DE2721525A1

DE2721525A1 - Brenner fuer einen zum abfackeln brennbarer abgase dienenden schornstein

Info

Publication number: DE2721525A1
Application number: DE19772721525
Authority: DE
Inventors: Robert D Reed; Robert E Schwartz
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-05-12
Publication date: 1977-12-08
Also published as: JPS52142342A; IT1079028B; FR2352249A1; DE2721525C2; FR2352249B1; GB1556934A; NL181682C; NL7705206A; CA1069816A; US4052142A; JPS5712927B2; NL181682B

Description

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Brenner für einen zum Abfackeln brennbarer Abgase dienenden Schornstein

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner, dessen Zweck und dessen Ausgestaltung im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch ohne die Verwendung von Dampf eine rauchlose Verbrennung dann zu erreichen, wenn dem Brenner durch die innere Leitung des Schornsteins nur ein verhältnismässig schwacher Primärluftstrom zugeführt wird.

Wie diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst wird, ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Die durch die innere Leitung des Schornsteins zugeführte Primärluft bewirkt also durch ihre Drosselung im Brenner, daß sich diese Primärluft mit den brennbaren Abgasen und der aus der umgebenden Atmosphäre angesaugten Außenluft turbulent mischt.

Bekannt ist es, ein rauchfreies Verbrennen der Abgase beim Abfackeln im Freien durch die mechanischen und chemischen Wirkungen von Dampfstrahlen zu fördern. Wenn man hierzu Dampf verwendet, verteuert sich nicht nur die Verbrennungsanlage sondern auch deren Betrieb, weil dieser laufend Energie zum Erzeugen des Dampfes verbraucht.

Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt besteht also darin, daß die dem Primärluftstrom durch das Gebläse zugeführte Energie besser für die Verbrennung der Abgase ausgenutzt wird, indem diese Energie einer turbulenten

Mischung der Primärluft mit den Abgasen und dem Ansaugen einer ausreichenden Menge von Außenluft dient, die ein rauchfreies und vollständiges Verbrennen der Abgase gewährleistet.

Der zum Abfackeln der brennbaren Abgase im Freien dienende Schornstein wird also durch ein Gebläse mit einem Primärluftstrom gespeist und enthält in seinem Inneren eine Leitung für die abzufackelnden Abgase. Oben an der inneren Gasleitung ist ein Brenner angebracht, der von sternförmig angeordneten hohlen Armen gebildet wird. Diese befinden sich also zwischen der inneren Gasleitung und der Innenfläche des zylindrischen Schornsteins an dessen oberem Ende. Jeder der hohlen radialen Arme ist oben, an den Seiten und unten abgeschlossen und hat gleichmässig über seine Länge verteilt zwei Reihen von Mündungen, die seitlich nach außen und aufwärtsgerichtet sind. Am oberen Ende des Schornsteins sitzen an der Innenfläche seiner zylindrischen Außenwand dreieckige Drosselstücke, die je symmetrisch in den Raum zwischen zwei radiale Arme hineinragen und einen Scheitelwinkel haben, der dem Winkel der beiden Arme entspricht. Jedes Drosselstück begrenzt daher zwischen den beiden Armen einen engen V-förmig gestalteten Schlitz, durch den der Primärluftstrom hindurchfließt. Da der Strömungsquerschnitt dieser V-förmigen Schlitze zwischen den Drosselstücken und den Brennerarmen nur ein Bruchteil des Ringraumquerschnitts beträgt, den der Luftstrom zwischen der inneren Gasleitung und der äußeren Schornsteinwand durchfließt, wird der Luftstrom beim Durchströmen der V-förmig gestalteten Schlitze erheblich beschleunigt. Infolgedessen sinkt der Luftdruck in der Strömung und bewirkt, daß Außenluft über die Kanten der Drosselstücke hinweg zwischen den Brennerarmen und der oberen Kante des Schornsteins angesaugt wird.

