DE69209243T2

DE69209243T2 - Brenner

Info

Publication number: DE69209243T2
Application number: DE69209243T
Authority: DE
Inventors: Thomas Sandahl Christensen; Lise Olsen; Ivar Ivarsen Primdahl
Original assignee: Haldor Topsoe AS
Current assignee: Topsoe AS
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2012-12-05
Also published as: RU2091668C1; UA26378C2; DE69209243D1; US5496170A; NZ245336A; EP0545440B1; PL296849A1; DK197491A; DK197491D0; DK168460B1; ES2087410T3; EP0545440A3; JP3509888B2; PL170438B1; CN1033337C; ATE135811T1; CN1074024A; AU2991792A; EP0545440A2; JPH05256420A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelstrombrenner mit getrennter Brennstoff- und Oxidationsmittelzufuhr für die Verwendung in gasbetriebenen Verbrennungsreaktoren.
Brenner dieser Art werden vorwiegend zum Beheizen von gasbetriebenen Industrieöfen und Wärmeerzeugern verwendet, die eine beständige Flamme mit hoher Verbrennungsintensität erfordern. Herkömmliche Wirbelstrombrenner umfassen ein Brennerrohr mit einem mittigen Rohr für die Brennstoffzufuhr, umgeben von einer Zuführungsöffnung für das Oxidationsmittel. Ein intensives Vermischen des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel in einer Verbrennungszone wird erreicht, indem das Oxidationsmittel durch eine auf der vorderen Brennerseite am mittigen Rohr angebrachte Wirbelkammer geleitet wird. Dadurch wird die Oxidationsmittelströmung wirbelförmig, und es entsteht eine starke interne und externe Zirkulation der Verbrennungsprodukte und eine hohe Verbrennungsintensität.
Als allgemeinen Nachteil der herkömmlichen Wirbelstrombrenner der oben genannten Art kann man die Tatsache betrachten, daß das vordere Ende des Brenners hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten unterliegt, die bei derartigen industriebrennern erforderlich sind, und durch den hohen Grad der internen Zirkulation entlang der Mittelachse der Verbrennungszone zu stark erhitzt wird. Dadurch strömen die heißen Verbrennungsprodukte zum Vorderende des Brenners zurück und führen zu einem raschen Anstieg auf hohe Temperaturen und folglich zur Zerstörung des vorderen Endes.
Ein Wirbelstrombrenner mit den Merkmalen des ersten Teils von Anspruch 1 ist aus EP-A-0286569 bekannt.
Das allgemeine Ziel der Erfindung besteht darin, dieses Problem durch eine verbesserte Konstruktion des Brennervorderendes bei den bekannten Wirbelstrombrennern zu umgehen.
Die verbesserte Konstruktion basiert auf der Beobachtung, daß eine beständige Flamme mit hoher Verbrennungsintensität und ohne nachteilige interne Zirkulation der heißen Verbrennungsprodukte erreicht wird, wenn ein Wirbelstrom des Oxidationsmittels geschaffen wird, dessen Hauptströmungsrichtung entlang der Achse der Verbrennungszone konzentriert ist und gleichzeitig die Brennstoffströmung auf die gleiche Achse ausgerichtet wird.
Dieses Ziel wird von einem Wirbelstrombrenner mit den Merkmalen aus Anspruch 1 erreicht.
Durch die kombinierte Wirkung des Körpers mit hohem Strömungswiderstand und der Wirbelkammer wird das der Oxidationsmittel-Einblaskammer zugeführte Oxidationsmittel in Form eines Wirbelstroms in eine stromabwärts befindliche Verbrennungszone eingeleitet, wobei die Oxidationsmittelströmung um eine gemeinsame Achse der Einblaskammern und der Verbrennungszone herum ausgerichtet wird, nachdem sie die Oxidationsmittel-Einblaskammer durchquert hat.
Das Oxidationsmittel wird dann in der Verbrennungszone mit dem gasförmigen Brennstoff vermischt, der in die Brennstoff-Einblaskammer eingeleitet und in die Verbrennungszone eingeblasen wird, und zwar in nach innen, zur Achse der Verbrennungszone gerichteter Strömungsrichtung, nachdem er die Einblaskammer für den gasförmigen Brennstoff passiert hat.
