DE2461394A1

DE2461394A1 - Brenner zur verbrennung von gasen mit geringem heizwert

Info

Publication number: DE2461394A1
Application number: DE19742461394
Authority: DE
Inventors: Hershel Eugene Goodnight; Robert Dehart Reed
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-24
Publication date: 1975-07-10
Also published as: IT1026141B; NL7416491A; FR2256370B1; FR2256370A1; US3857672A; CA1013250A; NL164946B; NL164946C; JPS5096937A; GB1448893A

Description

Brenner zur Verbrennung von Gasen mit geringem Heizwert

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Verbrennung von Gasen mit geringem Heizwe-rt. Infolge der herrschenden Energiekrise und der steigenden Brennstoffkosten wird in großem Umfang eine sichere und stabile Verbrennung von sogenannten mageren Prozessgasen verlangt, also von Gasen, die einen, so geringen Heizwert aufweisen, daB sie nicht selbst verbrannt werden können. Da ein Teil dieser Gase sine beträchtliche sensible Wärme aufweist, können sich aus einer wirtschaftlichen Verbrennung dieser mageren Gase

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insofern Vorteile ergeben, als durch diese Verbrennung sowohl ihre chemische als auch ihre sensible Wärme genutzt werden kann.

Ein typisches Merkmal vieler Industrien, und zwar besonders typisch für beispielsweise die Rußindustrie ist die Erzeugung großer Mengen magerer Gase, deren Wärmeinhaltswerte so klein sind, daß diese Gase nicht in der Lage sind, ihre Verbrennung selbst zu unterhalten, abgleich sie eine erhebliche sensible oder Eigenwärme besitzen. Es herrscht in der Fachwelt keine Übereinstimmung darin, wie groß der minimale Wärmewert des Gases sein muß, damit eine sichere und stabile Selbstverbrennung ermöglicht wird, jedoch liegt ein solcher Mindestwert bei etwa 630 Kcal/m als unterer Wärmewert CLHV). Die Verbrennung eines mageren Gases dieses Wärmewertes ist möglich, bereitet jedoch gewisse Schwierigkeiten. Auch muß die Verbrennung in einer Zone stattfinden, die beträchtlich durch Verbrennung eines üblichen Brennstoffs, beispielsweise Kohle, Öl oder Kohlenwasserstoffgas, vorgewärmt ist. .

Die mageren Gase weisen in diesem Falle einen Heizwert von 90 Kcal/m³ LHV bis 540 Kcal/m³ LHV auf, wobei in einigen Fällen noch ein gewisser Gehalt an sensibler Wärme hinzutritt, während in anderen Fällen keine solche sensible Wärme vorhanden ist. Die Heizwerte sind als untere Wärmewerte angegeben, da dies dem sensiblen Wärmewert entspricht, der somit zurückgewinnbar ist, während der höhere Heizwert des Brennstoffs die latente Wärme für die Verdampfung des Wassers beinhaltet, das durch die Verbrennung von Wasserstoff entsteht. Wasserstoff stellt einen typischen Bestandteil magerer

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Gase dar. Auch Co, NH₃, H2S, COS, CS₃, Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffe gehören hierzu. Die Gasbestandteile können N2, H„0, A, C0„ und andere Gase sein.

Eine sichere und stabile Verbrennung magerer Gase wie im vorliegenden Fall erfordert ein gleichzeitiges Verbrennen oder Verfeuern eines leicht brennbaren Brennstoffs, um einen Teil des Wärmebedarfs zu decken und damit also Wärme für eine rasche Verbrennung der mageren Gase zuzuführen, die Verbrennung solcher Gase also zwangsläufig zu unterhalten. Der Brennstoffbedarf für eine solche zusätzliche Wärme richtet sich nach den Eigenschaften der mageren Gase, wobei dieser Bedarf in dem MaBe ansteigt, wie der Heizwert der mageren Gase sinkt.

