DE69408737T2

DE69408737T2 - Brennstoffstrahlverbrennung mit kontrollierter Flamme

Info

Publication number: DE69408737T2
Application number: DE69408737T
Authority: DE
Inventors: Hisashi Kobayashi; William Joseph Snyder
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: KR950001176A; EP0631090A3; EP0631090B1; EP0631090A2; KR100219745B1; DE69408737D1; BR9402487A; MX9404702A; CA2126474C; CA2126474A1; ES2114090T3; US5449286A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen einer Verbrennung in Verbindung mit einer Hochtemperatur-Verbrennungszone.

Stand der Technik

Eine Hochtemperaturverbrennung wird häufig in zahlreichen industriellen Prozessen, beispielsweise beim Glasschmelzen, verwendet. Korrosion und Verschmutzung von Brennerdüsen sind übliche Probleme bei industriellen Hochtemperaturprozessen. Häufig wird eine Wasserkühlung von metallischen Düsen benutzt, um Hochtemperatur-Korrosion oder -Schmelzen zu verhindern. Obwohl eine Wasserkühlung bei einer relativ sauberen Ofenatmosphäre effektiv ist, erhöht sie die Komplexität des Verbrennungssystems, und sie könnte das Korrosions- und Verschmutzungsproblem verschlimmern, wenn die Ofenatmosphäre kondensierbare Dämpfe enthält. Keramische Düsen wurden zur Verwendung bei einer Hochtemperaturverbrennung vorgeschlagen, um eine Wasserkühlung zu vermeiden. Derzeit verfügbare Keramikdüsen neigen jedoch zur Rißbildung aufgrund von thermischen und anderen Beanspruchungen, und sie werden als nicht verläßlich für zahlreiche industrielle Anwendungen angesehen. Das Problem, einen nicht wassergekühlten Brenner zu entwerfen, ist besonders ausgeprägt, wenn der Brenner als Oxidationsmittel Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft anstelle von Luft verwendet, weil eine hohe Flammentemperatur erzeugt wird.
Eine Hochtemperaturverbrennung kann erfolgen, indem Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit in eine Ofenzone eingeblasen wird, weil es dadurch möglich wird, daß der größere Teil der Verbrennungsreaktion in erheblichem Abstand von der Düse oder der Brennstoffeinblasstelle erfolgt. Die Brennstoffinjektion kann auch in einem Hohlraum erfolgen, der mit dem Ofen in Verbindung steht, um für einen weiteren Schutz der Düse zu sorgen. Zu anderen Wärmeschutzmaßnahmen gehören die Verwendung einer von der Brennerdüse abgelösten Flamme und ein Arbeiten innerhalb eines Hohlraums mit erweiterter Strömungsfläche. Eine Hochgeschwindigkeits-Brennstoffinjektion kann jedoch zur Ausbildung einer extrem großen Flammenlänge führen.
Ein Verbrennungsverfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5 ist aus US-A-4 986 748 bekannt. Ein ähnliches Verbrennungsverfahren ist aus US-A-3 836 315 bekannt. Bei beiden diesen bekannten Verbrennungsverfahren wird die Flamme in Abstand von der Spitze der Düse gehalten, um die Spitze gegen schädliche Einflüsse der Flammentemperatur zu schützen. Aus US-A-5 100 313 ist ein Verbrennungsverfahren in einer zylindrischen Höhlung bekannt, bei dem ein Oxidationsmittel in divergenten Strömen injiziert wird. Die Oxidationsmittelgeschwindigkeit beträgt bei diesem bekannten Verfahren 45,7 mis (150 Fuß/s) für ein Oxidationsmittel, das 30 % Sauerstoff aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verbrennungsverfahren zu schaffen, bei dem auf effektive Weise eine Hochgeschwindigkeits-Brennstoffinjektion zur Durchführung einer Hochtemperatur-Verbrennung verwendet werden kann, ohne daß eine Wasserkühlung der Brennstoffinjektionsdüse erforderlich wird und ohne daß eine übermäßig lange Flamme erzeugt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obige und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann beim Lesen der vorliegenden Offenbarung verstehen, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst. Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsverfahren zum Ausführen einer Hochtemperaturverbrennung in einer im wesentlichen zylindrischen Höhlung (4) mit einer Öffnung (11) mit einem Durchmesser D, die mit einer Ofenzone (10) in Verbindung steht, wobei:
(A) ein Brennstoffstrom durch eine Düse (3) in die Höhlung (4) an einer von der Öffnung zurückversetzten Stelle injiziert wird;
(B) Oxidationsmittelfluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 % in die Höhlung (4) als ringförmiger Strom injiziert wird; und
(C) Brennstoff und Sauerstoff innerhalb der Höhlung (4) verbrannt werden und der verbrennende Brennstoff und der verbrennende Sauerstoff in die Ofenzone (10) geleitet werden, um der Ofenzone Wärme zuzuführen;
dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoffstrom im Schritt (A) bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 30,5 bis 213,4 mis (100 bis 700 Fuß/s) injiziert wird, wobei die Zurückversetzung eine Länge L hat, so daß L/D mindestens 1,0 beträgt, jedoch nicht größer als 4,0 ist; das Oxidationsmittelfluid im Schritt (B) zu einer wirbelnden Strömungsbewegung koaxial mit dem Brennstoffstrom bei einer niedrigen Geschwindigkeit von nicht mehr als 30,5 m/s (100 Fuß/s) veranlaßt wird; und im Schrin (C) eine stabile Flamme ausgebildet wird, die an der Düse (3) anhaftet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsverfahren zum Ausführen einer Hochtemperaturverbrennung in einer im wesentlichen zylindrischen Höhlung (4) mit einer Öffnung mit einem Durchmesser D, die mit einer Ofenzone (10) in Verbindung steht, wobei:
(A) Brennstoff durch eine Düse (3) in die Höhlung (4) an einer von der Öffnung zurückversetzten Stelle injiziert wird;
(B) Oxidationsmittelfluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 % in die Höhlung (4) als ein zu dem Brennstoff ringförmiger Strom injiziert wird; und
(C) Brennstoff und Sauerstoff innerhalb der Höhlung (4) verbrannt werden und der verbrennende Brennstoff und der verbrennende Sauerstoff in die Ofenzone (10) geleitet werden, um der Ofenzone Wärme zuzuführen;
dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoff im Schritt (A) in einer Mehrzahl von divergierenden, zu der Mittellinie (18) der Höhlung (4) unter einem Winkel verlaufenden Brennstoffströmen bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 15,2 bis 213,4 mis (50 bis 700 Fuß/s) injiziert wird, wobei die Zurückversetzung eine Länge L hat, so daß L/D mindestens 1,0 beträgt, jedoch nicht größer als 4,0 ist; das Oxidationsmittelfluid im Schritt (B) bei einer Geschwindigkeit injiziert wird, die unter der Brennstoffgeschwindigkeit liegt und nicht mehr als 30,5 mis (100 Fuß/s) beträgt; und im Schritt (C) eine stabile Flamme ausgebildet wird, die an der Düse (3) anhaftet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine vereinfachte Querschnittansicht einer Vorrichtung, die zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
FIG. 2 ist eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform einer Brennstoffinjektionsdüse, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.

