DE2622415A1

DE2622415A1 - Verfahren und vorrichtung zur wahlweisen verbrennung von gasfoermigen und fluessigen brennstoffen

Info

Publication number: DE2622415A1
Application number: DE19762622415
Authority: DE
Inventors: Hershel E Goodnight; Robert D Reed
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1975-05-21
Filing date: 1976-05-19
Publication date: 1976-12-09
Also published as: FR2311993A1; DE2622415C2; IT1061559B; NL7605247A; FR2311993B1; NL178448B; US4025282A; CA1053560A; NL178448C; GB1541316A; JPS51142724A; US4148599A

Description

JOHN ZINK COMPANY 4401, South Peoria Tulsa, Oklahoma (V.St.A.)

Verfahren und Vorrichtung zur wahlweisen Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur wahlweisen Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen und befaßt sich in diesem Zusammenhang mit dem Aufbau eines Brenner- und Brennstoffsystems, das sich sowohl für gasförmige als auch für flüssige Brennstoffe eignet.

Aufgrund der in beschränktem Umfang zur Verfügung stehenden Vorräte an gasförmigen Brennstoffen, die normalerweise zur Kategorie des Erdgases gehören, ist es zeitweilig erforderlich, anstelle der normalerweise verwendeten gasförmigen Brennstoffe flüssige Brennstoffe zu verbrennen. Dies geschieht dort, wo auf dem Gebiete der Industrie Brennstoff verbrannt werden muß, wobei insbesondere hierfür die chemische und Petrolindustrie in Betracht kommt, bei der alle Funktions- und Produktionsabläufe ihren Ausgang von der Anwendung von Wärme auf diese oder jene Weise nehmen.

Telefon (089) 281202

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Posts;'* ·;Ι;Mür. er, Nr. 163337-802

Eine derartige Wärmeanwendung erfolgt in typischer Weise in Prozeßerwärmungsvorrichtungen vieler Arten und Formen, bei denen die genaue und unmittelbare Steuerung bei der Wärmezufuhr zeitweilig ziemlich kritisch ist. Gasförmige Brennstoffe eignen sich gut für kritische Befeuerung. Somit sind die Erwärmungs- oder Heizvorrichtungen normalerweise und vorzugsweise gasgefeuert. Aufgrund des zunehmenden Mangels an gasförmigen Brennstoffen wirft diese Tatsache ,jedoch bei der Verbrennung von Brennstoffen Probleme auf, die ziemlich ernsthafter Natur sind, und zwar aufgrund der ziemlich unterschiedlichen kennzeichnenden Merkmale der Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen im Vergleich zu der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen.

Viele Prozeßerhitzer, die während der Zeit gebaut worden sind, in der ausreichende gasförmige Brennstoffquellen zur Verfugung standen, sind nur mit Brennern für gasförmige Brennstoffe ausgerüstet. Eine alternative Verbrennung von typischen flüssigen Brennstoffen erfordert jedoch Brenner, die eine Kombination aus Gas- und Ölbrennern darstellen und an sich in der Industrie bekannt sind. Ein solcher Wechsel bei der Brennstoff-Verbrennung verlangt die Entfernung der nur gasförmige Brennstoffe verbrennenden Brenner und ihren Austausch gegen Kombinationsbrenner, also Gas- und Ölbrenner. Dieses Hilfsmittel ist jedoch teuer und führt aufgrund der für den Brenneraustausch benötigten Zeit zu Verlusten bei der Produktherstellung, die nicht hingenommen werden können«

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Brennst off br enns ystem zu schaffen, bei dem entweder gasförmige oder flüssige Brennstoffe wahlweise fesw. wechselweise verbrannt werden können, ohne daß irgendeine Änderung an der Brennervorrichtung vorgenommen werden muß. In diesem Zusammenhang soll eine Vorrichtung zur Verbrennung flüssiger Brennstoffe geschaffen werden, bei der der flüssige Brennstoff vollständig verdampft wird, bevor er in den Brenner eintritt, so daß die Verbrennungseigenschaften des verdampften flüssigen

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Brennstoffs im wesentlichen denjenigen von gasförmigen Brennstoffen entsprechen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, die eine wechselweise Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in demselben Brenner ermöglichen, ohne daß hierzu ein Brennerwechsel erforderlich ist, und die ferner den wesentlichen Vorteil liefern, daß sie Verbrennungsbedingungen schaffen, die sowohl für gasförmige als auch für flüssige Brennstoffe hinsichtlich der Verbrennungseigenschaften im wesentlichen identisch sind, sich also nicht wesentlich unterscheiden, wie dies bei den herkömmlichen Kombinationsbrennern für gasförmige und flüssige Brennstoffe der Pail ist.

