DE10337526A1

DE10337526A1 - Brenner und Verfahren zum Verbrennen von Gas in einem Ofen

Info

Publication number: DE10337526A1
Application number: DE10337526A
Authority: DE
Inventors: Roger Lanary; Brian Foster
Original assignee: Hamworthy Combustion Engineering Ltd
Current assignee: Hamworthy Combustion Engineering Ltd
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-08-15
Also published as: GB2394275B; US20080261162A1; DE10337526B4; GB2394275A; US20040033460A1; US8025501B2; US7429173B2; GB0218907D0

Abstract

Gasbrenner zur Verwendung in einem Ofen und Verfahren zum Verbrennen von Gas in einem Ofen, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich einem Prozessofen, der in einem Prozess zum Raffinieren oder Kracken von Öl verwendet wird. Der Gasbrenner umfasst zwei Kanäle (1, 2) mit benachbarten Auslässen. Der erste Kanal (1) steht in Fluidverbindung mit einer Quelle von druckbeaufschlagtem Brenngas (11) und hat eine Öffnung (1a), durch welche rezirkuliertes Verbrennungsgas (RFG) in den ersten Kanal eintreten kann, und der zweite Kanal (2) steht in Fluidverbindung mit einer Luftquelle. Im Betrieb wird Brenngas (RFG) in den ersten Kanal (1) eingeblasen und rezirkuliertes Verbrennungsgas wird dadurch in den ersten Kanal (1) angesaugt, sodass es sich mit dem Brenngas mischt. Das Brenngas wird teilweise verbrannt und eine Mischung aus teilweise verbranntem Brenngas und rezirkuliertem Verbrennungsgas (RFG) fließt aus dem ersten Kanal (1) und kommt mit der Luft aus dem zweiten Kanal in Berührung und verbrennt. Die Verwendung von rezirkuliertem Verbrennungsgas hält das Niveau der NOx-Emissionen niedrig, und da das rezirkulierte Verbrennungsgas (RFG) durch den druckbeaufschlagten Brenngasstrom in den ersten Kanal (1) gesaugt wird, ist es nicht erforderlich, eine komplexe Pumpeinrichtung vorzusehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasbrenner zur Verwendung in einem Ofen und ein Verfahren zum Verbrennen von Gas in einem Ofen, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich einem Prozessofen, der in einem Prozess zum Kracken oder Raffinieren von Öl verwendet wird.

Allgemein haben derartige Öfen einen einzelnen Brenner oder eine Anordnung von Brennern, die in dem Ofenboden angeordnet sind, wobei jedem Brenner Brenngas zugeführt wird, welches er verbrennt, um den Ofen zu erwärmen.

Aus Gründen des Umweltschutzes ist es wünschenswert, das Niveau von NOx-Emissionen von einem Ofen so niedrig wie möglich zu halten. Es ist bekannt, dass NOx-Emissionen von einem Brenner reduziert werden können, indem die Verbrennungsgase (die gasförmigen Produkte der Verbrennung in dem Ofen) rezirkuliert werden und in einem Windkasten (unter dem Boden des Ofens angeordnet) mit Luft gemischt werden, durch den der Verbrennungsluftstrom dem Brenner zugeführt wird. Dies erfordert jedoch große Mengen von rezirkulierten Verbrennungsgasen (RFG) und eine große Energiemenge, um die rezirkulierten Verbrennungsgase in den Windkasten zu pumpen. Es besteht ein Bedarf für einen effizienteren Weg, NOx-Emissionen von einem Gasbrenner zu reduzieren.

In ihrem breitesten Umfang schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass Brenngas mit Verbrennungsgasen von dem Ofen (nachfolgend als rezirkulierte Verbrennungsgase bezeichnet) gemischt wird, bevor die beiden mit dem Verbrennungsluftstrom in Kontakt kommen. Dies kann erreicht werden, indem ein Brenner mit zwei getrennten Kanälen vorgesehen wird; einem zum Mischen von Brenngas und rezirkulierten Verbrennungsgasen und dem anderen für Luft, die mit dem Brenngas verbrannt werden soll. Allgemein haben die beiden Kanäle benachbarte Ausgänge, sodass die beiden Fluidströme sich an den Ausgängen mischen und eine Flamme erzeugen.

Entsprechend kann ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Gasbrenner zur Verwendung in einem Verbrennungsofen schaffen, enthaltend einen ersten Kanal und einen von dem ersten getrennten zweiten Kanal, welche beiden Kanäle benachbarte Ausgänge haben, wobei der erste Kanal in Fluidverbindung mit einer Quelle von druckbeaufschlagtem Brenngas steht und eine Öffnung hat, durch die rezirkulierte Verbrennungsgase in den ersten Kanal eindringen können, wobei der zweite Kanal mit einer Luftquelle in Fluidverbindung steht.