Detaillierte Beschreibung

Im Rahmen der Erfindung werden Hochgeschwindigkeits-Brennstoff und Niedergeschwindigkeits- Oxidationsmittelfluid koaxial zueinander in eine Höhlung injiziert, die zu einer Ofenzone führt. Vorzugsweise werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel in die Höhlung versetzt injiziert. Der Fluidstrom wird mit einer Tangential- oder Winkelkomponente versehen, indem für eine Verwirbelung des Sauerstoffes und/oder eine winkelförmige Injektion des Brennstoffstromes gesorgt wird. Die Tangential- oder Winkelkomponente vermindert die Länge der Flamme, die auf die Hochgeschwindigkeits-Brennstoffinjektion zurückzuführen ist. Die Tangential- oder Winkelkomponente kann beispielsweise gesteuert werden, indem Wirbelflügel oder Düsen ausgetauscht werden, was es erlaubt, die Flammenlänge zu steuern.
Die Erfindung sei im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Entsprechend FIG. 1 schließt eine feuerfeste Wand 2 an eine Ofenzone 10 an, in der sich eine Ofenatmosphäre befindet, die Ofengase wie beispielsweise Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff und/oder Sauerstoff aufweist. Die Ofenatmosphäre befindet sich im allgemeinen auf einer erhöhten Temperatur, die typischerweise höher als 537,8 ºC (1000 ºF) liegt und die 1649 ºC (3000 ºF) oder mehr betragen kann. Die Ofenatmosphäre kann auch teilchenförmige Stoffe wie Glasgemengestoffe oder Asche aus einer Kohleverbrennung, und/oder kondensierbare Dämpfe wie Natrium enthaltende Dämpfe oder saure Dämpfe enthalten.
Innerhalb der feuerfesten Wand 2 befindet sich eine im wesentlichen zylindrische Höhlung 4, die mit der Ofenzone 10 an einer Öffnung 11 in Verbindung steht, die einen Durchmesser D hat. Generell hat die Öffnung 11 einen Durchmesser D von weniger als 7,6 cm (3 inch) und vorzugsweise im Bereich von 1,3 bis 6,4 cm (0,5 bis 2,5 inch). Der sehr geringe Durchmesser dient in Verbindung mit der zylindrischen Gestalt der Höhlung und mit der definierten Zurückversetzung dazu, Ofengase an einem Übertritt von der Ofenzone in die Höhlung zu hindern, und er reduziert auch die Wärme, die von der Ofenzone in die Höhlung übergeht. Ein Brenner 12 ist so angeordnet, daß er Brennstoff und Oxidationsmittel in die Höhlung 4 injiziert. Der Brenner 12 weist eine zentrale Leitung 13 und eine ringförmige Leitung oder einen Injektor 14 auf, die bzw. der koaxial zu der zentralen Leitung 13 verläuft. Eine Düse 3 befindet sich am Ende der Leitung 13 innerhalb der Höhlung 4, um einen Brennstoffstrom oder -strahl von der Düse 3 in Richtung auf die Öffnung 11 und dann in die Ofenzone 10 zu injizieren. Die Spitze der Düse 3 ist gegenüber der Öffnung 11 um eine Strecke L zurückversetzt, die so bemessen ist, daß L/D mindestens 1,0 beträgt, jedoch nicht größer als 4,0 ist. Vorzugsweise liegt L/D im Bereich von 1,5 bis 3,0. Die Zurückversetzung der Düse 3 reicht aus, um die Düse 3 gegen Schäden aufgrund der innerhalb der Ofenzone 10 herrschenden Bedingungen zu schützen; sie ist andererseits nicht so groß, daß sie zu einem Expandieren des Verbrennungsstromes 1 bis zu den Wänden der Höhlung 4 vor dem Eintriff in die Ofenzone 10 führt. Die am besten geeignete Zurückversetzung hängt von der Ofentemperatur ab; je höher die Ofentemperatur liegt, desto größer ist die Zurückversetzung.
Der Brennstoff verläßt die Düse 3 mit einer hohen Geschwindigkeit im Bereich von 30,5 bis 213 m/s (100 bis 700 Fuß/s), vorzugsweise im Bereich von 45,7 bis 213 mis (150 bis 700 Fuß/s). Bei dem Brennstoff kann es sich um jedes beliebige Fluid handeln, das verbrennbare Stoffe enthält, die in der Verbrennungszone verbrannt werden können. Zu solchen Brennstoffen gehören Erdgas, Koksofengas, Propan, Wasserstoff, zerstäubtes Öl und Methan. Der Brennstoff wird dem Brenner 12 von einer Brennstoffquelle 15 aus zugeführt, von wo er über den Brenner 12 in die Höhlung 4 geleitet wird.
