DE2659170A1 - Verfahren und brenner zur teilverbrennung eines fluessigen oder gasfoermigen brennstoffes - Google Patents
Verfahren und brenner zur teilverbrennung eines fluessigen oder gasfoermigen brennstoffesInfo
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Description
Shell Internationale Research Maatschappij BoV=
Den Haag, Niederlande
Verfahren und Brenner zur Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes
Beanspruchte Priorität;
30.Dezember 1975 Niederlande Nr. 7515165
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in
einem mit feuerfester Verkleidung versehenen Reaktor, wobei Kraftstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas für die Verbrennung
in den Reaktor über einen Brenner eingeführt werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auch auf einen Brenner für die
Tei!verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes,
mit einer Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas.
Die bei einem Verfahren der einleitend genannten Art freigesetzte Wärme erfordert die Verwendung einer feuerfesten Aus-
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kleidung in dem Reaktor, wobei allerdings diese Auskleidung wegen thermischer Beschädigung häufig erneuert werden muß.
In der Vergangenheit wurde vorgeschlagen, zum Schutz des Inneren eines Reaktors gegen einen unzulässigen Temperaturanstieg
das.Einspritzen von Wasser oder Dampf oder eines kalten, inerten Gases vorzusehen. Bei dieser Art von Einspritzung
traten häufig hohe örtliche Temperaturdifferenzen in der Auskleidung bzw. Verkleidung des Reaktors auf, die ebenfalls
dazu führen konnten, daß der Reaktor vorzeitig ausfiel. Der Grund für diese örtlichen Temperaturdifferenzen besteht wahrscheinlich
darin, daß eine nur unzureichende Mischung des Kühlmittels mit dem Reaktionsgas bewirkt wurde, so daß an
einigen Stellen eine zu starke Kühlung, an anderen Stellen dagegen überhaupt kein Kühleffekt auftrat.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, hier eine Verbesserung zu schaffen und Maßnahmen zu finden,
durch die eine gleichförmige Temperatur-Absenkung der Reaktorauskleidung erzielbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der einleitend genannten Art dadurch gelöst, daß über den Brenner
'in den Reaktor auch ein zentraler Dampfstrahl eingespritzt
wird, der divergiert und um seine Achse rotiert. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein wirksamer Kühleffekt
erzielt, weil d$r Dampf sich von Anfang an richtig mit dem
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Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas vermischt.
Ein in Verbindung mit der Kühlung des Inneren eines Reaktors auftretendes Problem besteht für den Fall einer Teilverbrennung
im allgemeinen darin, daß die Gefahr von Rußbildung häufig viel größer wird. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen
Maßnahmen kaum zu einem Ansteigen dieses Risikos führen. Dies kann vielleicht dadurch erklärt'werden, daß Rußbildung insbesondere
dann zu erwarten ist, wenn zu große örtliche Temperaturdifferenzen
in dem Reaktor auftreten, wobei die erfindungsgemäßen Maßnahmen bereits das Entstehen solcher Temperaturdifferenzen
verhindern wegen der frühzeitigen und vollständigen Vermischung des Kühlmittels und der Brennstoff/Sauerstoff-Mischung.
Nach der Erfindung wird ein divergierender Dampfstrahl in den Reaktor über den Brenner eingespritzt. Da dieser Dampfstrahl
den Brenner zentral verläßt und der Brennstoff wie das sauerstoffhaltige
Gas auch in den Reaktor über denselben Brenner eingeführt v/erden, wird ein divergierender Dampfstrahl insbesondere
mit dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas vom frühestmöglichen Zeitpunkt an undso vollständig wie möglich vermischt.
Die Wirksamkeit des divergierenden DampfStrahles ist teilweise
abhängig von dem Divergierwinkel. Es zeigte sich, daß bei
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üblicherweise für die Teilverbrennung von Brennstoffen verwendeten
Brennern die Anwendung eines Divergier-Winkels entsprechend einer Kegelfläche mit einem öffnungswinkel von 60° optimale
Resultate lieferte. Es zeigt sich jedoch auch, daß die Verwendung eines öffnungswinkels im Bereich von etwa 30° bis hinauf
zu etwa 90° durchaus möglich ist.
