DE2647197A1

DE2647197A1 - Vorrichtung zur verbrennung von fluiden

Info

Publication number: DE2647197A1
Application number: DE19762647197
Authority: DE
Inventors: Hershel E Goodnight; Robert D Reed
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1975-10-20
Filing date: 1976-10-19
Publication date: 1977-04-28
Also published as: CA1054042A; IT1073921B; NL7611260A; FR2328921A1

Description

Vorrichtung zur Verbrennung von Fluiden

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Verbrennung von Abgasen, die aus Raffinerien, chemischen, petrochemischen und erdölverarbeitenden Anlagen stammen. Sie bezieht sich vor allem auf eine Vorrichtung zur Verbrennung von Fluiden und insbesondere von Abgasen in einem Ofen oder einer ähnlichen Einrichtung, wo die Verbrennungswärme der Abgase genutzt werden kann.

Bisher wurden Abgase aus chemischen, petrochemischen und erdölverarbeitenden Anlagen normalerweise verbrannt und auf eine Verschmutzung vermeidenden Weise dadurch beseitigt, daß sie in einem Fackelkamin oder einer ähnlichen Einrichtung

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Deutsche Bank München, Kto.-Nr. 82/08050 (BLZ 70070010) Postscheck München Nr. 163397-802

verbrannt wurden. Dafür ist oftmals zusätzlicher Brennstoff erforderlich, um die Betriebsflammentemperatur und der qleichen Bedingungen zu erzeugen, die notwendig sind, um eine vollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoffe, insbesondere der schweren Kohlenwasserstoffe, zu erreichen. Diese Art der Beseitigung ist jedoch wenig effektiv, da Kosten für die erforderliche Einrichtung und auch Brennstoffkosten beim Verfahren der Beseitigung der Abgase anfallen. Unter den gegenwärtigen Bedingungen der Energieeinsparung ist es von großer Wichtigkeit, Wege für die Verbrennung von Abgasen zu finden, bei denen die erzeugte Wärme wiedergewonnen und einer wirtschaftlichen Nutzung zugeführt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder anderen Abgasen aus chemischen, petrochemischen und erdölverarbeitenden Anlagen oder dergleichen zu schaffen, durch das der Wärmeinhalt der Abgase zurückgewonnen und einer Verwendung zugeführt werden kann. In diesem Zusammenhang soll eine wirksamere Verbrennung der Abgase erreicht werden, bei der eine volle proportionale Wärmerückgewinnung erfolgt, und zwar unabhängig davon, ob es sich dabei um leichte Kohlenwasserstoffe oder schwere Kohlenwasserstoffe oder andere Gase handelt. Im Falle von schweren Kohlenwasserstoffen besteht die Aufgabe darin, Dampf zum Ansaugen und Zerstäuben der schweren Kondensattröpfchen einzusetzen, die sich bilden können, so daß eine vollständige und vorteilhafte Verbrennung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verwendung eines besonderen Brennerkopfes sowie durch Beliefern des Brenners mit Brennstoffgas oder Dampf in einer für die jeweilige Ab-

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gasart geeigneten Weise gelöst, so daß die Verbrennung vollständig abläuft und eine volle Wärmerückgewinnung erfolgt.

Der zu diesem Zweck verwendete Brennerkopf weist eine besondere Form auf. Er besteht aus einer zylindrischen metallenen Einheit, die mit einer zentralen, axialen Eintrittsöffnung für Brennstoffgas oder Dampf versehen ist. Die zentrale 'Öffnung mit der sich anschließenden Bohrung durchdringt nicht das entfernt liegende Ende des Kopfes, sondern es sind mehrere kleine eingebohrte Löcher oder "erste Düsen" vorgesehen. Diese Löcher sind rund um die Achse symmetrisch angeordnet und sind in die zentrale Bohrung unter einem geeigneten Winkel gerichtet, beispielsweise in einem Winkel von 45° zur Achse. Eine solche Konstruktion drückt das Brennstoffgas oder den Dampf aus den ersten Düsen entlang einer konischen Oberfläche heraus.

