DE68915611T2

DE68915611T2 - Brennstoffstrahlbrenner und Verbrennungsverfahren.

Info

Publication number: DE68915611T2
Application number: DE68915611T
Authority: DE
Inventors: John Erling Anderson
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1988-05-05
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2009-03-11
Also published as: EP0340423A2; KR890017492A; EP0340423B1; JPH0515926B2; EP0340423A3; MX166557B; ES2053835T3; US4878829A; JPH01306718A; DE68915611D1; BR8901118A; KR950007386B1; CA1294208C

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft Nachmisch-Brenner, bei denen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als das Oxidationsmittel eingesetzt wird.

Stand der Technik

Ein Nachmisch-Brenner ist ein Brenner, bei dem der Brennstoff und das Oxidationsmittel getrennt von dem Brenner injiziert werden. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel vermischen sich und reagieren miteinander außerhalb des Brenners. Die meisten industriellen Öfen benutzen Nachmisch-Brenner.
So offenbart die "Revue Générale de Thermique", Vol. 18, Nr. 214, Oktober 1979, Seiten 643-649, eine Nachmisch-Brennervorrichtung für einen Gebrauch mit reinem Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicherter Luft als Oxidationsmittel und Erdgas als Brennstoff. Die bekannte Brennervorrichtung weist ein zentrales Brennstoffzufuhrrohr und eine Düse am Injektionsende des Zufuhrrohrs auf, wobei die Düse eine durchgehende Öffnung für einen Durchtritt von erstem Brennstoff von dem Zufuhrrohr in die Verbrennungszone aufweist. Um die Düse herum ist eine ringförmige Öffnung angeordnet, um zweiten Brennstoff in die Verbrennungszone nahe dem Injizieren des ersten Brennstoffs zu liefern. Ferner ist eine Anordnung vorgesehen, um Oxidationsmittel zu der Verbrennungszone nahe der zweiten Brennstoffzuführanordnung zu liefern, wobei die Oxidationsmittel-Zufuhranordnung über eine Leitungsanordnung mit einer Oxidationsmittelquelle verbunden ist.
Bei der Verwendung von Nachmisch-Brennern, bei welchen reinen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft aufweisendes Oxidationsmittel der Verbrennungszone als Hochgeschwindigkeitsstrahlen zugeführt, und das Brennstoffgas in die Oxidationsmittelstrahlen hineingezogen wird, lassen sich eine Reihe von Vorteilen feststellen. Ein solcher Vorteil besteht darin, daß der Brenner sehr flexibel ausgelegt sein kann, da eine große Vielfalt von Flammenmustern möglich sind. Durch eine bloße Änderung der Oxidationsmitteldüse kann das Wärmeübergangsmuster in einem Ofen erheblich verändert werden. Ein anderer Vorteil liegt darin, daß die durch die Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen hervorgerufenen Zirkulationsmuster zu einer gleichförmigen Erwärmung des Ofens führen. Ein dritter Vorteil ist, daß die Flamme so ausgerichtet werden kann, daß die Wärmeübergangsrate zu der Arbeitslast vergrößert wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß das Mischen des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel verbessert wird, so daß eine vollständige Verbrennung sichergestellt wird. Noch ein weiterer Vorteil ist, daß mit Hochgeschwindigkeitsstrahlen die Bildung von Stickoxiden aufgrund des kurzen Kontakts bei hohen Flammentemperatur innerhalb des Strahls vermindert wird.
Ein neuerer wesentlicher Fortschritt im Bereich von Nachmisch-Brennern ist der von Dr. John E. Anderson entwickelte Ansaugbrenner und das Verfahren, der (das) in US-A-4 378 205 und in US-A-4 541 796 offenbart und beansprucht wird.
Es gibt jedoch Situationen, bei denen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft nicht ohne weiteres bei einem hohen Druck verfügbar ist, jedoch ohne weiteres bei einem niedrigeren Druck verfügbar ist. Ein Beispiel für solch eine Situation ist der Abfallsauerstoff von einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage für die Erzeugung von Stickstoff. In jenen Situationen kann dieses Oxidationsmittel nicht mit sehr hoher Geschwindigkeit bei einem Verbrennungsverfahren eingesetzt werden. Um die Vorteile zu erreichen, die mit dem Gebrauch von Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit möglich gewesen waren, könnte man versuchen, die Verbrennung auszuführen, indem Brennstoff in die Verbrennungszone als Hochgeschwindigkeitsstrahlen injiziert wird, und Oxidationsmittel in die Hochgeschwindigkeitsstrahlen hineingezogen wird. Das Hauptproblem bei dem Gebrauch von Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahlen ist, daß die Verbrennungsflamme instabil wird, bevor eine sehr große Geschwindigkeit eingesetzt werden kann.
