DE1667320C3

DE1667320C3 - Düsensystem zum Einspritzen strömungsfähiger Stoffe in eine Reaktionskammer

Info

Publication number: DE1667320C3
Application number: DE1667320A
Authority: DE
Inventors: Warren Gordon South Charleston W.Va. Hudson (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1966-09-06
Filing date: 1967-09-04
Publication date: 1978-08-10
Also published as: NL139896B; DE1667320A1; DE1667320B2; GB1207993A; ES344751A1; NL6712214A; SE322593B; US3505026A; BE703496A

Description

Die Erfindung betrifft ein Düsensystem zum Einspritzen strömungsfähiger Stoffe in eine kammer, in der die eingesprühten Stoffe verbrannt werden und/oder chemische Umsetzungen stattfinden, » jbei mindestens je eine Reihe von Düsen in einander gegenüberliegenden Wänden der Kammer vorgesehen sind, um durch die Kombination der Sprühstrahlmuster eine gleichmäßige räumliche Verteilung der eingesprühten Stoffe zu erzielen.

Ein solches Düsensystem beschreibt die US-PS 32 02 196. In jeder der einander gegenüberliegenden Wände der Kammer sind dort einander gleiche Düsen vorgesehen. Versuche haben jedoch ergeben, daß damit nur eine ungenügende Verteilung der eingesprühten Stoffe in der Kammer erreicht werden kann. Nimmt man nämlich Düsen mit einem verhältnismäßig geringen Öffnungswinkel des Sprühstrahls, so wird zwar die Mitte der Kammer relativ gut mit den Stoffen versorgt, während jedoch die Bereiche in der Nähe der mit den Düsen bestückten Wände nur schlecht versorgt werden. Geht man zur Vermeidung dieses Nachteils zu Düsen mit einem relativ breiten Sprühstrahl über, so werden die von den Düsen eingesprühten Stoffe nicht ausreichend bis in die Mitte der Kammer getragen. Das beschriebene vorbekannte Düsensystem arbeitet daher zufriedenstellend nur bei relativ schmalen Kammern bzw. geringen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der eingesprühten Stoffe.

Ein ähnliches Düsensystem beschreibt die US-PS 28 51 340, wobei ebenfalls einander gleiche Düsen in den Wänden einer Kammer einander gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Düsen haben Spitzen mit kreisförmiger öffnung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Düsensystem zum Einspritzen strömungsfähiger Stoffe in eine Kammer anzugeben, bei deren Verwendung durch Kombination dei Sprühstrahlmuster der Düsen eine gleichmäßige räumliche Verteilung der eingesprühten Stoffe erreicht wird,

Ausgehend von einem Düsensystem der eingangs genannten Art gelingt dies gemäß der Erfindung dadurch, daß zwei Arten von Düsen, die unterschiedliche Sprühstrahlmuster erzeugen, so atigeordnet sind, daß in der Düsenreihe jeweils eine Düse der ersten Art je einer Düse der zweiten Art folgt, daß jede Düse der ersten Art mit einer konischen, einen axialen Querschlitz aufweisenden Düsenspitze versehen ist und jede Düse der zweiten Art eine Düsenspitze mit kreisförmiger Öffnung aufweist, und daß jeder in der einen Kammerwand befindlichen Düse der einen Art in der gegenüberliegenden Kammerwand je eine Düse der anderen Art gegenüberliegt

Dieses Düsensystem hat sich als besonders geeignet für die Brennstoffzufuhr unter niedrigem Druck erwiesen. Die Erfindung ist darauf nicht beschränkt Durch die erwähnten Merkmale wird auch in einer Kammer mit einem verhältnismäßig großen Querschnitt eine sehr gleichmäßige räumliche Verteilung der eingesprühten Stoffe erreicht Versuche an einem regenerativ beheizten Krackofen haben ergeben, daß bei Verwendung des neuartigen Düsensystems trotz relativ geringen Brennstoffdrucks eine wesentlich höhere Wärmefreisetzung und eine geringere Menge an unverbrauchtem Brennstoff in den Abgasen erhalten wird als bei Verwendung von untereinander gleich ausgebildeten Düsen nach dem Stand der Technik.

