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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bereitstellung eines gasförmigen Brennstoffs
und eines Sauerstoffträgers
in Anteilen, die eine optimale Verbrennung ermöglichen, so dass insbesondere
bei einem unter geringem Druck ankommenden und Kohlenwasserstoffe
enthaltenden brennbaren Gas eine rauchfreie Verbrennung möglich ist.
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STAND DER
TECHNIK
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Es
ist bekannt, dass das Verhältnis
zwischen dem Durchsatz an zu verbrennendem Gas und dem für die Verbrennung
notwendigen Luftdurchsatz zu jedem Zeitpunkt dem stöchiometrischen
Verhältnis entsprechen
oder darüber
liegen muss, damit ein Brenner vollständig autonom ohne Zufuhr zusätzlicher
Außenluft
arbeiten kann. Es ist ferner bekannt, dass bei der Verbrennung eines
Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gases, zum Beispiel bei Verbrennung von
mit Schwefelwasserstoff angereicherten Restgasen oder Kohlenwasserstoffe
enthaltenden gasförmigen
Emissionen in einer Ölraffinerie
bzw. auf einem Öl-
oder Gasförderfeld
drei wesentliche Bedingungen erfüllt
sein müssen,
die im allgemeinen unter Fachleuten als "die drei T" bezeichnet werden, damit eine optimale
Verbrennung erzielt werden kann.
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Wenn
die für
die Verbrennung notwendige Luftmenge nicht ausreicht und diese drei
T, d.h. die Flammentemperatur, die für die Herstellung des Luft/Gas-Gemischs vor der
Verbrennung erforderliche Mischzeit (temps de mixage) und die auf
dieses Gemisch angewandte Turbulenz nicht eingehalten werden, entstehen
durch die unvollständige
Verbrennung dieser Gase oder gasförmigen Emissionen üble Gerüche und
vor allem dichter schwarzer Rauch, der im wesentlichen aus unverbrannten
Kohlenwasserstoffen besteht, wodurch es zu einer Umweltschädigung kommt.
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Einer
der Hauptgründe
für diese
unvollständige
Verbrennung und insbesondere für
die Entstehung von schwarzem Rauch am Verbrennungsort ist also der
Mangel an Luft, der eine einwandfreie Verbrennung ohne Präsenz unverbrannter
Kohlenwasserstoffe behindert. Zum Beispiel bei einem hohen Durchsatz
an zu verbrennendem Gas und einem sehr niedrigen Einspeisungsdruck
dieses Gases arbeiten die auf dem Markt erhältlichen Brenner im allgemeinen
nicht effizient genug, um eine ausreichende Belüftung der Flamme durch den
Gasdruck am Ausgang der Brennerzufuhrleitung zu gewährleisten. Deswegen
muss die für
die Verbrennung nötige
Außenluft
durch sämtliche
technisch verfügbare
Mittel zugeführt
werden, zum Beispiel durch Zufuhr eines aus Brennstoff und Sauerstoffträger bestehenden Gemischs
mit Hilfe von Wasserdampf.
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Es
wurden Einrichtungen vorgeschlagen, um eine ausreichende Gemischenergie
auf der Basis großer
Luftmengen mit Hilfe externer Medien wie durch Injektoren zugeführtem Wasserdampf
oder sonstiger Medien, die als "Antriebsmedien" wirken, zu erhalten,
wie zum Beispiel die Luft selbst in komprimierter Form, bzw. der
Rückgriff
auf leistungsfähige
Lüfter,
um Luft zuzuführen
und die für
die Verbrennung notwendigen Turbulenzen zu erzeugen. Diese Einrichtungen
haben im allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad, weshalb für die Kompensierung
ihrer mangelnden Effizienz hohe Mengen an Antriebsmedien eingesetzt
werden müssen,
die in den erforderlichen Durchsätzen
an dem für
die Verbrennung der Gase vorgesehenen Standort nicht immer verfügbar sind.