Jede der ersten Düsen erweitert sich zu einer einen größeren Durchmesser aufweisenden zweiten Düse, die auf der äußeren Oberfläche des Brennerkopfes endet. Es sind mehrere Axialbohrungen vorhanden, die rund um den Umfang innerhalb der ringförmigen Wandung des Brennerkopfes mit Abstand angeordnet sind. Diese Bohrungen gehen von dem Eintrittsende oder dem naheliegenden Ende des Kopfes aus und schneiden die zweiten Düsen. Wenn Hochdruckdampf oder Hochdruckbrennstoffgas der zentralen Bohrung zugeführt wird, so tritt dieses aus den Enden der ersten Düse mit einer gewählten hohen Geschwindigkeit aus, beispielsweise mit 0,25 Mach, und expandiert dann in die den größeren Durchmesser aufweisenden zweiten Düsen hinein. Dadurch wird ein Unterdruck erzeugt, der die Abgase durch die Längsbohrungen hindurch ansaugt. Die Abgase vermischen sich mit dem Brennstoffgas

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oder mit dem Dampf in den zweiten Düsen. Das Gemisch tritt aus den zweiten Düsen aus, von denen eine große Anzahl vorhanden ist und einen konischen Strahl bildet » u^nd tritt in einen Ofen oder einen geeigneten Verbrennungsraum ein. Die Verbrennungsluft wird rund um das Brennerrohr zugeführt, so daß eine konische Flamme aus dem Brennerkopf austritt.

Wenn die Abgase schwere Kohlenwasserstoffe sind, so sollten die Rohrleitungen, die diese Abgase heranführen, in einem von der Horizontalen abweichenden Winkel abwärts geneigt sein, so daß alle kondensierten Kohlenwasserstoffe oder Wasser längs der Rohrneigung in den ringftrmi gen Brennerraum transportiert werden. Sie werden auf diese Weise zusammen mit den Abgasen in die zweiten Düsen befördert und dort mit Hilfe des durch die Axialbohrung des Brennerkopfes zugeführten Dampfes zerstäubt.

Wenn die Abgase keinen angemessenen Heizwert aufweisen, wird zusätzlicher Brennstoff in Form von Brennstoffgas benötigt, der durch die zentrale Bohrung und die ersten Düsen zugeführt wird, um die Abgase anzusaugen, sich mit ihnen zu vermischen und zusammen mit ihnen zu verbrennen.

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

Fig. 1 einen typischen Brenner der erfindungsgemäßen Art mit Zufuhrleitungen für das Brennstoffgas oder den Dampf und für die Abgase,

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Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Brennerdüse längs der Linie 2-2 in Fig. 3, und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Brennerkopfes längs der Linie 3-3 in Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete Brennervorrichtung dargestellt. Diese Vorrichtung weist ein Brennerrohr 12 auf, das an seinem Ende einen Brennerkopf 14 trägt, der bei 15 angeschweißt ist. Der Kopf ist vollständiger in Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschrieben. Dieses Brennerrohr und der Kopf sind in axialer Richtung in eine öffnung 18 in der Stirnwand 20 eines Ofens oder einer anderen Vorrichtung zur Rückgewinnung von Verbrennungswärme eines Brennstoffes eingesteckt. Verbrennungsluft wird gemäß den Pfeilen 16 durch die öffnung 18 in der Wand 20 zugeführt. Diese Zuführung lässt sich dadurch bewirken, daß das Gemisch aus Brennstoffgas oder Dampf und Abgasen mit hoher Geschwindigkeit in Form eines konischen Strahls austritt, der allgemein mit 22 bezeichnet ist, jedoch auch durch andere Luftansaugeinrichtungen bekannter Art.

Ferner ist ein Axialrohr 24 vorhanden, das durch das Brennerrohr hindurchläuft und so befestigt ist, daß es eine zentrale Bohrung 40 im Brennerkopf 14 schneidet, wie dies in den Figuren 2 und 3 angezeigt ist. Dieses Axialrohr führt entweder Brennstoffgas oder Dampf gemäß den Pfeilen 36 zu, so daß das Gas oder der Dampf entlang der Achse des Brennerkopfes durch die Bohrung 40 gemäß den Pfeilen 48 strömen, wo das Gas oder der Dampf durch mehrere erste Düsen 46 austritt. Diese Düsen sind bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Anzahl an die Dampf- oder Brennstoffgasmenge, die zugeführt wird, angepasst,

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so daß die Strömungsgeschwindigkeit am entfernt liegenden Ende der ersten Düsen eine bestimmte Höhe aufweist, beispielsweise 0,25 Mach beträgt.

Die ersten Düsen 42 schneiden eiie entsprechende Anzahl zweite Düsen 44, die koaxial zu den ersten Düsen angeordnet sind und einen erheblich größeren Durchmesser aufweisen als die ersten Düsen. Die Länge der zweiten Düsen beträgt wenigstens das Doppelte der Größe ihres Durchmessers. Diese Beziehung ist erforderlich, um die Abgase in ausreichendem Maße durch die Längsbohrungen 46 anzusaugen. Diese Bohrungen sind mit Abstand auf einem koaxialen Kreis um den Brennerkopf angeordnet. Sie sind mit dem Ringraum 28 zwischen dem Axialrohr 24 und dem Brennerrohr 12 verbunden. Die Abgase strömen durch den Ringraum 28 gemäß den Pfeilen 44 und werden in die zweiten Düsen 44 hineingesaugt. Sie treten zusammen mit dem Brennstoffgas oder dem Dampf längs der Oberfläche einer konischen Flamme 22 aus, die in den Ofenraum expandiert.

