DE2842125A1

DE2842125A1 - Bodenfackel-vorrichtung

Info

Publication number: DE2842125A1
Application number: DE19782842125
Authority: DE
Inventors: Takusen Ito
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1979-04-12
Also published as: DE2842125C2; US4245979A; NL168606C; NL168606B; FR2405432A1; GB2005821B; IT7851345A0; FR2405432B1; GB2005821A; IT1107493B; NL7810043A

Description

DIPL.-CHF-M. oh. HARALD STACH

PATENTANWALT ^

ADENAUERALLEE 30 . 2000 HAMBURG 1 · TELEFON (040) 244523

Aktenzeichen: Neuanmeldung

Anmelder : Hitachi Shipbuilding & Engineering Company Limited

Priorität : Japan 52-135398 vom 7. Oktober 1978

Japan 52-135399 vom 7- Oktober 1978

Bodenfackel-Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bodenfackel-Vorrichtung zur Abfackelung von Abgasen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennbare Gase, die zB von Öl-Raffinerien, ρetrochemischen und anderen Anlagen als Abgase anfallen, werden in die Atmosphäre ausgestoßen und in Bodenfackeln verbrannt. Dabei tritt das technische Problem auf, wie man große Mengen von Abgasen verbrennen kann, ohne daß dabei leuchtende Flammen, Qualm, Geräusche und Schwingungserschütterungen auftreten. Mit anderen Worten: der Stand der Technik auf diesem Gebiet hängt davon ab, wie man die Kapazität dieser Vorrichtungen steigert, ohne die erwähnten Schwierigkeiten in Kauf nehmen zu müssen. Gegenwärtig ist das Entstehen von Qualm und Schwingungserschütterungen die Hauptschwierigkeit, die'überwunden werden muß, wenn man auf diesem Gebiet Fortschritte machen will.

Um die Qualm- und Schwingungsprobleme zu lösen, wird der Durchschnittsfachmann versuchen, Feuerraum und Brenner so zu konstruieren, daß eine stabilisierte Flamme möglichst nahe bei

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der Brennerdüse gebildet wird. Gewöhnlich wird Dampf benutzt, um die Qualmentwiclclung mit Hilfe der Wassergas-Reaktion zu steuern, wobei man sorgfältig darauf achtet, den Dampf so einzuleiten, daß er die Stabilisierung der Flamme nicht stört.

Nach ihrer Entstehungsursache können Schwingungserscheinungen bei Bodenfackeln in zwei Gruppen eingeteilt werden:

A. Verbrennungsschwingungen durch instabile Flammen und

B. Verbrennungsschwingungen durch örtliche Überhitzung im Feuerraum.

Verschiedene Versuche haben gezeigt, daß die unter A. angegebene Ursache im Gegensatz zu dem, was man bisher angenommen hatte, nicht solchen starken Einfluß hat wie die Ursache B und daß man eine größere Kapazität und zwar ohne Schwingungserscheinungen erhält, wenn es gelingt, die Ursache B auszuschalten. Um das zu tun, ist es wesentlich, die Temperaturverteilung in der Feuerraumlängsrichtung so einförmig wie möglich zu machen und besonders in der vertikalen eine örtliche Überhitzung zu vermeiden.

In den US Patenten No. 3,852,023 und 3,933,420 werden Feuerungen beschrieben, die so gebaut sind, daß die zuströmende Verbrennungsluft von unten zugeführt wird und am Boden des Feuerraumes einen Wirbel bildet, damit in der Nähe der Brennerdüse eine stabilisierte Flamme entsteht und die vollständige Vermischung von Gas und Luft sicher gestellt ist, um Qualm zu vermeiden. Bei solchen Feuerungen ist der Lufteinlaß in Bezug auf die Bodenfläche des Feuerraumes gewöhnlich begrenzt, wie in der US PS 3,933,420 offenbart ist. Die Nach-