Beim Betrieb wird Brenngas von der druckbeaufschlagten Brenngasquelle in den ersten Kanal eingeblasen und rezirkulierte Verbrennungsgase (RFG) werden durch die Öffnung in dem ersten Kanal in den ersten Kanal angesaugt, sodass sie sich mit dem Brenngas mischen, das Brenngas teilweise verbrennt und diese Mischung aus teilweise verbranntem Brenngas und RFG durch die Öffnung des ersten Kanals ausströmt, wo sie mit Luft aus dem zweiten Kanal in Berührung kommt und verbrennt.

Da die rezirkulierten Verbrennungsgase effektiv in den ersten Kanal gesaugt werden und in dem druckbeaufschlagten Brenngasstrom mitgerissen werden, ist es nicht erforderlich, komplexe Pumpeneinrichtungen vorzusehen, um die rezirkulierten Verbrennungsgase in den ersten Kanal zu leiten. Dies verleiht dem Brenner im Vergleich zu Konstruktionen nach dem Stand der Technik einen höheren Wirkungsgrad, bei welchen rezirkulierte Verbrennungsgase in einem Windkasten unter dem Brenner mit Luft gemischt wurden. Da die rezirkulierten Verbrennungsgase ferner direkt mit dem Brenngas gemischt werden, bevor es mit dem Verbrennungsluftstrom aus dem zweiten Kanal in Kontakt kommt, sind kleinere Mengen von rezirkulierten Verbrennungsgasen erforderlich, um die gewünschte Reduzierung der NOx-Emissionen zu erreichen. Die vorliegende Erfindung kann tatsächlich ein geringeres Niveau an NOx-Emissionen schaffen, als vorher möglich war.

Das Brenngas kann jedes brennbare Gas oder jede Mischung von brennbaren Gasen sein. Der Brenner kann aus jedem geeigneten Material aufgebaut sein (beispielsweise Feuer festmaterial, Keramikfasern, Metall oder einem mit Metall ummantelten Feuerfestmaterial). Allgemein ist der Feuerfestteil des Brenners als "Brennerstein" bekannt.

Der Brenner kann in den Boden des Ofens eingebaut sein, in dem er verwendet werden soll. Der Ofen kann mehrere Brenner haben, die jeweils gemäß vorliegender Erfindung ausgeführt sind. Allgemein hatte der Ofen einen einzelnen Brenner oder eine Anordnung von Brennern, die an dem Ofenboden angeordnet sind.

Der Aufbau und der Betrieb des Brenners bzw. der Brenner wird nachfolgend im Detail beschrieben.

Vorzugsweise ist die Quelle des druckbeaufschlagten Brenngases ein Gaseinblasrohr, das in dem ersten Kanal des Brenners verläuft. Es ist so angeordnet, dass es druckbeaufschlagtes Brenngas (in einer Ausführungsform 0,5–2,5 Bar) in den ersten Kanal richtet. Der Ausgang des Gaseinblasrohres bildet den Einlass für druckbeaufschlagtes Brenngas in den ersten Kanal.

Vorzugsweise ist die Öffnung, durch welche rezirkulierte Verbrennungsgase (RFG) in den ersten Kanal eintreten können, eine Öffnung, die in einer freiliegenden Seitenwand des ersten Kanals angeordnet ist (d. h. eine Seitenwand, die zum Ofen hin freiliegt). Diese Seitenwand kann eine Außenwand des Brenners sein. Dies unterstützt das Mitreissen von rezirkuliertem Verbrennungsgas in den Strom des druckbeaufschlagten Brenngases in dem ersten Kanal. Da sich die Öffnung dann direkt in den Ofen öffnet, können in der Atmosphäre des Ofens vorhandene Ofenverbrennungsgase direkt in den ersten Kanal gesaugt werden.

Alternativ kann die Öffnung an einem ersten Ende des ersten Kanals (beispielsweise gegenüber dem Auslassende) angeordnet sein. In diesem Fall ist das erste Ende des Kanals vorzugsweise von dem Boden des Ofens entfernt, sodass RFG zwischen dem Boden des Ofens und dem ersten Ende des ersten Kanals direkt in den ersten Kanal angesaugt werden können.

Vorzugsweise ist die Öffnung des ersten Kanals unterhalb (stromaufwärts) von dem Einlass des druckbeaufschlagten Brenngases in dem Kanal angeordnet. Dadurch werden re zirkulierte Verbrennungsgase eher veranlasst, in den ersten Kanal angesaugt zu werden, und es trägt dazu bei, den Verlust von Brenngas durch die Öffnung zu vermeiden.

Vorzugsweise verjüngt sich der erste Kanal stromabwärts des Einlasses des druckbeaufschlagten Brenngases in den ersten Kanal konisch. Dies führte zu einer Verminderung des Fluiddruckes, bevor die Gase durch das Auslassende des ersten Kanals austreten.

Vorzugsweise bildet die konische Verjüngung eine Venturieinrichtung.

