DE4231866A1

DE4231866A1 - Brenner und verfahren zum verbrennen von gas mit niedrigem brennwert

Info

Publication number: DE4231866A1
Application number: DE4231866A
Authority: DE
Inventors: Tomio Suzuki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: DE4231866C2; GB9220058D0; AU656806B2; GB2259978B; US5447427A; JP2524025B2; AU2535992A; JPH0579614A; GB2259978A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner sowie ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert und im besonderen auf einen Brenner und ein Verfahren zum Verbrennen von Gas, dessen spezifischer Brennwert niedriger ist als etwa 800 kcal/Nm³.

Eine Vielzahl unterschiedlicher Nebenproduktgase kommen von petrochemischen Anlagen, Erdölraffinerien und Hammerwerken. Von diesen Gasen werden solche mit einem hohen spezifischen Brennwert als Wärmequelle für das Heizen von Ofen und Kesseln eingesetzt, aber solche mit niedrigem spezifischem Brennwert, der unterhalb 800 kcal/Nm³ liegt, führen zu Schwierigkeiten bei der Verbrennung. In der Realität verbrennen Gase, die einen spezifischen Brennwert von weniger als 600 kcal/Nm³ besitzen, nicht kontinuierlich, da sie die theoretische Verbrennungstemperatur nicht aufrechtzuer halten vermögen, auch wenn sie bis oberhalb ihres Zündpunktes erhitzt werden.

Aus diesem Grund werden die Nebenproduktgase mit niedrigem Brenn wert verbrannt, nachdem sie mit einem Gas mit einem hohen spezifi schen Brennwert (wie etwa Butan, Erdgas und Hochofengas) ver mischt wurden, um hierdurch den spezifischen Brennwert auf mindestens 800 kcal/Nm³ anzuheben, oder sie werden zusammen mit einem Gas mit hohem spezifischen Brennwert, Öl oder Cherosil trotz des wirtschaftlichen Nachteils verbrannt. Alternativ werden sie zusammen mit einem Gas von hohem Brennwert in der Atmosphäre über ein Fackelrohr verbrannt.

Es gibt ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brenn wert mit Hilfe eines Brenners, der mit einer Wärmeaustauschfunktion versehen ist und das Verbrennungsgas zur Brenngasvorheizung einsetzt. Bei einem weiteren Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert wird sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft verwandt.

Es gibt drei Verfahren zum Verbrennen eines Gases mit niedrigem Brennwert. Das erste verwendet einen Brenner mit einer Wärmeaus tauschfunktion unter Vorheizen des Verbrennungsgases mit dem Abgas. Das zweite nutzt sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft aus. Das dritte umfaßt das Mischen mit einem Gas mit hohem spezifischem Brenn wert und das Vorheizen von Verbrennungsluft und/oder Brenngas (wie etwa in Wärmeöfen für Hochöfen).

Das Verbrennen von Gas mit niedrigem spezifischem Brennwert zusammen mit einem Gas mit hohem Brennwert (wie etwa Butan, Erdgas und Koks ofengas) oder mit Hilfe von sauerstoffangereicherter Verbrennungs luft ist nicht nur unwirtschaftlich, sondern auch nicht erstrebens wert aus Gründen der Material- und Energieeinsparung. Außerdem for dert das Verbrennen eines Gases mit niedrigem Brennwert mit Hilfe eines Brenners, der eine Wärmeaustauschfunktion besitzt, eine Wärmequelle zum Vorheizen und einen komplizierten Aufbau für den Wärmeaustausch.

Um die vorgenannten Probleme zu lösen, ist bereits eine Vorrichtung zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert vorgeschlagen worden, die Gegenstand der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 30 609/1990 ist.

Weitere Nachforschungen führten zur Entwicklung eines neuen Brenners und eines Verfahrens zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert ohne das Erfordernis, dieses mit einem Gas von hohem Brennwert zu vermischen.

Es liegt dementsprechend der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Brenner und ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brenn wert zur Verfügung zu stellen, durch welche es gelingt, dieses Gas in einer ökonomischen Weise einwandfrei zu verbrennen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erdfindung durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale.

Gemäß der Erfindung umfaßt der Brenner zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert eine Brennkammer, einen Drosseleinbau mit einer Mehrzahl von hierin ausgebildeten Düsen, der in der Brennkammer an geordnet ist, sowie eine Mischkammer, in welcher sich eine Mehrzahl perforierter Düsen befindet, die jeweils in ihrer Wandung eine Mehr zahl von Löchern aufweisen, wobei die Mischkammer auf der stromauf wärtigen Seite des Drosseleinbaus angeordnet ist.

Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert unter Einsatz des zuvor definierten Brenners, wobei man nach dem Verfahren entweder Verbrennungsluft oder das Gas mit niedrigem Brennwert in die Mischkammer einführt, den verbleiben den Teil in die Mischkammer durch die perforierten Düsen derart ein leitet, daß er in Radialrichtung einer hohen Geschwindigkeit durch die Löcher injiziert wird, um ein Mischen der beiden Bestandteile in der Mischkammer zu vollziehen, worauf man das gemischte Gas in die Brennkammer durch die Düsen des Drosseleinbaues injiziert.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1a einen Schnitt durch den Brenner gemäß der Erfindung,

Fig. 1b einen Schnitt entlang der Schnittlinie X-X der Fig. 1a,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine perforierte Düse gemäß der Er findung in größerem Maßstab und schematischer Darstellung,

Fig. 3a die Draufsicht auf den erfindungsgemäß verwendeten Drossel einbau,

Fig. 3b einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Drossel einbau,

Fig. 3c eine schematische Darstellung des Teiles Y in Fig. 3b in größerem Maßstab und

Fig. 4 eine grafische Darstellung des Bereiches des unterren Heiz wertes, der erreichbar ist durch ein Gas mit niedrigem Brennwert, wobei die Abszisse den unteren Heizwert re präsentiert, die Ordinate das Verhältnis der Menge der Wärmezufuhr durch den Pilotbrenner zur Gesamtmenge der Wärmezufuhr durch den Brenner.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

Der erfindugnsgemäße Brenner ist in den Fig. 1a (Schnittdarstellung) und 1b (Schnitt entlang der Schnittlinie X-X der Fig. 1a) wiederge geben.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 umfaßt der Brenner einen Drosseleinbau 1 mit einer Mehrzahl hierin ausgebildeter Düsen 2. Er wird von einem Metallzylinder 3 abgestützt und befindet sich in einer Brennkammer 5, die innerhalb einer Ofenwandung 4 eines Hoch ofens angeordnet ist. Der Metallzylinder 3 ist mit einer Flammsperre 6 versehen.

Außerdem ist in Fig. 6 ein zylindrischer Brennner 7 wiedergegeben, der eine Mischkammer 8 sowie eine Beschickungskammer 9 umfaßt. Das Ende der Mischkammer 8 steht mit dem Metallzylinder 3 in Verbindung und ist an der äußeren Oberfläche der Ofenwandung 4 des Hochofens befestigt. Zwischen der Mischkammer 8 und der Beschickungskammer 9 befindet sich eine Unterteilung 10, deren Durchmesser größer ist als derjenige des Brenmners 7. Die Unterteilung 10 ist am oberen Ende der Beschickungskammer 9 befestigt und am Flansch 11 der Misch kammer 8 angeschraubt. Die Unterteilung ist mit 9 perforierten Düsen 13 versehen, die jeweils eine Mehrzahl von Löchern 12 tragen, die am vorwärtigen Ende in der Wandung ausgebildet sind. Die Misch kammer 8 besitzt einen Einlaß 14 und die Beschickungskammer 9 ist mit einem Einlaß 15 versehen. Weiterhin ist ein Thermoelement 16 wiedergegeben, um ein Zurückschlagen der Flamme zu ermitteln und weiterhin eine wassergekühlte Zone 17 (die einen Teil der Mischkammer 8 bildet), welche ein Zurückschlagen der Flamme ungefährlich macht, auch wenn dies eintreten sollte.

Der in der beschriebenen Weise aufgebaute Brenner arbeitet in der folgenden Weise zur Verbrennung eines Gases mit niedrigem Brennwert A mit Verbrennungsluft B.

Im allgemeinen benötigt ein Gas A mit niedrigem Brennwert eine ge ringere Menge an Verbrennungsluft als dessen Volumen für eine voll ständige Verbrennung. Dementsprechend ist es erstrebenswert, daß die Verbrennungsluft B mit einer hohen Geschwindigkeit durch die perforierten Düsen 13 eingeführt wird. Mit anderen Worten sollte die Verbrennungsluft B (die einen geringeren Teil ausmacht) unter Druck stehen und in die Mischkammer A injiziert werden, die mit einem Gas A von niedrigem Brennwert (die den größeren Teil ausmacht) gefüllt ist. Dies spart elektrische Energie für das Unterdrucksetzen ein und trägt zu einem gleichförmigen Vermischen bei. Ein weiterer Vorteil des Injizierens der Verbrennungsluft B durch die perforierten Düsen 13 liegt darin, daß es hierdurch ausgeschlossen ist, daß die Löcher sich mit Teer und anderen Verunreinigungen zusetzen, die in dem Gas (oder Nebenprodukt Gas) mit niedrigem Brennwert enthalten sind.