Weiterhin hat man gefunden, daß insbesondere ein divergierender und rotierender Dampfstrahl durch sehr einfache Einrichtungen
erzeugt werden kann, da eine Rotation leicht zur Erzeugung einer Divergenz benutzt werden kann, insbesondere in Fällen,
in denen ein hohler Dampfstrahl ausgespritzt wird. Es ist dann ausreichend, dafür zu sorgen, daß der hohle rotierende Dampfstrahl
den Brenner durch eine sich erweiternde öffnung mit einer im wesentlichen konischen Gestaltung verläßt. Der hohle, rotierende
Strahl wird dann automatisch divergieren.
Der Dampfstrahl kann zu einer Rotation um seine Achse dadurch
gebracht werden, daß man den Dampf in den Brenner z.B. zu einer Ausspritzöffnung über Kanäle, Leitungen, Nuten o.a. hinführt,
die in ihr tangential enden.
Die Erfindung ist in ganz besonderem Maße zur Anwendung in Fällen geeignet, wo ein gasförmiger Brennstoff verwendet wird,
der selbst den Brenner in einem hohlen, divergierenden Strahl
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verläßt. Dies sichert eine wirkungsvolle Vermischung mit dem
sauerstoffhaltigen Gas und eine gute Verbrennung ohne Rußbildung.
sauerstoffhaltigen Gas und eine gute Verbrennung ohne Rußbildung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als
Brenner ein Brenner mit einer geraden Einspritzeinrichtung verwendet, .wobei das sauerstoffhaltige Gas aus dem Brenner austritt in Form eines Hüllmantels um die Einspritzeinrichtung
über einen Luft- bzw. Gasschieber, der dem sauerstoffhaltigen Gas nicht nur einen Axial- , sondern auch einen Tangentialimpuls vermittelt. Diese Maßnahme trägt auch zu einer vollständigen Vermischung der Einzelkomponenten bei, die in den Reaktor eingeführt werden sollen, und daher zu einem optimalen Kühleffekt des eingeführten Dampfes.
Brenner ein Brenner mit einer geraden Einspritzeinrichtung verwendet, .wobei das sauerstoffhaltige Gas aus dem Brenner austritt in Form eines Hüllmantels um die Einspritzeinrichtung
über einen Luft- bzw. Gasschieber, der dem sauerstoffhaltigen Gas nicht nur einen Axial- , sondern auch einen Tangentialimpuls vermittelt. Diese Maßnahme trägt auch zu einer vollständigen Vermischung der Einzelkomponenten bei, die in den Reaktor eingeführt werden sollen, und daher zu einem optimalen Kühleffekt des eingeführten Dampfes.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet für die Anwendung bei der Produktion von reduzierenden Gasen durch
Teilverbrennung, insbesondere bei der Produktion von reduzierenden Gasen, die für die Reduktion von Abgasen mit Schwefelverbindungen verwendet werden sollen.
Teilverbrennung, insbesondere bei der Produktion von reduzierenden Gasen, die für die Reduktion von Abgasen mit Schwefelverbindungen verwendet werden sollen.
Ein Beispiel für ein solches Abgas ist das Abgas einer Claus-Einheit
(Claus-Ofen), die einige Schwefeldioxide, Schwefelwasserstoff und/oder Carbonylsulfid enthält. Die Schwefelverbindungen
können von solchen Abgasen durch Vermischung mit
einem reduzierenden Gas entfernt werden, indem das Gasgemisch bei einer geeigneten Temperatur über einen Katalysator zur
Reduktion von Schwefelverbindungen(außer Schwefelwasserstoff )
einem reduzierenden Gas entfernt werden, indem das Gasgemisch bei einer geeigneten Temperatur über einen Katalysator zur
Reduktion von Schwefelverbindungen(außer Schwefelwasserstoff )
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zu Schwefelwasserstoff und durch anschließende Ab- oder Adsorption
des Schwefelwasserstoffes aus dem Gas geleitet werden. Die reduzierenden
Gase, die für solche Abgasreinigung benötigt werden, enthalten vorzugsweise einen hohen Prozentsatz von Wasserstoff
und/oder Kohlenmonoxid.