Aufgrund des Brennstoffzuf uhrproblems wird vorzugsweise mehr als nur ein einziger leicht brennbarer Brennstoff vorgesehen. Diesem Problem widmet sich auch die im folgenden beschriebene Erfindung, bei der Vorkehrungen zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffgasen als ein leicht verbrennbarer Brennstoff oder eines flüssigen Brennstoffs getroffen werden, und zwar in Abhängigkeit davon, welche Zufuhr- und Betriebsprobleme sich ergeben, wobei der flüssige Brennstoff öl oder irgendeine andere leicht verbrennbare Flüsigkeit sein kann.

Damit be-fest sich die Erfindung also mit Gasbrennern und betrifft insbesondere eine Einrichtung zur Verbrennung von Gasen, die einen solch niedrigen Heizwert aufweisen, daß sie ohne zusätzliche Wärmezufuhr nicht verbrannt werden können.

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Es sind nun zwar bereits Brenner bekannt, in denen Brennstoff zur Erzeugung einer heißen Flamme verbrannt wird, in die dann magere Gase eingeleitet werden können, jedoch sind diese Brenner alle mit erheblichen Nachteilen behaftet .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brenner zu schaffen, in dem flüssige oder gasförmige Brennstoffe mit LuftüberschuB verbrannt werden können, um die hohe Umgebungstemperatur zu erzeugen, die für eine vollständige Verbrennung eines Gases mit geringem Heiz- oder Wärmewert erforderlich ist, das in den Brenner eingeleitet wird.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß mit einem Brenner gelöst, der ein kreisrundes, zylindrisches Metallgehäuse aufweist, das eine hitzebeständige Auskleidung besitzt. Ein erstes Ende des Gehäuses ist geschlossen, während das zweite Ende an der Wand eines Ofens zur Ausnutzung des Heizwertes der zu verbrennenden Gase angebracht werden kann. Die mageren Gase werden durch eine oder mehrere Düsen eingeleitet, die tangential zu der inneren Oberfläche der Auskleidung angeordnet sind, und zwar in einer Ebene, die in der Mitte zwischen den geschlossenen und offenen Enden des Brenners liegt. In dem Brenner lässt sich sowohl flüssiger und gasförmiger Brennstoff für sich allein als auch beide Brennstoffe zusammen zwischen dem geschlossenen Ende und der Einleitungsebene des mageren Gases verbrennen.

Flüssiger Brennstoff lässt sich in einem für einen solchen Brennstoff geeigneten Brenner verbrennen, der in einer axialen Öffnungen am geschlossenen Ende des Brenners befestigt

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ist. Dieser Flüssigkeitsbrennstoffbrenner ist mit einer Einrichtung zur Einleitung primärer Verbrennungsluft und flüssigen Brennstoffs versehen und erzeugt einen sich ausdehnenden Sprühstrahl brennender Flüssigkeitströpfchen in Richtung auf die Einführungsebene des mageren Gases. Zusätzliche Verbrennungsluftöffnungen können durch einen Ringkanal vorgesehen werden, wobei der Kreisdurchmesser größer ist als der Durchmesser des Flüssigkeitsbrennstoffbrenners. Die Verbrennungsluft strömt durch den Kanal in axialer Richtung der Einführungsebene der mageren Gase zu. ' Die tangentiale Einleitung und die schraubenförmige Dreh-Bewegung des mageren Gases erzeugt eine turbulente Vermischung mit der aus den Öffnungen eintretenden Luft, wodurch in der Umgebung der heißen aus dem Flüssigkeitsbrenner austretenden Flamme eine umfassende und vollständige Verbrennung der mageren Gase erreicht wird.