Der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Brenner ist im wesentlichen einem Brenner für gasförmige Brennstoffe gleich, indem er eine zentrale Leitung und Durchgangsöffnung aufweist, durch die gasförmiger oder verdampfter Brennstoff zugeführt wird. Der Brenner ist jedoch insofern abgeändert, als er einen Ringkanal aufweist, der die zentrale Gas- und Dampfdurchgangsleitung umgibt und durch den Dampf zugeführt wird. Der Dampf tritt durch eine ringförmige Öffnung in einem kontinuierlichen, zylindrischen Strahl aus, der eine Art Vorhang bildet und den Brennstoffdampfstrom umgibt. Wenn gasförmiger Brennstoff verwendet wird, wird dieser direkt der zentralen Leitung des Brenners über geeignete Steuerelemente zugeführt, und der Dampfstrom wird dann unterbrochen, da er nicht erforderlich ist.

Wenn flüssiger Brennstoff verwendet werden soll, so wird die Flüssigkeit zu sehr kleinen Tröpfchen versprüht bzw. vernebelt, die ein großes Oberfläche-Masse-Verhältnis haben und sich leicht in einem Erhitzer verdampfen lassen, durch den das Tröpfchen-Dampf-Gemisch hindurchströmt. In dem Erhitzer werden alle Flüssigkeitströpfchen verdampt, so daß dann ein Strom aus Öldampf und anderem Dampf dem Brenner zuströmt und

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durch den zentralen Kanal eintritt, in dem normalerweise Gas strömt. Zusatzdampf wird verwendet und strömt durch die ringförmige Öffnung, die die zentrale Öffnung umgibt, durch die das Gemisch aus Öldampf und Wasserdampf strömt. Der zusätzliche Wasserdampfstrom wird wegen seiner Energie benötigt, mit Hilfe derer ausreichend Primärluft eingeführt wird. Ein zweiter Grund für die Verwendung des Wasserdampfstroms ist, den Öldampfstrom zu schützen, der jetzt aufgrund der Erwärmung im Erhitzer eine erhebliche Temperatur aufweist. Ferner wird der Öldampf durch einen Schirm aus Wasserdampf vor Berührung mit Luft geschützt, bis sich Brennstoff, Wasserdampf und Luft im Brennerrohr vermischen und beim Austritt aus dem Brennerrohr gezündet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert» In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzufuhrsystems für eine Brennerbatterie, bei dem wechselweise Öl oder Gas als Brennstoff zugeführt werden kann,

Figur 2 eine Ansicht eines herkömmlichen Brenners für gasförmige Brennstoffe,

Figuren 3» 4 und 5 drei Ansichten eines erfindungsgemäßen Brenners für gasförmige und dampfförmige Brennstoffe,

In Figur i sind schematisch die Strömungsleitungen und die Steuerelemente eines kombinierten Brennersystems für die Zufuhr und Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen dargestellt.

Ein einzelner oder eine Gruppe von Brennern 24A, 24B ...24If werden mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff versorgt. Wenn der Brennstoff gasförmig ist, wird er durch eine Lieferleitung 10 entsprechend dem Pfeil ii einem Rückschlagventil 12 und durch ein Absperrventil 14, die Leitungen 15 und 17

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sowie eine Steuer- und Dosiervorrichtung 18 einer Sammelleitung 20 zugeführt, die das Gas an die Leitungen 22A, 22B... 22N abgibt.

Figur 2 zeigt einen herkömmlichen Brenner für gasförmige Brennstoffe, dem Gas durch ein Rohr 67 gemäß dem Pfeil 66 zugeführt wird und der einen gasförmigen Brennstoffstrahl 68 erzeugt, wenn das Gas aus einer Öffnung im Ende des Rohres 67 austritt. Die hohe Geschwindigkeit des Gasstrahls zieht Luft ein und erzeugt somit einen Luftstrom gemäß dem Pfeil 64. Dieser Luftstrom stellt die Primärluft für die Verbrennung dar und wird in den Hochgeschwindigkeitsgasstrom eingeschlossen und mit diesem innerhalb des Brennerrohres 62 turbulent vermischt, aus dem er dann austritt und in herkömmlicher Weise gezündet wird. Die Haube 70 ist so ausgebildet, daß sie sich vertikal bewegen läßt, um dadurch die Öffnungszone, durch die hindurch die Primärluft 64 eintritt, zu steuern. Es ist keine zusätzliche Energiequelle erforderlich, um ausreichend Primärluft zu erzeugen, da der Gasaustritt, der durch das Rohr 67 stattfindet, normalerweise bei hohem Druck und hoher Geschwindigkeit erfolgt.

