DE1401826A1 - Combustion device for hydrocarbon fuels - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung für Kohlenwasserstoffbrennstoffe mit einer becherförmigen Flammenkammer, die mit einem Heiz- oder Reaktionsraum oder dergleichen verbunden werden kann, und deren Boden eine Öffnung zum Zuführen des Brennstoffs und eines Oxydationsmittels, z.B. von Sauerstoff oder Luft, aufweistοThe invention relates to a combustion apparatus for hydrocarbon fuels having a cup-shaped Flame chamber with a heating or reaction space or the like can be connected, and the bottom of which has an opening for supplying the fuel and an oxidizing agent, e.g. of oxygen or air, o
Da bereits Verbrennungavorrichtungen dieser Bauart bekannt sind, werden sie im folgenden als Verbrennungsvorrichtungen der genannten Art bezeichnet. Die Verbrennung findet ausschließlich oder mindestens in einem erheblichen Ausmaß innerhalb der Plammenkammer statt, und die heißen Gase gelangen dann in einen Heiz- oder Reaktionsraum, an den die Verbrennungsvorrichtung angeschlossen ist. Bei der erwähnten Konstruktion ergibt sich eine sehr konzentrierte Verbrennungs- oder Reaktionsζone, mittels deren sich eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoff material ohne Luftüberschuß erzielen läßt, und außerdem kann die Vorrichtung sowohl mit einer vollständigen als auoh mit einer nur teilweisen. Verbrennung betrieben werden.Since combustion devices of this type are already known they are hereinafter referred to as combustion devices of the type mentioned. The incineration takes place exclusively or at least to a considerable extent within the plenum chamber, and the hot gases then pass into one Heating or reaction space to which the combustion device is connected. In the case of the construction mentioned a very concentrated combustion or reaction zone, by means of which a complete combustion of hydrocarbon material can be achieved without excess air, and moreover, the device can be used with both a complete and only a partial one. Combustion operated.
809808/0002809808/0002
- 2 - 1A-24 464- 2 - 1A-24 464
Bin Ziel der Erfindung besteht darin, eine Verbrennungsvorrichtung vorzusehen, die so konstruiert ist, daß eine Zone entsteht, in der sieh die Reaktion mit einer sehr hohen Intensität abspielt, wobei die Gefahr einer -Beschädigung der Wände der Flammenkaiiimer auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist, und wobei die Vorrichtung zur Verwendung bei einem Prozeß geeignet ist, durch den mit Hilfe einer teilweisen Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Gases ein Gas erzeugt wird, das Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthält.An object of the invention is to provide a combustion device that is designed to create a zone in which to see the reaction with a very high intensity plays, the risk of damage to the walls of the flame kettle is reduced to a minimum, and the apparatus being suitable for use in a process by which, with the aid of partial combustion, a Hydrocarbon using an oxygen-containing gas, a gas is produced that is hydrogen and carbon monoxide contains.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, bei dem es möglich ist, die Form der Flamme und den Verlauf der Gasströmung dadurch zu ändern, daß die gegenseitige Lage bestimmter Bauteile des Systems geändert wird.Another object of the invention is to provide a system in which it is possible to change the shape of the flame and to change the course of the gas flow by changing the relative position of certain components of the system.
Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Verbrermungssystem der genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß sie in Kombination eine wassergekühlte Umfassungswand aus Metall aufweist, die ein zentral angeordnetes kreisrundes Umlenkorgan enthält, welches nahe dem offenen Ende der Plammenkammer endet und zwei konzentrische ringförmige kühlkanale abgrenzt, in denen ein Kühlmittel zirkulieren kann, ferner eine Brennerdüse mit einem kegelstumpfförmigen Hingkanal für den Brennstoff und Sauerstoff oder Luft, wobei der Durchmesser der Flammenkammer größer ist als der Durchmesser des Auslasses des kegelstumpfförmigen Ringkanals und vorzugsweise mindestens gleich dem 1,5-fachen und höchstene gleich dem 6-fachen des zuletzt erwähnten Durchmessers ist, sowie einen aus Metall bestehenden flachen Boden der Flammenkammer, der das zentral angeordnete, eine ebene Stirnfläche aufweisende Ende der Brennerdüse mn-A combustion system designed according to the invention of the type mentioned is characterized in that it has in combination a water-cooled surrounding wall made of metal, which contains a centrally arranged circular deflecting element which ends near the open end of the plasma chamber and two concentric annular cooling channels in which a coolant can circulate, furthermore a burner nozzle with a frustoconical hanging channel for the fuel and Oxygen or air, the diameter of the flame chamber being larger than the diameter of the outlet of the frustoconical Ring channel and preferably at least equal to 1.5 times and the highest equal to 6 times the last mentioned Diameter, as well as a flat bottom of the flame chamber made of metal, which is the centrally arranged, a flat end face of the burner nozzle mn-
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Es hat sich gezeigt, daß die soeben geschilderte Anordnung gewährleistet, daß die Metallteile des Systems gegen übermäßig hohe Temperaturen geschützt werden, die während des Betriebs innerhalb der Flammenkammer auftreten, und daß gleich-. zeitig eine stabile Verbrennungs- oder Umwandlungszone entsteht, was auf die Einhaltung der erforderlichen Beziehung zwischen den Durchmessern des Auslasses des kegelstumpfförmigen Ringkanals und der Flammenkammer zurückzuführen ist. Insbesondere bildet sich ein bestimmter Verlauf der Gasströmung aus, wobei als wichtigstes Merkmal ein äußerer torusförmiger Gfaswirbel entsteht, durßh den Wärme zu einem Punkte zurückgeführt wird, der nahe demjenigen Punkte liegt, an welchem die miteinander reagierenden Stoffe aus dem Ringkanal austreten, wodurch eine stabile Reaktion gewährleistet wird·It has been shown that the arrangement just described ensures that the metal parts of the system against excessively high temperatures are protected, which occur during operation within the flame chamber, and that the same. A stable combustion or conversion zone arises early on, which means that the required relationship between is due to the diameters of the outlet of the frustoconical ring channel and the flame chamber. In particular a certain course of the gas flow develops, the most important feature being an outer toroidal gas vortex arises, by returning the heat to a point near the point at which they are connected reacting substances escape from the ring channel, which ensures a stable reaction
Die Umfassungs- oder Seitenwand der Flammenkammer hat eine Länge, die vorzugsweise zwischen dem 0,1-fachen und dem 0,8-fachen des Flammenkammerdurchmessers verstellt werden kann.The circumferential or side wall of the flame chamber has a length which can preferably be adjusted between 0.1 times and 0.8 times the flame chamber diameter.
Dadurch, daß man das Mittelstück gegenüber der Flammenkammerwand in axialer Richtung verstellt, kann man die Flammenform nach Bedarf beeinflussen und sie zwischen einer offenen Torusform, die der oben erwähnten kleineren Länge der Flammen-The fact that the middle piece is adjusted in the axial direction with respect to the flame chamber wall allows the shape of the flame influence as required and choose between an open torus shape, which corresponds to the above-mentioned shorter length of the flame
c>1 kammerwand entspricht, um zu gewährleisten, daß mindestens der c> 1 corresponds to the chamber wall to ensure that at least the
ο äußere Wirbel während des Betriebs erhalten bleibt, und einerο external eddies are preserved during operation, and one
\ geschlossenen doppelten Torusform variieren, die der erwähnten oo\ closed double torus shape vary that of the mentioned oo
° größeren Länge der Flammenkammerwand entspricht. Mit der offeoo ° corresponds to the greater length of the flame chamber wall. With the offeoo
o nen torusförmigen Flamme wird zweckmäßig dann gearbeitet, wenn o nen toroidal flame is working appropriately when
oo o oo o
der Brenner schräg, z.B. unter einem Winkel von 45 , mit einer Heiz- oder ^eaktionskammer verbunden ist, so daß dann während des -rietriebs eine gleichmäßige Verteilung der heißen Verbrennungs-the burner is connected diagonally, e.g. at an angle of 45, to a heating or reaction chamber, so that during the belt drive an even distribution of the hot combustion
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produkte innerhalb der Kammer gewährleistet ist.products inside the chamber is guaranteed.