Es ist wünschenswert, über einen Nachmisch-Brenner und ein Verfahren, das Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahlen benutzt, zu verfügen, bei dem eine gute Stabilität der Flamme erreicht wird.
Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Nachmisch-Brenner und ein Verfahren unter Einsatz von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als das Oxidationsmittel zu schaffen, bei dem der Brennstoff direkt und mit hoher Geschwindigkeit in die Ofenzone injiziert werden kann, wobei eine gute Stabilität der Flamme erreicht wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obige und andere Aufgaben, die Fachleuten aus dem Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, wobei ein Aspekt derselben ist:
Ein Verfahren zum Verbrennen von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel, bei dem:
(A) in eine Verbrennungszone der größere Teil des für die Verbrennung benötigten gasförmigen Brennstoffs als mindestens ein Strom mit einer hohen Geschwindigkeit V von mehr als 1,5 P, wobei P der Volurnenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V in Meter pro Sekunde gemessen ist (von mehr als 5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem Oxidationsmittel ist und V in Fuß pro Sekunde gemessen ist), injiziert wird;
(B) in die Verbrennungszone in der Nähe des größeren Brennstoffteils ein kleinerer Teil des für die Verbrennung benötigten gasförmigen Brennstoffs mit einer niedrigen Geschwindigkeit injiziert wird, die kleiner als 0,5 V ist, wobei der kleinere Teil ein bis zehn Prozent des in die Verbrennungszone insgesamt injizierten gasförmigen Brennstoffs ausmacht;
(C) Oxidationsmittel, das mindestens 30 % Sauerstoff aufweist, in der Nahe des kleineren Brennstoffteils unter Bildung einer Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und dem kleineren Brennstoffteil mit einer solchen Geschwindigkeit in die Verbrennungszone injiziert wird, daß die niedrige Geschwindigkeit des kleineren Brennstoffteils sich von der Geschwindigkeit in dem Oxidationsmittel an der Grenzfläche um nicht mehr als 61 m/s (200 Fuß pro Sekunde) unterscheidet;
(D) Brennstoff des kleineren Brennstoffteils mit Oxidationsmittel an der Grenzfläche verbrannt wird;
(E) Brennstoff des kleineren Brennstoffteils in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffteil unmittelbar nach dem Injizieren des größeren Brennstoffteils in die Verbrennungszone hineingezogen wird und danach Oxidationsmittel in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffteil hineingezogen wird; und
(F) heiße Verbrennungsprodukte von der Grenzfläche in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffteil hineingezogen werden, wobei die heißen Verbrennungsprodukte als eine ständige Zündquelle für das Oxidationsmittel und den größeren Brennstoffteil dienen und Oxidationsmittel und Brennstoff des mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffteils in einer stabilen Flamme verbrannt werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung lautet:
Eine Brennervorrichtung zur Durchführung des zuvor erwähnten Verfahrens mit:
(A) einer Anordnung zum Anliefern eines größeren Brennstoffteils zwecks Injizierens in eine Verbrennungszone, wobei die den größeren Brennstoffleil anliefernde Anordnung ein zentrales Brennstoffzufuhrrohr und eine an dem Injektionsende des Zufuhrrohrs befindliche Düse aufweist, die mit mindestens einer durchgehenden Öffnung für die Überleitung von gasförmigem Brennstoff von dem Zufuhrrrohr in die Verbrennungszone versehen ist;