In einer Ausführungsform nimmt die Venturieinrichtung die Form einer allmählichen Verengung des ersten Kanals zu einem eingeschnürten Abschnitt mit geringerer Querschnittsfläche an, der zum Auslass führt. Während sich Venturieinrichtungen gewöhnlich nach ihrem eingeschnürten Abschnitt wieder erweitern, wurde festgestellt, dass in einem Brenner gemäß vorliegender Erfindung der Kanal vor dem Auslass nicht wieder erweitert werden muss. Somit kann der Auslass des ersten Kanals an dem Ende des eingeschnürten Abschnitts sein und die Größe des Brenners kann gering gehalten werden.

Vorzugsweise ist die Öffnung, durch welche RFG in den ersten Kanal eintreten können, in der Nähe der konischen Verjüngung der Venturieinrichtung angeordnet. Dies hat den Effekt, dass rezirkulierte Verbrennungsgase in dem Ofen veranlasst werden, auf Grund des reduzierten Druckes in dem engeren Abschnitt des Kanals durch die Öffnung gesaugt zu werden, wenn Gas durch den ersten Kanal strömt.

Vorzugsweise sind ein oder mehrere zusätzliche Kanäle (beispielsweise ein dritter Kanal und ein vierter Kanal etc.) zum Mischen von Brenngas und rezirkulierten Verbrennungsgasen (RFG) vorhanden. Jeder zusätzliche Kanal hat eine Öffnung für rezirkulierte Verbrennungsgase, steht in Fluidverbindung mit einer Quelle von druckbeaufschlagtem Brenngas und hat einen Auslass nahe an dem Auslass des zweiten Kanals (der zur Kanalisierung des Verbrennungsluftstroms dient).

Jeder zusätzliche Brenngas/RFG-Kanal kann jedes der Merkmale des vorstehend beschriebenen ersten Kanals haben.

Vorzugsweise sind die Wände des zweiten Kanals in einem achteckigen Aufbau angeordnet. Dies ermöglicht die praktische Anordnung von Brenngas/RFG-Kanälen nahe an dem zweiten Kanal. Alternativ kann der zweite Kanal einen kreisförmigen Querschnitt haben.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Kanäle zum Mischen von Brenngas und rezirkulierten Verbrennungsgasen vorhanden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind vier derartige Kanäle vorhanden.

Öfen arbeiten gewöhnlich in einem kontinuierlichen Arbeitsablauf. Wenn beispielsweise ein Prozess einmal gestartet wurde, kann es sein, dass der Ofen nur selten neu gezündet werden muss. Das heißt, dass unter normalen Betriebsbedingungen der Ofen bereits auf der geeigneten Temperatur (beispielsweise 500–900°C zum Raffinieren, 1000 bis 1300°C zum Kracken) ist und die Mischung aus Brenngas und RFG verbrennt, wenn sie mit dem Verbrennungsluftstrom in Kontakt kommt. Wenn der Ofen jedoch das erste Mal oder nach längerer Nichtbenutzung gestartet wird, ist der Ofen kalt. Wenn demgemäß der Ofen das erste Mal gestartet wird, ist der Luftkanal (der zweite Kanal) in dem Brenner oder den Brennern kalt und die Luft in dem Ofen hat nicht die geeigneten Temperatur zur Verbrennung.

Entsprechend ist der zweite Kanal vorzugsweise mit einer Brenngasquelle (beispielsweise einem "Pilot"-Brennergasrohr, das eine Zündeinrichtung und ein Rohr zur Zufuhr von Brenngas umfasst) und optional einem oder mehreren zusätzlichen Rohren zur Zufuhr von Brenngas – oftmals als "innere" Brennergasrohre bezeichnet) versehen. Diese Brenngasquelle wird verwendet, um Brenngas zur Verbrennung in dem zweiten Kanal zur Verfügung zu stellen, wenn der Ofen neu gestartet wird. Die Verbrennung in dem zweiten Kanal heizt rasch den zweiten Kanal und die durch diesen strömende Luft auf, sodass schließlich der zweite Kanal (und der Ofen) die gewünschte Temperatur erreichen und es nicht länger erforderlich ist, dem zweiten Kanal Brenngas zur Verbrennung zuzuliefern. An diesem Punkt wird die Brenngasquelle für den zweiten Kanal zurückgefahren oder abgeschaltet.

Vorzugsweise ist der zweite Kanal mit einer Druckplatte (beispielsweise einer Platte mit einer Vielzahl von hindurchführenden Öffnungen) versehen, die den Druck des Luftstroms in dem zweiten Kanal vermindert, bevor er den Auslass des zweiten Kanals erreicht.