Bei dem erfindungsgemäßen System wird der normale Gasbrenner, wie er in Figur 2 dargestellt ist, in der in Figur 3 gezeigten Weise modifiziert, so daß nicht nur der zentrale Kanal 76, der durch die Leitung 91 und Öffnung 78 gebildet wird, mit Gas entsprechend den Pfeilen 72, 73 und 80 versorgt wird, sondern dieser zentrale Kanal auch einen Ringkanal 86 mit Hilfe der Leitung 93 aufweist, der die Leitung 91 umgibt und in einer Ringöffnung 89 endet, der über ein Rohr 82 gemäß den Pfeilen 84, 88 Wasserdampf zugeführt wird. Der Brennstoff wird dem Brennerkanal in Form eines Öldampfes zugeführt, der sich mit dem Wasserdampf vermischt, jedoch im allgemeinen nicht die hohe Austrittsgeschwindigkeit aufweist, die für normale gasförmige, zugeführte Brennstoffe kennzeichnend ist. Daher wird Wasserdampf unter geeignetem Druck benötigt, um einen Hochgeschwindigkeitsdampfstrom zu erzeugen,

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der in Form eines zylindrischen Vorhangs den Öldampfstrom, der durch die Öffnung 78 austritt, umgibt. Dieser Hochgeschwindigkeitsdampf strom bewirkt die erforderliche Einführung oder Ansaugung von Primärluft. Wie noch erläutert werden wird, dient er dazu, den Öldampfstrom 80 gegen Berührung mit der Primärluft 64 zu isolieren.

In Figur 1 ist eine Leitung 32 gezeigt, durch die gemäß dem Pfeil 33 Brennstofföl zugeführt wird. Ferner ist ein Sperrventil 34 dargestellt, das in Verbindung mit einer Art Dosiervorrichtung 36, falls verlangt, verwendet werden kann. Der Ölstrom fließt dann durch die Leitung 40 einem Zerstäuber 38 herkömmlicher Form zu. Wasserdampf strömt durch die Leitung 42 gemäß dem Pfeil 43, dann durch das Sperrventil und eine Dosiervorrichtung 46 durch die Leitung 48 zu dem Zerstäuber. Der Wasserdampf erzeugt die Energie, die zur Zerstäubung bzw. Vernebelung des Öls in kleinste Tröpfchen erforderlich ist, welche ein großes Oberflächen—Massen—Verhältnis aufweisen. Dazu kommt, daß der Wasserdampf das Öl für seinen Durchgang durch die Leitung 50 zu einem Erhitzer 52 vorwärmt. In dem Erhitzer wird dem Gemisch aus Wasserdampf und flüssigen Tröpfchen Wärme gemäß dem Pfeil 54 zugeführt. Der Erhitzer kann irgendeine gewünschte Form aufweisen. So kann er beispielsweise eine direkt befeuerte Einrichtung sein oder mit Abwärme betrieben werden oder auch Wasserdampf als Wärmequelle zur Verdampfung der Öltröpfchen verwenden.

Die Endtemperatur sollte hoch genug sein, um alle Flüssigkeitströpfchen zu verdampfen. Diese Temperatur kann bei etwa 450⁰ liegen. In jedem Fall reicht sie aus, um die ganze Flüssigkeit zu verdampfen, so daß die Leitung 55 ein Gemisch aus Wasserdampf und Öldampf einem Rückschlagventil 56 zuführt, sowie einem Sperrventil 58, von dem aus das Gemisch durch die Leitung 60 zu einem T-Stück l6 gelangt, von dem aus das Wasserdampf-Öldampf-Gemisch wahlweise dem Gasstrom zugeführt werden kann und durch die Leitung 17 zur Dosiervorrichtung 18 und den Brennern 24 gelangt.