Die Gasmündungen in den Brennerarmen erzeugen Gasstrahlen, die aus den Armen über deren Länge hin seitlich austreten und dabei auf die flachen Luftströme treffen, die durch die V-förmigen Schlitze hindurch aufwärtsfließen. Infolgedessen mischt sich das Gas mit der Primärluft in einer turbulenten Strömung, und dabei mischt sich auch das Gas mit der angesaugten Außenluft. Die Turbulenz dieser Mischung von Gas und Luft ist so stark, daß eine vollständige Mischung mindestens im stöchiometrischen Verhältnis eintritt und zu einer vollständigen Verbrennung der Abgase führt.

Das Ansaugen der Außenluft, die über die obere Kante des Schornsteins hinweg einwärtsfließt, die Oberflächen der Drosselstücke überquert und sich mit der schnell aufwärtsfließenden Primärluft mischt, wird dadurch erleichtert, daß sich oberhalb der Drosselstücke der mit hoher Geschwindigkeit durch die engen Schlitze fließende Luftstrom mit der Außenluft über eine lange Fläche hin berührt.

In den Zeichnungen, in denen der Stand der Technik und Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, zeigen

die Fig. 1 und 2 einen bekannten Brenner zum Abfackeln

brennbarer Abgase anhand eines Grundrisses und eines lotrechten Längsschnittes, Fig. 3 und ^ eine Ausführungsform der Erfindung anhand

eines Grundrisses und eines lotrechten Längsschnittes,
Fig. 5 und 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung

anhand eines Grundrisses und eines lotrechten Längsschnittes,
Fig. 7 einen teilweisen Querschnitt einer Ausführungsform

eines radialen Brennerarms, Fig. 8 und 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung

anhand eines Grundrisses und eines lotrechten Längsschnittes und

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Fig. 10 und 11 ebenfalls eine Ausführungsform anhand eines Grundrisses und eines teilweisen Längsschnitts.

Der in den Fig«, 1 und 2 gezeigte bekannte Brenner für einen Schornstein zum Abfackeln brennbarer Abgase ist am oberen Ende des Schornsteins angebracht, der axial zur zylindrischen Außenwand 12 mit einer inneren zylindrischen Leitung 14 für das zu verbrennende Abgas versehen ist. Der im Querschnitt ringförmige Zwischenraum zwischen der inneren zylindrischen Leitung 14 und der zylindrischen Außenwand 12 wird mit einem schnellfließenden Primärluftstrom beschickt, der zum Verbrennen der Abgase dient und durch Pfeile 18 angedeutet ist, während der Pfeil 20 den zu verbrennenden Gasstrom darstellt.

Der Brenner 10 weist vier sternförmig am oberen Ende der inneren zylindrischen Leitung 14 befestigte hohle Arme 16 auf, die in die Wandung der zylindrischen Leitung 14 eingesetzt sind, die oben durch eine Platte 19 verschlossen ist. Im Betrieb fließt der Gasstrom 20 in der Leitung 14 aufwärts und dann durch Löcher 17 in die Arme l6 hinein und tritt dort durch nicht näher dargestellte Mündungen nach oben aus. Er mischt sich dort mit der Luft 18, die zwischen den radialen Armen 16 aufwärtsfließt.

Zwar sind bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Leitung 12 und die Schornstein-Außenwand 14 zylindrisch gestaltet; doch können sie jede beliebige Querschnittsgestalt haben.

In Fig. 1 ist die zylindrische Außenwand des Schornsteins an seiner oberen Kante von einem strichpunktierten Kreis 22 umgeben. Dadurch soll angedeutet werden, daß sich auf

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der einen Seite der zylindrischen Wand 12 Außenluft befindet und innerhalb dieser Wand 12 die Primärluft aufwärtsströmt, um die Verbrennung zu unterstützen. Auf der Innenseite der zylindrischen Außenwand 12 herrscht oben an der Kante 13 ein verringerter Druck. Dieser Unterdruck bewirkt, daß Außen]uft über die Schornsteinkante 13 hinweg von dem aufwärtsfließenden Primärluftstrom angesaugt wird. Die beiden Luftmassen mischen sich an der oberen Kante 13 mit turbulenter Strömung«, Die strichpunktierte Linie 22 deutet diesen Bereich an, in welchem an der Kante 13 des Schornsteins 12 Außenluft angesaugt wird.