Oxidationsmittelfluid wird in die Höhlung 4 von dem ringförmigen Injektor 14 in einem ringförmigen Strom injiziert, der koaxial zu dem Brennstoffstrom verläuft. Bei dem Oxidationsmittelfluid handelt es sich um mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 90 %, oder um technisch reinen Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 99,5 %. Der ringförmige Injektor injiziert das Oxidationsmittelfluid in die Höhlung 4 vorzugsweise an einer Stelle, die von der Öffnung 11 weiter zurückversetzt ist als die Spitze der Düse 3. Das Oxidationsmittelfluid wird dem Brenner 12 von einer Oxidationsmittelquelle 16 aus zugeführt, von der es über den Brenner 12 in die Höhlung 4 geleitet wird. Der ringförmige oder koaxiale Oxidationsmittelfluidstrom wird in die Höhlung 4 mit einer niedrigen Geschwindigkeit injiziert, die nicht mehr als 30,5 mis (100 Fuß/s) beträgt und generell im Bereich von 1,5 bis 30,5 m/s (5 bis 100 Fuß/s) vorzugsweise 3,05 bis 15 mis (10 bis 50 Fuß/s) liegt.
Das Oxidationsmittelfluid kann in die Höhlung 4 so injiziert werden, daß es eine Wirbelbewegung ausführt, während es die Höhlung 4 durchläuft. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Flügeln 17 vorgesehen, die nahe dem Injektionsende der koaxialen Injektorleitung 14 angeordnet sind. Die Flügel 17 sind winkelmäßig so ausgerichtet, daß sie dem Oxidations mittelfluid eine Wirbelbewegung vermitteln, während es durch die Höhlung 4 hindurch strömt. Die Wirbelbewegung reduziert ihrerseits den axialen Impuls des verbrennenden Brennstoff- und Sauerstoffstroms 1, indem es Sauerstoff in radialer Richtung leitet und den Stromdurchmesser größer werden läßt, nachdem der Strom die Höhlung 4 verläßt, was zu einer Reduzierung der Länge der resultierenden Flamme führt. Der Grad der Verwirbelung kann durch Einstellen des Winkels der Flügel gesteuert werden.
Bei konventionellen Verbrennungssystemen, bei denen eine Wirbelbewegung des Oxidationsmitteloder Brennstoffstromes vorgesehen ist, bewirkt die Wirbelbewegung, daß Ofengase aus der Ofenzone in die Höhlung gezogen werden. Diese hereingezogenen Ofengase dienen der Stabilisierung der Flamme innerhalb der Höhlung. Sie stellen jedoch auch eine Schadensquelle für die Brennerdüse dar. Im Gegensatz zu konventionellen Wirbelverbrennungssystemen werden bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung Ofengase aus der Ofenzone daran gehindert, in die Höhlung zu strömen, und zwar aufgrund des geringen Durchmessers der Höhlungsöffnung in Verbindung mit dem sich verbreiternden Flammenstrom, welcher die zylindrische Höhlung durchläuft. Die Flamme wird durch Anhaftung der Flamme an der Düse stabilisiert. Die stabile Anhaftung der Flamme an der Düse wird erreicht durch die Sauerstoffanreicherung des Oxidationsmittelfluids und durch die Wahl der Geschwindigkeiten des Brennstoffes und des Oxidationsmittelfluids innerhalb der genannten Bereiche. Auf diese Weise wird für die erforderliche Flammenstabilität gesorgt, ohne daß heiße und möglicherweise korrosive Ofengase in die Höhlung gezogen werden.
Um die Steuerung der Flammenform zu steigern, kann ein zusätzlicher ringförmiger Oxidationsmittelstrom in die Höhlung ohne Wirbelbewegung koaxial zu dem Brennstoffstrom und zwischen dem Brennstoffstrom und dem wirbelnden Oxidationsmittelstrom eingebracht werden, so daß sich ein äußerer wirbelnder Oxidationsmittelstrom und ein axialer in gleicher Richtung fließender, nicht wirbelnder Oxidationsmittelstrom um einen zentralen Brennstoffstrom herum befinden. Durch Variieren der relativen Mengen des wirbelnden und des axialen Oxidationsmittelstroms läßt sich die Flammengestalt ändern, ohne Brennerkomponenten physikalisch auszutauschen.