Vorzugsweise ist der Auslass bzw. sind die Auslässe der Brenngasquelle für den zweiten Kanal in der gleichen Ebene wie die Druckplatte oder nahe an dieser. Vorzugsweise hat der zweite Kanal eine größere Querschnittsfläche stromabwärts der Druckplatte als stromaufwärts der Druckplatte, sodass ein Ansatz um die Ebene der Druckplatte und den Auslass bzw. die Auslässe der Brenngasquelle für den zweiten Kanal vorhanden ist. Dies erlaubt es in dem Brenngas, sich an dem Ansatz abzusetzen, wo es verbrennt, um den zweiten Kanal zu erwärmen.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Verbrennen eines Brenngases in einem Ofen schaffen, enthaltend die Schritte des Mischens eines Brenngases mit rezirkuliertem Verbrennungsgas in einem ersten Kanal in einem Gasbrenner, um eine teilweise Verbrennung des Brenngases zu veranlassen, und des Leitens von Luft durch einen von dem ersten Kanal getrennten zweiten Kanal in dem Brenner, sodass Luft von dem zweiten Kanal sich mit dem teilweise verbrannten Brenngas und dem rezirkulierten Verbrennungsgas aus dem ersten Kanal an einer Position stromabwärts des Brenners und innerhalb des Ofens mischt und verbrennt. Somit wird das Brenngas mit dem rezirkulierten Verbrennungsgas gemischt, bevor es mit dem Verbrennungsluftstrom in Kontakt kommt und verbrennt. Dies kann zu einem niedrigen Niveau von NOx-Emissionen führen.

Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, den Verbrennungsluftstrom von dem Brenngas und RFG getrennt zuhalten, bis das Brenngas und die RFG sich miteinander vermischt haben. Da in den RFG eine gewisse Menge Sauerstoff vorhanden ist, verursacht das Mischen der RFG mit Brenngas in dem ersten Kanal eine Teilverbrennung des Brenngases in dem ersten Kanal. Die Mischung von RFG und Brenngas wird jedoch nur mit dem Hauptstrom von Verbrennungsluft gemischt und verbrannt, nachdem sie den Brenner verlassen hat. Dies erfolgt durch die Verwendung von zwei getrennten Kanälen: ein erster zum Mischen des Brenngases und der RFG und ein zweiter für den Verbrennungsstrom. Vorzugsweise sind die Auslässe des ersten und des zweiten Kanals (die zu dem Ofen führen) einander benachbart, sodass durch die Kanäle fließende Gase miteinander bald nach dem Verlassen der Auslässe in Kontakt kommen. Da die Kanäle bis zu ihren Auslässen von dem Brenner in den Ofen und einschließlich derselben getrennt sind, tritt keine Mischung der Luft aus dem zweiten Kanal mit dem Gemisch aus RFG und Brenngas innerhalb des Brenners, sondern nur in dem Ofen auf.

Vorzugsweise ist der Brenner auf dem Ofenboden angeordnet.

Vorzugsweise werden die rezirkulierten Verbrennungsgase (RFG) durch den Brenngasstrom in dem ersten Kanal in den ersten Kanal gezogen (d. h. in den Brenngasstrom mitgerissen). Diese Anordnung ist besonders energiesparend, da dies bedeutet, dass es nicht erforderlich ist, rezirkulierte Verbrennungsgase in den ersten Kanal zu pumpen.

Vorzugsweise wird das Brenngas durch ein in dem ersten Kanal vorgesehenes Brenngaseinblasrohr in den ersten Kanal eingeblasen. Vorzugsweise ist das Brenngas druckbeaufschlagt, da dies das Mitreissen der RFG in den Brenngasstrom unterstützt. In einer Ausführungsform wird das Brenngas mit 0–21/2 Bar eingeblasen.

Vorzugsweise lässt man die rezirkulierten Verbrennungsgase durch eine in dem ersten Kanal vorgesehene Öffnung in den ersten Kanal strömen.

Vorzugsweise ist die Öffnung in einer freiliegenden Seitenwand des ersten Kanals. Auf diese Weise können Verbrennungsgase durch die Öffnung direkt aus dem Ofen eintreten. Die Öffnung kann alternativ an einem Ende des Kanals angeordnet sein, das nicht das Auslassende ist. In diesem Fall ist vorzugsweise ein Abstand zwischen dem Ende und dem Boden des Ofens, sodass Verbrennungsgase direkt aus dem Ofen in die Öffnung eintreten können.

Vorzugsweise wird das Brenngas stromabwärts des Punktes, an dem die RFG in den ersten Kanal eintreten, in den ersten Kanal eingeblasen. Dies hilft zu verhindern, dass Brenngas durch den Einlass herausfließt und kann ebenfalls dazu beitragen, einen Saugeffekt zu erzeugen, der die RFG in den ersten Kanal saugt.

Vorzugsweise verjüngt sich der erste Kanal konisch stromabwärts des Punktes, an dem das Brenngas in den ersten Kanal eintritt. Vorzugsweise bildet diese konische Verjüngung eine Venturieinrichtung. Vorzugsweise treten die RFG in den ersten Kanal in der Nähe eines verengten Bereiches ein, der von dieser Verjüngung oder der Venturieinrichtung gebildet wird. Auf diese Weise entsteht dann, wenn Brenngas durch den ersten Kanal strömt, ein Druckabfall an der Venturieinrichtung oder dem verjüngten Abschnitt und re zirkulierte Verbrennungsgase werden durch diesen Druckabfall in den ersten Kanal gezogen.