Bei dem in den Fig. 3 und k dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung umschließt die zylindrischen Außenwand 12 des Schornsteins ebenfalls eine innere Leitung 14, in deren oberes Ende sternförmig Brennerarme 16 eingesetzt sind, wobei das obere Ende der Leitung Ik durch einen Deckel 19 verschlossen ist. An seiner oberen Kante trägt aber die Außenwand 12 einen Kranz einwärtsgerichteter Drosselkörper 2k von dreieckiger Gestalt, die je in den von zwei benachbarten Armen 16 umgrenzten Raum symmetrisch hineinragen. Der Scheitelwinkel der dreieckigen Drosselkörper entspricht also dem von den Seiten der Arme 16 gebildeten Winkel, so daß die Seitenkanten der Drosselkörper parallel zu den Armen 16 verlaufen und mit diesen V-förmige Schlitze 28 von ungefähr gleichförmigerBreite begrenzen. Der gesamte Querschnitt dieser V-förmigen Schlitze 28 ist wesentlich kleiner als der Querschnitt des Ringraumes zwischen der Leitung 12 und der zylindrischen Außenwand Ik. Infolgedessen wird der Luftstrom 18 beim Hindurchfließen durch die Schlitze 28 erheblich beschleunigt, wobei diese Beschleunigung mit einem Druckabfall verbunden ist. Durch diesen Unterdruck wird über die Oberfläche der Drosselstücke 2k hinweg Außenluft angesaugt. Wieviel mehr Außenluft auf

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diese Weise von dem die Schlitze 28 durchströmenden Luftstrom angesaugt wird, ergibt sich aus der größeren Länge der Linie 26 in Fig. 3 verglichen mit der Linie 22 der Fig. 1, zumal die Beschleunigung des Luftstroms durch dessen Drosselung die Saugkraft erhöht.

Bei der Ausgestaltung gemäß den Fig. 3 und k saugen also der Primärluftstrom und die Gasmischung vielmehr Außenluft an und liefern in turbulenter Strömung die ganze im stöchiometrischen Verhältnis stehende Luftmenge für die vollständige Verbrennung.

Wieviel Primärluft durch die V-förmigen Schlitze 28 fließt, hängt von deren Weite ab. Bei Vergrößerung der Fläche der Drosselstücke und Verkleinerung der V-förmigen Schlitze ergibt sich eine stärkere Drosselung und damit eine größere Beschleunigung des Luftstroms sowie eine größere Länge der durch die Linie 26 angedeuteten Zone und infolgedessen wird mehr Außenluft angesaugt. Man kann daher die Menge der Primärluft entsprechend verringern, so daß diese nur einen kleinen Bruchteil, bis zu 10 %_t der für das stöchiometrische Verhältnis erforderlichen Luftmenge zu liefern braucht. Dennoch erhält man durch Ansaugen der Außenluft die gesamte stöchiometrische Luftmenge für die vollständige Verbrennung der Abgase.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 und k ist die gemeinsame Ebene, in der die Drosselstücke 2k und die Arme i6 liegen, eine Querebene der zylindrischen Wand 12 und der Leitung

In den Fig. 5 und 6 ist diese Fläche, in der die sternförmig angeordneten Brennerarme und die Drosselstücke liegen, nicht mehr eine Querebene sondern eine zur Achse des Schornsteins 12 und der Leitung lh gleichachsige Kegelfläche. Infolgedessen verlängert sich die Linie 26', welche die längs der

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Kanten der Drosselstücke 2k' und der Schornstein-Außenwand 12 verlaufenden Zone angibt, in der die Saugwirkung stattfindet. Aus diesem Grunde wird bei der kegeligen Ausgestaltung des Brenners gemäß den Fig. 5 und 6 eine noch größere Saugwirkung erreicht, mit der die Außenluft in die Verbrennungszone hineingesaugt wird. Die Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 ist daher derjenigen der Fig. 3 und k überlegen.

Während bei der Ausführungsform der Fig. 3 und k der Winkel 30 zwischen der Oberfläche der Drosselstücke 2k und der Zylinderachse 90° beträgt, beläuft er sich bei der Ausführungsform der Fig. 5 und 6 auf etwa k5°, wie bei 30' gezeigt.Mithin ist die Oberfläche der Drosselstücke 2h zur Lotrechten um etwa k5° geneigt.