Der Mündungskegelwinkel des divergierenden kegelstumpfförmigen BrennstoffzuführungskanalB kann zwischen 30° und 120° liegen; bei diesen Winkelwerten handelt es sioh um die zulässigen Grenzwerte, bei denen noch ein einwandfreier Betrieb des Systems gewährleistet 1st.The cone angle of the divergent frustoconical Fuel supply channel B can be between 30 ° and 120 ° lie; These angle values are all permissible Limit values at which perfect operation of the system is still guaranteed.
In der äußeren und/oder der inneren Wand des kegelstumpfförmigen Ringkanals kann man eine oder mehrere Öffnungen zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs vorsehen, so daß der Brennstoff in den Sauerstoff- oder Luftstrom eingeleitet und damit vermisoht wirdf ferner kann ein zusätzlicher axialer ■ Kanal in einem zentral angeordneten Bauteil des Brenners vor-. handen sein, über den man z.B, nur Sauerstoff zuführen kann, um die Verbrennung vor dem Abstellen des Brenners zu beeinflussen, oder Dampf, um den Verbrennungsvorgang so zu modifizieren, daß nur eine Teilverbrennung stattfindet! im letzteren Falle ist dieser Kanal vorzugsweise als zweiter inneren divergierenden kegelförmiger Kanal ausgebildet.In the outer and / or the inner wall of the frustoconical Annular channel you can provide one or more openings for supplying a liquid fuel, so that the Fuel is introduced into the oxygen or air stream and thus mixed with it. Furthermore, an additional axial ■ Channel in a centrally located component of the burner. be available through which, for example, only oxygen can be supplied, to influence the combustion before turning off the burner, or steam to modify the combustion process so that only a partial combustion takes place! in the latter Case this channel is preferably divergent as the second inner one conical channel formed.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eohematisoher Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert·The invention will be described in greater detail in the following Drawings explained in more detail using an exemplary embodiment
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematisohen Irängssohnitt.Fig. 1 shows an embodiment of the invention in a schematic Irängssohnitt.
Fig. 2 und 3 zeigen in kleinerem Maßstabe im Längeeohnitt zwei verschiedene Stellungen der Teile der Flammenkammerwand und lassen"-die sich während des ^etriebs einsteilenden Flammenformen erkennen.Figs. 2 and 3 show on a smaller scale in length two different positions of the parts of the flame chamber wall and let "- the flame shapes that are established during operation recognize.
8 0 98Ό8/0 00 28 0 98Ό8 / 0 00 2
Gemäß Fig. 1 umfaßt das erfindungsgemäße System eine becherförmige Flammenkammer 1, in der die Verbrennung stattfindet, wobei sich während des Betriebs torusförmige Gaswirbel ausbilden, wie es bei 2 und 3 durch Pfeile angedeutet ist. Die becherförmige Flammenkammer 1 hat einen flachen Boden 4, in dessen Mitte ein Brenner mit einer Düse 5 angeordnet ist, der eine ebene Stirnfläche aufweist. Zwischen der Düse 5 und dem Boden 4 ist ein kegelstumpfförmiger Ringkanal 6 vorgesehen, durch den das Gemisch aus dem Brennstoff und dem Oxydationsmittel zwischen den torusförmigen Gasströmen S und 3 in die becherförmige Flammenkammer 1 eingeleitet wird. Die Seitenwand 7 der Flammenkammer ist hohl und enthält ein kreisrundes bzw. zylindrisches Umlenkorgan 8, das zwei konzentrische ringförmige Kühlwasserkanäle 9 und 10 abgrenzt, die am vorderen Ende 11 der.Seitenwand 7 miteinander verbunden sind· Es sind hier nicht gezeigte Einlasse und Auslässe vorgesehen, die mit dem äußeren Kühlkanal 9 bzw. dem inneren Kühlkanal 10 verbunden und und es ermöglichen, Wasser in den Kanälen zirkulieren zu lassen.Referring to Fig. 1, the system of the invention comprises a cup-shaped flame chamber 1 in which the combustion takes place, toroidal gas vortices being formed during operation, as indicated by arrows at 2 and 3. The cup-shaped flame chamber 1 has a flat bottom 4, in the middle of which a burner with a nozzle 5 is arranged, which has a flat end face. A frustoconical annular channel 6 is provided between the nozzle 5 and the base 4, by which the mixture of the fuel and the oxidizing agent between the toroidal gas streams S and 3 in the cup-shaped flame chamber 1 is initiated. The side wall 7 of the flame chamber is hollow and contains a circular or cylindrical deflection element 8, which delimits two concentric annular cooling water channels 9 and 10, which at the front end 11 der.Seitenwand 7 are connected to each other · There are here Inlets and outlets (not shown) are provided which are connected to the outer cooling channel 9 and the inner cooling channel 10, respectively and and allow water to circulate in the channels.