Vorzugsweise wird Brenngas in einer Vielzahl von getrennten Kanälen (beispielsweise einem ersten, einem dritten, einem vierten und einem fünften Kanal) mit rezirkulierten Verbrennungsgasen gemischt, und das aus diesen Auslässen dieser Brenngas/RFG-Kanäle strömende Gasgemisch strömt zu einem Verbrennungsbereich innerhalb des Ofens und stromabwärts des Brenners, wo es mit dem Luftstrom aus dem zweiten Kanal verbrennt. Diese Kanäle können jedes der Merkmale des vorstehend beschriebenen ersten Kanals haben.

Da der Ofen kalt ist, wenn er erstmals gestartet wird, ist es erforderlich, den zweiten Kanal zu Beginn des Prozesses aufzuheizen, um so einen Verbrennungsluftstrom mit einer Temperatur zu schaffen, die zur Verbrennung mit dem Brenngas geeignet ist. Somit ist es dann, wenn der Verbrennungsprozess erstmals gestartet wird, bevorzugt, eine gewisse Menge Brenngas in den zweiten Kanal einzublasen, um die Verbrennung in dem zweiten Kanal zu veranlassen. Wenn der Kanal die gewünschte Temperatur erreicht hat, kann das Einblasen des Brenngases in den zweiten Kanal vermindert oder unterbrochen werden.