Die Injektion der Verbrennungsluft B erfolgt in Radialrichtung aus den Löchern 12 am vorwärtigen Ende der perforierten Düsen 13 entsprechend der Darstellung in Fig. 2. Die injizierte Verbrennungs luft B trifft jeweils in rechtem Winkel auf dem Strom des Gases A mit niedrigem Brennwert, welches in die Mischkammer 8 über den Einlaß 14 eingeführt wurde. Jede perforierte Düse 13 besitzt 12 Löcher 12, die im Zickzack in zwei Reihen angeordnet sind, um den mikroskopischen Mischvorgang zu unterstützen. Die Strömungsgeschwin digkeit der Verbrennungsluft B, die durch die Löcher 12 injiziert wird, sollte größer sein als etwa 30 m/s, um einen turbulenten Mischvorgang mit dem Gas A niedrigen Brennwertes sicherzustellen.

Der rapide Mischvorgang der Verbrennungsluft B mit dem Gas A nied rigen Brennwerts innerhalb der Mischkammer 8 führt zu einem idealen Vormischgas C, in welchem jedes Molekül des Gases A niedrigen Brenn werts gleichförmig umgeben ist von Verbrennungsluft B. Dann wird das Vormischgas C in den Drosseleinbau 1 durch die Flammsperre 6 eingeführt.

Der Drosseleinbau 1 besteht aus einem gießbaren hitzebeständigen Material, so daß er in der Lage ist, hohen Temperaturen zu wider stehen und zu verhindern, daß die Mischkammer 8 sich erhitzt auf grund der geringen thermischen Leitfähigkeit. Es ist von Bedeutung, daß die Verbrennung des Gases A niedrigen Brennwertes durch eine stabile Flamme erfolgt. Dies wird erreicht durch den wärmefesten Drosseleinbau 1 gemäß der Erfindung, da er durch die Strahlungs wärme von der Flamme und der Ofenwandung 4 konstant erhitzt wird. Außerdem trägt die große Wärmekapazität des wärmefesten Drossel einbaus 1 zur stabilen Verbrennung des Gases A niedrigen Brenn wertes bei.

Der wärmefeste Drosseleinbau 1 erlaubt den Eintritt des vorgemischten Gases C durch die Düsen 2 gemäß der Darstellung in Fig. 3. Der Strom des vorgemischten Gases D erzeugt eine Rezirkulationszone 18 in dem Bereich auf der stromabwärtigen Seite des Drosseleinbaus 1, der vom den Löchern 2 umgeben ist. In dieser Rezirkulationszone 18 brennt das Gas A niedrigen Brennwertes stabil, da die stromabwärtige Seite des Drosseleinbaues 1 auf eine hohe Temperatur erhitzt wurde durch die Strahlungshitze von der Flamme und der Ofenwandung 4. Diese sta bile Verbrennung wirkt als Flammenstabilisator. Dies ist genauso, als wären eine große Zahl von Pilotbrennern in der Rezirkulations zone 18 des feuerfesten Drosseleinbaues installiert. Dies ist wich tig, da das vorgemischte Gas C vorerhitzt ist, wenn es durch die Düsen 2 hindurchströmt und dementsprechend besitzt es eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit, die den Bereich der stabilen Ver brennung verengt. Die Strömungsgeschwindigkeit des vorgemischten Gases C in den Düsen 2 sollte vorzugsweise niedrig sein (d. h. 10 bis 25 m/s), solange kein Rückschlagen der Flamme eintritt.

Der wärmefeste Drosseleinbau 1 sollte so aufgebaut sein, daß der feste Teil (in welchem die Rezirkulationszonen 18 gebildet sind) 40 bis 60% und vorzugsweise 45 bis 55% des Bereiches seiner Aus gangsoberfläche (stromabwärtige Seite) einnimmt. Wenn dieses Ver hältnis kleiner ist als zuvor angegeben, wird die Verbrennung von Gas A geringen Brennwertes unmöglich, da die Rezirkulationszonen 18 nicht vollständig als Flammenstabilisator wirken. Wenn im Gegen teil das Verhältnis größer ist als zuvor angegeben, wird die Strö mungsgeschwindigkeit des vorgemischten Gases C in den Düsen 2 so hoch, daß ein Abblasen der Flammen eintritt, wodurch die Verbrennung instabil wird.

Die Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des Bereiches des unteren Heizwertes, der erreicht wird, wenn ein Gas niedrigen Brennwertes gemäß der Erfindung und nach herkömmlicher Technologie verbrannt wird. Es ist herauszustellen, daß nach herkömmlicher Technologie es nur möglich ist, ein Gas A mit niedrigem Brennwert, dessen Brenn wert geringer ist als etwa 700 bis 800 kcal/Nm³ zu verbrennen, wenn sowohl das Gas A niedrigen Brennwertes als auch die Verbrennungsluft B vorgeheizt werden auf etwa 400°C. Im Gegensatz hierzu ist es ge mäß der Erfindung möglich, ein Gas mit extrem niedrigem Brennwert zu verbrennen, das einen unteren Heizwert von etwa 250 kcal/Nm³ besitzt.