Es ist außerdem eine Einrichtung vorgesehen, durch die gasförmiger Brennstoff in einer tangentialen Drehbewegung in eine Ebene zwischen dem geschlossenen Ende des Brenners und der Einleitungsebene des mageren Gases eingeführt, werden kann. Auf diese Weise lassen sich flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zur Erzeugung der hohen Umgebungstemperatur verwenden, die für die Verbrennung des mageren Gases erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 eine senkrechte Schnittansicht eines Brenners zur Verbrennung von Gasen mit geringem Heizwert, und

Fig. 2 und 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 bzw. 3-3 in Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 ein sogenannter Dreibrennstoffbrenner zur Verbrennung von Gasen mit geringem Heizwert dargestellt, also ein Brenner, in dem drei Brennstoffe gleichzeitig verbrannt werden können. Der Brenner 10 weist ein kreisrundes, zylindrisches Metallgehäuse 12 auf, das sich an der Außenwand 18 eines Ofens 16 befestigen lässt. Der Ofen hat eine hitzebeständige Auskleidung 20, während der Brenner mit einer hitzebeständigen Auskleidung 14 versehen ist. Das erste Ende des Brenners 10 wird von der Wand 22 abgeschlossen. In der Wand 22 befindet sich eine Öffnung, in der ein Flüssigkeitsbrennstoffbrenner 28 getragen wird, der ein Zufuhrrohr

32 und eine Düse 34 für einen flüssigen Brennstoff aufweist. Die Flüssigkeit wird unter Druck zugeführt, so daß in den Brenner ein expandierender Brennstoff-Tröpfchenstrom, der ganz allgemein durch die Linien 36 angedeutet ist, eingespritzt wird. Eine nicht dargestellte, jedoch in diesem Zweig der Technik bekannte Vorrichtung dient zur Zündung der Tröpfchenströme, so daß eine heiße turbulente Flamme entsteht, die in den Raum 11 des Brenners 10 hineingerichtet ist. Das Rohr 32 wird in dem zylindrischen Rohr 33 getragen, das in einem Rahmen 30 befestigt ist, der seinerseits durch eine Metallplatte 26 abgestützt wird. Die zylindrische Platte 24 ist an der STirnwand 26 des Brenners befestigt. Der Zylinder

33 wird von dem Rahmen 30 getragen, der aus Stahlprofilen besteht. Somit kann Luft leicht in die Öffnungen 48 und 40

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eintreten. Die öffnung 40.in der Platte 26 führt Luft zur teilweisen Verbrennung der Öltröpfchen zu. Eine verschiebbare Membraneinrichtung 42 ist auf dem Rohr 33 so vorgesehen, daß bei einer Bewegung in Richtung der Pfeile 44 mehr oder weniger Luft durch die Öffnung 40 eintreten kann, wie dies durch den Pfeil45 angedeutet ist. Ein hitzebeständiges, sich regenerierendes Formstück 46 umgibt den Flüssigkeitströpfchenstrom, der sich durch eine öffnung 48 hindurchbewegt. Dieses Formstück ist in der US-PS 3,711,243 beschrieben. Es dient zur Erzeugung einer Hochtemperatur-Zone für die kontinuierliche Zündung von Flüssigkeitströpfchen, sobald diese in den Brenner eingedüst werden, sowie zur beschleunigten Zuverfügungstellung von Wärme aus dem flüssigen Brennstoff.

Die entsprechend dem Pfeil45 eintretende Luft liefert nur eiren Teil der Verbrennungsluft für den flüssigen Brennstoff. Die übrige Luft strömt durch einen Ringkanal 54, der rund um die Außenseite des zylindrischen Körpers 24 läuft. Diese Luft wird durch eine Konstruktion 50 geführt, die einen Luftschieber 52 zur Steuerung der in den Verbrennungsraum 11 durch die Ringkan.äle 54 eintretenden Sekundärluftmenge aufweist. Die durch die Kanäle 44 strömende sekundäre Verbrennungsluft wandert aufgrund der Brennstoffeinspritzung teilweise durch die Öffnungen 34, wodurch eine Strömung erzeugt wird, aufgrund derer in dem Raum 11 ein geringerer Druck entsteht als er dem Umgebungsdruck außerhalb des Brenners entspricht. Dieser Luftdruck außerhalb bewirkt, daß Verbrennungsluft gemäß den Pfeilen 55 durch den Ringkanal 54 einströmt. Die Erzeugung des Unterdrucks im Raum

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kann aber auch mit Hilfe anderer an sich bekannter Einrichtungen geschehen.

