DE4231866C2

DE4231866C2 - Brenner für Gas und Verfahren zum Verbrennen von Gas mit diesem Brenner

Info

Publication number: DE4231866C2
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: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JPH0579614A; JP2524025B2; GB9220058D0; AU656806B2; US5447427A; GB2259978B; DE4231866A1; GB2259978A; AU2535992A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für Gas gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Ver brennen von Gas mit einem solchen Brenner.

Ein Brenner der gattungsgemäßen Art geht aus der EP 0 235 789 B1 hervor. In dieser Druckschrift ist im einzelnen ein Brenner für gasförmigen Brennstoff beschrieben, der eine Mischkammer mit ei ner darin angeordneten Düse aufweist. Die Beschreibung dieser Druckschrift enthält keine Einzelheiten darüber, in weicher Wei se das Brenngas durch die Gasdüse in die Kammer einströmt. Wie es jedoch den Zeichnungen zu entnehmen ist, wird das Brenngas durch die Gasdüse gegen den in die Kammer einströmenden Luft strom zugeführt und mit diesem weiter durch zu der Mischkammer gehörende Bohrungen geleitet. Das Gas-Luft-Gemisch wird nach dem Passieren eines Gemischverteilungsbleches an einem äußeren Bren nermantel verbrannt. Mit einem solchen Brenner ist es nicht mög lich, ein Gas mit niedrigem Heizwert in einer ökonomischen Weise einwandfrei zu verbrennen.

Eine Vielzahl unterschiedlicher Nebenproduktgase kommen von pe trochemischen Anlagen, Erdölraffinerien und Hammerwerken. Von diesen Gasen werden solche mit einem hohen Heizwert als Wärme quelle für das Heizen von Öfen und Kesseln eingesetzt, aber sol che mit niedrigem Heizwert, der unterhalb 800 kcal/nm³ (Normalzustand) liegt, führen zu Schwierigkeiten bei der Ver brennung. In der Realität verbrennen Gase, die einen Heizwert 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 Heiz wert, nachdem sie mit einem Gas mit einem hohen Heizwert (wie etwa Butan, Erdgas und Hochofengas) Vermischt wurden, um hier durch den Heizwert auf mindestens 800 kcal/nm³ anzuheben, zusam men mit diesem Gas trotz des wirtschaftlichen Nachteils ver brannt. Alternativ werden sie zusammen mit einem Gas von hohem Heizwert in der Atmosphäre über ein Fackelrohr verbrannt.

Um die vorgenannten Probleme zu lösen, ist bereits eine Vorrich tung zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Heizwert vorgeschlagen worden (JP 2-306009 A), bei der ein Vorheizen von Verbrennungsluft und Brenngas in einem Wärmetauscher erfolgt. Dies bedingt einen komplizierten Aufbau für den Wärmeaustausch.

Es liegt dementsprechend der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei nen gattungsmäßigen Brenner für Gas und ein Verfahren zum Ver brennen von Gas mit diesem Brenner zur Verfügung zu stellen, durch welche es bei Einsatz von Gas mit einem Heizwert unterhalb von etwa 800 kcal/nm³ (Normalzustand) gelingt, dieses Gas in ei ner ökonomischen Weise einwandfrei zu verbrennen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung gestattet eine stabile Verbrennung eines Gases mit niedrigem Heizwert, auch wenn es einen unteren Heizwert von etwa 250 kcal/nm³ besitzt, allein durch die Vermischung der Verbren nungsluft mit dem Gas, ohne die Notwendigkeit, dieses in die At mosphäre abzublasen oder es zusammen mit einem teueren Gas mit hohem Heizwert zu verbrennen. Dementsprechend trägt die Erfin dung in großem Maße zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz bei.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weiter gebildet.