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Immer dann, wenn Öl verwendet wird, wird der Gasstrom mit Hilfe des Abschaltventils 14 vollständig unterbrochen. Umgekehrt, sobald Gas verwendet wird, wird mit Hilfe des Ventils 34 das Öl abgeschaltet, während der Dampf strom durch das Ventil 44 unterbrochen wird. Darüber hinaus wird das Ventil 58 geschlossen, um eine Leckage von gasförmigem Brennstoff in das Heizsystem zu verhindern. Vorzugsweise werden die Rückschlagventile 56 und 12 ebenfalls beaufschlagt, um eine Leckage von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff in das nicht in Benutzung befindliche Brennstoffsystem zu vermeiden, falls durch die Ventile 58 und 14 keine vollständige Absperrung erreicht werden kann.

Jeder Brenner 24 ist dem ganz allgemein mit 24 in Figur 3 gezeigten Brenner gleich. Das heißt, er weist den zentralen Kanal für entweder Gas allein oder für Dampf und Wasserdampfgemisch auf, das durch die Leitung 91 zur Öffnung 78 strömt. Außerdem ist jeder Brenner mit dem Ringkanal 86 ausgestattet, der zwischen der Leitung 91 und der äußeren Leitung 93 vorgesehen ist und eine Ringöffnung 89 bildet. Wasserdampf tritt in diesen Ringkanal durch die Leitung entsprechend dem Pfeil 84 ein und strömt abwärts rund um den Ringkanal 86 und dann durch die Öffnung 89 nach außen, wie dies durch die Pfeile 88 gekennzeichnet ist.

Figur 1 zeigt eine separate Wasserdampfleitung 26, durch die Dampf gemäß den Pfeilen 27 durch ein Ventil 28 jedem Brenner 24 über die Leitung 30 und durch die Leitungen 82A, 82B, ... 82N zuströmt.

In den Figuren 4 und 5 sind andere Ansichten des Brenners 24 dargestellt, wobei Figur 4 eine Schnittansicht längs der' Linie 4-4 in Figur 3 bildet, während Figur 5 eine Ansicht der beiden Öffnungen des Brenners darstellt.

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Im obigen wurde also ein modifizierter Brenner für gasförmige und flüssige Brennstoffe beschrieben, bei dem Gas oder ein Gemisch aus Öldampf und Wasserdampf in axialer Richtung durch eine Leitung 91 einer Öffnung zuströmt und in ein Brennerrohr gelangt, wie es beispielsweise bei 62 in Figur gezeigt ist. Wenn Gas allein Verwendung findet, dann bildet dieses die ganze Strömung. Wenn ein flüssiger Brennstoff verwendet wird, der durch Wasserdampf zerstäubt worden ist und danach verdampft wurde, so daß der Brennstoff in Form eines Wasserdampf-Brennstoffdampf-Gemisches vorliegt, dann folgt die Strömung derjenigen des Gases, nämlich in Abwärtsrichtung durch die Leitung 9± und die Öffnung 78· Wenn ,jedoch der Wasserdampf-Brennstoffdampf verwendet wird, muß durch die Rohre 82 zusätzlich Wasserdampf zugeführt werden. Dieser Wasserdampf tritt mit hoher Geschwindigkeit durch die Ringöffnung 89 aus. Dieser Hochgeschwindigkeitsdampf dient dazu, ausreichend Primärluft 6h für die Verbrennung des Brennstoffs mitzureißen.

Es gibt jedoch noch einen anderen Grund für die Wasserdampfzufuhr,» Bei dem Verdampfungsprozeß im Erhitzer 52 kann die Temperatur des Öldampfes über derjenigen liegen, die spontan zu einer Verbrennung führt, wenn eine Vermischung mit Luft erfolgt. In einem solchen Fall würde der Öldampf sich sofort nach der Öffnung 78 entzünden und nicht erst an der Austrittsöffnung des Brennerrohres 62, so daß der Brenner und die übrige Vorrichtung erheblich beschädigt werden wurden, wenn nicht der Wasserdampfschutz in Form eines zylindrischen Schirms vorhanden wäre, der den heißen Öidampf gegen die Luft 64 isoliert. Demzufolge dient der Wasserdampf einem doppelten Zweck, nämlich der Einführung von Luft und dem Schutz des Öldampfes vor direkter Berührung durch die Luft, bis der Öldampf in dem Brennerrohr 62 abwärts gewandert ist und am offenen Ende des Rohres in den Ofen oder eine andere Kammer austritt, in der die Verbrennung stattfindet.

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Die Verwendung von Dosiervorrichtungen 36, 46 und 18 ist wahlweise möglich, vorausgesetzt, daß eine angemessene Strömungssteuerung mit Hilfe der Abschaltventile 34, 44, 58 bzw. 14 vorgenommen werden kann.