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Dadurch
ergibt sich zum Beispiel bei Verwendung von Wasserdampf als Antriebsmedium
ein hoher Verbrauch, der mit folgenden Nachteilen verbunden ist:
- – einem
hohen Lärmpegel
aufgrund der Zirkulation des Mediums in Rohren und Injektoren,
- – einer
Abkühlung
der Flamme, wodurch sich die für
die Verbrennung der Gase erforderlichen Bedingungen nicht einwandfrei
herstellen lassen, wie zum Beispiel für Sauergase wie H2S,
bei dem die für
die vollständige
Oxydation erforderliche Temperatur von 700°C unter diesen Bedingungen nicht
erreicht wird, wodurch es zu giftigen und übel riechenden Emissionen kommt,
- – die
Energiebilanz des Standortes kann defizitär werden, da sie von der Wasserdampferzeugung abhängt.
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Auf Öl- und Gasförderfeldern
ist im allgemeinen kein Wasserdampf verfügbar und der Druck des zu verbrennenden
Gases ist zu niedrig, damit das Gas wie ein Antriebsmedium wirken
kann, d.h. um selbst ausreichend Luft mitzutransportieren, die für seine
Verbrennung nötig
ist und dadurch das erforderliche Brennstoff/Luft-Gemisch zu erhalten.
Hierdurch kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung dieser Kohlenwasserstoffe
enthaltenden Gase und zur Entstehung von dichtem schwarzen Rauch am
Verbrennungsort.
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Die
Brennerhersteller haben daher ein System für die Belüftung der Flamme eines Brenners vorgeschlagen,
das darin besteht, dass für
die Verbrennung mittels hochleistungsfähiger Ventilatorengruppen,
die unter dem Brenner angeordnet sind, Luft zugeführt wird
und indem die Gasverteilung je nach vorgesehenen Verbrennungsmengen
mittels Automatikventilen stufenweise eingestellt wird. Dieses durch
eine komplexe Anlage gesteuerte System weist ein inakzeptables Störungsrisiko
auf, da es zu einer gefährlichen
Verstopfung im Gassammler einer Raffinerie kommen kann, wenn zum
Beispiel ein automatisch gesteuertes Ventil geschlossen bleibt.
Dieses Flammenbelüftungssystem
ist außerdem
mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden, nur wenig
zuverlässig
und es kann zu Sicherheitsproblemen kommen, wenn das zu verbrennende
Gas flüssige
Kohlenwasserstoffe enthält,
die auch als (leicht entzündliche)
Kondensate bezeichnet werden und sich auf den unter dem Brenner
angeordneten Ventilatoren ablagern können.
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Durch
FR-A- 2 095 661 ist ein Lüfter
bekannt, bei dem als Antriebsmedium ein unter Druck stehendes Gas
verwendet wird, dessen Art nicht spezifiziert ist. Der Lüfter enthält eine
Vielzahl von Gaszufuhrrohren, die in zwei konzentrischen Kränzen am
Eingang eines nach außen
offenen Venturirohrs angeordnet sind und deren Achsen parallel zur
Achse des Venturirohrs liegen.
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In
US-A- 2 403 431 ist ein Brenner für brennbares Gas beschrieben,
der eine Vielzahl von Zufuhrrohren enthält, die am Eingang eines nach
außen
offenen Venturirohrs angeordnet sind. Diese parallel zur Achse des
Venturirohrs liegenden Rohre werden mit einem Vorgemisch aus einem
brennbaren Gas und Luft versorgt, das aus einem anderen, davor angeordneten
Venturirohr zugeführt
wird, das nach außen
offen oder an eine Druckluftversorgungsquelle angeschlossen ist.