Im einzelnen gibt die Fig. 4 die Ergebnisse einer Verbrennung wider, die durchgeführt wurde durch das Vorerhitzen des Gases A niedrigen Brennwertes und der Verbrennungsluft B bei (1) 150°C (2) 250°C oder (3) 330°C. Eine stabile Verbrennung wurde erzielt in dem Be reich auf der rechten Seite der gestrichelten Linien (1), (2) und (3), während jedoch eine instabile Verbrennung (mit Abblasen und Flammenvibration) eintrat in dem Bereich auf der linken Seite der gestrichelten Linien (1), (2) und (3). Es ist auch herauszustellen, daß die stabile Verbrennungszone nach links verschoben ist (Abnahme des Heizwertes), wenn die Vorerhietzungstemperatur erhöht wird von (1) auf (3). Im Fall der niedrigen Vorerhitzungstemperatur (1) wird die Verbrennung beeinflußt durch die Menge an Wärmezufuhr durch den Pilotbrenner, während im Fall einer hohen Vorerhitzungstemperatur (2) oder (3) die Verbrennung nur wenig beeinflußt wird durch die Menge der Wärmezufuhr durch den Pilotbrenner, oder die Verbrennung ist so stabil, daß der Pilotbrenner nicht erforderlich ist. Dies liegt daran, daß die Flamme in der Rezirkulationszone 18 auf der stromabwärtigen Seite des Drosseleinbaues 1 als Flamme des Pilot brenners wirkt, wie dies zuvor erläutert wurde.

Damit gestattet die Erfindung eine stabile Verbrennung eines Gases mit niedrigem Heizwert allein durch Hilfe von Verbrennungsluft ohne die Notwendigkeit, es in die Atmosphäre abzublasen, oder es zusammen mit einem teuren Gas mit hohem Heizwert oder sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft zu verbrennen. Dementsprechend trägt die Erfindung in großem Maße zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz bei.

Zusammenfassend handelt es sich bei der Erfindung um einen Brenner sowie ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert ohne die Notwendigkeit, es zu mischen oder mit einem Gas von hohem Brennwert zu verbrennen. Das Verfahren umfaßt die Einführung entweder der Verbrennungsluft oder des Gases niedrigen Heizwertes in eine Misch kammer, die Einführung des verbleibenden Teils in die Mischkammer durch perforierte Düsen derart, daß dieser in radialer Richtung in einer hohen Geschwindigkeit durch Löcher eingeblasen wird zur Be wirkung der Vermischung der beiden Bestandteile in der Mischkammer und das Injizieren des gemischten Gases in die Brennkammer durch die Düsen eines feuerfesten Drosseleinbaues.

Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich angegeben werden, daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung lediglich um eine solche beispielhaften Charakters handelt und daß verschiedene Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Brenner zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert, ge kennzeichnet durch eine Brennkammer (5), einen feuerfesten Drosseleinbau (1) mit einer Mehrzahl hierin ausgebildeter Düsen (2), der sich innerhalb der Brennkammer (5) befindet, sowie eine Mischkammer (8), in welcher eine Mehrzahl perforierter Düsen (13) angeordnet sind, die jeweils eine Mehrzahl von Löchern (12) in ihren Wandungen tragen, wobei die Mischkammer (8) auf der strom aufwärtigen Seite des feuerfesten Drosseleinbaues (1) angeordnet ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feuerfeste Drosseleinbau (1) derart ausgestaltet ist, daß sein Schachtteil 40 bis 60% des Bereiches der flachen Ausgangsober fläche ausmacht.

3. Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert unter Einsatz des Brenners gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß man entweder die Verbrennungsluft oder das Gas niedrigen Brennwertes in die Mischkammer einleitet, den verblei benden Teil in die Mischkammer durch die perforierten Düsen derart einführt, daß er in Radialrichtung mit einer hohen Geschwindigkeit von den Löchern injiziert wird zur Bewirkung der Vermischung der beiden Teile innerhalb der Mischkammer, worauf man das gemischte Gas in die Brennkammer durch die Düsen des feuerfesten Drosseleinbaues injiziert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß entweder die Verbrennungsluft oder das Gas niedrigen Brennwertes je nachdem, welches in der geringsten Menge vorliegt, durch die perforierten Düsen einführt, wobei die Injektionsgeschwin digkeit größer als 30 m/s ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Strönmungsgeschwindigkeit des vorgemischten Gases aus Gas mit niedrigem Brennwert und Verbrennungsluft 10 bis 25 m/s innerhalb des feuerfesten Drosseleinbaues beträgt.