(B) einer um die Düse herumreichenden ringförmigen Öffnung zum Zuführen eines kleineren Brennstoffteils zu der Verbrennungszone in der Nähe der Stelle, an welcher der größere Brennstoffteil injiziert wird, so daß Brennstoff aus dem kleineren Brennstoffteil in den größeren Brennstoffteil hineingezogen wird, unmittelbar nachdem der größere Brennstoffteil in die Verbrennungszone injiziert wird;
(C) einer Anordnung zum Zuführen von Oxidationsmittel zu der Verbrennungszone in der Nähe der Anordnung zum Zuführen des kleineren Brennstoffteils, wobei die Anordnung zum Zuführen von Oxidationsmittel über eine Leitungsanordnung mit einer Quelle für ein Oxidationsmittel verbunden ist, das mindestens 30 Volumenprozent Sauerstoff enthält, wobei das Oxidationsmittel und der kleinere Brennstoffteil innerhalb der Verbrennungszone eine Grenzfläche bilden, bevor es zu einem Kontakt zwischen Oxidationsmittel und dem größeren Brennstoffteil kommt; und
(D) mindestens einer durch das zentrale Brennstoffzufuhrrohr hindurchreichenden Lecköffnung, die es gasförmigem Brennstoff erlaubt, von der Anordnung zum Anliefern des größeren Brennstoffteils in die ringförmige Öffnung zu gelangen;
(E) wobei die Anordnung zum Anliefern des größeren Brennstoffteils den größeren Brennstoffteil in die Verbrennungszone stromab von der Stelle einbringt, an welcher die ringförmige Öffnung den kleineren Brennstoffteil in die Verbrennungszone gelangen läßt.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Verbrennungszone" ein Volumen, in welchem sich Brennstoff und Oxidationsmittel mischen und unter Freigabe von Wärme miteinander reagieren.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "reiner Sauerstoff" ein Gas mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 99,5 Vol.%.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Grenzfläche" die Ebene oder den Raum, wo das Oxidationsmittel und der kleinere Brennstoffteil aufeinander einwirken. Die Grenzfläche hat eine endliche Dicke, da der gasförmige Brennstoff in das Oxidationsmittel diffundiert, und das Oxidationsmittel in den gasförmigen Brennstoff diffundiert, um so ein brennbares Gemisch zu bilden.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "gasförmiger Brennstoff" einen Brennstoff, der aus einem oder mehreren der folgenden Bestandteile besteht: eine oder mehrere gasförmige Komponenten, von denen einige oder alle brennbar sind; flüssige Brennstofftröpfchen, die in einem gasförmigen Medium dispergiert sind; feste Brennstoffteilchen, die in einem gasförmigen Medium dispergiert sind. Spezielle Beispiele für gasförmigen Brennstoff beinhalten Erdgas, Wasserstoff, Koksofengas und Propan.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "scheinbare Strahlgeschwindigkeit" die eine Öffnung verlassende volumetrische Durchflußmenge bei Umgebungsdruck, geteilt durch die Querschnittsfläche der Öffnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine Querschnittansicht einer Ausführungsform des Brenners gemäß dieser Erfindung.
FIG. 2 ist eine Querschnittansicht einer in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Einzelöffnungsdüse.
FIG. 3 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 2 veranschaulichte Brennstoffdüse.
FIG. 4 ist eine Veranschaulichung der Flamme, die bei der Anwendung dieser Erfindung erzielt wird, wenn der in FIG. 2 veranschaulichte Brenner benutzt wird.
FIG. 5 ist eine Querschnittansicht einer in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 6 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 5 veranschaulichte Brennstoffdüse.
FIG. 7 ist eine Querschnittansicht einer anderen in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 8 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 7 veranschaulichte Brennstoffdüse.
FIG. 9 ist eine Veranschaulichung der Flamme, die bei der Anwendung dieser Erfindung erzielt wird, wenn der in FIG. 7 veranschaulichte Brenner benutzt wird.
FIG. 10 ist eine Querschnittansicht einer anderen in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 11 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 10 veranschaulichte Brennstoffdüse.
FIG. 12 ist eine Querschnittansicht einer anderen in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 13 ist eine Aufsicht unter einem Winkel von 30 Grad relativ zu der Brennerachse auf die in FIG. 12 veranschaulichte Brennstoffdüse.