Die innere Oberfläche der hitzebeständigen Auskleidung weist einen ersten Durchmesser 56 auf, der zu einer Ebene 60 gehört, sowie einen zweiten größeren Durchmesser 58, der zu der Ebene 62 gehört und eine Oberfläche betrifft, die sich in Richtung auf das zweite Ende 23 des Brenners und auf den Ofen 16 erstreckt. Kohlenwasserstoffbrennstoffgas wird durch die Öffnungen 64 in einer tangentialen Strömung eingeblasen, so daß es an der Oberfläche 56 zur Anlage kommt und auf dieser Oberfläche entlangströmt. Die durch den ringförmigen Kanal 54 eintretende Luft strömt am Rande der kreisförmigen Brennstoffgasströmung entlang und mischt sich mit letzterer, so daB es so verbrannt werden kann, daß sich die heißen Brennstoffgase auf einer schraubenförmigen Bahn bewegen und dabei in axialer Richtung auf den Ofen 16 zuströmen.

Die mageren Gase werden durch eine Reihe Öffnungen 66 eingeleitet, so daß sie tangential zu der zylindrischen Oberfläche 58 strömen und sich mit der überschüssigen, durch den Ringkanal 54 einströmenden Luft sowie mit den eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsprodukten entweder des Brennstoffgases allein oder sowohl mit dem Brennstoffgas als auch mit dem expandierenden Kegel brennender Brennstofftropfchen in der Ebene 60 vermischen.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie 2—2 in Fig. 1. Aus ihr geht hervor, daß das Brennstoffgas gemäß den Pfeilen 74 durch die Rohre 70 und 72 und passende

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Öffnungen 78 und 80 durch die Wand 12 der hitzebeständigen Auskleidung 14 strömt. Die Strömungsrichtung veriäuft tangential zu der Oberfläche 56, die einen größeren Durchmesser aufweist als dem Durchmesser des ringförraigen Kanals 54 entspricht, durch den hindurch die Verbrennungsluft eintritt.

In Fig. 3 ist eine ähnliche Querschnittsansicht dargestellt, jedoch längs der Linie 3-3 in Fig. 1. Dies entspricht der Ebene 62, in der das magere Gas in den Brenner eingeleit± wird. Hier werden die mageren Gase durch die Pfeile 82 gekennzeichnet. Sie gelangen durch die Düsen 83 und 84 tangential zu der kreisrunden Oberfleche 58 in den von der Auskleidung umschlossenen Raum, so daß sie eine schraubenförmige Drehbewegung ausführen. Die entweder von dem Flüssigkeitkraftstoffbrenner 28 oder das tangential eintretende Brennstoffgas, das durch den ringförmigen Kanal eintretende überflüssige Luft mittransportiert, erzeugten heißen Gase werden mit dem mageren Gas innig vermischt und fördern die vollständige Verbrennung des mageren Gases. Obgleich bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Konstruktion zwei Eintrittsöffnungen vorgesehen werden, kann auch nur eine oder mehr als zwei dieser Öffnungen für jedes Verwendung finden.

In den Fig. 2 und 3 ist dargestellt, daß das Brennstoffgas und das magere Gas in demselben Drehsinn tangential eintreten, d.h. also im Uhrzeigersinn in der Zeichnungsebene strömen. Es würde jedoch auch möglich sein, die Gase im entgegengesetzten Drehsinn strömen zu lassen. Die heißt, die Strömungsrichtung kann gleichsinnig oder gegensinnig sein.

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Im obigen wurde ein Dreibrennstoffbrenner dargestellt, der erforderlich ist, um zur Verbrennung eines armen Gases entweder mit Hilfe eines lejbcht brennbaren gasförmigen Brennstoffs oder eines flüssigen Brennstoffs eine bestimmte Wärmemenge zu erzeugen.