Während des Betriebs wird Luft oder Sauerstoff über eine Rohrleitung 12 zugeführt, die in dem kegelstumpfförmigen Ringkanal 6 mündet. Die Einrichtung zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs umfaßt einen Kanal 13 in einem zentral angeordne-During operation, air or oxygen is passed through a Pipeline 12 fed into the frustoconical annular channel 6 opens. The device for supplying the liquid fuel comprises a channel 13 in a centrally arranged
o ten Bauteil 14, der zu einer schlitzförmigen Öffnung 15 nahe οo th component 14, which is close to a slot-shaped opening 15 ο
° dem Auslaß des Kanals 6 führt. Es ist jedoch auch möglich, die Q Einrichtung zum Zuführen des Brennstoffs in der äußeren Wand° the outlet of the channel 6 leads. However, it is also possible to use the Q Device for feeding the fuel in the outer wall
an des Kanals 6 vorzusehen; in diesem Falle kann man über den to be provided on the channel 6; in this case you can use the
«o Kanal 13 des Bauteils 14 ζ·Β· nur Sauerstoff zuführen, nachdem der Brenner stillgesetzt worden ist. Natürlich ist auch die Verwendung eines gasförmigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs F(TrcD «O Channel 13 of component 14 ζ · Β · only feed oxygen after the burner has been shut down. Of course, the use of a gaseous hydrocarbon fuel F (Tr c D
möglich, und in diesem Falle kann man den Brennstoff vorher mit der für die Verbrennung benötigten Luft mischen. Anstelle der schlitzförmigen Öffnung 15 kann man mehrere in gleichmäßigen Umfangsabständen verteilte getrennte Öffnungen vorsehen.possible, and in this case the fuel can be mixed beforehand with the air required for combustion. Instead of the slot-shaped opening 15 can be provided with a plurality of separate openings distributed at uniform circumferential intervals.
In Fig. 2 und 3, wo die sich bei verschiedenen Stellungen der Flammenkammerwand ausbildenden Flammenformen dargestellt sind, sind sowohl die Wand als der Boden der Flammenkammer aus Gründen der Einfachheit als massive Bauteile dargestellt, doch t sei bemerkt, daß die konstruktiven Einzelheiten tatsächlich der in Fig. 1 gezeigten Anordnung entsprechen.In FIGS. 2 and 3, where the are is shown at various positions of the flame chamber wall-forming flame shapes, both the wall shown as the bottom of the flame chamber for the sake of simplicity, as solid components, but t is noted that the constructional details actually in Fig. 1 correspond to the arrangement shown.
Ferner kann man die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit Wasserzuführungsmitteln versehen, damit V/asser in den Gasstrom eingespritzt werden kann, wenn die Absicht besteht, Gasgemische, die Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthalten, durch eine teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff oder Luft zu erzeugen. Diese Mittel können duroh mehrere aus den Zeichnungen nicht ersichtliche kleine ZuführungsöffnungenFurthermore, the combustion device according to the invention can be provided with water supply means so that water flows into the Gas stream can be injected when the intention is to pass gas mixtures containing hydrogen and carbon monoxide through to produce a partial combustion of hydrocarbons with oxygen or air. These funds can consist of several Small feed openings not visible in the drawings
^ gebildet werden, die im Boden 4 der becherförmigen Flammenkammer 1 um den Ringkanal 6 herum auf einem Kreia verteilt sind. Statt dessen kann man zu dem genannten Zweck einen ringförmigen Schlitz in der inneren oder äußeren Wand des Kanals 6 vorsehen. Ein solcher Schlitz läßt sich auf geeignete Y/eise gegenüber der Brennstoffzuftihrungsöffnung anordnen. Das i/asser kann gegebe-^ are formed in the bottom 4 of the cup-shaped flame chamber 1 are distributed around the ring channel 6 on a circle. Instead, an annular one can be used for the stated purpose Provide a slot in the inner or outer wall of the channel 6. Such a slot can be made in a suitable manner opposite the Arrange the fuel supply opening. The i / ater can be given
^ nenfalls über einen die Rohrleitung 12 umgebenden Hohlraum ^ zugeführt werden. Im letzteren Falle kann das diesen Raum durch-^ at least via a cavity surrounding the pipeline 12 ^ are fed. In the latter case, this can pass through this space.