Nachfolgend werden nur als Beispiel zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Brenners gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den Luftkanal und einen der Brenngas/RFG-Kanäle zeigt;
3 ist eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den Brenner und einen unter dem Brenner vorgesehenen Windkasten zeigt;
4 ist eine Draufsicht der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 ist eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von oben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Brenners gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Brenner 10 ist in den Ofenboden eingesetzt (die durch Bezugszeichen 20 bezeichnete Ebene) und bildet drei Kanäle 1, 2 und 3. Der erste und der dritte Kanal 1, 3 haben Öffnungen 1a, 3a, in welche rezirkulierte Verbrennungsgase (RFG) von dem Ofen fließen können, und Auslässe 1b, 3b, durch welche durch den ersten und den dritten Kanal strömendes Gas ausströmen kann. Der erste und der dritte Kanal 1, 3 enthalten ferner Gaseinblasrohre 11, 12 zum Einblasen von druckbeaufschlagtem Brenngas mit einem Druck von 2 bis 2,5 Bar in den ersten beziehungsweise den dritten Kanal.
Der zweite Kanal 2 des Brenners dient zum Leiten von Luft, die mit dem Brenngas aus dem ersten und dem dritten Kanal 1, 3 verbrannt werden soll. Der zweite Kanal 2 hat eine achteckige Form (und hat achteckige Außenwände), und der erste und der dritte Kanal 1, 3 sind unmittelbar an seinen Wänden vorgesehen. Somit sind, wie in 1 zu sehen ist, die Auslässe 1b, 3b des ersten und des dritten Kanals dem Auslass 2b des zweiten Kanals benachbart. Der zweite Kanal 2 hat einen Einlass 2a, der in Fluidverbindung mit einem Windkasten 30 steht (in 3 gezeigt). Der Windkasten 30 ist unter dem Brenner 10 angeordnet und bildet eine Luftquelle für den zweiten Kanal 2.
2 ist eine Schnittansicht des Brenners 10 entlang der Linie A-A in 1. Somit zeigt sie nur den ersten Kanal 1 und den zweiten Kanal 2. 3 ist ebenfalls eine Schnittansicht und zeigt den Windkasten 30 sowie den Brenner 10. Wie aus 2 (und 3) ersichtlich ist, ist die Öffnung 1a des ersten Kanals in der Seitenwand des ersten Kanals vorgesehen (bei der es sich um eine freiliegende Seitenwand, d. h. eine Außenwand des Brenners handelt, die somit in direkter Verbindung mit der Ofenatmosphäre steht). Die Öffnung 1a erstreckt sich annähernd 180° um die Seitenwand des ersten Kanals und verläuft von der Ebene des Ofenbodens 20 nach oben. Sie ist so geformt und positioniert, dass das Einströmen von rezirkulierten Verbrennungsgasen (RFG) in den ersten Kanal erleichtert ist; die Strömungsrichtung der RFG bei Betrieb des Brenners ist in 2 durch Pfeile gezeigt.
Wie vorstehend erwähnt hat der erste Kanal 1 ferner ein Gaseinblasrohr 11, das druckbeaufschlagtes Brenngas in den ersten Kanal einbläst. Der Auslass des Gaseinblasrohres 11 bildet den Einlass für Brenngas in den ersten Kanal und ist oberhalb (stromabwärts) der Öffnung 1a angeordnet und richtet Brenngas nach oben in den ersten Kanal 1 mit einem Druck von 0–2,5 Bar. Da der Auslass des Gaseinblasrohres 11 oberhalb (stromabwärts) der Öffnung 1a angeordnet ist, fließt Brenngas nicht aus der Öffnung 1a und der Strom von druckbeaufschlagtem Brenngas nach oben in den ersten Kanal hat die Neigung, einen Saugeffekt zu verursachen, der rezirkulierte Verbrennungsgase (RFG) in den ersten Kanal zieht, sodass sie in den Brenngasstrom mitgerissen werden und sich mit dem Brenngas in dem ersten Kanal mischen.
Da die RFG eine gewisse Menge Sauerstoff enthalten, tritt eine gewisse Verbrennung in dem ersten Kanal auf, wenn das Brenngas und die RFG gemischt werden (das heißt das Brenngas verbrennt teilweise in dem ersten Kanal).
Der erste Kanal verjüngt sich konisch und bildet einen Venturibereich 40 unmittelbar stromabwärts der Öffnung 1a. Wie in 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst der Venturibereich 40 einen ersten Bereich 41, in dem sich die Querschnittsfläche des ersten Kanals allmählich verengt, und anschließend einen "eingeschnürten" Bereich, in dem die Querschnittsfläche des Kanals konstant bleibt und geringer ist als die Querschnittsfläche des Kanals stromaufwärts (unterhalb) des Venturibereichs. Der Auslass des Gaseinblasrohres 11 ist unmittelbar innerhalb des konisch verjüngten Bereichs 41 an einem breiteren Teil desselben angeordnet. Es ist wichtig, dass das druckbeaufschlagte Brenngas durch den Venturibereich 40 tritt.
Beim Betrieb des Brenners wird druckbeaufschlagtes Brenngas aus dem Rohr 11 eingeblasen und strömt durch den Venturibereich 40. Wenn das Brenngas durch den Venturibereich 40 strömt, fällt auf Grund der Wirkung des Venturibereichs 40 sein Druck ab, und dies veranlasst, dass rezirkuliertes Verbrennungsgas durch den Einlass 1a unmittelbar stromaufwärts des Venturibereiches angesaugt und mit dem Brenngas in dem Venturibereich vermischt wird. Das Gemisch aus Brenngas und rezirkuliertem Verbrennungsgas tritt durch den Auslass 1b aus dem ersten Kanal aus, der dem Auslass 2b des zweiten Kanals 2 benachbart ist.
Luft aus dem Windkasten 30 tritt in den zweiten Kanal 2 durch den Einlass 2a des zweiten Kanals ein und wird durch den Kanal geleitet, sodass sie aus dem Auslass 2b austritt. Dieser Verbrennungsluftstrom aus dem zweiten Kanal trifft dann auf den Strom des Gasgemisches aus Brenngas und RFG aus dem ersten Kanal (und auch von Brenngas und RFG aus den dritten Kanal, der gleich dem bereits beschriebenen ersten Kanal ist) und verbrennt unter Bildung einer Flamme 50. Diese bildet sich anfänglich über den ersten und den dritten Kanal, kann sich jedoch ausdehnen, sodass sie über dem Auslass 2b des zweiten Kanals ebenfalls vorhanden ist.