Die Vorrichtung zur Verbrennung von gasförmigem Brennstoff zwecks Wärmezufuhr zur raschen und zwangsläufigen Verbrennung magerer Gase ist sowohl mit als auch ohne Bezugnahme auf die Verwendung von mehr als nur einem einzigen leicht brennbaren Brennstoff neuartig und fortschrittlich. Dies trifft auch auf die Anordnung in Verbindung mit dem sich regenerierenden Formstück zur Verstärkung der Verbrennung des flüssigen Brennstoffs in Abwesenheit eines brennenden gasförmigen Brennstoffs zu, da die Luftabgabe in beiden Fällen insofern identisch ist, als nur ein Teil des gesamten Luftbedarfes durch die Luftabgabevorrichtung zugeführt wird, die durch den Pfeil 45 kenntlich gemacht und mit Primärluft oder Ölluft bezeichnet wird und einen Bruchteil der gesamten Luftmenge darstellt, die für die Verbrennung des flüssigen Brennstoffs erforderlich ist.

Wenn der Brenner mit gasförmigem Brennstoff betrieben wird, muß der Gas-Luft-Schieber 52 geöffnet sein, während der Öl-Luft-Schieber entweder geöffnet oder geschlossen sein kann. Der Öl-Luft-Schieber muß jedoch dann geöffnet sein, wenn flüssiger Brennstoff verbrannt wird, um dadurch einen frühen Beginn der Flüssigkeitsbrenretoffverbrennung zu erreichen. Die Primärluft für die anfängliche Ülverbrennung bildet

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keinen bedeutenden Teil der Gesamtluftzuhr für die vollständige Verbrennung, da die sekundäre oder Gas luft in der Lage ist, die gesamte Luftzufuhr zu bewirken.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Brenner für gasförmige und flüssige Brennstoffe zur Unterstützung der Verbrennung von einen niedrigen Heizwert aufweisenden Gasen, gekennzeichnet durch ein zylindrisches, mit einer waagerechten Achse und einer hitzebeständigen Auskleidung (14) versehenes Metallgehäuse (12), das an einem ersten Ende verschlossen ist und an einem zweiten Ende an einer Ofenwand (22) anbringbar ist, wobei die hitzebeständige Auskleidung drei abgestufte Durchmesser aufweist, ferner durch eine Verbrennungslufteintrittseinrichtung (50, 52, 55), durch die hindurch in Längsrichtung Verbrennungsluft an einem ersten Durchmesser durch einen ringförmigen Kanal (54) hindurch in das geschlossene Ende des Brenners eintritt, eine Brennstoff gaseintrittsvorrichtung (54) zur tangentialen Zuführung von Brennstoffgas unter Druck im Bereich eines zweiten , größeren Durchmessers (56), die in axialer Richtung von der Verbrennungslufteintrittsvorrichtung mit Abstand getrennt ist, und durch eine Eintrittsvorrichtung (66) für mageres Gas, durch die ein Gas mit niedrigem Heizwert in tangentialer Richtung im Bereich eines dritten, größeren Durchmes-sers (58) einführbar ist, wobei die letztgenannte Vorrichtung in axialer Richtung von der Brennstoffgaseintrittsvorrichtung (64) mit Abstand getrennt ist und der dritte Durchmesser (58) sich über die'übrige Länge des Gehäuses (12) fortsetzt.

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2. Brenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Brenner (28) für flüssigen Brennstoff an dem ersten Ende des Gehäuses C12) in der Gehäuseachse, der eine Primärverbrennungsluftzufuhreinrichtung aufweist.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn des zugeführten Brennstoffgases dem Drehsinn des zugeführten, den niedrigen Heizwert aufweisenden Gases entspricht.
4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn des zugeführten Brennstoffgases dem Drehsinn des zugeführten, den niedrigen Heizwert aufweisenden Gases entgegengesetzt ist.

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