Mittels des in der Wirbelkammer erzeugten Wirbelstroms wird das Vermischen des gasförmigen Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel unterstützt, indem deren Berührungsfläche vergrößert wird. Ein wirksames Vermischen wird erreicht, wenn der Neigungswinkel der Wirbelkammerblätter zwischen 15º und 75º, vorzugsweise zwischen 20º und 45º, eingestellt wird.
Gleichzeitig verhindert die nach innen gerichtete Strömung entlang der Achse der Verbrennungszone, die durch den U-förmigen Umriß der Einblaskammer entsteht, eine Zirkulation der heißen Verbrennungsprodukte im hohen Temperaturbereich um die Achse der Verbrennungszone herum, welche ansonsten zu einer Überhitzung des Brennervorderendes führen würde.
Darüber hinaus bewirkt das nach innen gerichtete Strömungsmuster eine starke externe Zirkulation im Außenbereich der Verbrennungszone mit niedriger Temperatur. Aus diesem Bereich strömen lediglich abgekühlte Verbrennungsprodukte zum Vorderende des Brenners zurück, wo sie in den heißen Bereich der Verbrennungszone eingesogen und dort erneut erhitzt werden.
Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Brenners in gasbetriebenen Reaktoren schützt der Rückführungsstrom der abgekühlten Verbrennungsprodukte die Reaktorwände um die Verbrennungszone herum vorteilhafterweise vor dem Auftreffen heißer Verbrennungsprodukte und verlängert damit die Lebensdauer des Reaktors.
Die Temperatur am Vorderende des Brenners nahe des Austrittsendes der Einblaskammern läßt sich noch weiter senken, indem die Oxidationsmittel- Einblasvorrichtung am Austrittsende der Oxidationsmittel-Einblaskammer eine scharfe Kante mit einem minimalen Winkel an der Spitze bildet. Eine verringerte Aufheizung sowie eine geeignete mechanische Festigkeit der Einblasvorrichtung lassen sich bei Winkeln zwischen 15º und 60º, vorzugsweise zwischen 15º und 40º, an der Spitze erreichen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners ist es, daß durch den hohen Grad der externen Zirkulation der abgekühlten Verbrennungsprodukte eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Verbrennungs-Austrittszone entsteht.
Dies ist von großer Bedeutung beim Betrieb von beheizten katalytischen Reaktoren, bei denen die Produktausbeute in starkem Maße von der Temperaturverteilung im Katalysatorbett abhängt, welches normalerweise in der Verbrennungs-Austrittszone angeordnet ist.
Dementsprechend ist der erfindungsgemäße Brenner besonders für das Aufheizen und das Ausführen katalytischer Prozesse in gasbetriebenen Reaktoren geeignet.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die oben genannten Ziele und Vorteile der Erfindung anhand der Zeichnung genauer beschrieben, wobei die einzige Figur eine schematische Schnittdarstellung eines Wirbelstrombrenners gemäß einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist.
In der Figur umgibt ein Brennerrohr 2 ein mittiges Oxidationsmittel-Zuführungsrohr 4, und zwar koaxial zur gemeinsamen Achse 16, wobei zwischen den Rohren ein Zulaufkanal für den gasförmigen Brennstoff abgegrenzt wird.
Am Austrittsende 8 des Brennerrohres 2 ist eine Einblasvorrichtung 10 angebracht, die eine Innenfläche 16 mit U-förmigem Querschnitt um die Achse 16 aufweist. Die Einblasvorrichtung 10 nimmt eine koaxiale Einblasvorrichtung 12 mit U-förmigem Querschnitt auf, die am Austrittsende 14 des mittigen Rohres 4 befestigt ist.
Die U-förmige Einblasvorrichtung läßt sich problemlos herstellen, indem ein geeigneter Metallkörper mit einem zylindrischen und einem konischen Teil bearbeitet wird. Der Winkel am Übergang zwischen dem zylindrischen und dem konischen Teil liegt vorzugsweise zwischen 115º und 170º.