Detaillierte Beschreibung

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1 ist ein Durchlaß 1 über eine Leitungsanordnung 2 mit einer (nicht gezeigten) Quelle für gasförmigen Brennstoff verbunden. Der Brennstoff tritt aus dem Durchlaß 1 durch eine Düse 9, die eine oder mehrere Öffnung(en) 12 aufweist, in eine Verbrennungszone 3.
FIG. 1 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit nahe dem Brennstoffstrom hoher Geschwindigkeit ein Ringstrom ist, der eine ringförmige Umhüllung um den Hochgeschwindigkeitsstrom bildet. Der Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit muß jedoch den Brennstoffstrom hoher Geschwindigkeit nicht vollständig umgeben. Der Ringstrom könnte auch eine Anzahl von Strahien niedriger Geschwindigkeit aus einer Anzahl von Öffnungen aufweisen, statt einer durchgehenden ringförmigen Öffnung. Falls zum Beispiel der Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrom nicht rund sondern ein ebener Strahl wäre, könnte der Brennstoffstrom mit niedriger Geschwindigkeit ferner ein benachbarter ebener Strom sein.
Wieder unter Bezugnahme auf FIG. 1 ist koaxial zu dem Durchlaß 1 ein(e) ringförmige(r) Durchlaß oder Öffnung 4 ausgebildet, die über eine Leitungsanordnung 5 mit einer (nicht gezeigten) Quelle für gasförmigen Brennstoff verbunden ist. Gasförmiger Brennstoff tritt aus dem ringförmigen Durchlaß 4 direkt in die Verbrennungszone 3 und bildet eine Umhüllung, die den aus dem zentralen Durchlaß 1 austretenden Brennstoff und bis zu einem geringen Abstand deren entsprechende Injektionsstellen umgibt.
Oxidationsmittel, das mindestens 30 Vol.% Sauerstoff enthält, wird der Verbrennungszone 3 über eine von den Brennstoffdurchlässen getrennte Anordnung zugeführt, so daß das Oxidationsmittel am Anfang der Verbrennungszone nahe dem Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit ist. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten Ausführungsform wird Oxidationsmittel direkt der Verbrennungszone 3 durch einen Durchlaß 6 zugeführt, der koaxial und benachbart der Außenseite des ringförmigen Brennstoffstromes niedriger Geschwindigkeit an deren entsprechenden Injektionsstellen angeordnet ist. Der Durchlaß 6 ist über eine Leitungsanordnung mit einer (nicht gezeigten) Quelle für reinen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, die mindestens 30 Vol.% Sauerstoff enthält, verbunden. Sauerstoffquellen beinhalten zum Beispiel eine Gasspeicherflasche, einen Tank für flüssigen Sauerstoff von dem Sauerstoff vor einem Gebrauch verdampft wird, und für größere Anforderungen eine Luftzerlegungsanlage wie z.B. eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage oder eine Druckwechseladsorptionsanlage. Mit Sauerstoff angereicherte Luft kann auch durch das Kombinieren von hochreinem Sauerstoff mit Luft erzeugt werden, wobei der kombinierte Strom dem Oxidationsmitteldurchlaß 6 zugeleitet wird.
Der Durchlaß 1 führt den größeren Teil des gasförmigen, für eine Verbrennung mit dem Oxidationsmittel benotigten Brennstoffs, und der koaxiale Durchlaß 4 führt den kleineren Teil oder den Rest des gesamten Brennstoffs. Der kleinere Brennstoffteil macht mindestens 1 % des gesamten, der Verbrennungszone zugeführten Brennstoffs aus. Vorzugsweise macht der kleinere Brennstoffteil weniger als 10 % des gesamten, der Verbrennungszone zugeführten Brennstoffs aus.
Der größere Brennstoffteil wird von Durchlaß 1 in die Verbrennungszone 3 als ein Hochgeschwindigkeitsstrahl 8 mit einer Geschwindigkeit V injiziert, die an der Austrittsöffnung 12 größer als 1,5 P ist, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V in Meter pro Sekunde gemessen ist (größer als 5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem Oxidationsmittel ist und V die Geschwindigkeit in Fuß pro Sekunde ist).
Der kleinere Brennstoffteil wird in die Verbrennungszone 3 von dem ringförmigen Durchlaß oder der Öffnung 4 mit einer geringen Geschwindigkeit von weniger als 0,5 V injiziert, so daß sich die geringe Geschwindigkeit des kleineren Brennstoffteils um nicht mehr als 61 m/s (200 Fuß pro Sekunde) von der Geschwindigkeit des Oxidationsmittels an deren Grenzfläche unterscheidet. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des kleineren Brennstoffteils kleiner als 30 m/s (100 Fuß/s).
Wieder unter Bezugnahme auf FIG. 1 strömt ein Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit aus dem Austritt 7 am Ende des Durchlasses 4. Dieser Strom niedriger Geschwindigkeit bildet eine Umhüllung um den Hochgeschwindigkeitsstrahl 8 des größeren Brennstoffteils, der aus Öffnung 12 am Ende von Durchlaß 1 austritt. Der Hochgeschwindigkeitsstrahl von Öffnung 12 reißt umgebende Gase mit, wenn er durch die Verbrennungszone 3 strömt. Das erste Gas, das nach dem Verlassen der Düse mitgerissen wird, ist der ringförmige Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit, der in den größeren Brennstoffieil direkt nach dem Injizieren des größeren Brennstoffteils in die Verbrennungszone hineingezogen wird. Diesem folgt das Hineinziehen von Oxidationsmittel. Die Strömungslinien des in