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In
dem im Besitz der Klägerin
befindlichen europäischen
Patent Nr. 99 828 ist eine Einrichtung zur Verbrennung von Gemischen
aus brennbaren Medien mit Luftzufuhr beschrieben, bei der diese
Medien über
koaxial zur Achse des Brennerkörpers
gelegene Injektoren mit ringförmigen
Querschnitt in einen Brennerkörper
eingeleitet werden, der ein Venturirohr bildet. Eine derartige Einrichtung
hat den wesentlichen Nachteil, dass sie nur schwer ausführbar ist,
da eine sehr präzise
Bearbeitung erforderlich ist. Auch die Leistungen der Einrichtung
müssen
optimiert werden, um ihre Effizienz sowie insbesondere die Homogenität des Profils
der Geschwindigkeiten zu verbessern, mit denen die Medien in den
divergierenden Teil des Venturirohrs eingeleitet werden, der den
Brenner bildet.
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Die
Klägerin
hat daher Forschungen durchgeführt,
um Lösungen
zu finden, die gleichzeitig auf der technischen Ebene zufriedenstellend,
einfach und zuverlässig
sowie mit niedrigen Investitionskosten sowohl für Raffinerien als auch für Förderstandorte
verbunden sind, um ausreichende Luftmengen für die Verbrennung eines unter
geringem Druck stehenden und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gases
bereitstellen zu können,
und dies unter Verbesserung der für die optimale Verbrennung
dieses Gases erforderlichen Bedingungen, sowie insbesondere um eine rauchfreie
Verbrennung zu erzielen.
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ZUSAMMENFASSENDE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gegenstand
der Erfindung ist daher eine Einrichtung zur Verbrennung von in
Gegenwart von Luft brennbare Kohlenwasserstoffe enthaltendem Gas, bei
welcher das brennbare Gas über
eine zentrale Zufuhrleitung ankommt, die ein Rohr aufweist, welches
in der Achse eines Venturikörpers
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Gaszufuhrrohren
wenigstens in einem Kranz um die zentrale Zufuhrleitung des Venturikörpers angeordnet
sind, wobei wenigstens das Ende dieser Rohre eine Achse aufweist,
die im wesentlichen parallel der divergierenden Wand des Venturikörpers ist.
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Somit
hat die erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere
den Vorteil, dass sie die vollständige Verbrennung
eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gases erlaubt, ohne dass Rauch
entsteht, und zwar auch dann, wenn der Druck des brennbaren Gases gering
ist und dieses Kondensate enthält.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
aus der Lektüre
der Fortsetzung der Beschreibung, der lediglich zu Illustrationszwecken
die 1, 2a und 2b beigefügt sind.
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ZUSAMMENFASSENDE
BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung
in der Vorderansicht und im Schnitt in der 1-1-Achse.
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2a zeigt
schematisch die Einrichtung von 1 in der
Draufsicht mit einer Vielzahl von Rohren, die ringförmig um
einen einzigen Kranz angeordnet sind, dessen Zentrum auf der Achse
des Venturikörpers
gelegen ist.
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2b zeigt
schematisch in der Draufsicht eine Variante der Vorrichtung von 1 mit
einer Vielzahl von Rohren, die auf zwei Kränze aufgeteilt sind.
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DETAILLIERTE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
gemäß der 1 und 2a enthält eine
zentrale Zufuhrleitung für
brennbares Gas 1, die im Zentrum und am Eingang eines Venturikörpers 2 angeordnet
ist. Der Venturikörper 2 enthält einen
unteren kegelstumpfartigen Teil 3, der allgemein als "konvergierend" bezeichnet wird
und durch einen zylindrischen Teil 4 verlängert ist,
der als "Hals" bezeichnet wird.
Dieser zylindrische Teil 4 ist durch einen oberen kegelstumpfartigen
Teil 5 verlängert,
der als "divergierend" bezeichnet wird.
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Die
zentrale Zufuhrleitung 1 enthält im allgemeinen ein zentrales
Rohr mit ringförmigem
Querschnitt, das nahezu koaxial zu Körper 2 liegt. Dieses zentrale
Rohr tritt von außen
ein und passiert den konvergierenden Teil 3 bis zu einem
im Körper 2 gelegenen
Punkt, der im allgemeinen auf der Höhe der Verbindung des konvergierenden
Teils 3 mit Hals 4 liegt.