Die Oberflächen der Einblasvorrichtungen 10 und 12 umschließen eine Einblaskammer für den gasförmigen Brennstoff 18, die mit dem Zulaufkanal für den gasförmigen Brennstoff 6 in Verbindung steht, sowie innerhalb der Einblasvorrichtung 12 eine Oxidationsmittel-Einblaskammer 20 am Austrittsende des mittigen Rohres 4. Die Einblaskammern 18 und 20 haben U-förmige Umrisse um die Achse 16 herum, wobei die kreisförmigen Austrittsenden 22 und 24 koaxial zur Achse 16 angeordnet sind. Das Austrittsende 24 der Einblaskammer 20 kann in den unteren Teil der Einblaskammer 18 münden.
Die Kante der Einblasvorrichtung 12, die das Austrittsende der Oxidationsmittel- Einblaskammer umgibt, verjüngt sich zu einem minimalen Winkel γ an der Spitze, so daß die Kante, wie nachstehend genauer beschrieben, vor einer Überhitzung geschützt wird.
Desweiteren ist die Einblaskammer 20 mit einem zylindrischen Körper 26 mit hohem Strömungswiderstand ausgestattet, der koaxial zur Innenfläche der Kammer beabstandet ist. Der Körper mit hohem Strömungswiderstand 26 weist ein gewölbtes stromaufseitiges Ende 28 und ein spitz zulaufendes stromabseitiges Ende 30 auf. Um die zylindrische Oberfläche des Körpers 26 herum ist eine Wirbelkammer 32 mit statischen Wirbelkammerblättern (nicht dargestellt) angebracht, die sich zur Oberfläche der Einblaskammer 20 erstrecken. Beim Betrieb des Brenners mit obiger Konstruktion wird Gas durch einen Kanal 6 zur Einblaskammer 18 zugeführt und in eine Verbrennungszone stromabwärts vom Austrittsende 24 der Einblaskammer 20 eingeleitet. Durch den U-förmigen Umriß der Einblaskammer 18 wird die eingeleitete Strömung des gasförmigen Brennstoffs zur gemeinsamen Achse 16 der Einblaskammer 18 und der Verbrennungszone gelenkt, wie durch die Pfeile in der Figur angegeben. In der Verbrennungszone vermischt sich die Strömung des gasförmigen Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel, das durch das mittige Rohr 4 zugeführt und durch die Einblaskammer 20 in die Verbrennungszone eingeblasen wird.
Vor dem Einleiten in die Verbrennungszone wird die Oxidationsmittelströmung mittels Wirbelstromkammer 32 in einen Wirbelstrom verwandelt. Außerdem wird die Oxidationsmittelströmung durch den Körper 26 mit hohem Strömungswiderstand und den U-förmigen Umriß der Einblaskammer 20 als Strömung in die Verbrennungszone abgegeben, die im wesentlichen um die Achse der Verbrennungszone ausgerichtet ist.
Im Ergebnis dessen erfolgt das Vermischen des Oxidationsmittels mit der gasförmigen Brennstoffströmung vorwiegend im hohen Temperaturbereich um die Achse der Verbrennungszone herum, wodurch eine schädliche interne Zirkulation der heißen Verbrennungsprodukte in diesem Bereich verhindert wird. Eine Zirkulation findet lediglich im äußeren Bereich der Verbrennungszone mit niedriger Temperatur statt, was zu reduzierten Werkstofftemperaturen nahe an den Austrittsenden der Einblaskammern führt. Wie zuvor erwähnt, läßt sich die Temperatur in diesem Bereich desweiteren durch den Winkel γ der Kante der Oxidationsmittel-Einblasvorrichtung am Austrittsende der Oxidationsmittel- Einblaskammer steuern, wobei die Mischzone für das Oxidationsmittel und den gasförmigen Brennstoff bei sich verringernden Winkeln an der Spitze weiter von der Kante entfernt gehalten wird.
Bei Anwendungen, die sehr hohe Verbrennungsintensitäten erfordern, kann das Vorderende des Brenners außerdem durch Zusatz eines inerten Gases oder Dampfes, das bzw. der durch einen Bohrkanal innerhalb der Oxidationsmittel- Einblasvorrichtung 12 an deren Kante eingeleitet wird, im Bereich der Austrittsenden der Einblaskammern 18 und 20 vor hohen Temperaturen geschützt werden.