den Brennstoffstrahl 8 hineingezogenen Oxidationsmittels sind in FIG. 1 durch die gestrichelten Linien 10 dargestellt. Zwischen dem Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit und dem Oxidationsmittel wird eine Verbrennungsgrenzfläche 11 gebildet, wenn beide Ströme in den Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahl hineingezogen werden. Die Zündung des Oxidationsmittels und des Brennstoffs niedriger Geschwindigkeit wird durch jede geeignete Zündvorrichtung ausgelöst. Da sich der ringförmige Strom des kleineren Brennstoffteils mit einer niedrigen Geschwindigkeit mit Bezug auf das Oxidationsmittel bewegt, kann eine stabile Flamme an der Grenzfläche 11 aufrechterhalten werden. Die heißen Verbrennungsprodukte dieser Flamme werden an der Stelle 13 in den Strahl gezogen, im allgemeinen in einem Abstand, der kleiner als 6 Durchmesser der Öffnung 12 in der Düse 9 ist, und bevor eine wesentliche Verdünnung des größeren Brennstoffteils durch Ofengase erfolgen kann. Dies ist exakt der Punkt, an dem Oxidationsmittel beginnt, in den Hochgeschwindigkeitsstrahl gezogen zu werden und sich mit dem größeren Brennstoffieil zu mischen. Für die in FIG. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist die Schnittlinie 13 ein Kreis um den Umfang des Brennstoffstrahls. Die heißen Verbrennungsprodukte von der ringförmigen Brennstoff-Oxidationsmittel-Flamme dienen als eine ständige Zündquelle an dem Schnittpunkt 13, wo das Oxidationsmittel und der größere Brennstoffteil zum ersten Mal aufeinandertreffen. Dies ist die ideale Stelle für eine Zündung. Diese ständige Zündquelle vor einer wesentlichen Verdünnung des größeren Brennstoffteils durch Ofengase ermöglicht das Aufrechterhalten einer stabilen Verbrennung mit dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff an der Grenzfläche des Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahls 8. Dies wird erreicht ohne die Integrität des Strahls des größeren Brennstoffteils zu ändern.
Die FIG. 2-4 veranschaulichen die Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Brenner eine einzelne Öffnung für den Brennstoff hoher Geschwindigkeit benutzt. Die Brennstoffdüse ist in FIG. 3 einzeln dargestellt, und in den FIG. 2 und 4 ist sie in den Brenner eingebaut gezeigt. Die Flamme ist in FIG. 4 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf FIG. 4 wird der Brennstoff hoher Geschwindigkeit durch die einzelne Öffnung 20 injiziert, während der Brennstoff niedriger Geschwindigkeit durch den ringförmigen Durchlaß 21 injiziert wird. Oxidationsmittel wird durch den Durchlaß 26 in die Verbrennungszone injiziert. Da der Brennstoff niedriger Geschwindigkeit und das Oxidationsmittel in den Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahl 22 hineingezogen werden, wird an der Grenzfläche 27 eine stabile Flamme ausgebildet, wobei sich der Brennstoff niedriger Geschwindigkeit auf der einen Seite und das Oxidationsmittel auf der anderen Seite befindet. Diese Flamme an der Grenzfläche bildet eine die Düse umgebende Umhüllung, die mit dem Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahl 22 an der Stelle 24 zusammentrifft. Dies ist die Stelle, an der Oxidationsmittel zum ersten Mal in den Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahl hineingezogen wird. Zwischen dem Oxidationsmittel und dem größeren Brennstoffteil wird an der Stelle 24 durch die Zufuhr heißer Verbrennungsprodukte von der Flamme an der Grenzfläche 27 eine ständige Zündung eingerichtet und aufrechterhalten. Die Düse 23 ist abnehmbar, und sie wird bei Gewinden 28 in das Brennstoffzufuhrrohr 29 eingeschraubt. Auf diese Weise kann die Düse für den größeren Brennstoffteil leicht ersetzt und der Brenner für einen Betrieb in einer anderen Betriebsart wie gewünscht geändert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff hoher Geschwindigkeit durch eine Mehrzahl von Öffnungen mit kleinem Durchmesser in die Verbrennungszone injiziert. Bei einer einzigen Öffnung mit großem Durchmesser reißt der Hochgeschwindigkeitsstrahl das Oxidationsmittel über eine längere Distanz mit, und das Mitreißen nahe der Öffnung für den Brennstoff hoher Geschwindigkeit kann ungenügend sein, um den Auftrieb und natürliche Konvektionskräfte zu überwinden. Infolgedessen kann Oxidationsmittel dem Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahl entkommen und unreagiert bleiben. Die FIG. 5 und 6 veranschaulichen die Ausführungsform der Erfindung bei einem Brenner, der vier Öffnungen für den Brennstoff hoher Geschwindigkeit benutzt. Die Brennstoffdüse ist in FIG. 6 einzeln gezeigt, und in FIG. 5 ist sie in den Brenner eingebaut gezeigt. Wie veranschaulicht in FIG. 5 sind die vier Öffnungen 30 unter einem Winkel zu der Brennerachse ausgerichtet, so daß sich die Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahlen nicht gegenseitig beeinträchtigen. Ersetzt man die Einzelöffnungsdüse 23 von FIG. 4 durch die Düse 31 von FIG. 5, die vier Öffnungen aufweist, so findet das Mitreißen des Oxidationsmittels näher an der Öffnung für den Brennstoff hoher Geschwindigkeit statt, und die Tendenz, daß aufgrund von Auftrieb und natürlichen Konvektionskräften keine Oxidationsmittelreaktion stattfindet, wird stark vermindert. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird es besonders bevorzugt, daß es mehr als drei Öffnungen für den Brennstoff hoher Geschwindigkeit gibt, und daß der Durchmesser jeder Öffnung kleiner als 6,4 mm (¼ inch) ist.