Die Erfindung bezieht sich aber auch auf einen Brenner für die Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs,
der eine Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff und sauerstoff haltigem Gas aufweist. Der erfindungsgemäße Brenner ist
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ausspritzen eines zentralen DampfStroms, mittels derer dem Dampfstrom nicht nur
ein Axial-, sondern auch ein Tangential-Impuls aufprägbar ist. Ein solcher Brenner ist besonders geeignet für die Verwendung
bei.einem erfindungsgemäßen Verfahren, weil dabei ein zentraler Dampfstrom erhalten werden kann, der um seine Achse rotiert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners ist gekennzeichnet durch eine gerade Brenner-Einspritzeinrichtung,
die ein doppelwandiges Rohr aufweist, in dem eine Einrichtung für das Ausspritzen von Brennstoff angeordnet ist, die
zentral am vorderen Ende der Brenner-Einspritzeinrichtung befestigt ist. Eine solche Einrichtung zum Ausspritzen von Dampf
kann sogar bei einigen bereits existierenden Brennertypen für
Teilverbrennung eingebaut werden.
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Eine vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners
besteht darin, daß die Einrichtung zum Ausspritzen von Dampf eine Bohrung aufweist, die im wesentlichen konisch oder trichterförmig
ausgebildet ist, sich von ihrem Boden zu ihrem oberen Ende, das am oberen Ende der Brenner-Einspritzeinrichtung angeordnet
ist, erweitert, und in der nahe ihrem Boden die Auslässe tangential angeordneter Schlitze, Führungen, Nuten o.a. angeordnet
sind, die mit einem zentralen Hohlraum in der Brenner-Einspritzeinrichtung in Verbindung stehen. Hierdurch läßt sich
ein hohler, zentraler Dampfstrom erzielen, der divergiert und um seine Achse rotiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber
noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1. einen Axial schnitt eines Teiles eines erfindungsgemäßen
Brenners;
Fig. 2 einen Radialschnitt durch den Brenner aus Fig. 1 längs der Ebene II-Ii:.
Fig. 2 einen Radialschnitt durch den Brenner aus Fig. 1 längs der Ebene II-Ii:.
In Fig. 1 ist das vordere Ende der Einspritzeinrichtung 1 eines Brenners für die teilweise Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffes
dargestellt. Die Einspritzeinrichtung 1 ist in einem •Raum 3 untergebracht, der in· der feuerfesten Auskleidung 2 eines
Reaktors offengelassen wurde. Zwischen dem Raum 3 und dem Reaktorraum 4 ist eine Einengung 5 vorgesehen. Durch eine
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— Ό —
" 46-kreisförmige öffnung in dieser Einengung 5 treten Kraftstoff,
Verbrennungsluft und Dampf, die durch den Brenner eingespritzt werden, aus dem Raum 3 in den Reaktorraum 4 ein.
Die Verbrennungsluft wird in den Raum 3 über einen (nicht dargestellten)
Luftschieber eingeführt, der am entfernt liegenden Ende des Raumes 3 um die Brenner-Einspritzeinrichtung 1 angeordnet
ist. Die Verbrennungsluft strömt in einem Hohlstrahl, der um seine Achse rotiert, längs der Brenner-Einspritzeinrichtung
1 vorwärts und tritt in den Reaktorraum 4 über die Einengung 5 ein. Die Brenner-Einspritzeinrichtung 1 weist ein
doppelwandiges Rohr auf, dessen innere Rohrwandung 6 und äußere
Rohrwandung 7 einen kreisförmigen Schlitz bzw. Spalt 8 ausbilden, der an seinem vorderen Ende 9 geschlossen ist, wobei in
einiger Entfernung von diesem vorderen Ende die Einspritzeinrichtung 1 mit kleinen Bohrungen 10 versehen ist, die in regelmäßigem
Abstand ringsum am Umfang der äußeren Wandung 7 verteilt angeordnet sind.