Wenn die Abgase einen niedrigen Heizwert aufweisen, wird zusätzliches Brennstoffgas benötigt, um eine ausreichend hohe Flammentemperatur für die Verbrennung der Gase zu erreichen. Wenn die Abgase schwere Kohlenwasserstoffe sind, erzeugen sie eine größere Wärmemenge, so daß zusätzlicher Brennstoff nicht unbedingt erforderlich ist. Demzufolge lässt sich Dampf anstelle von Brennstoffgas zuführen, um die Abgase anzusaugen. Der Dampfstrom erfolgt mit ausreichender Geschwindigkeit, so daß eine vollständige Zerstäubung und Vermischung der Abgase, die mit der Luft vermischt und vollständig verbrannt werden sollen, sichergestellt ist.

Es versteht sich, daß in den Fällen, in denen der Ofen be-

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nötigt wird, um eine stetige, gleichförmige Wärmeenergiezufuhr zu erreichen, und die Abgaszufuhr intermittierend oder in schwankenden Mengen oder in unterschiedlichen Zusammensetzungen erfolgt, der Brennerkopf mit einer Stoffkombination aus Brennstoffgas und/oder Dampf beliefert werden kann, um bezüglich der Abgasart und der Abgasmengen eine Kompensation zu bewirken. Wenn kein Abgas vorhanden ist, dann wird eine größere Menge Brennstoffgas zugeführt. Wenn eine größere Menge Abgas vorhanden ist, dann wird weniger Brennstoffgas zugeführt, um eine geeignete Gesamtnutzung der von dem Ofen gelieferten Wärme zu erreichen. Ein solcher Wechsel im Abgasstrom oder Dampfstrom lässt sich von Hand steuern, jedoch in an sich bekannter Weise auch durch Steuereinrichtungen bewirken.

Die zu verbrennenden Abgase werden in die Längsbohrungen eingesaugt, da der aus den ersten Düsen austretende Gasstrom aufgrund der Bernoullisehen Gleichung den in den zweiten Düsen herrschenden Druck reduziert, die Längsbohrungen die zweiten Düsen schneiden. Auf diese Weise werden die Abgase mit dem aus der zentralen Bohrung des Brenners austretenden Gasstrom innerhalb der zweiten Düsen vermischt und werden von den entfernt liegenden Enden der zweiten Düsen nach vollständiger Vermischung der beiden Komponenten mit erheblicher Geschwindigkeit ausgetragen, so daß eine angemessene Vermischung von Luft mit dem aus den zweiten Düsen austretenden Gas vor der Verbrennung erfolgt. Die zur Verbrennung benötigte Luft wird durch eine ringförmige öffnung 18 in der Ofenwand zugeführt, die das Brennerrohr umgibt. Die Luft strömt aufgrund der mit hoher Geschwindigkeit aus den zweiten Düsen austretenden Abgase und Brennstoffgase oder auch aufgrund anderer Unterdruckquellen in Richtung der Pfeile 16.

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Wenn die in die Längsbohrungen eintretenden Gase schwere Kohlenwasserstoffe sind, die einen beträchtlichen Heizwert aufweisen, dann wird kein zusätzliches Brennstoffgas benötigt, sondern es wird Dampf durch die zentrale Bohrung den ersten Düsen mit einem Druck zugeführt, der eine Austrittsgeschwindigkeit aus den ersten Düsen in die zweiten Düsen hinein von wenigstens 0,25 Mach erzeugt. Wenn die Abgase, die in die Längsbohrungen eintreten, einen geringen Heizwert haben, dann wird Brennstoffgas durch die zentrale Bohrung und durch die ersten Düsen zugeführt, das einen Teil der benötigten freizusetzenden Wärme liefert, so daß der Heizwert der Abgase, die in die Längsbohrung eintreten, dann den restlichen Teil einer erforderlichen freizusetzenden Wärme beisteuert. Der Druck des Brennstoffgases muß ebenfalls so hoch sein, daß er eine Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus den ersten Düsen in die zweiten Düsen hinein von wenigstens 0,25 Mach erzeugt, wenn anstelle von Dampf Brennstoffgas verwendet wird.