Der Konuswinkel der Düsenspitzen der ersten Art von Düsen beträgt vorzugsweise 40° bis 50°, gemessen zu einer senkrecht zur Längsachse der Düse verlaufenden Ebene. Insbesondere wird ein Konuswinkel von etwa 45° bevorzugt Mit diesen Winkeln ergeben sich besonders gute Ergebnisse.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen unter Bezugnahme auf einen regenerativ beheizten Krackofen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Regenerativofen, dessen Abdeckung teilweise entfernt ist,
F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Ofens der F i g. 1 mit teilweise entfernter Seitenwand,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 durch diesen Ofen,

Fig.4 einen Teilschnitt durch eine Düse der erwähnten ersten Art,

F i g. 5 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform einer Düse der erwähnten zweiten Art

In den Zeichnungen ist ein Regenerativofen dargestellt, der aus einem gasdichten mit einer feuerfesten Auskleidung 13 versehenen Stahlmantel 11 besteht. In

ss der Mitte des Ofens befindet sich ein feuerfester zum Kracken dienender Besatz 15. Zwischen dem Besatz 15 und dem rechten Ende des Ofens liegt ein feuerfester Endbesatz 17. Ein dem Endbesatz 17 entsprechender weiterer feuerfester Besatz ist zwischen dem linken Ende des Ofens und dem Besatz 15 angeordnet (in der Zeichnung nicht vollständig dargestellt), jede dieser drei feuerfesten Besatzmassen des Regenerativofens weist zahlreiche, in Längsrichtung verlaufende öffnungen auf, durch die während der Erhitzungsperioden Verbrennungsluft- und Verbrennungsgase und während der Arbeitsperioden die zu behandelnden Rohstoffe und die beim Kracken erhaltenen Gase strömen. Die Besatzmassen sind in dem Stahlmantel und seiner feuerfesten

Auskleidung so angeordnet, daß zwei Brennzonen 19 und 21 entstehen, in die während des Verfahrens abwechselnd Brennstoff eingespritzt wird. Seitlich einer jeden der Brennkammern 19 und 2t sind in Reihen Brennstoffdüsen 23 und 25 angeordnet. Außerhalb der Endwandungen des Ofenmantels U sind Kammern 27 bzw. 29 vorgesehen, durch die abwechselnd Verbrennungsluft und zu behandelnde Rohstoffe eingeführt und Verbrennungsgase und durch Pyrolyse erhaltene gekrackte Gase aus dem Ofen abgelassen werden. Der in to den Zeichnungen dargestellte drei Besatzmassen aufweisende Ofen kann auch zusammen mit einem zweiten Ofen gleicher Bauart betrieben werden, um eine praktisch konstante Erzeugung von Produktgasen zu gewährleisten.

Zur Erläuterung des Verfahrens sei zunächst angenommen, daß der Ofen in einer Erhitzungsperiode von rechts nach links (Fig. 1, 2) fortschreitend aufgeheizt wird. Bei dieser nach links verlaufenden Aufheizung (nachstehend als »LHH« bezeichnet) tritt die Verbrennungsluft durch eine Leitung 37 in den Raum 29 ein und strömt durch eine öffnung am rechten Ende des Ofenmantcls 11 nach links durch die in Längsrichtung verlaufenden Öffnungen in dem feuerfesten En^-besatz 17 in die Brennkammer 21. In der Brennkammer 21 wird die Verbrennungsluft mit Brennstoff vermischt, der unter Druck durch die Düsen 23, 25 eingespritzt wird; der Brennstoff verbrennt und liefert Verbrennungsgase, die nach links weiterströmen. Die heißen Verbrennungsgase strömen zuerst, durch den feuerfesten Krackbesatz 15 und erhitzen diesen auf Kracktemperatur; dann strömen sie durch die Öffnungen in dem linken Endbesatz des Ofens und geben dort Wärme ab, bevor sie durch den linken Raum 27 und die Leitung 35 aus dem Ofen austreten.

Sobald die erwünschte Temperatur in dem Krackbesatz 15 erreicht worden ist, wird unmittelbar darauf die Zufuhr von Brennstoff und Luft in die Brennkammer 21 unterbrochen und eine nach rechts verlaufende Arbeitsperiode (nachstehend kurz »RHM« genannt) eingeleitet, indem der zu behandelnde Rohstoff mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus der Leitung 35 durch den Raum 27, den am linken Ende des Ofens gelegenen Endbesatz (in der der Rohstoff vorerhitzt wird und bereits leicht gekrackt werden kann) und durch die Brennkammer 19 in den Krackbesatz 15 geführt wird.