Der gasförmige Brennstoff verläßt den kreisförmigen Spalt 8 durch die Löcher 10 und wird unter dem Einfluß des rotierenden
Luftstroms umgeleitet in der Art, wie dies in Fig. 1 etwa durch den Verlauf der Linie 11 gekennzeichnet ist.
Die Brenner-Einspritzeinrichtung 1 weist weiterhin einen Deckel mit zwei voneinander getrennten Teilen 12 und 13 auf, der am
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vorderen Ende des doppelwandigen Rohres befestigt Ist. In dem
äußeren Teil 12 dieses Deckels'.ist eine Ringnut 14 direkt an
der Berührstelle zwischen den Teilen 12 und 13 vorgesehen, wie
dies in Fig. 1 dargestellt ist» Diese Nut 14 ist mit dem Inneren 18 der Brenner-Einspritzeinrichtung 1 über eine Anzahl von
öffnungen 15 verbunden, die in regelmäßigem Abstand längs des
Umfangs der Nut 14 im Teil 13 angebracht sind. Weiterhin ist der Kanal 14 mit einer zentralen Auslaßöffnung 17 des Deckels
über vier tangential angeordnete Schlitze 16 verbunden (vgl.
Fig. 2). Die Schlitze 16 enden in der öffnung 17, und zwar
direkt über deren Boden; die öffnung 17 ist an ihrem Boden
durch den inneren Teil 13 des Deckels verschlossen. Der auslaßseitige Teil der öffnung 17 weitet sich nach außen in einer
im wesentlichen kegelförmigen Ausbildung.
Der Dampf, der bei erhöhtem Druck über das Innere 18 der Brennereinsprit
ζ einrichtung 1 zugeführt wird, gelangt in die Nut 14 über die öffnungen 15 und fließt von der Nut 14 über die
Schlitze 16 in die öffnung 17 hinein. Der Dampf verläßt dann
den Auslaß der öffnung 17 als ein divergierender Hohlstrahl 20, der um seine Achse rotiert.. In dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel weist die Kegelfläche, längs der der Dampf den Deckel verläßt, -einen öffnungswinkel von etwa 60°
auf. -
Bei dem gezeigten Brenner wurde gefunden, daß direkt hinter
der Einschnürung 5 Dampf, Luft und Gas in dem Reaktorraum 4
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-te-
so durcheinandergemischt werden, daß sich ein optimaler Kühleffekt
durch den Dampf einstellt.
Zur weiteren Darstellung der Erfindung wird nachfolgend ein Beispiel angegeben:
Mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Brenneranordnung wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt. Dabei betrug die
3
Reaktorkapazität 0,16 m . Als Brennstoff wurde Naturgas bzw. Erdgas verwendet (86 -Vol.-% CH., Rest N3) verwendet. Der Brenner war mit 13 Brennstofföffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 4,5 mm und mit 13 Brennstofföffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 3,5 mm versehen. Bei einem der Versuche wurde der Brenner mit einem Deckel der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art für die Einführung des Dampfes versehen. Bei den anderen Versuchen wurde flüssiges Wasser in Form eines zentral verlaufenden Strahles in den Brenner eingespritzt, wobei in.dem Brenner ein nicht der Erfindung entsprechender Deckel befestigt war. In all den Versuchen lag die Brennerbelastung bei etwa 70%.