strömende Wasser zusätzlich als Kühlwasser verwendet werdn.flowing water can also be used as cooling water.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems wurden VersucheExperiments were carried out with the aid of the system according to the invention
durchgeführt, wobei das System zur Erzeugung von Wasserstoffcarried out, the system for the production of hydrogen
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
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und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasgemischen durch die teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff benutzt wurde j man kann jedoch auch Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwenden? bei diesen Versuchen wurden sehr zufriedenstellende Ergenisse erzielt. Ferner hat es sich gezeigt, daß sich das System nach der Erfindung auch einwandfrei als mit hoher Intensität arbeitende Verbrennungsvorrichtung, d.h. für eine vollständige Verbrennung, betreiben läßt·and gas mixtures containing carbon monoxide are used by the partial combustion of hydrocarbons with oxygen however, one can also use air or oxygen Use air? these attempts have been very satisfactory Results achieved. Furthermore, it has been shown that the system according to the invention also works properly as operates a high-intensity combustion device, i.e. for complete combustion
Nachstehend sind die Hauptabmessungen der bei den Versuchen benutzten Verbrennungsvorrichtung angegeben.The following are the main dimensions of the tests incineration device used.
Innendurchmesser der FlammenkammerInternal diameter of the flame chamber
Durihmesser des ringförmigen Brennstoffzuführungskanals Diameter of the annular fuel supply channel
Länge der Plammenkammerwand Kegelwinkel des BrennstoffstrahlsLength of the flame chamber wall. Conical angle of the fuel jet
Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung ist auch bei Siemens-Martin-Öfen zum Schmelzen von Stahl vorteilhaft verwendbar.The combustion device according to the invention is also advantageous in Siemens-Martin furnaces for melting steel usable.
Fällen22 to 51
Cases
8 0 9808/000 2 OR1GInAL1NSPEOTED8 0 9808/000 2 OR 1 GI n AL 1 NSPEOTED
Patentansprüche:Patent claims:
Claims (8)
Kombination einer aus Metall bestehenden Wasser gekühlten1. Combustion device for hydrocarbon fuels with a cup-shaped flame chamber which can be connected to a heating or reaction chamber or the like and the bottom of which has an opening for supplying the fuel and an oxidizing agent, marked by the
Combination of a water-cooled one made of metal
das Oxydationsmittel, wobei der Durchmesser der Flammenkammer größer ist als der Durchmesser am Auslaß des kegelstumpfförmigen Ringkanals, sowie eines aus Metall bestehenden flachen Bodens der Flammenkammer, der das in seiner Mitte angeordnete, durch eine ebene Stirnfläche begrenzte Ende der Brennerdüse umfaßt. > contains, which ends near the open end of the flame chamber and delimits two concentric annular cooling channels through which a coolant can circulate, a burner nozzle with a frustoconical ring channel for the fuel and
the oxidizing agent, the diameter of the flame chamber being greater than the diameter at the outlet of the frustoconical ring channel, as well as a flat bottom of the flame chamber made of metal, which comprises the end of the burner nozzle arranged in its center and delimited by a flat end face.
dem 6-fachen des Durchmessers am Auelaß des kegelstumpfför»characterized in that the diameter of the flame chamber is at least equal to 1.5 faohen and at most equal
6 times the diameter at the outer edge of the truncated cone »
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB1055584A (en) | 1967-01-18 |
| US3224679A (en) | 1965-12-21 |
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