In den FIG. 7, 8 und 9 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Brennstoffdüse ist in FIG. 8 einzeln gezeigt, und sie ist in den FIG. 7 und 9 in den Brenner eingebaut dargestellt. Die Flamme ist in FIG. 9 veranschaulicht. Die Einzelöffnungsdüse 23 von FIG. 4 ist wie gezeigt in FIG. 9 durch eine Mehrfachöffnungsdüse 50 ersetzt. Um einen Kreis auf der Stirnfläche der Düse 52 sind zwölf Öffnungen 51 in gleichmäßigem Abstand angeordnet. Die Öffnungen sind unter einem Winkel zu der Achse des Brenners ausgebildet. Um die Öffnungen mit einem angemessenem Abstand zwischen benachbarten Öffnungen unterzubringen, ist die Düse über den Austritt 53 des ringförmigen Brennstoffdurchlasses 54 hinaus erweitert und vergrößert, um für einen größeren Betrag der Düsenstirnfläche 52 zu sorgen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung strömt der ringförmige Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit, der den Austritt 53 verläßt, entlang dem Umfang der Düse 50, bevor er in die Hochgeschwindigkeitsstrahlen 55 des größeren Brennstoffteils hineingezogen wird. Die Flamme an der Grenzfläche 56 des Brennstoffs niedriger Geschwindigkeit mit dem Oxidationsmittel bildet eine Umhüllung um den Bereich der Düse, der sich in die Verbrennungszone hinein erstreckt. An der Stelle 58, wo die Grenzfläche 56 des Oxidationsmittels und des Brennstoffs aus dem Ringraum auf die Hochgeschwindigkeitsstrahlen 55 trifft, wird für eine ständige Zündung des Oxidationsmittels von Durchlaß 57 und der Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahlen 55 gesorgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen 51 unter einem Winkel von mehr als 10 Grad zu der Brennerachse angeordnet.
In den FIG. 10 und 11 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Brennstoffdüse ist in FIG. 11 einzeln dargestellt, und in FIG. 10 ist sie in den Brenner eingebaut dargestellt. Die Brennstoffdüse 61 hat eine sphärische Oberfläche 62. Die Öffnungen 63 für die Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahlen sind serikrecht zu dieser Oberfläche in Richtung auf die Kugelmitte gebolirt. Die Öffnungen sind wie gezeigt in FIG. 11 auf drei konzentrischen Kreisen 64, 65 und 66 angeordnet, die einen gemeinsamen Mittelpunkt haben. Gasförmiger Brennstoff wird durch einen Durchlaß 67 zu den Öffnungen geliefert. Ein kleiner Teil des Brennstoffs, zwischen 1 und 10 % der gesamten Brennstoffmenge, wird von dem Durchlaß 67 über Leckdurchlässe 68 zu dem ringförmigen Durchlaß 69 abgezogen. Oxidationsmittel wird über einen die Düse umgebenden Durchlaß 70 angeliefert. Der den Durchlaß 69 verlassende Brennstoff liefert den Brennstoffstrom niedriger Geschwindigkeit, der zum Stabilisieren der Flamme um die Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahlen von den Öffnungen 63 erforderlich ist. Der Brennstoffstrom von dem ringförmigen Durchlaß 69 strömt entlang der sphärischen Oberfläche, bevor er in die Hochgeschwindigkeitsstrahlen hineingezogen wird. Die Flamme an der Grenzfläche zwischen dem ringförmigen Brennstoffstrom und dem Oxidationsmittel bildet eine Umhüllung um die sphärische Oberfläche der Düse.
Die gemeinsame Mitte der konzentrischen Kreise in FIG. 11 ist entlang der Achse des Brenners angeordnet. Die Erfindung kann auch so angewendet werden, daß die Mitte der konzentrischen Kreise an einer Stelle liegt, die wie gezeigt in den FIG. 12 und 13 von der Achse versetzt ist. Die Brennstoffduse ist in FIG. 13 einzeln dargestellt, und sie ist in FIG. 12 in den Brenner eingebaut gezeigt. In FIG. 12 ist eine Linie 83 unter einem Winkel 81 zu einer Linie 84 gezeigt, die durch die Brennerachse gezogen wurde. Die Linie 83 schneidet die Düsenoberfläche an einem Punkt 82. Die konzentrischen Kreise zum Ausrichten der Öffnungen auf der Düsenoberfläche haben eine gemeinsame Mitte auf der Linie 83. Der Ring aus Brennstoff niedriger Geschwindigkeit stabilisiert die Flammen um die Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahlen in der gleichen Weise, wie sie für die Brenneranordnung in den FIG. 10 und 11 beschrieben wurde. Das Flammenmuster wird durch die Richtung der Hochgeschwindigkeits- Brennstoffstrahlen bestimmt. Wenn die Erfindung wie gezeigt in den FIG. 12 und 13 angewendet wird, sind die Strahlflammen unter einem Winkel weg von der Brennerachse ausgerichtet. Auf diese Weise kann die Düse verändert werden, um die gleiche Wirkung wie eine Anwinkelung des gesamten Brenners zu zeigen.
Die Erfindung kann auch mit Mehrfachöffnungsdüsen mit einem asymmetrischen Öffnungsmuster angewendet werden.
Das folgende Beispiel dient dazu, die vorliegende Erfindung weiter zu veranschaulichen, oder um Vergleichsergebnisse zu liefern.