Reaktorkapazität 0,16 m . Als Brennstoff wurde Naturgas bzw. Erdgas verwendet (86 -Vol.-% CH., Rest N3) verwendet. Der Brenner war mit 13 Brennstofföffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 4,5 mm und mit 13 Brennstofföffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 3,5 mm versehen. Bei einem der Versuche wurde der Brenner mit einem Deckel der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art für die Einführung des Dampfes versehen. Bei den anderen Versuchen wurde flüssiges Wasser in Form eines zentral verlaufenden Strahles in den Brenner eingespritzt, wobei in.dem Brenner ein nicht der Erfindung entsprechender Deckel befestigt war. In all den Versuchen lag die Brennerbelastung bei etwa 70%.
Zuerst wurde Erdgas ohne Zusatz von Dampf oder Wasser bei einer Stöchiometrie (Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff) von 57,2%,
61,4%, 66,8% und 75,2% verbrannt. Die entsprechenden Flammentemperaturen,
die mit Hilfe eines Pyrometers bestimmt wurden, waren 1310° C, 1360° C, 1385° C und 1440° C. Sodann wurde
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Erdgas bei einer Stöchiometrie von etwa 8 0° verbrannt mit einer
bestimmten Menge von Dampf bzw. Wasser, wobei diese Mengen gleich der Menge des Gases (in Kilogramm/Stunde) gewählt waren.
Die Flammentemperaturen betrugen nunmehr 1355° C bzw. 1400° C.
Ein Vergleich dieser Ergebnisse zeigt, daß die Flammentemperatur nicht nur von der Stöchiometrie beeinflußt wird, sondern auch
von der Einspritzung von Wasser oder Dampf, und daß das Einspritzen von Dampf in der erfindungsgemäßen Weise einen relativ
großen Temperaturabfall bewirkt.
Wenngleich die Erfindung auf die in den Fig. dargestellte Ausführungsform
nicht beschränkt ist, verkörpert sie sich dennoch in ganz besonders vorteilhafter Weise in der den Fig. 1 und 2
entnehmbaren bzw. dort dargestellten Ausfuhrungsform.
Ansprüche
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Claims (8)
1. Verfahren zur Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffes in einem mit feuerfester Verkleidung versehenen
Reaktor, wobei Kraftstoff und ein sauerstoffhaltiges
Gas für die Verbrennung in den Reaktor über einen Brenner eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß
über den Brenner in den Reaktor auch ein zentraler Dampfstrahl
eingespritzt wird, der divergiert und um seine Achse rotiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Dampfstrahl längs einer kegelförmigen Fläche mit einem öffnungswinkel von etwa 60° divergiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Brenner ein hohler Dampfstrahl ausgespritzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Brenner ein divergierender Hohlstrahl gasförmigen Brennstoffes ausgespritzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß als Brenner ein Brenner mit einer geraden Einspritzeinrichtung verwendet wird und daß das sauerstoffhaitige
Gas aus dem Brenner austritt in Form eines Hüllmantels um die Einspritzeinrichtung über einen Gasschieber, der ihm nicht nur
einen Axial-,sondern auch einen Tangential-Impuls aufprägt.
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6. Brenner für die Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes, mit einer Einrichtung zum Einspritzen
von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere zur
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung (12 bis 17) zum Ausspritzen eines zentralen Dampfstromes (2 0), mittels derer dem Dampfstrom (20) nicht
nur 'ein Axial-, sondern auch ein Tangential-Impuls aufprägbar
ist.
7. Brenner nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine gerade
Brenner-Einspritzeinrichtung, die ein doppelwandiges Rohr (6, 7) aufweist und an der zentral am vorderen Ende die Einrichtung
(12 bis 17) zum Ausspritzen von Dampf (20) befestigt ist.
8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ausspritzen von Dampf eine Bohrung (17) aufweist,
die im wesentlichen konisch oder trichterförmig ausgebildet ist, sich von ihrem Boden zu ihrem oberen Ende, das am
oberen Ende der Brenner-Einspritzeinrichtung (7 bis 9) angeordnet ist, erweitert, und in der nahe ihrem Boden tangential
angeordnete Schlitze (10) münden, die mit einem zentralen
Hohlraum (18) in der Brenner-Einspritzeinrichtung in Verbindung
stehen.
709828/0679
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