich aus der Arbeitsweise des Brenners und des Durchflusses der strömungsfähigen Stoffe durch den Brenner. Das Sauerstoffzuleitungsrohr --47-- steht mit einem geeigneten Sauerstoffvorrat in Verbindung und besitzt auch Vorrichtungen zum Regeln und Messen des Sauerstoffzuflusses in die Kammer--20--. In ähnlicher Weise ist das Gaseinleitungsrohr-35-- mit einer geeigneten Naturgasquelle verbunden und mit Regel- und Messvorrich- tungen versehen. Da für die genannten Regel-und Messvorrichtungen Standardausführungen verwendet
<Desc/Clms Page number 4>
werden, sind sie nicht eigens in den Zeichnungen angegeben.
Das Kühlwasser fliesst in die Kam- mer--30--, und Sauerstoff und Naturgas werden aus den entsprechenden Behältern in die Kammern - 20 bzw. 25-eingeführt. Damit die beiden Gase beim Austritt aus dem Düsenteil--21-- des Brenners das gewünschte Volumsverhältnis haben, wird der Sauerstoff mit etwa der dreieinhalbfachen Geschwindigkeit des durch die Kammer --25-- gehenden Naturgases zugeführt. Durch die höhere Geschwindigkeit des Sauerstoffes und durch ein Querschnittsverhältnis von etwa 2 : 1 zwischen der Kammer --25--
EMI4.1
anordnung der Kammern --20 und 25-- fliessen der Sauerstoff und das Naturgas parallel und koaxial zueinander.
Eine Ausdehnung der Gase erfolgt unmittelbar vor dem Brenner, wie die charakteristische, flammenförmige Ausbildung der Gase gemäss Fig. 2 zeigt. Durch die grössere Geschwindigkeit des zentralen Sauerstoffstromes gegenüber dem ihn umgebenden Gasstrom wird das Naturgas allmählich über eine weite Strecke in den Sauerstoffstrom hineingezogen. Diese Strecke ist natürlich durch die Relativgeschwindigkeit der beiden Gase und das Querschnittsverhältnis bestimmt. Die Parallelführung des Naturgas-und des Sauerstoffstromes bewirkt nicht nur eine allmähliche Vermischung bei gleichzeitiger Verminderung des Lärms, sondern es wird zusätzlich der Teil des Naturgases, der durch die kleinen
EMI4.2
Mantelfläche des Sauerstoffstromes entfernt als das an der unmittelbaren Aussenwand des Rohres --11-entlanggeführte Naturgas.
Dieser Unterschied beruht natürlich auf der Wandstärke des Rohres-23-, die nur etwa 2, 48 mm beträgt, der jedoch ausreicht, um eine sofortige Vermischung der Gasanteile zu verhindern, bis sie weit genug vom Brenner entfernt sind. Es wird also zuerst das durch die dreieckigen Kanäle geleitete Naturgas in den zentralen Sauerstoffstrom hineingezogen und dann das durch die unmittelbar an das Rohr --11-- anliegenden Teile der Rohre --23-- strömende Gas und schliesslich das Gas von den weiter nach aussen liegenden Stellen der Rohre-23-und von den grösseren Dreieck- kanälen --50--.
Indem die Rohre --23-- die Aussenseite des Rohres --11-- berühren, wird abwechselnd eine das Rohr --11-- berührende und eine nichtberührende Grenzfläche gebildet. Die Rohre--23-- dienen offensichtlich dazu, Teile der sonst normalen, ringförmig zum mittleren Strom angeordneten Zwischenschicht zwischen den beiden Strömen auf eine grössere Geschwindigkeit zu bringen.
Die Rohre --23-- geben dem Naturgasstrom nicht nur eine lineare und parallele Richtung, sondern sie dienen auch dazu, das Gas um den Sauerstoffstrom gleichmässig zu verteilen. Aus diesem Grunde ist die Flamme gleichmässiger als bei Verwendung von zwei parallelen, konzentrischen Rohren allein.
Die gleichmässige Flammenführung hat natürlich auch zur Folge, dass das Verbrennungsgeräusch herabgesetzt wird.
Tritt der Naturgas- und Sauerstoffstrom aus dem Brenner --10-- unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen aus und wird das Gas verbrannt, so entsteht eine Flamme von etwa 3 m Länge, die durch eine allmähliche Vermischung der zwei Gasströme über die gesamte Länge erzeugt wird. Auch wenn der Brenner innerhalb einer begrenzten Zone, z. B. in einem Ofen, betrieben wird, ist das Geräusch so gering, dass es bei dem üblichen Fabrikslärm nicht auffällt.
Aus Fig. 2 ergibt sich, dass die Rohre --23-- etwas in den Düsenteil --21-- hinein- und über das Rohr --11-- hinausragen. Diese spezielle Anordnung kann verändert werden, indem die Enden der Rohre --23-- mit dem Rohr --11-- auf gleiche Höhe gebracht werden oder indem die Anordnung umgekehrt wird und das Rohr --11-- über die Enden der Rohre-23-- hinausragt. Bei der bevorzugten Anordnung ragen jedoch die Rohre --23-- etwas über das Rohr --11-- hinaus, weil das durch die Rohre --23-- geleitete Naturgas dann nicht sofort mit dem Sauerstoffstrom vermischt wird. Es ist nicht nötig, dass das Rohr --12-- über die Rohre --23-- und das Sauerstoffrohr --11-- hinausragt.
Der in den Zeichnungen angegebene überstehende Teil bewirkt, dass die am weitesten aussen liegenden Teile des Naturgasstromes zusammengehalten und am Ausbreiten gehindert werden.
Es wurde gefunden, dass die Gasströmung durch ein einzölliges Rohr (Rohr --11--) bei einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 330 m/sec ein Geräusch hervorruft. Somit muss die Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohr --11-- geringer als diese Geschwindigkeit sein. Die noch anwendbare kleinste Strömungsgeschwindigkeit im mittleren Rohr --11-- beträgt etwa 70 m/sec. Die optimale Strömungsgeschwindigkeit für Sauerstoff liegt zwischen 70 und 290 m/sec. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 244 m/sec erzielt. So beträgt beim Versuch 1 nach der Tabelle, bei dem stündlich etwa 495 m Sauerstoff eingeführt werden, die Sauerstoffgeschwindigkeit
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1