Beispiel

Ein Brenner, ähnlich dem in FIG. 1 veranschaulichten, wurde eingesetzt, um in eine Verbrennungszone injizierten Brennstoff und Oxidationsmittel zu verbrennen. Der Brennstoff war Erdgas, und das Oxidationsmittel war reiner Sauerstoff. Der Brennstoff wurde durch eine Düse mit einer einzelnen Öffnung mit einem Durchmesser von 1,6 mm (1/16 inch) in die Verbrennungszone injiziert. Der Brenner wurde mit und ohne dem Ringraum-Brennstoff niedriger Geschwindigkeit betrieben. Ohne dem Brennstoffstrom zu dem Ringraum war die Flamme bis zu einem Brennstoffdurchfluß von 1,87 m³/h (66 Kubikfuß pro Stunde (CFH)) stabil, was einer Strahlgeschwindigkeit von 262 m/s (860 Fuß/s) an der Düse entspricht. Als der Brennstoffdurchfluß weiter erhöht wurde, trennte sich die Flamme von der Düse, was für praktische Anwendungen einen instabilen Zustand darstellt. Die Prozedur wurde mit einem Brennstoffstrom durch den Ringraum mit einer Durchflußmenge von 0,12 m³/h (4,2 CFH) wiederholt, was einer Stromgeschwindigkeit von 0,52 m/s (1,7 Fuß/s) entspricht. Als der Brennstoffdurchfluß zu der Düse erhöht wurde, blieb die Flamme bis zu einer Durchflußmenge von 6,2 m³/h (220 CFH) stabil und an die Düse gebunden, was einer scheinbaren Strahlgeschwindigkeit von 878 m/s (2880 Fuß/s) an der Düse entspricht. Dies war die höchste Durchflußmenge, die durch die Leitungen bei dem verfügbaren Brennstoffdruck erzielt werden konnte. Die Sauerstoffdurchflußmenge betrug 9,9 m³/h (350 CFH), was einer Stromgeschwindigkeit von 2,3 m/s (7,4 Fuß/s) entspricht. Als der Brennstoffstrom zu dem Ringraum unterbrochen wurde, löste sich die Flamme von der Düse, und sie war laut und instabil. Der geringe Brennstoffstrom zu dem Ringraum erhöhte die Durchflußmenge des Brennstoffs, der durch die Düse geleitet werden konnte, während eine stabile, an die Düse gebundene Flamme aufrechterhalten werden konnte, um mehr als das Dreifache.
Nun kann durch den Gebrauch des Brenners und des Verfahrens gemäß dieser Erfindung eine effiziente und stabile Verbrennung bei sehr hoher Brennstoffgeschwindigkeit ausgeführt werden, wobei Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als das Oxidationsmittel benutzt wird.

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel, bei dem:

(A) in eine Verbrennungszone der größere Teil des für die Verbrennung benötigten gasförmigen Brennstoffs als mindestens ein Strom mit einer hohen Geschwindigkeit V von mehr als 1,5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V in Meter pro Sekunde gemessen ist (von mehr als 5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem Oxidationsmittel ist und V in Fuß pro Sekunde gemessen ist), injiziert wird;

(B) in die Verbrennungszone in der Nähe des größeren Brennstoffteils ein kleinerer Teil des für die Verbrennung benötigten gasförmigen Brennstoffs mit einer niedrigen Geschwindigkeit injiziert wird, die kleiner als 0,5 V ist, wobei der kleinere Teil ein bis zehn Prozent des in die Verbrennungszone insgesamt injizierten gasförmigen Brennstoffs ausmacht;

(C) Oxidationsmittel, das mindestens 30 % Sauerstoff aufweist, in der Nähe des kleineren Brennstoffteils unter Bildung einer Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und dem kleineren Brennstoffteil mit einer solchen Geschwindigkeit in die Verbrennungszone injiziert wird, daß die niedrige Geschwindigkeit des kleineren Brennstoffteils sich von der Geschwindigkeit in dem Oxidationsmittel an der Grenzfläche um nicht mehr als 61 m/s (200 Fuß pro Sekunde) unterscheidet;

(D) Brennstoff des kleineren Brennstoffteils mit Oxidationsmittel an der Grenzfläche verbrannt wird;

(E) Brennstoff des kleineren Brennstoffteils in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffieil unmittelbar nach dem Injizieren des größeren Brennstoffteils in die Verbrennungszone hineingezogen wird und danach Oxidationsmittel in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffteil hineingezogen wird; und

(F) heiße Verbrennungsprodukte von der Grenzfläche in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffteil hlneingezogen werden, wobei die heißen Verbrennungsprodukte als eine ständige Zündquelle für das Oxidationsmittel und den größeren Brennstoffteil dienen und Oxidationsmittel und Brennstoff des mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Brennstoffteils in einer stabilen Flamme verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Oxidationsmittel aus reinem Sauerstoff besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die niedrige Geschwindigkeit nicht mehr als 30 m/s (100 Fuß pro Sekunde) beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mit niedriger Geschwindigkeit strömende Brennstoffstrom in die Verbrennungszone als ein Ringstrom um den Hochgeschwindigkeitsbrennstoff herum eingeblasen wird, so daß eine mit niedriger Geschwindigkeit strömende ringförmige Umhüllung um den Hochgeschwindigkeitsbrennstoff herum ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der kleinere Brennstoffteil als Leckstrom von dem größeren Brennstoffteil bereitgestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Brennstoffteil in die Verbrennungszone in Form einer Mehrzahl von gesonderten Brennstoffströmen injiziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Brennstoffteil in die Verbrennungszone als mindestens ein starker axial gerichteter Strahl und als mindestens ein stärker radial gerichteter Strahl injiziert wird, wobei der stärker radial gerichtete Strahl unter einem Winkel von mindestens 100 nach außen mit Bezug auf den mehr axial gerichteten Strahl verläuft.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Brennstoffteil in die Verbrennungszone über eine oder mehrere Öffnungen injiziert wird, die einen Durchmesser von weniger als 6,4 mm (0,25 inch) hat (haben).