Zusätzlich oder als Alternative zu dem oben diskutierten Sauerstoffwirbel, der dem verbrennenden Brennstoff- und Sauerstoffstrom eine Winkelkomponente verleiht, kann der Brennstoff in die Höhlung 4 über die Düse 3 in einer Mehrzahl von Brennstoffströmen injiziert werden, die unter einem Winkel mit Bezug auf die Mittellinie der Höhlung 4 verlaufen, und zwar generell unter einem Winkel im Bereich von 1 bis 10 Grad. Eine solche Anordnung ist schematisch in FIG. 2 dargestellt. Die Be zugszeichen in FIG. 2 entsprechen denjenigen der FIG. 1 für gemeinsame Komponenten. In FIG. 2 ist eine Mehrzahl von Brennstoffströmen dargestellt, die in die Höhlung 4 unter einem Winkel von 7,5º mit Bezug auf die Mittellinie 18 der Höhlung 4 injiziert werden. Das Injizieren des Brennstoffs unter einem Winkel verleiht dem verbrennenden Brennstoff- und Sauerstoffstrom eine Winkelkomponente, was dazu dient, die Länge der resultierenden Flamme zu reduzieren. Bei dieser Ausführungsform kann der Brennstoff eine Geschwindigkeit im Bereich von 15 bis 213 mis (50 bis 700 Fuß/s) haben, während das Oxidationsmittel eine Geschwindigkeit haben kann, die niedriger als die des Brennstoffs ist und nicht mehr als 30,5 mis (100 Fuß/s) beträgt.
Die zentrale Brennstoffleitung 13 ist metallisch; vorzugsweise ist sie aus Kupfer gefertigt, so daß Wärme wirkungsvoll von der Düse 3 abgeleitet werden kann. Die Düse 3 besteht aus einer Hochtem peraturlegierung, beispielsweise nichtrostendem Stahl. Die ringförmige Koaxialleitung 14 ist vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl gefertigt.
Im Betrieb wird der Brennstoff in die Höhlung 4 über die zentrale Leitung 13 und die Düse 3 in Form von einem oder mehreren Hochgeschwindigkeitsströmen injiziert. Oxidationsmittelfluid wird iii die Höhlung 4 über die ringförmige Koaxialleitung 14 als ringförmiger Niedergeschwindigkeits-Koaxial strom injiziert. Das Oxidationsmittel und der Brennstoff verbrennen innerhalb der Höhlung 4. Wegen der niedrigen Geschwindigkeit des Oxidationsmittels gegenüber dem Brennstoff haftet die resultierende Flamme an der Düse an, und die Verbrennung ist stabil. Die an der Brennstoffdüse 3 anhaftende stabile Brennstoff-Oxidationsmittel-Flamme 1 expandiert langsam und erstreckt sich aus der Höhlung 4 durch die Öffnung 11 heraus in die Ofenzone 10, wo die Verbrennung weitergeht, so daß Wärme in die Ofenzone eingebracht wird und Ofengase erzeugt werden. Unter "an der Düse anhaftend" wird verstanden, daß sich die Flamme benachbart der Düse befindet und nicht von der Düse weg bewegt, wie dies bei konventionellen Hochgeschwindigkeitsverfahren der Fall ist. Das Anhaften der Flamme an der Brennstoffdüse verbessert die Stabilität der Flamme. Die Anhaftung wird durch das ringförmige koaxiale Niedergeschwindigkeits-Oxidationsmittelfluid ungeachtet der hohen Geschwindigkeit des Brennstoffs erreicht. Die resultierende stabile Flamme und die stetige Expansion des verbrennenden Stromes 1 innerhalb der Höhlung 4 dienen dazu, Ofengase im wesentlichen außerhalb der Höhlung 4 zu halten und im wesentlichen zu verhindern, daß Ofengase in die Höhlung 4 juneingezogen werden, obwohl die Düse 3 um eine große Strecke gegenüber der Öffnung 11 zurück versetzt ist. Durch Ausnutzung des Umstands, daß der reagierende Verbrennungsstrom im Vergleich zu einem nicht reagierenden Strom wesentlich weniger umgebende Gase mitreißt, wird das Brennersystem, insbesondere die Düse, gegen Schäden trotz hoher Verbrennungszonentemperaturen und des Vorhandenseins von korrosiven oder kondensierbaren Stoffen in den Ofengasen geschützt. Ofengase werden auf diese Weise trotz der hohen Geschwindigkeit des Brennstoffstroms aus der Höhlung herausgehalten. Außerhalb der Höhlung 4 innerhalb der Ofenzone 10 bewirkt die hohe Geschwindigkeit des verbrennenden Stromes, daß Ofengase in den verbrennenden Strom eingesaugt oder mit diesem mitgerissen werden.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung oder der Unterstreichung der mit der Erfindung erzielten Vorteile. Die Beispiele sind nicht als einschränkend zu verstehen. Bei der Ausführung der Beispiele wurde eine Vorrichtung ähnlich der in FIG. 1 veranschaulichten Anordnung in Verbindung mit einem Ofen benutzt. Bei dem Brennstoff handelte es sich um Erdgas, und das Oxidationsmittelfluid war technisch reiner Sauerstoff. D betrug 1,75 inch, und L/D betrug 1,5. Die Ofenzonentemperatur betrug 1538 ºC (2800 ºF).
