DE2220884B2

DE2220884B2 - Fackelbrenner

Info

Publication number: DE2220884B2
Application number: DE19722220884
Authority: DE
Inventors: Denis Henry Weybridge Surrey; Young Christopher John Horton Buckinghamshire; Desty (Großbritannien)
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1971-04-29
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1977-06-30
Also published as: DE2220884A1; US3833337A; CA948097A; NL164653C; BE782841A; IT958558B; GB1383294A; NL7205704A; FR2136650A5; NL164653B; JPS5322692B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Beseitigung von brennbarem Abgas, insbesondere von Abgas aus Erdöl.

Es gibt viele Fälle, in denen die Ölindustrie Rohöl oder Rohölfraktionen handhaben muß, die aufgrund der Konzentration an niedrigmolekularen Kohlenwasserstoffen, wie Methan, Äthan, Propan und Butan, einen unannehmbaren hohen Dampfdruck haben. Es ist allgemein üblich, den Dampfdruck durch Verringerung der Konzentration an flüchtigen Komponenten zu senken, und die hierbei erhaltenen brennbaren Gase haben gewöhnlich Drücke unter 6 kN/m², wobei die Drücke sich als Überdrücke oberhalb von Normaldruck verstehen.

Es ist nicht immer möglich, brennbare Gase bei niedrigem Druck zu verkaufen oder in anderer Weise zu verwerten. Gelegentlich müssen sie verworfen werder, Hierbei entstehen häufig rauchige Flammen, insbeson derebei Butan bei Drücken unter 1,5 kN/rr .

Es wurden bereits Brenner zur Beseitige y von unter niedrigem Druck stehenden, nicht verwertbaren Gasen vorgeschlagen, die einen Eintritt aufweisen, der ein unter hohem Druck stehendes Gas über eine Leitfläche führt, die so gekrümmt ist, daß die Strömung von Gas und Luft zu einem Brennstoffeintritt ausgelöst wird, durch den ursprünglich unter niedrigem Druck stehender Brennstoff in deti Strom aus Hochdruckgas und Luft eingeführt wird. Der Leitkörper ist als Coandakörper s und die Leitfläche als Coandafläche bekannt

Brenner dieser Art sind sehr vorteilhaft in Fällen, in denen das Volumen des zu verbrennenden Gases nicht in weiten Grenzen schwankt Bei vielen Betriebszuständen erfordern jedoch die Fackeln einen weiten »turn

ίο down«-Bereich, um sich verändernde Arbeitsbedingungen zu berücksichtigen. Der Ausdruck »turn down«-Bereich ist das Verhältnis der erreichbaren maximalen Wärmezufuhr zum Brenner ohne Verschlechterung der Verbrennung geteilt durch die minimale Wärmezufuhr zum Brenner.

Aus der US-PS 34 19 339 ist ein Brenner bekannt, der eine Ansaugvorrichtung aufweist, bei der der Coanda-Effekt über einen festen Schlitz in Erscheinung tritt. Die untere Durchsatzgrenze einer Coandafackel mit einem feststehenden Schlitz liegt bei etwa 70 kN/m², so daß normalerweise das »turn down« durch Anwendung eines hohen maximalen Druckes von beispielsweise 550 bis 650 kN/m², bei dem sich ein »turn down« von etwa 3 :1 ergibt, erhalten wird. Hohe maximale Arbeitsdrükke haben jedoch zwei Nachteile: Zuweilen ist das Gas nicht unter einem genügenden Druck verfügbar, um das notwendige »turn down« zu erhalten, ferner nimmt das Geräusch der Fackel mit steigendem Druck zu.

Es wurde nun gefunden, daß es durch einen selbstregulierenden Schlitz möglich ist, den Arbeits druck über einen weiten Bereich von Durchflußmcngen konstant oder nahezu konstant zu halten, wodurch sich ein breiterer »turn down«-Bereich ergibt, als dies normalerweise möglich ist, und ferner die Schwierigkeiten behoben werden, die mit dem Betrieb unter hohem Druck verbunden sind.

Fackelbrenner mit einer Zuführungsleitung für ein Hochdruckgas und einem über deren Austritt angeordneten Coandakörper mit gekrümmter Ablenkfläche für die Gas- und Luftströmung längs der Oberfläche des sich verjüngenden Coandakörpers, der gekennzeichnet ist durch einen zwischen der Ablenkfläche des Coandakörpers und der Hochdruckgasleitung vorgesehenen selbstregulierenden Schlitz.