In der nachfolgenden Beschreibung ist eine bevorzugte Ausfüh rungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen er läutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1a einen Schnitt durch einen Brenner,

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

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

Fig. 3a die Draufsicht auf den Drosseleinbau,

Fig. 3b einen Längsschnitt durch den Drosseleinbau,

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

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1a, 1b und 2 umfaßt ein Brenner 7 einen Drosseleinbau 1 mit einer Mehrzahl hierin ausge bildeter Düsen 2. Er wird von einem Metallzylinder 3 abgestützt und befindet sich in einer Brennkammer 5, die innerhalb einer Ofenwandung 4 eines Hochofens angeordnet ist. Der Metallzylinder 3 ist mit einer Flammsperre 6 versehen.

Außerdem umfaßt der zylindrische Brenner 7 eine Mischkammer 8 sowie eine Beschickungskammer 9. Das Ende der Mischkammer 8 steht mit dem Metallzylinder 3 in Verbindung und ist an der äu ßeren Oberfläche der Ofenwandung 4 des Hochofens befestigt. Zwi schen der Mischkammer 8 und der Beschickungskammer 9 befindet sich eine Unterteilung 10, deren Durchmesser größer ist als der jenige des Brenners 7. Die Unterteilung 10 ist am oberen Ende der Beschickungskammer 9 befestigt und am Flansch 11 der Misch kammer 8 angeschraubt. Die Unterteilung 10 ist mit neun perfo rierten Düsen 13 versehen, die jeweils eine Mehrzahl von Löchern 12 tragen, die am vorwärtigen Ende in der Wandung ausgebildet sind. Die Mischkammer 8 besitzt einen Einlaß 14 und die Beschic kungskammer 9 ist mit einem Einlaß 15 versehen. Weiterhin ist ein Thermoelement 16 vorhanden, um ein Zurückschlagen der Flamme zu ermitteln, und eine wassergekühlte Zone 17 als Teil der Mischkammer 8, was ein Zurückschlagen der Flamme ungefährlich macht, wenn dies eintreten sollte.

Der Brenner 7 arbeitet in der folgenden Weise zur Verbrennung eines Gases mit niedrigem Heizwert A mit Verbrennungsluft B.

Das Gas A mit niedrigem Heizwert benötigt eine geringere Menge an Verbrennungsluft als dessen Volumen für eine vollständige Verbrennung. Dementsprechend wird die einen geringeren Teil aus machende und unter Druck stehende Verbrennungsluft B mit einer hohen Geschwindigkeit durch die perforierten Düsen 13 in die Mischkammer 8 injiziert, die mit dem Gas A von niedrigem Heiz wert (größerer Teil) gefüllt ist. Dies spart elektrische Energie für das Unterdrucksetzen ein und trägt zu einem gleichförmigen Vermischen bei. Durch das Injizieren der Verbrennungsluft B durch die perforierten Düsen 13 ist ausgeschlossen, daß die Lö cher 12 sich mit Teer und anderen Verunreinigungen zusetzen, die in dem Gas (als Nebenproduktgas) mit niedrigem Heizwert enthal ten 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 Verbrennungsluft B trifft jeweils in rechtem Winkel auf den Strom des Gases A, wel ches in die Mischkammer 8 über den Einlaß 14 eingeführt wurde. Jede perforierte Düse 13 besitzt zwölf Löcher 12, die im Zick zack in zwei Reihen angeordnet sind, um den Mischvorgang zu un terstützen. Die Strömungsgeschwindigkeit 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 si cherzustellen.

Der rapide Mischvorgang der Verbrennungsluft B mit dem Gas A in nerhalb der Mischkammer 8 führt zu einem Vormischgas C, in wel chem jedes Molekül des Gases A gleichförmig umgeben ist von Ver brennungsluft B. Dieses Vormischgas C wird in den Drosseleinbau 1 durch die Flammsperre 6 eingeführt.

Der Drosseleinbau 1 besteht aus einem gießbaren hitzebeständigen Material und ist in der Lage, zu verhindern, daß die Mischkammer 8 sich aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit erhitzt. Dadurch, daß der Drosseleinbau 1 durch die Strahlungswärme der Flamme und der Ofenwandung 4 konstant erhitzt wird und eine große Wärmekapazität besitzt, wird eine Verbrennung des Gases A mit stabiler Flamme erreicht.