Bereits in einer verhältnismäßig kurzen Verweilzeit in dem Krackbesatz 15 wird der größte Teil der Beschickung gekrackt. Dann strömt das gekrackte Gas So durch die nun nicht befeuerte Brennkammer 21, den Endbesatz 17,-in-der es rasch abgekühlt wird, die öffnung im rechten Ende des Mantels 11, den Raum 29 und die Leitung 37 und kann nun die gewünschten Produkte getrennt oder auf andere Weise verwendet werden. Während der anschließenden Erhitzungs- und Arbeitsperioden verlauft die Erhitzung von links nach rechts (RHH), wobei die Verbrennungsluft durch die Leitung 35, den Raum 27 und den linken Endbesatz des Ofens in die Brennkammer 19 eingeführt wird, und während der Arbeitsperiode strömt der durch die Leitung 37 und den Raum 29 eingeführte Rohstoff von rechts nach links (LHM).

Werden öfen der beschriebenen Art paarweise betrieben, so werden die Leitungen 35 und 37 mit Umschaltventilen versehen, die entsprechend einem vorgewählten Programm Verbrennungsgase und gekrackte Produktgase in die jeweilige Austrittsleitung bzw. Produkt-Trennvorrichtnng führen. Auf gleiche Weise werden auch die Verbrennungsluft und die zu behandelnden Rohstoffe über Umschaltventiie durch die Leitungen 35 und 37 in die öfen geführt

Bei jedsr Erhitzungsperiode während eines vollen Kreislaufes kühlt die Luft denjenigen Besatz, durch den sie zuerst strömt und erhitzt nach der Verbrennung die beiden anderen Besatzmassen, wobei der Krackbesatz 15 stets auf höhere Temperaturen erhitzt wird als der jeweils stromabwärts liegende Endbesatz. Es wird in jeder Arbeitsperiode eines vollen Kreislaufes der zu behandelnde Rohstoff vorerhitzt, indem er von dem Endbesatz, mit dem er zuerst in Berührung gelangt, einen Teil derjenigen Wärme aufnimmt, die von den Verbrennungsgasen der unmittelbar vorhergehenden Erhitzungsperiode an diesen Endbesatz abgegeben wurde.

Die Brennstoffversorgung der Düsen 23, 25 der Brennkammern 19.21 kann über ein Leitungssystem 43, 45, 47 und 49 erfolgen, wobei diese Leitungen durch Brennstoff-Zuführungsleitungen 51 gespeist werden, die mit Ventilen 53 versehen sind, mittels derer der Brennstoff, je nach Verfahrensstufe, eingeführt oder unterbrochen werden kann.

In einem Ofen der beschriebenen Art muß während jeder Erhitzungsstufe ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Verbrennung, d. h. eine maximale Wärmefreisetzung aus dem verwendeten Brennstoff erzielt werden. Ein besonders gutes Kracken ist gewährleistet, wenn der Krackbesatz 15 die Wärme im wesentlichen in einer Isothermalfläche über die gesamte, in Fig.5 dargestellte Fläche aufnimmt Gleichmäßiges Erhitzen innerhalb der gesamten Brennkammer führt, zusammen mit einer möglichst hohen Wärmefreisetzung aus dem Brennstoff, zu besseren Ausbeuten, erhöhter Kapazität und einem größeren Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens.

Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform sind die Düsen 23 und 25, die unterschiedlich ausgebildete Düsenöffnungen besitzen, abwechselnd in Reihen entlang der Seitenwände der Brennkammern angeordnet In den jeweils gegenüberliegenden Reihen sind Hie Düsen derart angeordnet, daß jeder Düse 23 eine Düse 25 gegenüberliegt Eine der Ausführungsformen der Düsenspitzen ist mit einer geraden, kreisförmigen Durchbohrung versehen, während die Düsenspitzen der anderen Ausführungsform eine schlitzförmige Öffnung aufweisen. Die Fig.4 der Zeichnung zeigt einen Teilschnitt durch die Düse 23 mit schlitzförmiger Öffnung in der Düsenspitze und die Fig.5 einen Teilschnitt durch die Düse 25 mit kreisförmiger öffnung der Düsenspitze.