Wegen der Kegelgestalt der Oberfläche der Drosselstücke und der Brennerarme verlängert sich die durch die Linie 26' angedeutete Zone der Saugwirkung um etwa 38% gegenüber der Linie 22 der Fig. 1 und 2 und um etwa 22% gegenüber der Linie 26 in den Fig. 3 und k. In diesem Verhältnis wächst also die Saugwirkung, mit der die Außenluft angesaugt wird.

Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform der Brennerarme 16, die sich an die mittlere Leitung Ik anschließen. Diese Arme sind im Querschnitt ungefähr rechteckig. Sie haben Seitenwände kO und eine Bodenwand 82, die entweder gemäß Fig. 9 rechteckig oder gemäß Fig. 7 angerundet sein kann. Die Oberseite des Armes ist vorzugsweise derart gebogen, daß sie oben bei kk flach verläuft und anschließend geneigte Wandungen k5 und k6 hat, die sich an die Seitenwände kO anschließen. Längs der Flächen k5 und k6 sind Mündungen 48 ausgestanzt. Verläuft die Oberseite kk waagerecht, wie bei der Ausführungsform der Fig. 3,

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sind die durch die Mündungen 48 austretenden Gasströme aufwärts und seitlich gerichtet und werden daher in die schnell aufwärtsfließenden Primärluftschichten hineingeblasen, die durch die V-förmigen Schlitze 28 zwischen den Drosselstiicken und den Armen hindurchfließen. Die Pfeile 15 in Fig. 7 zeigen, in welcher Richtung das zu verbrennende Gas ausströmt. Auch läßt Fig. 7 erkennen, wie der aufwärtsgerichtete Primärluftstrom 18 um die Seitenwände 40 der Arme bei 21 herumströmt und in die Schlitze 28 gelangt. Der Querschnitt der Arme ist bei den Ausführungsformen der Fig. 3, 4 und 5, 6 ungefähr überall gleich groß. Dabei stellt die in Fig. 7 gezeigte Bauart die beste Ausführung dar. Beträgt aber der Winkel 30' der Kegelfläche, in der die Oberflächen der Drosselstücke und der Arme liegen, etwa 45 , wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, dann empfiehlt es sich, den Seitenwänden der Arme eine dreieckige Gestalt zu geben. In diesem Falle haben die in der Wandung der Leitung 14 vorgesehenen Öffnungen 70, an denen die Arme angesetzt sind, einen größeren Strömungsquerschnitt für den Gasstrom, der dann durch die Mündungen oben in den Armen 16 austritt. Fig. 8 zeigt die Oberseite der Arme,die aus den Flächen 44, 45 und 46 bestehen, wobei der Einfachheit halber die in den Fig. und 11 gezeigten Mündungen nicht dargestellt sind.

Haben die Brennerarme 16 die in Fig. 8 gezeigte dreieckige Gestalt, dann können die Drosselstücke 24' je von einer einfachen dreieckigen Platte gebildet werden, die innen an der oberen Kante der Außenwand 12 angebracht ist. Es besteht jedoch die in den Fig. 10 und ii gezeigte Möglichkeit, jedes Drosselstück 24 als einen im Querschnitt dreieckigen Hohlkörper mit Wänden 62, 63, 64 und 66 auszugestalten, deren Wand 66 bei 68 innen an der Außenwand angeschweißt ist. Auf diese Weise erhalten die V-förmigen

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Schlitze 28 zwischen den Brennerarmen und den Drosselstücken die Gestalt von langen engen Kanälen zwischen den Seitenwänden 62 und 6k der Drosselstücke und den Seitenwänden kO der Arme.

Nicht mit dargestellt ist das untere Ende des Schornsteins, bei welchem dieser durch Gebläse mit dem Primärluftstrom gespeist wird. Das ist bekannt und gehört nicht zu der neuen Ausgestaltung. Diese liegt vielmehr in der Ausgestaltung des Brenners mit den dreieckigen Drosselstücken, die zwischen die sternförmigen Brennerarme greifen und mit diesen enge V-förmige Schlitze bilden, durch welche die Primärluft hindurchfließt, sich dabei in turbulenter Strömung mit den zu verbrennenden Gasen vermischt und soviel Außenluft ansaugt, als zur vollständigen Verbrennung nötig ist.