Zu Vergleichszwecken wurde die Verbrennung weder mit Sauerstoffverwirbelung noch mit winkelförmiger Brennstoffinjektion ausgeführt. Die Brennstoffgeschwindigkeit betrug 45,7 mis (150 Fuß/s), während die Sauerstoffgeschwindigkeit 18,3 mis (60 Fuß/s) betrug. Die Temperatur an der anderen Seite der Ofenzone, an der der Öffnung der Höhlung gegenüberliegenden Ofenzonenwand, betrug etwa 1549 ºC (2820 ºF). Die Prozedur wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß der Sauerstoff in die Höhlung mit einer Wirbelbewegung injiziert wurde, die durch Wirbelflügel bewirkt wurde, die sich in der Sauerstoffinjektionsleitung befanden, wie dies in FIG. 1 dargestellt ist. Die Flammenlänge wurde im Vergleich zu der ohne den Sauerstoffwirbel beobachteten Flammenlänge reduziert, was sich durch die Temperatur auf der anderen Seite der Ofenzone bemerkbar machte, die nur etwa 1499 ºC (2730 ºF) betrug.
Die Verbrennung wurde durchgeführt, wobei der Brennstoff in die Höhlung mit einer Geschwindigkeit von 213 mis (700 Fuß/s) in vier Strömen injiziert wurde, von denen jeder von der Mittellinie der Höhlung unter einem Winkel von 5º divergierte. Die Sauerstoffgeschwindigkeit betrug 18,3 mis (60 Fuß/s). Die Temperatur an der anderen Seite der Ofenzone betrug trotz der sehr hohen Brennstoffinjektionsgeschwindigkeit nur etwa 1532 ºC (2790 ºF). Die Prozedur wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß der Sauerstoff in die Höhlung mit einer Wirbelbewegung injiziert wurde, die durch Wirbelflügel bewirkt wurde, die sich innerhalb der Sauerstoffinjektionsleitung in der in FIG. 1 veranschaulichten Weise befanden. Die Temperatur auf der anderen Seite der Ofenzone betrug etwa 1524ºC (2775 ºF).
Die Verbrennung wurde durchgeführt, wobei der Brennstoff in die Höhlung mit einer Geschwindigkeit von 109,7 m/s (360 Fuß/s) in vier Strömen injiziert wurde, von denen jeder von der Mittellinie der Höhlung unter einem Winkel von 5º divergierte. Die Sauerstoffgeschwindigkeit betrug 18,3 mis (60 Fuß/s). Die Temperatur an der anderen Seite des Ofens betrug etwa 1529 ºC (2785 ºF). Die Prozedur wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß der Sauerstoff in die Höhlung mit einer Wirbelbewegung injiziert wurde, die durch Wirbelflügel bewirkt wurde, die innerhalb der Sauerstoffinjektorleitung entsprechend FIG. 1 angeordnet waren. Die Temperatur an der anderen Seite des Ofens betrug 1499 ºC (2730 ºF).
Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung kann jetzt eine Verbrennung bei hohen Temperaturen ohne übermäßige Erzeugung von NOX ausgeführt werden, während die Verbrennungsanlage gegen übermäßigen Verschleiß geschützt ist, ohne daß es einer Wasserkühlung bedarf und während die Länge der Verbrennungsfiamme gesteuert wird. Bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung kann insbesondere der Brenner in einem erheblichen Abstand in der zylindrischen Höhlung der feuerfesten Wand angeordnet werden, ohne daß es zu Problemen aufgrund der auftretenden Wärme kommt. Bisher wurde angenommen, daß der Brenner praktisch vollständig außerhalb der zylindrischen Höhlung angeordnet sein muß, um Wärmeschäden des Brenners bei Anwendungen ohne Wasserkühlung zu vermeiden. Bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung kann sich der Brenner über ein Drittel oder mehr der Höhlungslänge und vorzugsweise, wie in FIG. 1 dargestellt, über mehr als die Hälfte der Länge der Höhlung erstrecken, während noch immer signifikante Probleme aufgrund der auftretenden Wärme vermieden werden.