Da die RFG durch die Venturiwirkung und das Mitreissen in dem Brenngasstrom in den ersten (und 3.) Kanal 1, 3 gezogen werden, ist es nicht erforderlich, Pumpen vorzusehen, um die RFG in den Brenner zu leiten.
Wenn in der Ofen das erste Mal oder zum ersten Mal nach einer längeren Ruhezeit benutzt wird, ist der zweite Kanal 2 kalt. Um den Verbrennungsprozess zu starten, ist es wünschenswert, den zweiten Kanal auf eine Temperatur aufzuheizen, die für den jeweiligen Ofentyp geeignet ist (beispielsweise 500°C bis 900°C für einen Raffinerieofen, 1000°C bis 1300°C für einen Krackofen). Daher ist der zweite Kanal mit einem Pilotgaseinblasrohr 17 und inneren Brennergasrohren 14 zum Einblasen von Brenngas (das druckbeaufschlagt sein kann) in den zweiten Kanal versehen. Diese inneren Brenngaseinblasrohre 14 haben Auslässe um die Ebene einer Druckplatte 15, die quer über einen oberen Teil des zweiten Kanals 2 liegt. Das Pilotgaseinblasrohr 17 hat einen Auslass unter der Ebene dieser Druckplatte 15 und eine Zündung zum Zünden von aus dem Rohr austretenden Brenngas. Die Druckplatte 15 hat eine Vielzahl von Öffnungen 19, die in radial von der Mitte der Druckplatte ausgehenden Linien angeordnet sein können. Wenn Luft durch die Druckplatte tritt, wird ihr Druck vermindert. Die Querschnittsfläche des zweiten Kanals 2 erweitert sich stromabwärts (unterhalb) der Druckplatte 15 und Gas von den Einblasrohren 14 hat die Neigung, sich an einem Ansatz 16 in dem zweiten Kanal in der Ebene der Druckplatte 15 anzusammeln und dort zu verbrennen.
Sobald der zweite Kanal auf die gewünschte Temperatur erwärmt wurde, werden die Gaseinblasrohre 14 abgeschaltet. Da die Öfen normalerweise kontinuierlich arbeiten und nur selten neu gestartet werden, werden das Pilotgaseinblasrohr und die inneren Gaseinblasrohre selten verwendet.
4 ist eine Draufsicht eines Ofens mit zwei Brennern 10a und 10b, wobei jeder Brenner der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. Die Brenner sind in den Boden des Ofens eingebaut, und wie aus 4 ersichtlich ist, sind die Brenngas/RFG-Kanäle (der erste und der dritte Kanal 1, 3) der Brenner an einer Wand des Ofens ausgerichtet. Brenner mit dieser Konfiguration der Kanäle, die in 4 gezeigt ist, sind als an der Wand anliegende Brenner bekannt, da sie in einer Linie angeordnet werden können, sodass die Auslässe der Brenngas/RFG-Kanäle in einer geraden Linie entlang einer der Ofenwände verlaufen. Ferner ist aus 4 ersichtlich, dass der zweite Kanal ebenso wie die darin liegende Druckplatte 15 einen achteckigen Querschnitt hat. Dieser achteckige Aufbau ist praktisch und leichter herzustellen als beispielsweise ein kreisförmiger Kanal. Auch hat er den Vorteil, dass der erste und der dritte Kanal 1, 3 in der gewünschten Position ausgerichtet werden und der zweite Kanal 2 dünne Wände haben kann, sodass die Auslässe 1b, 3b des ersten und des dritten Kanals nahe an dem Auslass 2b des zweiten Kanals sein können. Auf diese Weise verbindet sich der Verbrennungsluftstrom aus dem zweiten Kanal problemlos mit dem Brenngas/RFG-Strom aus den anderen Kanälen.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Während der Brenner gemäß der ersten Ausführungsform zwei Brenngas/RFG-Kanäle hat, hat die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vier derartige Kanäle. Im übrigen ist sie gleich der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Draufsicht eines Brenners gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der zweite Kanal 2 hat die gleiche achteckige Struktur wie der zweite Kanal in der ersten Ausführungsform, wobei nun jedoch vier Brenngas/RFG-Kanäle 1, 3, 4, 5 an den Seiten des zweiten Kanals 2 anliegend angeordnet sind, sodass die Auslässe 1b, 3b, 4b, 5b dieser Kanäle dem Auslass 2b des zweiten Kanals benachbart sind. Wie aus 5 ersichtlich ist, hat der zweite Kanal 2 vier größere Seiten und vier kürzere Seiten, wobei die größeren Seiten in 90° zueinander ausgerichtet sind. Die Brenngas/RFG-Kanäle sind den größeren Seiten des Achtecks benachbart. Jeder Brenngas/RFG-Kanal hat ein Einblasrohr 11, 12, 50, 60 für druckbeaufschlagtes Brenngas.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Brenners gemäß der zweiten Ausführungsform von oben gesehen. 6 zeigt die Auslässe des ersten, dritten, vierten und fünften Brenngas/RFG-Kanals 1, 3, 4, 5 (die jeweils RFG-Einlässe wie vorstehend bei der ersten Ausführungsform haben, die jedoch in 6 nicht gezeigt sind), die dem Auslass 2b des zweiten Kanals benachbart sind. Der zweite Kanal hat eine Druckplatte 15 und einen Ansatz 16 in seinem oberen Abschnitt und die Auslässe der Brenngaseinblasrohre 14 des zweiten Kanals sind in der Ebene der Druckplatte 15, wie vorstehend unter Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben.
Brenner, die vier RFG/Brenngaskanäle haben, die um den Verbrennungsluftkanal 2 angeordnet sind, wie beispielsweise in 5 und 6 gezeigt, sind als Raffineriebrenner bekannt, da sie zur Verwendung in einem Raffinerieofen geeignet sind.
Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurden nur im Rahmen eines Beispiels beschrieben und Variationen und Modifikationen derselben sind möglich, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Patentansprüche gemäß der Auslegung im Rahmen der Beschreibung und der Zeichnungen definiert ist.