Die Fläche, in der die Drosselstücke und die Arme liegen, kann entweder eine Ebene sein, die sich quer zum Strom der Primärluft und der Gase erstreckt, oder von einer Kegelfläche gebildet werden, was den Vorzug verdient. Der Scheitelkegelwinkel beträgt vorzugsweise 90°, so daß die Oberfläche der Drosselstücke und der Arme um 45° geneigt zur Schornsteinachse verlaufen.

Die Primärluftmenge kann einen kleinen Bruchteil derjenigen Menge betragen, die das stöchiometrische Mischungsverhältnis für die vollständige Verbrennung ergibt; so kann dieses Verhältnis bis auf 10% herabgesetzt werden. Vorzugsweise aber beträgt dieses Verhältnis 10 bis 50%. Der Rest der Verbrennungsluft wird von der angesaugten Außenluft gebildet, die über die Oberfläche der Drosselstücke hinwegfließt und sich mit der Primärluft mischt, die durch die V-förmigen Schlitze aufwärtsströmt.

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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können in mannigfachen Einzelheiten abgeändert werden. Die Erfindung ist also auf diese Einzelheiten keineswegs beschränkt. Auch dienen die in der Beschreibung verwendeten Begriffe der Erläuterung und nicht der Beschränkung der Erfindung.

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Claims

Patentansprüche

1. Brenner für einen zum Abfackeln brennbarer Abgase dienenden Schornstein, dessen aufrechte zylindrische Außenwand mit Abstand eine aufrechte innere Gasleitung kleineren Durchmessers umgibt, die an ihrem oberen Ende dicht am oberen Ende der Außenwand an ihr befestigte radiale Arme mit über deren Länge verteilten aufwärtsgerichteten Mündungen trägt, wobei dem von den Armen gebildeten Brenner die Luft durch den Zwischenraum zwischen der Gasleitung und der äußeren Schornsteinwand zufließt, dadurch gekennzeichnet, daß an der oberen Kante der zylindrischen Außenwand (12) befestigte dreieckige Drosselstücke (2^,2^·, 62-66) einwärts symmetisch zwischen die radialen Arme in den Luftstrom hineinragen und einendem Winkel der Arme (l6) entsprechenden Scheitelwinkel haben und mit den Armen (l6) gemeinsam in einer Fläche liegen, die entweder eine waagerechte Querebene des Schornsteins oder eine zu ihm gleichachsige Kegelfläche ist, so daß der Luftstrom durch die Drosselung beschleunigt über die Kanten der Drosselstücke hinweg Außenluft ansaugt und sich mit dieser und mit dem aus den Mündungen austretenden Gas turbulent mischt.

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Deutsche Bank München. Kto.-Nr. 82/08050 (BLZ 70070010)

ORIGINAL INSPECTED

Postscheck München Nr. 163397-802

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2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwinkel der Kegelfläche l6o bis 6o° beträgt.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Brennerarme (l6) dreieckige Seitenwände (40) hat, am Boden (82) geschlossen ist und mit seiner lotrechten Kante (bei 70) in die Wandung der inneren Gasleitung (l4) eingesetzt ist und eine geschlossene obere Wand (44) hat (Fig. 9).

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Drosselstücke (24) einen begrenzten Raum von dreieckigem Querschnitt in Anspruch nimmt, dessen dreieckiger Querschnitt demjenigen der Arme (40-46) entspricht,

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der radialen Brennerarme drei bis vierzehn beträgt.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der radialen Arme sechs bis zehn beträgt.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmenge der durch die Leitung (l4) fließenden Verbrennungsluft 10 - 50 % des stöchiometrischen Wertes beträgt.

8. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwärtsneigung jedes kegelförmigen Drosselstücks (24') bewirkt, daß die abwärtsgeneigten Brennerarme (i6') parallel zu den kegelförmigen Drosselstücken (24·) verlaufen.

9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der radialen Brennerarme (l6) zwei Reihen von Mündungen (48) hat, die von den Armen aus aufwärts und auswärtsgerichtet sind.

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