Unter einem selbstregulierenden Schlitz ist ein Schlitz zu verstehen, der sich automatisch der Durchflußmenge von Hochdruckgas so anpaßt, daß der Druck des Hochdruckgases beim Austritt aus dem Schlitz ungefähr konstant bleibt Als Hochdruckgas kann ein Brenngas oder Wasserdampf verwendet werden. Das Hochdruckgas tritt aus der Zuführungsleitung vorzugsweise unter einem Druck im Bereich von 70 bis 300 kN/m² aus. Wird als Hochdruckgas ein Brenngas verwendet, ist im Coandakörper vorzugsweise ein innerer Durchgang

5> vorhanden, durch den Brenngas unter niedrigem Druck in den Strom aus Hochdruckgas und Luft eingeführt wird. Wird als Hochdruckgas Wasserdampf verwendet, muß der Coaidakörper einen solchen Durchgang enthalten.

(>l Zweckmäßig läßt man den Coandakörper aul dem Gasstrom wie in einem Luftlager »schwimmen« oder schweben, d. h., der selbstregulierende Schiit? wird verwirklicht, indem die Hochdruckgasleitunt.; festste henti und der Coandakörper in Abhängigkeit vom

''- Gasdruck beweglich gestaltet ist. Bei dieser Anordnung öffnet sich der Schlitz so weit, daß jede erforderliche Menge Gas unter konstantem Druck hindurchströmen kann. Dieses System gestat'et jedoch nur niedrige

Arbeitsdrücke, es sei denn, daß der Körper mit einem Ballastgewicht bis zu einem hohen Gesamtgewicht belastet wird.

Vorteilhaft wird der bewegliche Coandakörper zusätzlich hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch belastet. Dies hat den zweifachen Vorteil, daß das Totgewicht vom oberen Ende des Fackelschornsteins entfernt und die erforderliche Belastung gesenkt wird. Bei hydraulischer oder pneumatischer Femsteuerung können die Druck/Strömungs-Charakteristiken der Fackel nach Bedarf verändert werden. Zweckmäßig erfolgt die zusätzliche Belastung des Coandakörpers über eine Last, die über einen hydraulischen Kolben auf den Coandakörper einwirkt

Die auf den Coandakörper einwirkende Belastung kann durch Einsetzen einer Feder erhöht werden, die die Coandafläche gegen den Eintritt des Hochdruckgases drückt Die Eigenschaften der Feder müssen so gewählt werden, daß die Coandafläche unter Bildung des Schlitzes vom Eintritt abgehoben wird, wenn Brenngas oder Wasserdampf unter hohem Druck einströmt Zwar bedeutet die Verwendung eines federbelasteten Systems anstelle eines freischwebenden Systems, daß der Druck nicht mehr bei allen Durchflußmengen konstant ist jedoch steigt die Durchflußmenge mit dem Quadrat des Drucks, wobei eine sehr steile Charakteristik und ein gutes »turn down« erhalten werden.

Die vorstehend beschriebenen Konstruktionsmerkmale bedingen eine Bewegung der Fackelspitze, so daß geeignete Führungen und flexible Verbindungen im Falle einer zentralen Niederdruckzuführung notwendig sind. Es ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aber auch möglich, den selbstrtgulierenden Schlitz zu verwirklichen, indem der Coandakörper feststehend und die Hochdruckgasleitung in Abhängigkeit vom Gasdruck beweglich gestaltet ist. Hierbei kann ein Federbalgteil in der beweglichen Hochdruckgasleitung unterhalb des Schlitzes angeordnet sein. Dies ermöglicht eine einfache Veränderung der Schlitzweite ohne Bewegung der Fackelspitze selbst, da der auf den Ausgang des Schlitzes zur Einwirkung kommende Druck so eingestellt werden kann, daß dieser Schlitz sich bis zur erforderlichen Weite öffnet

Vorzugsweise sind eine oder mehrere Federn, die parallel zum Federbalgteil wirken, in der beweglichen Hochdruckgasleitung angeordnet Diese Verwendung zusätzlicher Federn ist eine einfache Möglichkeit, den erforderlichen Druck zum Schließen des Schlitzes für eine bestimmte Anwendung zu erzielen, und hat die folgenden Vorteile:

1) Der Federbalg arbeitet unter geringerer Beanspruchung, so daß eine längere Lebensdauer möglich ist.