Claims

Gasbrenner zur Verwendung in einem Verbrennungsofen, enthaltend einen ersten Kanal und einen von dem ersten Kanal getrennten zweiten Kanal, welcher erste Kanal in Fluidverbindung mit einer Quelle von druckbeaufschlagtem Brenngas steht und welcher zweite Kanal in Fluidverbindung mit einer Luftquelle steht; dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (112) benachbarte Auslässe (16, 26) haben und der erste Kanal (1) eine Öffnung (1a) hat, durch welche rezirkulierte Verbrennungsgase in den ersten Kanal (1) eintreten können.
Gasbrenner nach Anspruch 1, bei welchem die Öffnung (1a) für rezirkulierte Verbrennungsgase in dem ersten Kanal (1) eine Öffnung in einer freiliegenden Seitenwand des ersten Kanals (1) ist.
Gasbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Öffnung (1a) in dem ersten Kanal (1) stromaufwärts des Einlasses des druckbeaufschlagten Brenngases in den ersten Kanal angeordnet ist.
Gasbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der erste Kanal sich stromabwärts des Einlasses des druckbeaufschlagten Brenngases in den ersten Kanal (1) konisch verjüngt.
Gasbrenner nach Anspruch 4, bei welchem der erste Kanal (1) sich konisch verjüngt und eine Venturieinrichtung (40) bildet.
Gasbrenner nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Öffnung (1a) zum Ermöglichen des Eintritts von rezirkulierten Verbrennungsgasen in den ersten Kanal (1) in der Nähe des konisch verjüngten Abschnitts oder der Venturieinrichtung (40) des ersten Kanals angeordnet ist.
Gasbrenner nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei welchem die Venturieinrichtung (40) einen sich verjüngenden Abschnitt enthält, in welchem die Querschnittsfläche des ersten Kanals (1) sich verengt, und stromabwärts des sich verjüngenden Abschnitts einen eingeschnürten Abschnitt (42), in welchem die Querschnittsfläche konstant bleibt und geringer ist als die Querschnittsfläche des ersten Kanals (1) stromaufwärts der Venturieinrichtung (40).
Gasbrenner nach Anspruch 7, bei welchem der Auslass des ersten Kanals (1b) an dem Ende des eingeschnürten Abschnitts (42) ist.
Gasbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Quelle des druckbeaufschlagten Brenngases ein Gaseinblasrohr (11) ist, das in den ersten Kanal (1) des Brenners verläuft.
Gasbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der erste Kanal (1) einer einer Vielzahl von Kanälen (1, 3) zum Mischen von Brenngas und rezirkuliertem Verbrennungsgas ist, wobei jeder derartige Kanal (1, 3) eine Öffnung (1a, 3a) für rezirkuliertes Verbrennungsgas hat, die in Fluidverbindung mit einer Quelle des druckbeaufschlagten Brenngases steht, und einen Auslass (1b, 3b) in unmittelbarer Nähe des Auslasses (2b) des zweiten Kanals (2).
Gasbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Wände des zweiten Kanals (2) in einer achteckigen Struktur angeordnet sind.
Verfahren zum Verbrennen eines Brenngases in einem Ofen, enthaltend die Schritte des Mischens eines Brenngases mit rezirkuliertem Verbrennungsgas in einem ersten Kanal in einem Gasbrenner, um eine teilweise Verbrennung des Brenngases zu verursachen, und des Leitens von Luft durch einen zweiten, von dem ersten Kanal getrennten Kanal in dem Brenner, so das sich Luft von dem zweiten Kanal mit dem teilweise verbrannten Brenngas und dem rezirkulierten Verbrennungsgas aus dem ersten Kanal an einer Position stromabwärts des Brenners und innerhalb des Ofens mischt und verbrennt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das rezirkulierte Verbrennungsgas durch den Strom des Brenngases in dem ersten Kanal in den ersten Kanal gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem druckbeaufschlagtes Brenngas in den ersten Kanal durch ein Brenngaseinblasrohr eingeblasen wird, das in dem ersten Kanal vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welchem rezirkuliertes Verbrennungsgas in den ersten Kanal durch eine Öffnung fließen kann, die in der Seitenwand des ersten Kanals vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welchem Brenngas in den ersten Kanal stromabwärts von dem Punkt eingeblasen wird, an dem rezirkuliertes Brenngas (richtig: Verbrennungsgas) in den ersten Kanal eintritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei welchem der erste Kanal sich stromabwärts von dem Eintrittspunkt des Brenngases in den ersten Kanal konisch verjüngt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem der erste Kanal sich konisch verjüngt und eine Venturieinrichtung bildet.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem rezirkuliertes Verbrennungsgas durch eine Öffnung in der Nähe der konischen Verjüngung oder Venturieinrichtung in den ersten Kanal eintritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei welchem Brenngas mit rezirkuliertem Verbrennungsgas in einer Vielzahl von Kanälen gemischt und teilweise verbrannt wird, und das Gemisch des teilweise verbrannten Brenngases und des rezirkulierten Verbrennungsgases, das aus den Auslässen dieser Kanäle strömt, zu einem Verbrennungsbereich innerhalb des Ofens und stromabwärts des Brenners strömt, wo es mit Luft aus dem zweiten Kanal verbrannt wird.
Ofen mit einem Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Anspruch 23.