Wenn das System einmal in Gang gesetzt worden ist, läßt sich der den Brennern zuströmende Brennstoff rasch von gasförmigem Brennstoff auf flüssigen Brennstoff und umgekehrt umschalten.

Bei der Brennstoffverbrennung wird ein gewisser Luftüberschuß zur vollständigen Verbrennung und zur Vermeidung von Brennstoffvergeudung verlangt. Ein zu großer Luftüberschuß führt jedoch ebenfalls zu einer Brennstoffvergeudung und muß daher vermieden werden. Da die kinetische Energie für das Ansaugen der Luft bei gasförmigen Brennstoffen größer ist als bei vorgewärmtem Öl—Wasserdampf—Gemisch als Brennstoff, muß Wasserdampf immer dann als zusätzlicher Energie— lieferant zugeführt werden, wenn der Brennstoff von gasförmigem auf Öldampf-Wasserdampf wechselt. Der Zerstäuber oder Vernebler 38 ist nicht im Detail dargestellt, da es für ihn keine konstruktiven Beschränkungen gibt. Die Arbeitsweise des Zerstäubers, die für alle Arten von Zerstäubern typisch ist, besteht darin, die flüssige Ölmasse in Tröpfchen zu zerteilen, deren Größe im Mikrometerbereich liegt, um dadurch eine starke Vergrößerung des Verhältnisses von Flüssigkeitsoberfläche zu Masse zu erreichen. Dadurch wird eine rasche Verdampfung der Flüssigkeit in Verbindung mit einer homogenen Vermischung von Flüssigkeitsdampf und Wasserdampf sichergestellt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. !Verfahren zur wahlweisen Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Brennstoff zu kleinen Tröpfchen zerstäubt wird, daß diese Tröpfchen mit Dampf vermischt werden, daß das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Dampf solange erhitzt wird, bis die Flüssigkeitströpfchen verdampfen und ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffdampf und Wasserdampf entsteht, und daß das Gemisch aus dampfförmigen Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf dann unter Druck durch eine kreisrunde Öffnung in ein Brennerrohr geschickt wird, während gleichzeitig Wasserdampf durch eine ringförmige Öffnung, die koaxial zu der kreisförmigen Öffnung angeordnet ist, strömt.

Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Verbrennung eine Vorrichtung eingesetzt wird, die mit wenigstens einer Öffnung ausgerüstet ist und normalerweise zur Verbrennung von gasförmigen, brennbaren Fluiden dient, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Brennstoff zu kleinen Tröpfchen zerstäubt wird, daß die Tröpfchen mit Wasserdampf vermischt werden, daß das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Wasserdampf so lange erwärmt wird, bis die Tröpfchen verdampfen und ein Gemisch aus verbrennbarem Fluiddampf und Wasserdampf entsteht, und daß das Gemisch aus verbrennbarem Dampf und Wasserdampf dann unter Druck durch wenigstens eine Öffnung in einen Brenner eingeleitet wird.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Brenner (J24) mit zwei Öffnungen, der eine zentrale Offnung(78)zur wechselweisen Zufuhr von gasförmigem Brennstoff oder Öldampf-Wasserdampf-Gemisch aufweist sowie eine koaxiale ringförmige Öffnung

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(89) zur Zuführung von Wasserdampf, ferner eine Leitung (10, 74) und ein erstes Abschaltventil (14) zur Zufuhr von gasförmigem Brennstoff zu der zentralen Öffnung (78) des Brenners (24) und eine Leitung (6o) sowie ein zweites Abschaltventil (58) zur Zufuhr des Öldampf-Wasserdampf—Gemisches zu der zentralen Öffnung (78) des Brenners.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zufuhr von Öldampf-Wasserdampf-Gemisch zu der zentralen Öffnung (78) des Brenners (24) eine Ölzuführung (32) und ein drittes Abschaltventil (34) sowie eine Dampfzuführung (42) und ein viertes Abschaltventil (44) aufweist, ferner eine Zerstäubungsvorrichtung (38), eine Heizvorrichtung (52) und eine Leitung (82) sowie ein fünftes Abschaltventil zur Zufuhr von Wasserdampf zu der ringförmigen Öffnung (88) des Brenners (24).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3* gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Absperrung des zweiten, dritten, vierten und fünften Abschaltventils, wenn das erste Abschaltventil offen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Absperrung des ersten Abschaltventils, sobald das zweite, dritte, vierte und fünfte Abschaltventil offen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch Rückschlagventile (12,56), die mit dem ersten bzw. dem zweiten Abschaltventil in Reihe liegen_o

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