2) Fertigungsschwankungen im Federbalg können durch entsprechende Wahl der Federstärke ausgeglichen werden.

3) Der gleiche Federbalg kann für Fackeln von unterschiedlicher Spezifikation durch entsprechen de Wahl der Federn verwendet werden.

Bs ist bekannt, daß ein Gasstrom an einer in geeigneter Weise geformten Oberfläche »haftet« und eine gekrümmte Oberfläche einen Gasstrom ablenker und hierdurch eine Niederdruckzone erzeugen kann, im Fackelbrenner gemäß der Erfindung ist der Anfangstei! der Leitfläche die Rotationsfläche, die durch Rotation eines Kreisquadranten um die Längsachse des Coandakörpers gebildet wird, wobei de gekrümmte Abschnitt des Quadranten tangential zum Schlitz verläuft.

Hierdurch wird eine Zone niedrigen Drucks ausgebildet in die die Luft der umgebenden Atmosphäre strömt

Während des Betriebs des Brenners enthält die Niederdruckzone ein Gas mit hoher kinetischer Energie. Um das Strömungsbild von der Niederdruckzone hinweg zu verbessern, ist der Endteil des !.eitkörpers so geformt daß die kinetische Energie verringert und der Druck des Gases erhöht wird. Beispielsweise verjüngt sich der Endteil des Leitkörpers

ίο kegelförmig.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Abbildungen beschrieben.

Der in F i g. 1 dargestellte Fackelbrenner weist einen Coandakörper 1 und eine Leitung 2 für die Zuführung

ij von Brenngas unter hohem Druck auf. Wenn das Gas strömt öffnet sich ein Schlitz 3 zwischen dem Körper 1 und der Leitung 2. Der Körper 1 ist mit einer Leitfläche versehen, die aus zwei Teilen 4 und 5 besteht, die ineinander übergehen. Der Teil 4 ist ein Ablenkteil, der die Richtung des Hochdruckgases von waagerecht nach senkrecht verändert während der Teil 5 sich verjüngt und die Strömung zwischen dem Ablenkteil 4 und dem oberen Ende des Körpers 1 verändert.

Die Form des Abienkteils 4 läßt sich am einfachsten

:~ als Rotationsfläche beschreiben, die durch Rotation eines Kreisquadranten um die Längsachse des Coandakörpers gebildet wird, wobei der gekrümmte Abschnitt des Quadranten tangential zum Schlitz verläuft. Wie die Abbildungen zeigen, ist der Abstand zwischen der Rotationsachse und der Mitte des Quadranten gleich dem Radius des Quadranten. Der sich verjüngende Teil 5 hat die Form eines Kegelstumpfes.

Während das Hochdruck-Brenngas um den Ablenkteil 4 strömt wird seine Strömungsrichtung von anfänglich waagerecht zu senkrecht verändert. Hierdurch wird eine Niederdruckzone in der umgebenden Luft und demzufolge eine Bewegung von Luft sowie Brennstoff zum oberen Ende des Körpers 1 ausgelöst. Der Coandakörper 1 ist mit Hilfe einer Fühl ung 6 in die Hochdruckgasleitung 2 eingesetzt und ist freischwebend.

Beim Gleichgewichtspunkt ist PA= W, wobei P der Druck des Gases im Sitzrohr, A der Querschnitt des Rohres und Wdas Gewicht des Coandakörpers 1 ist. Da

4v A und VVkonstant sind, ist somit Pkonstant, und ohne Rücksicht auf die Gasdurchflußmenge öffnet sich der Schlitz lediglich, um diese aufzunehmen.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Konstruktion wird der Coandakörper 1 zusätzlich durch ein hydraulisches System belastet. Eine Last 10 wirkt auf den Kolben 11 eines schmalen hydraulischen Zylinders 12 ein. Der Körper 1 ist mit dem Kolben 13 eines weiten hydraulischen Zylinders 14 verbunden. Eine Leitung 15 überträgt den hydraulischen Druck zwischen den

>5 Zylindern 12 und 14.