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teile dieser Bauart liegen jedoch vor allem darin, daß man der Ursache A. zuviel Aufmerksamkeit gewidmet hat; unnötigerweise stabilisierte Flammen verursachen Schwingungsart B., mit dem Ergebnis, daß die Feuerung gemessen an ihrer Größe, die mehr Kapazität zuließe, eine zu kleine Kapazität hat. Außerdem hat die Lufteinlaßöffnung am Boden des Feuerraumes, nach der US PS 3,933,420, zur Flammenstabilisierung einen auf 20 bis 85 % der Feuerungsfläche begrenzten Querschnitt. Dies bedeutet doch, daß die restlichen 80 bis 15 % der Fläche nicht wirksam genutzt werden, und beweist, daß die Feuerung in Bezug auf ihre Größe eine begrenzte Kapazität hat.

Die für den Gebrauch in den bekannten Anlagen geeigneten Brenner umfassen:

C. Brenner mit einer Gasleitdüse und an der Düse angebrachtem Diffusor, um Dampf gegen die Flamme zu blasen und so Qualmen zu verhüten, und

D. Den unter C. angeführten Brennern im wesentlichen ähnliche Brenner, die eine Gas-Dampf-Mischung bilden können, bevor das Gas aus der Düse herausströmt.

Diese Brenner wurden hauptsächlich entwickelt, um eine stabilisierte Flamme in der Nähe der Brennerdüse zu erhalten, wobei Feuerraum- und Brennerkonstruktion bei der Flammenstabilisierung in der Nähe der Düse zusammenwirken. Infolgedessen tritt in der Nähe der Brennerdüse eine ausgesprochen exothermigche Reaktion auf, was wiederum zu örtlicher Überhitzung führt. Obwohl die Schwingungen wegen instabiler Flammen vermieden sind, werden die Schwingungen dann durch die örtliche Überhitzung im Feuerraum verursacht.

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Daher besteht bei Bodenfackeln das Problem, welches bei Kessel- und Heizungsfeuerungen keine Rolle spielt, wie man in einem begrenzten Feuerraum große Abgasmengen behandelt. Aus diesem Grunde kann man mit den für die genannte Art Feuerungen entwickelten Techniken die bei Bodenfackeln durch Qualmbildung und Schwingungserschütterungen hervorgerufenen Probleme nicht lösen.

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Bodenfackel vorzusehen, bei der der von der Feuerung eingenommene Raum 100 %lg ausgenutzt wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, den Feuerraum einer Bodenfackel derart zu gestalten, daß örtliche Überhitzung und Schwingungserzeugung vermieden werden.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung hat insbesondere einen Feuerraum mit einer rohrförmigen Wand, so daß im wesentlichen die gesamte Bodenfläche für den Luftzutritt offen ist. Die Gasbrenner sind so konstruiert, daß die Flamme nicht in der Nähe der Düse stabil ist, sondern daß sie von der Düse etwas abgehoben ist.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird zugleich das Problem gelöst, die Anzahl der Zündbrenner einzuschränken und doch zuverlässig dafür zu sorgen, daß alle Brenner immer zünden, wobei unnötiger Gasverbrauch vermieden wird.

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Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den schematischen Zeichnungsfiguren, in denen die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen ausführlich erläutert und dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 2 die Vorderansicht eines Vertikalschnitts von Fig. 1;

Fig. 3 die vergrößerte, teilweise weggebrochene Vorderansicht eines Brenners von Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 5 die Vorderansicht eines Vertikalschnitts von Fig. 4;

Fig. 6 die vergrößerte Ansicht eines Schnittes entlang der Linie VI-VI der Fig. 4 und

Fig. 7 die vergrößerte Ansicht eines Schnittes entlang der Linie VII-VII in Fig. 4.

Wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, hat ein rohrförmiger Feuerraum 1 einen vollständig offenen, 100 % offenen, Boden. In dieser Öffnung sind eine Vielzahl von Gas-Brennern 2 angeordnet. Zu jedem der Brenner 2 gehören: ein durch einen Rahmen 3 gehaltenes Gas-Versorgungsrohr 4, eine auf dem oberen Ende des Rohres 4 montierte Gas-Düse 5 und ein Gas-Mischrohr 7, in dessen unterem Ende das obere Ende der Düse 5 angeordnet ist. Das Mischrohr 7 wird von einem am Versorgungsrohr 4 befestigten Arm 6 gehalten. Die Rohre 4 entspringen aus einer Vielzahl von Verteilungsleitungen 8a, 8b, 8c.

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Am Brenner 2 sind die Beziehungen zwischen dem Innendurchmesser D des Mischrohres 7 find dem Innendurchmesser d der Düse 5 durch D= 2d bis 5d und zwischen dem Innendurchmesser D und der länge L des Mischrohres 7 durch L = 5D bis 1OD bestimmt.

Wie man aus Fig. 3 ersieht, ist das Mischrohr 7 an seinem unteren Ende durch einen konischen, rohrförmigen Ansatz 9 erweitert. Der Ansatz 9 hat daher eine leonische Innenwand 7b mit gegen das untere Ende ständig wachsendem Durchmesser, wobei die konische Innenwand kontinuierlich in eine zylindrische Innenwand 7a des Rohres 7 übergeht. Dies verringert den Luftwiderstand beim Einsaugen der Luft in das Mischrohr 7.

Im Gegensatz zu den bekannten Brennern, bei denen zwar ebenfalls die Verbrennungsluft von dem strömenden Gas in den Brenner mitgerissen wird, ist das Mischrohr 7 jedoch nicht als Diffusor gebaut, sondern hat eine im Wesentlichen rohrförmige innere Oberfläche. Daher bildet der Brenner 2 auch nicht die bekannte, in der Nähe der Düse stabile Flamme, sondern die Flamme befindet sich etwas angehoben über der Düse. In solch einer von der Düse abgehobenen Position kann die Flamme nicht mehr durch Abblasen vom Brenner ausgelöscht werden. Um Qualmen zu verhüten, muß dabei genügend Luft in das Mischrohr 7 eingeführt werden. Bei einem erfindungsgemäßen Brenner mit den oben angegebenen Größenverhältnissen sind diese Bedingungen erfüllt; bei ihm steht die richtige, Qualmen verhindernde Menge an Verbrennungsluft zur Verfügung, und die Flamme bildet sich in einer gewissen Entfernung vom Brenner, so daß Erlöschen durch Ausblasen unwahrscheinlich ist. Außer Qualmen verhindert ein Brenner mit einer erfindungsgemäßen

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Form auch das Entstehen von Verbrennungsschwingungen, indem er die Gefahr örtlicher Überhitzung verringert. Das Verhältnis von Gas zu Luft ist dabei wie 1 zu 2 bis 5. Da weiter das Plächenverhältnis des Feuerraumbodens, nämlich Lufteinlasses, zur Querschnittsfläche des Feuerraums im wesentlichen 100 % beträgt, nutzt die Vorrichtung den Innenraum der Feuerung zu 1Ü0 % aus.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 7 soll im folgenden eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden, durch die der Stand der Technik weiter fortschrittlich verbessert wird. Obwohl in den Pig. 1 bis 3 nicht dargestellt und bisher nicht erwähnt, hat jeder der bisher beschriebenen Gasbrenner einen Zündbrenner. Alle Zündbrenner müssen ständig brennen, um die ausströmenden Gase bewältigen zu können; denn wenn nur eine verminderte Anzahl von Brennern in Betrieb wären, zB ein Zündbrenner für je drei Gasbrenner, werden womöglich bei plötzlicher Gaszufuhr, zB durch Ansprechen eines Sicherheitsventils, nicht alle Gasbrenner gezündet und ein Explosionsunfall durch unverbrannte Gase könnte die Folge sein. Falls jedoch für jeden- Gasbrenner ein Zündbrenner vorgesehen wird, kann die dafür zu verbrauchende Gasmenge bis zu 300 000 Nm pro Jahr betragen, dh daß es sich durch die dann entstehenden Kosten von selbst verbietet.

Bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist nun die Anzahl der Zündbrenner stark vermindert und eine zuverlässige Zündung trotzdem gesichert. Im wesentlichen gleiche Teile wie bei der ersten Ausführungsform werden nicht mehr beschrieben; es wird auf sie nur mit den gleichen Ziffern Bezug genommen.

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Vie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, sind die oberen Enden mindestens benachbarter Gasbrenner 2, nämlich die oberen Enden der Mischrohre 7, mittels Flammen-Leitplatten 10 miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform sind die leitplatten 10 im Querschnitt V-förmig gebildet* Sie sind so am oberen Ende der Mischrohre 7 angebracht, daß die Enden der Rohre durch die Platten hindurchtreten. Die Platten 10 sind sowohl in radialer als auch in ümfangsrichtung des Feuerraums vielfach gestückt, um den örtlichen Austausch von Brennern 2 zu erleichtern. Nur neben einem aus der Vielzahl von Brennern ausgesuchten Brenner 2A ist ein Zündbrenner 11 angebracht. Dieser muß einen solchen Platz einnehmen, daß eine schnelle Übertragung der Flammen gesichert ist. Außerdem muß die Reihenfolge, in der die Gasbrenner 2 für einen zufriedenstellenden Betrieb anzuordnen sind, beachtet werden.

Das aus den Brennern herausströmende Gas wird zuerst an dem Brenner 2A, bei dem sich der Zündbrenner 11 befindet, gezündet. Ein Seil der sich ergebenden Flamme wird von dem über die Platten. 10 streichenden, durch den Zug hervorgebrachten Luftwirbel gegen die !Leitplatten 10 gedrückt, so daß sich, die flam me über die benachbarten Brenner verteilt und diese zündet. Auf diese Weise werden alle Brenner der Reihe nach gezündet und die Flammen verbreiten sich über die ganze Bodenfackel. Die Ausbreitung der Flammen nimmt gewöhnlich fünf Sekunden oder weniger in Anspruch, so daß die Flammen sich beinahe so schnell ausbreiten, als ob jeder Brenner mit einem Zündbrenner ausgerüstet wäre. Außerdem gibt es keine Explosionen wegen Fehlzündung.

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Sehr kritisch sind Anordnung, Größe und Form der Flammenleitplatten 10, weil diese Merkmale das Auftreten von Qualm und Schwingungen beeinflussen können. So verursachen zB über den Mischrohren 7 angeordnete Leitplatten 10 zwar eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen aber in dem unteren Teil des Feuerraums 1 vermehrte Überhitzung, die unter Umständen zu Verbrennungsschwingungen führt. Außerdem wirken Leitplatten in der Flammenzone kühlend, so daß Qualm entstehen kann. Die Größe der zu übertragenden Flamme, die der Breite der Leitplatten proportional ist, kann so klein wie möglich sein, vorausgesetzt, daß eine gegen die Leitplatte gedrückte Flamme noch auf den nächsten Brenner überspringen kann. Zu große Flammen haben wieder Qualmen und Schwingungen zur Folge.

In Hinblick auf das vorher Gesagte soll unter Verweisung auf die Fig. 6 und 7 ein Beispiel für eine vorteilhafte Leitplatte gegeben werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Leitplatten 10 am oberen Ende der Mischrohre 7 angebracht. Es wird angenommen, daß die Brenner 2 mit einem Teilungsmaß P im Feuerraum angeordnet sind und daß die Mischr-ohre 7 einen Innendurchmesser D haben. Wenn nun P = 5D bis 1OD gewählt wird, dann ist die Breite W der Flammenleitplatten 10 mit W = 1D bis 1,2D anzunehmen. Die V-förmige Platte 10 der beschriebenen Ausführungsform hat einen V-Winkel "Theta" von 90 bis 180°. Eine derart dimensionierte Flammenleitplatte sorgt für eine wirksame Flammenübertragung und eine zufriedenstellende Verbrennung ohne Qualm oder Schwingungen.