Bei der aus del.' Zeichnungen zu ersehenden Ausführungsform erzeugten die Düsen 23 ein verhältnismäßig breitgefächertes Sprühstrahlmuster und die Düien 25 ein schmales, aber etwas längeres Spriihstrahlmuster. Die bei alleiniger Verwendung der Düsen 23 auftretenden Mängel in der Verteilung des strömungsfähigen Brennstoffs werden also durch das Sprühstrahlmuster der Düsen 25 ausgeglichen und umgekehrt Die Düsen mit schlitzförmiger Austrittsöffnung mischen den Brennstoff mit der Verbrennungsluft in der Nähe der Brennkammerwände, und die Düsen mit kreisförmiger Austrittsöffnung befördern den Brennstoff weiter als die erstgenannten Düsen, so daß dieser sich mit der Verbrennungsluft in der Mitte der Brennkammer mischt.

Durch mehrere, z. B. mit dem oben beschriebenen

Regenerativofen durchgeführte Versuche konnte bewiesen werden, daß mit dem neuartigen Düsensystem die gleichmäßige und einheitliche Verteilung von strömungsfähigen Stoffen wesentlich verbessert werden kann. Die bei den Versuchen benutzten Brennkammern besaßen jeweils folgende Abmessungen:

Breite 130 cm; Höhe 152 cm; Länge etwa 36 cm. Vorerhitzte Verbrennungsluft wurde mit gasförmigem Brennstoff vermischt, der durch Düsen, die mit einem Mittenabstand von 11 cm entlang der Seitenwände der Brennkammern in Reihen angeordnet waren, eingespritzt wurde; jede Reihe bestand aus 13 Düsen, was einer Gesamtzahl von 26 Düsen pro Brennkammer entspricht. Die Düsen 25 wurden aus einer wärmebeständigen Metall-Legierung hergestellt und besaßen einen Außendurchmesser von 1,9 cm, einen Innendurchmesser von 1.27 cm und an der Spitze als Austrittsöffnung eine kreisförmige Durchbohrung mit einem Durchmesser von 0,74 cm. Die Düsen 23 bestanden aus dem gleichen Material, waren jedoch mit unter 45° konisch zulaufenden Spitzen versehen, die einen 0.27 cm breiten Schlitz aufwiesen.

Bei	Düsenanordnung:	23-	spie	I 1:
25-
23-	-25
25-	-23
23-	-25
25-	-23
23-	-25
25-	-23
23-	-25
25-	-23
23-	-25
25-	-23
23-	-25
Gasförmiger Brennstoff	-23
	-25
	mit der Zu;
CO
H2
CH4
C2H2
C2H4
C2H6
C3H6
CjHs


0,6%
2,3%
1,3%
53,9%
38,8%
0,1%
2,3%
O,io/o
0,5%
0,1%

100,0%

Dieser Brennstoff wurde mit einem Düsendruck von O334 kg/cm² und in einer Durchflußmenge von 1360 m³/h in die Brennkammer eingespritzt und dort mit Verbrennungsluft vermischt und verbrannt, die mit einer Durchflußmenge von 9000 m³/h eingeführt wurde.

Die Analyse der Abgase führte zu folgenden Werten:

Überschüssige Luft 13,6%

Unverbrauchter Brennstoff 5,8% Brennbare Stoffe in den Abgasen 1,6%

Bezogen auf diese Werte wurde die Wärmefreiset zung mit 6,6 ■ 10⁶ kcal/h errechnet

Betspiel 2

Unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Düsenanordnung wurde der folgende Brennstoff:

N 2

CO

II.»

CHi

C2H2

OH4

C2H6

CiH₆

C)He

0.2%

0.7%

1,3%

54,6%

40.1%

0,1%

2,3%

0,1%

0.5%

0,1%

100,0%

mit einem Düsendriick von 0,422 kg/cm² und einer Durchflußmenge von 150OmVh in die Brennkammer eingeführt und dort mit Verbrennungsluft vermischt und verbrannt, die mit einer Durchflußmenge von 9200 m³/h zuströmte.

Die Analyse der Abgase führt zu folgendem Ergebnis:

Überschüssige Luft 8,3%

Unverbrauchter Brennstoff 5,0%

Brennbare Stoffe in den Abgasen 1,6%

Die Berechnung anhand dieser Werte ergab eine Wärmefreisetzung von 7,1 · 10⁶ kcal/h.