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Brennstoffteil in die Verbrennungszone stromab von der Stelle injiziert wird, an welcher der mit niedriger Geschwindigkeit strömende kleinere Brennstoffteil in die Verbrennungszone injiziert wird,

10. Brennervorrichtung zur Durchtuhrung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit:

(A) einer Anordnung zum Anliefern eines größeren Brennstoffteils zwecks Injizierens in eine Verbrennungszone (3), wobei die den größeren Brennstoffteil anliefernde Anordnung ein zentrales Brennstoffzufuhrrohr und eine an dem Injektionsende des Zufuhrrohrs befindliche Düse (50, 61) aufweist, die mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (51, 63) für die Überleitung von gasförmigem Brennstoff von dem Zufuhrrohr in die Verbrennungszone versehen ist;

(B) einer um die Düse herumreichenden ringförmigen Öffnung (54, 69) zum Zuführen eines kleineren Brennstoffteils zu der Verbrennungszone (3) in der Nähe der Stelle, an welcher der größere Brennstoffteil injiziert wird, so daß Brennstoff aus dem kleineren Brennstoffteil in den größeren Brennstoffteil hineingezogen wird, unmittelbar nachdem der größere Brennstoffteil in die Verbrennungszone injiziert wird;

(C) einer Anordnung (57, 70) zum Zuführen von Oxidationsmittel zu der Verbrennungszone (3) in der Nähe der Anordnung zum Zuführen des kleineren Brennstoffteils, wobei die Anordnung zum Zuführen von Oxidationsmittel über eine Leitungsanordnung mit einer Quelle für ein Oxidationsmittel verbunden ist, das mindestens 30 Volumenprozent Sauerstoff enthält, wobei das Oxidationsmittel und der kleinere Brennstoffteil innerhalb der Verbrennungszone eine Grenzfläche (56) bilden, bevor es zu einem Kontakt zwischen Oxidationsmittel und dem größeren Brennstoffteil kommt; und

(D) mindestens einer durch das zentrale Brennstoffzufuhrrohr hindurchreichenden Lecköffnung (68), die es gasförmigem Brennstoff erlaubt, von der Anordnung zum Anliefern des größeren Brennstoffteils in die ringförmige Öffnung (69) zu gelangen;

(E) wobei die Anordnung zum Anliefern des größeren Brennstoffteils den größeren Brennstoffteil in die Verbrennungszone (3) stromab von der Stelle einbringt, an welcher die ringförmige Öffnung (54, 69) den kleineren Brennstoffteil in die Verbrennungszone gelangen läßt.

11. Brenner nach Anspruch 10, wobei die Anordnung zum Anliefern des größeren Brennstoffteils eine Düse (50, 61) mit einer Mehrzahl von Öffnungen (51, 63) aufweist.

12. Brenner nach Anspruch 11, bei dem die mehreren Öffnungen parallel zueinander in Richtung auf die Verbrennungszone gerichtet sind.

13. Brenner nach Anspruch 11, bei dem die mehreren Öffnungen (51, 63) jeweils mit voneinander divergierenden Winkeln in Richtung auf die Verbrennungszone (3) gerichtet sind.

14. Brenner nach Anspruch 11, bei dem jede Öffnung einen Durchmesser von weniger als 6,4 mm (0,25 inch) hat.

15. Brenner nach Anspruch 10, bei dem die Anordnung zum Anliefern des größeren Brennstoffteils eine abnehmbare Düse (50) aufweist.

16. Brenner nach Anspruch 15, bei dem die abnehmbare Düse (50) in den Kopf des Brenners eingeschraubt und aus diesem herausgeschraubt werden kann.

17. Brenner nach Anspruch 10, bei dem die Düse (61) eine sphärische Oberfläche aufweist.

18. Brenner nach Anspruch 17 mit einer Mehrzahl von Öffnungen (63), die durch den sphärischen Düsenteil senkrecht zu der sphärischen Oberfläche (62) in Richtung auf das Kugelzentrum hindurchreichen und mit Bezug auf die Brennerachse zentrisch ausgerichtet sind.

19. Brenner nach Anspruch 17 mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die durch den sphärischen Düsenteil senkrecht zu der sphärischen Oberfiäche in Richtung auf das Kugelzentrum hindurchreichen und mit Bezug auf die Brennerachse versetzt sind.