Claims

1.Wirbelstrombrenner mit einem Brennerrohr (2) und einem mittigen, konzentrisch zum Brennerrohr (4) angeordneten und zu diesem beabstandeten Oxidationsmittel-Zuführungsrohr (4), die zwischen sich einen ringförmigen Kanal (6) für den gasförmigen Brennstoff bilden, und wobei das Oxidationsmittel-Zuführungsrohr (4) und der Kanal (6) für den gasförmigen Brennstoff getrennte Einlaßenden und getrennte Austrittsenden haben, wobei

eine Einblasvorrichtung (10) für den gasförmigen Brennstoff mit dem Austrittsende (8) des Kanals (6) für den gasförmigen Brennstoff verbunden ist und selbige Einblasvorrichtung eine Innenfläche mit U-förmigem Querschnitt um eine gemeinsame Achse (16) des Brennerrohres (2) und der Einblasvorrichtung (10) hat;

eine Einblaskammer (18) für den gasförmigen Brennstoff zwischen den Flachen der Einblasvorrichtung (10) begrenzt wird;

die Einblaskammer (18) einen U-förmigen Umriß hat und ein kreisförmiges Austrittsende (22) um die gemeinsame Achse (16) herum aufweist;

ein zylindrischer Körper mit hohem Strömungswiderstand (26) koaxial innerhalb der Oxidationsmittel-Einblaskammer (20) angeordnet ist und der Körper mit hohem Strömungswiderstand ein gewölbtes stromaufseitiges Ende (28) und ein spitz zulaufendes stromabseitiges Ende hat; und

eine Wirbelkammer (32) am Körper mit hohem Strömungswiderstand zwischen dessen stromaufseitigem Ende (28) und dessen stromabseitigen Endes (30) angebracht ist und die Wirbelkammer statische Wirbelkammerblätter hat, die sich zur Oberfläche der Oxidationsmittel-Einblaskammer (20) erstrecken;

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Oxidationsmittel-Einblasvorrichtung (12) mit dem Austrittsende (14) des Oxidationsmittel-Zuführungsrohres (4) verbunden ist, wobei die Oxidationsmittel-Einblasvorrichtung eine Oberfläche mit U-förmigem Querschnitt hat und von der Einblasvorrichtung (10) für den gasförmigen Brennstoff beabstandet ist;

eine Oxidationsmittel-Einblaskammer (20) innerhalb der Oxidationsmittel- Einblasvorrichtung (12) abgegrenzt ist; und

die Einblaskammer (20) einen U-förmigen Umriß hat und ein kreisförmiges Austrittsende (24) um die gemeinsame Achse (16) herum aufweist.

2. Wirbelstrombrenner nach Anspruch 1, wobei die Wirbelkammerblätter in der Wirbelkammer (32) mit einem Neigungswinkel von 15º-75º, vorzugsweise 20º-45º, angeordnet sind.

3. Wirbelstrombrenner nach Anspruch 1, wobei die Einblasvorrichtungen (10, 12) an der Spitze einen Winkel von 15º-60º, vorzugsweise 15º-40º, an den Austrittsenden (22, 24) der Einblaskammer (18, 20) haben.

4. Verwendung eines Brenners nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Ausführung katalytischer Prozesse in einem gasbetriebenen Reaktor.