Der Drosseleinbau 1 erlaubt den Eintritt des Vormischgases C durch die Düsen 2 gemäß der Darstellung in Fig. 3a-c. Der Strom des Vormischgases C erzeugt eine Rezirkulationszone 18 in dem Bereich auf der stromabwärtigen Seite des Drosseleinbaus 1, der von den Löchern 2 frei ist. In dieser Rezirkulationszone 18 brennt das Gas A stabil, da die stromabwärtige Seite des Drosse leinbaues 1 durch die Strahlungshitze der Flamme und der Ofen wandung 4 auf eine hohe Temperatur erhitzt ist. Diese Zone 18 wirkt als Flammenstabilisator. Dies ist wichtig, da das Vor mischgas C vorerhitzt ist, wenn es durch die Düsen 2 hindurch strömt, und dementsprechend besitzt es eine höhere Verbrennungs geschwindigkeit, die den Bereich der stabilen Verbrennung ein engt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Vormischgases C in den Düsen 2 sollte niedrig sein (d. h. 10 bis 25 m/s), solange kein Rückschlagen der Flamme eintritt.

Der Drosseleinbau 1 sollte so aufgebaut sein, daß der feste Teil, in welchem die Rezirkulationszonen 18 gebildet sind, 40 bis 60% seiner Ausgangsoberfläche (stromabwärtige Seite) ein nimmt. Wenn dieses Verhältnis kleiner ist als zuvor angegeben, wird die Verbrennung des Vormischgases C unmöglich, da die Re zirkulationszonen 18 nicht vollständig als Flammenstabilisator wirken. Wenn im Gegenteil das Verhältnis größer ist als zuvor angegeben, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Vormischgases C in den Düsen 2 so hoch, daß ein Abblasen der Flammen eintritt, wodurch die Verbrennung instabil wird.

Claims

1. Brenner für Gas, mit einer Mischkammer (8) für Verbrennungs luft (B) und Gas (A), in welcher im Strom des einen Verbren nungsmediums eine Düsenvorrichtung für das andere Verbrennungs medium angeordnet ist, sowie einem der Mischkammer (8) nachge ordneten Drosseleinbau (1), dadurch gekennzeichnet, daß bei Ein satz von Gas mit einem Heizwert unterhalb von etwa 800 kcal/nm³ (Normalzustand) der Drosseleinbau (1) feuerfest ausgebildet und mit mehreren Düsen (2) versehen ist und sich in einer Brennkam mer (5) befindet und die Düsenvorrichtung mehrere perforierte Düsen (13) mit mehreren quer zum Strom des einen Verbrennungsme diums injizierenden Löchern (12) aufweist.

2. Verfahren zum Verbrennen von Gas mit einem eine Mischkammer aufweisenden Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Gas mit einem Heizwert unterhalb von etwa 800 kcal/nm³ dieses mit Verbrennungsluft in der Mischkammer vermischt wird, wobei das eine Verbrennungsmedium entlang den perforierten Düsen in der Mischkammer strömt und das andere durch deren Löcher mit einer hohen Geschwindigkeit radial injiziert wird, und das so erzeugte Vormischgas durch die Düsen des Drosseleinbaues in die Brennkammer injiziert wird.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosseleinbau (1) derart ausgestaltet ist, daß sein stromabwär tiger fester Teil 40 bis 60%, vorzugsweise 45 bis 55% der ebe nen Ausgangsoberfläche ausmacht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dasje nige Verbrennungsmedium, welches in der geringeren Menge vor liegt, durch die perforierten Düsen eingeführt wird, wobei die Injektionsgeschwindigkeit größer als 30 m/s ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Vormischgases innerhalb des Drosse leinbaues 10 bis 25 m/s beträgt.