Claims

1. Verbrennungsverfahren zum Ausführen einer Hochtemperaturverbrennung in einer im wesentlichen zylindrischen Höhlung (4) mit einer Öffnung (11) mit einem Durchmesser D, die mit einer Ofenzone (10) in Verbindung steht, wobei

(A) ein Brennstoffstrom durch eine Düse (3) in die Höhlung (4) an einer von der Öffnung zurückversetzten Stelle injiziert wird;

(B) Oxidationsmittelfluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 % in die Höhlung (4) als ringförmiger Strom injiziert wird;

(C) Brennstoff und Sauerstoff innerhalb der Höhlung (4) verbrannt werden und der verbrennende Brennstoff und der verbrennende Sauerstoff in die Ofenzone (10) geleitet werden, um der Ofenzone Wärme zuzuführen;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Brennstoffstrom im Schritt (A) bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 30,5 bis 213,4 m/s (100 bis 700 Fuß pro Sekunde) injiziert wird, wobei die Zurückversetzung eine Länge L hat, sodaß L/D mindestens 1,0 beträgt, jedoch nicht größer als 4,0 ist;

das Oxidationsmittelfluid in Schritt (B) zu einer wirbel nden Strömungsbewegung koaxial mit dem Brennstoffstrom bei einer niedrigen Geschwindigkeit von nicht mehr als 30,5 mis (100 Fuß pro Sekunde) veranlaßt wird; und

im Schritt (C) eine stabile Flamme eingerichtet wird, die an der Düse (3) anhaftet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem D kleiner als 7,6 cm (3,0 inch) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner ein nicht wirbelndes Oxidationsmittelfluid in die Höhlung (4) zwischen den Brennstoffstrom und das wirbelnde Oxidationsmittelfluid injiziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem L/D zwischen 1,5 und 3,0 liegt.

5. Verbrennungsverfahren zum Ausführen einer Hochtemperaturverbrennung in einer im wesentlichen zylindrischen Höhlung (4) mit einer Öffnung mit einem Durchmesser D, die mit einer Ofenzone (10) in Verbindung steht, wobei

(A) Brennstoff durch eine Düse (3) in die Höhlung (4) an einer von der Öffnung zurückversetzten Stelle injiziert wird;

(B) Oxidationsmittelfluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 % in die Höhlung (4) als ein zu dem Brennstoff ringförmiger Strom injiziert wird; und

dadurch gekennzeichnet, daß

der Brennstoff im Schritt (A) in einer Mehrzahl von divergierenden, zu der Mittellinie (18) der Höhlung (4) unter einem Winkel verlaufenden Brennstoffströmen bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 15,2 bis 213,4 mis (50 bis 700 Fuß pro Sekunde) injiziert wird, wobei die Zurückversetzung eine Länge L hat, so daß L/D mindestens 1,0 beträgt, jedoch nicht größer als 4,0 ist;

das Oxidationsmittelfluid in Schritt (B) bei einer Geschwindigkeit injiziert wird, die unter der Brennstoffgeschwindigkeit liegt und nicht mehr als 30,5 mis (100 Fuß pro Sekunde) beträgt; und

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Oxidationsmittelfluid mit einer Wirbelbewegung in die Höhlung (4) injiziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem ferner ein nicht wirbelndes Oxidationsmittelfluid in die Höhlung (4) zwischen den Brennstoffstrom und das wirbelnde Oxidationsmittelfluid injiziert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem D kleiner als 7,6 cm (3,0 inch) ist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem L/D zwischen 1,5 und 30 liegt.