Zu Vergleichszwecken wurde ein Versuch mit folgender Düsenanordnung durchgeführt:

25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25
25-	-25

Ein gasförmiger Brennstoff von im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wurde mit einem Düsendruck von 0,562 kg/cm² und einer Durchflußmenge von 119OmVh in die Brennkammer eingeführt, dort mit Verbrennungsluft gemischt und verbrannt, die mit einer Durchflußmenge von 8760 mVh zugeführt wurde.

Die Analyse der Abgase führt zu folgenden Werten:

Überschüssige Luft 35,1 %

Unverbrauchter Brennstoff 17,7^r,»

Brennbare Stoffe in den Abgasen 4,6%

Aufgrund dieser Werte wurde die Wärmefreisetzung mit 4,8 · 10⁶ kcal/h berechnet

Bei einem weiteren Vergleichsversuch mit gleicher Düsenanordnung wie beim vorangegangenen Vergleichsversuch wurde ein Brennstoff von im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 2 mit einem Düsendruck von 1,69 kg/cm² und einer Durchflußmenge von 1270 mVh in die Brennkammer geführt, während Verbrennungsluft mit einer DurchfluBmenge von 7650 m³/h zuströmte.

Die Analyse der Abgase lieferte folgende Werte:

Überschüssige Luft 7,4%

Unverbrauchter Brennstoff 283% Brennbare Stoffe in den Abgasen 6,8%

Aufgrund dieser Werte ergab sich eine Warmefreisetzung von 4,95 kcal/h.

Den Maßeinheiten und Werten in den vorstehenden Angaben liegen folgende Definitionen zugrunde:

kg/cm^J bedeutet Überdruck

m^J/h Bezugsgröße für die Mengen in mVh sind die wirklich gemessenen Mengen, bezogen auf gasförmige Basis bei einem absoluten Druck von 1,03 kg/cm² und einer Temperatur von 21 "C.

Alle Prozentangaben bedeuten Vol.-To. Bei allen Versuchen wurde der Brennkammerdruck auf einen Überdruck von ungefähr 0,5 at gehalten.

Ein Vergleich der Beispiele mit den Vergleichsversu-

chen zeigt, daß bei Verwendung des neuartigen Düsensystems trotz geringeren Brennstoffdrucks eine wesentlich höhere Wärmefreisetzung und eine geringere Menge an unverbrauchtem Brennstoff in den Abgasen erhalten wird als bei Verwendung von Düsen, die alle gleich ausgebildet sind.

Der Konus der Spitzen der in den Beispielen verwendeten Düsen 23 weist einen Winkel von 45° auf. gemessen zu einer quer zur Langsachse der Düse verlaufenden Fläche. Der Sprühstrahl der geschlitzten Düsen kann durch Vergrößern dieses Winkels verbreitert und/oder durch Verkleinerung des Winkels verengt werden. Düsen, deren konische Spitzen einen Winkel zwischen etwa 40° und etwa 50° aufweisen, haben sich als besonders geeignet erwiesen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Dösensystem zum Einspritzen strömungsfäbiger Stoffe in eine Kammer, in der die eingesprühten Stoffe verbrannt werden und/oder chemische Umsetzungen stattfinden, wobei mindestens je eine Reihe von Düsen in einander gegenüberliegenden Wänden der Kammer vorgesehen sind, um durch die Kombination der Sprühstrahlmuster eine gleichmäßige räumliche Verteilung der eingesprübten Stoffe zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Arten von Düsen (23 und 25), die unterschiedliche Sprühstrahlmuster erzeugen, so angeordnet sind, daß in der Düsenreihe jeweils eine Düse (23) der ersten Art je einer Düse (25) der zweiten Art folgt, daß jede Düse (23) der ersten Art mit einer konischen, einen axialen Querschlitz aufweisenden Düsenspitze versehen ist und jede Düse (25) der zweiten Art eine Düsenspitze mit kreisförmiger öffnung aufweist, und daß jeder in der einen Kammerwand befindlichen Düse der einen Art in der gegenüberliegenden Kammerwand je eine Düse der anderen Art gegenüberliegt
2. Düsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der Düsenspitzen der ersten Art von Düsen (23) 40° bis 50° beträgt, gemessen zu einer senkrecht zur Längsachse der Düse verlaufenden Ebene.