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Selbst wenn nur ein Zündbrenner für die Bodenfackel vorgesehen wird, sorgen die Plammenleitplatten für eine schnelle und verläßliche Zündung. Infolgedessen lassen sich die Brennstoffkosten für die Zündflammen stark, auf etwa t/20 der üblichen Kosten, verringern.

Wie man noch aus den Pig. 4 und 5 ersieht, sind die in der Mitte der Bodenfackel angeordneten Plammenleitplatten 10 mit Hilfsleitplatten 12 versehen, die nach Wunsch in passender Entfernung über den Platten 10 angeordnet werden können. Palis nämlich schlecht brennbare Gase verbrannt werden, neigen die Flammen dazu, sich zu einem noch größeren Abstand vom Brenner zu erheben, so daß die leitplatten 10 womöglich nicht ausreichen, um die Zündung der benachbarten Brenner 2 zu sichern. Dann sorgen die Hilfsplatten 12 für eine verläßliche Zündung benachbarter Brenner, selbst wenn der Bodenfackel ein Abgas minderer Brennbarkeit zugeführt wird. Wenn jedoch feststeht, daß in der Bodenfackel nur leicht brennbare Gase verbrannt werden, sollen, kann auf die Hilfsleitplatten 12 verzichtet werden.

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Claims

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Aktenzeichen; Neuanmeldung

Anmelder : Hitachi Shipbuilding & Engineering Company Limited

Priorität : Japan 52-135398 vom 7. Oktober 1977

Japan 52-135399 vom 7. Oktober 1977

PATENTANS PRÜCHE

Bodenfackel-Vorrichtung zur Abfackelung von Abgasen, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Feuerraum mit einer rohrförmigen Wand (1) mit vertikaler Achse und einem im wesentlichen über die ganze Bodenfläche offenen Boden, eine Vielzahl von in der Öffnung des Feuerraumbodens angeordneten Brennern (2), von denen jeder eine Gas-Düse (5) und ein Gas-Mischrohr (7) aufweist, das ein offenes unteres Ende (9)_f in dem die Düse aufgenommen ist, sowie eine im wesentlichen zylindrische innere Oberfläche (7a) hat, und Mittel (3, 4» 8) zur Zuführung von Abgas zu den Düsen umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehungen zwischen dem Innendurchmesser D des Gas-Mischrohres (7) und dem Innendurchmesser d_ der Gasdüse (5) durch D = 2d bis 5d und zwischen dem "Innendurchmesser D des Mischrohres und der Länge L dieses Rohres durch L = 5D bis 1OD bestimmt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmischrohr (7) an seinem unteren Ende (9) eine mit der zylindrischen inneren Oberfläche (7a) kontinuierliche, konische innere Oberfläche (7b) mit einem in Richtung des unteren Endes sich vergrößernden Durchmesser hat.

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4. Vorriclitiing nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Mischrohre (7) mit Flammen-LeitpHatten (10) versehen sind, die die oberen Enden beieinander liegender Rohre miteinander verbinden, wobei neben wenigstens einem der Brenner (2A) ein Zündbrenner (11) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner (2) in dem Feuerraum mit einem iCeilungsmaß P angeordnet sind, das durch P = 5D bis IOD bestimmt ist, wobei D der Innendurchmesser des Gas-Mischrohres (7) ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flaimnen-Leitplatte (10) eine Breite W hat, die durch W = W bis 1,2D bestimmt ist, wobei D der Innendurchmesser des Gas-Mischrohres (7) ist.
7· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammen-leitplatte (10) im Querschnitt V-förmig mit einem V-Winkel von wenigstens 90° gestaltet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Mitte der Brenner-Vielzahl angeordneten Flammen-Leitplatten (10) in passender Entfernung oberhalb von ihnen mit Hilfsflammenleitplatten (12) versehen sind.

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