Die Neigung schwerer Kohlenwasserstoffe zu kondensieren, so daß flüssige Kohlenwasserstoffe in den Brennstoffleitungen auftreten, bevor die Kohlenwasserstoffe den Brenner erreichen, schafft bei der typischen Brennstoffverbrennung ein ernsthaftes Problem. Durch die hier beschriebene Vorrichtung wird dieses Problem jedoch aus zweierlei Gründen im wesentlichen beseitigt, nämlich erstens durch die Zerstäubung jeder Flüssigkeit, die den Brenner erreicht, und zwar aufgrund der Wirkung des eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Dampfes, wie sie für die Schwerölverbrennung typisch ist, und zweitens durch die chemische Dampf-Kohlenwasserstoff-Umwandlung, durch die ein langsam brennender

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Kohlenwasserstoff zu einem sehr schnell brennenden Wasserstoff und Kohlenmonoxyd in an sich bekannter Weise umgesetzt werden.

Wenn die Kondensation im Abgas Wasser ergibt, wird das Wasser rasch durch den Brennstoffgasstrom zerstäubt, da in diesem Fall anstelle von Dampf Brennstoff gas benutzt wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist bei der bevorzugten Ausführungsform die Leitung, die die Abgase an den Brenner heranführt, in Richtung auf den Brenner mit einer Abwärtsneigung versehen, so daß das ganze Kondensat in den Brenner transportiert wird. Es versteht sich natürlich, daß die hier beschriebene besondere Ausgestaltung der Vorrichtung nur ein Ausführungsbeispiel darstellen soll.

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Leerse ite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

\ή Vorrichtung zur Verbrennung von Fluiden zwecks Wärmerückgewinnung, mit einer Kammer, einer Einrichtung zum Einführen eines verbrennbaren Fluidstroms in die Kammer und einer Einrichtung zur Zuführung von Verbrennungsluft in die Kammer sowie mit einer Vorrichtung zum Zünden der Fluide, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zufuhr eines Stroms verbrennbarer Fluide ein Brennerrohr (12) und einen an dem Ende des Brennerrohres angebrachten Brennerkopf (14) aufweist, der aus einem Stück besteht und einen Metallzylinder besitzt, durch den' sich eine Axialbohrung (40) erstreckt, sowie eine axiale Rohrleitung (24), die mit der Axialbohrung zustromsei ti g des Brenrierkopfes verbunden ist, daß mehrere erste Düsen (42), die rund um den Umfang mit Abstand angeordnet sind, von der Axialbohrung (40) ausgehen und einen ersten Durchmesser aufweisen und sich unter einem gewählten Winkel zur Achse erstrecken, daß die Achse der ersten Düsen auf einer konischen Oberfläche liegt, daß eine entsprechende Anzahl zweiterDüsen (44) koaxial zu den ersten Düsen (42) angeordnet ist und an diese anstößt und einen zweiten gewählten Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der ersten Düsen, daß mehrere zweite Längsbohrungen (46) in gleichem Abstand von der Achse des Kopfes (14) angeordnet sind und von der nächst!legenden Oberfläche des Kopfes ausgeht, daß jede zweite Bohrung (46) eine der zweiten Düsen (44) an einer Stelle schneidet, wo der gewählte Durchmesser der zweiten Düse beginnt, daß eine Einrichtung zur Abgaszufuhr zu dem Ringraum zwischen der axialen Rohrleitung (24) und der Innenwand des Brennerrohres (12) vorhanden ist, daß eine Einrichtung zur Zuführung eines zweiten Gases unter einem Druck zu der axialen Rohrleitung (24) vorgesehen ist, der höher ist als der Druck des Abgases, und daß das zweite

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Gas mit einer hohen Geschwindigkeit durch die ersten Düsen (42) in die zweiten Düsen (44) einströmt und ein Ansaugen des Abgases durch die Längsbohrungen (46) in die zweiten Düsen (44) hinein und in die Verbrennungskammer bewirkt, so daß ein konischer Verbrennungsgasstrom (22) hoher Geschwindigkeit entsteht, während Verbrennungsluft (18) in die Kammer eingesaugt wird und sich mit dem Verbrennungsgasstrom vermischt und verbrennt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas einen niedrigen Heizwert aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas ein schwerer Kohlenwasserstoff ist, und daß das zweite Gas Dampf ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des zweiten Gases, das aus den ersten Düsen (42) austritt, bei 0,25 Mach liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der zweiten Düsen (44) wenigstens 2 beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaszufuhrleitung (32) zu dem Brennerrohr (12) in Richtung auf das Brennerrohr abwärts geneigt ist, wodurch kondensierte Flüssigkeit in der Leitung in den Brenner förderbar und dort zerstäubbar und verbrennbar ist.

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