In diesem Fall ist das mechanische Mehrgewicht des hydraulischen Systems

M, ■-■--■ U

worin W₁ das Gewicht der zur Hinwirkung gebrachten Las! 10. VV; das Gewicht des Körpers 1, Ai die Fläche lU^ Zylinders 12 und Λ -die Fläche des Zylinders 14 ist.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform drück; eine Feder 20 den beweglichen Coandakörper 1 gegen die feststehende Hochdruckgasleitung 2. Diese Feder · ι·ΐ < der Hebewirkung des Hochdruckgases

entgegen. Beim Gleichgewicht ist W₃ = Ai und P=Rd, wobei Wj das Gewicht des Coandakörpers t, Ai die Fläche der Leitung 2, P₃ der Druck in der Leitung 2, R die Federkonstante und c/der Federweg ist.

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform enthält die Hochdruckgasleitung 2 einen Federbalgteil 30 unmittelbar unterhalb ihres Austritts. Wennn der Druck des austretenden Gases steigt, wird der Schlitz 3 weiter, d. h„ es findet eine Relativbewegung zwischen dem. Coandakörper 1 und der Leitung 2 statt. Bei den in Verbindung mit Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen bewegt sich der Coandakörper, während die Leitung feststehend bleibt. Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform ist der Coandakörper feststehend. Auch fast die gesamte Leitung 2 bleibt feststehend, und die Relativbewegung erfolgt durch Zusammenziehen des Balgs 30. Umgekehrt hat eine Abnahme des Drucks eine Ausdehnung des Balgs zur Folge. Bei dieser Anordnung muß der Durchmesser des Außenrohres am Gasaustrittsschlitz 3 größer sein als der Durchmesser des Balgs 30, so daß die durch den Gasdruck auf den Schlitz 3 ausgeübte Kraft größer ist als die Kraft, die den Balg 30 durch den Innendruck öffnet.

Beim Gleichgewicht ist A\P_A = R₂d2, worin A't die reine wirksame Fläche, P« der Druck des Gases in der Leitung 2, R₂ die Federkonstante des Federbalgs und di der Federweg ist.

Bei der in Fig.5 dargestellten Ausführungsform unterstützen Federn 40 den Balg 30 in seiner Aufgabe. den Schlitz 3 zu schließen. Sie sind parallel zum Balg 30 wirksam und sind an der Hochdruckgasleitung 2 über und unter dem Balg 30 befestigt. Durch entsprechende Einstellung der Kraft der Federn 40 können Änderungen der Fackelspezifikation und Schwankungen der Balgfertigung berücksichtigt werden. Die großen Schrauben 16 ermöglichen das Zusammendrücken und die Einstellung der Federn.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

'f Patentansprüche:

1. Fackelbrenner mit einer Zuführungsleitung für ein Hochdruckgas und einem über deren Austritt angeordnetem Coandakörper mit gekrümmter Ablenkfläche für die Gas- und Luftströmung längs der Oberfläche des sich verjüngenden Coandakörpers, gekennzeichnet durch einen zwischen der Ablenkfläche (4) des Coandakörpers (1) und der Hochdruckgasleitung (2) vorgesehenen selbstregulierenden Schlitz (3).

2. Fackelbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstregulierende Schlitz (3) verwirklicht wird- indem der Coandakörper (1) feststehend und die Hochdruckgasleitung (2) in Abhängigkeit vom Gasdruck beweglich gestaltet ist

3. Fackelbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federbalgteil (30) in der beweglichen Hochdruckgasleitung (2) unterhalb des Schlitzes (3) angeordnet ist.

4. Fackelbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Federn (40), die parallel zum Federbalgteil (30) wirken, in der beweglichen Hochdruckgasleitung (2) angeordnet sind.

5. Fackelbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstregulierende Schlitz (3) verwirklicht wird, indem die Hochdruckgasleitung (2) feststehend und der Coandakörper (1) in Abhängigkeit vom Gasdruck beweglich gestaltet ist.

6. Fackelbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Coandakörper (1) zusätzlich hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch belastet ist.

7. Fackelbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Belastung des Coandakörpers (1) über eine Last (10) erfolgt, die über einen hydraulischen Kolben (13) auf den Coandakörper (1) einwirkt.