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Erfindungsgemäß ist eine
Vielzahl von zusätzlichen
Rohren 6 um die zentrale Zufuhrleitung 1 gelegen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung
enthält mindestens
3 Rohre, die ringförmig
angeordnet sind, wobei die maximale Anzahl an Rohren sich nach der Größe des Venturikörpers 2 richtet
und bis zu mehrere [TEXT FELLT]zig Rohre betragen kann. Die Anordnung
der Rohre 6 ist im allgemeinen regelmäßig und ringförmig, wie
am besten aus den 2a und 2b hervorgeht.
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Vorzugsweise
sind diese zusätzlichen
Rohre 6 nahezu identisch, haben einen fast runden Querschnitt
und sind ringförmig
um die zentrale Zufuhrleitung 1 angeordnet, wobei wenigstens
das Ende dieser Rohre eine Achse aufweist, die im wesentlichen parallel
zur Wand des divergierenden Teils 5 des Venturikörpers liegt,
um das brennbare Gas in den genannten Körper unter Bildung eines Winkels α mit der
AA-Achse dieses Venturikörpers
einzuspritzen. Ihr unterer Teil 8 kann zylindrisch sein
und im wesentlichen parallel zur AA-Achse des Venturikörpers 2 liegen,
während,
wie dies in 1 ersichtlich ist, der Neigungswinkel α des oberen
Teils 7 in Bezug auf die Achse AA fast gleich mit dem Neigungswinkel
der divergierenden Wand 5 in Bezug auf diese gleiche Achse
AA ist. In einer Variante der Erfindung, die nicht in den Abbildungen
dargestellt ist, können
die Achsen der Rohre mit der Achse des Venturikörpers einen Winkel bilden,
der gleich mit demjenigen ist, den die divergierende Wand mit der
Achse des genannten Körpers
bildet.
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Die
Rohre können,
wie dies in 2b gezeigt ist, ringförmig um
die zentrale Zufuhrleitung für das
brennbare Gas in mehreren Kränzen
angeordnet sein, deren Zentren auf der AA-Achse des Venturikörpers 2 liegen.
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Die
zusätzlichen
Rohre 6 dringen im allgemeinen alle bis in die gleiche
Tiefe in Venturikörper 2 ein,
die identisch oder geringer als die Eindringtiefe des zentralen
Rohres 1 in Körper 2 sein
kann. Dieses zentrale Rohr kann einen anderen Durchmesser haben,
der vorzugsweise größer ist
als der Durchmesser der ringförmig
angeordneten Rohre.
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Jedes
Rohr 6 ist derart dimensioniert, dass einerseits sein Innendurchmesser
identisch mit demjenigen sämtlicher
Rohre ist, die ringförmig
auf mindestens einem Kranz angeordnet sind, und andererseits, dass
es zwischen 1 und 33% und vorzugsweise zwischen 5 und 33% des brennbaren
Gases transportiert. Ferner können
alle Enden der Rohre, die mindestens auf einem Kranz angeordnet
sind, mit Gaseinspritzeinrichtungen ausgestattet sein, wie zum Beispiel
mit Einspritzdüsen.
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Die
zentrale Zufuhrleitung 1 sowie die zusätzlichen Rohre 6,
die mindestens auf einem Kranz gelegen sind, können sämtlich mit der gleichen Zufuhrleitung 9 für das brennbare
Gas verbunden sein. In diesem Fall sind sie über die Zufuhrleitung 9 an eine
Quelle für
brennbares Gas angeschlossen, das zum Beispiel aus Kohlenwasserstoffen,
Schwefelwasserstoff H2S oder einem Gemisch
dieser Gase bestehen kann.
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Die
Verbrennung erfolgt am Ausgang der Rohre 1 und 6 im
Innern von Körper 2,
aber aufgrund der gleichzeitigen Präsenz der zentralen Zufuhrleitung 1 und
der zusätzlichen
Rohre 6 ist die Verteilung der Geschwindigkeiten der Gase
besser als sie mit herkömmlichen
Brennern zu beobachten ist, wodurch Austausch sowie Turbulenzen
zwischen Antriebsmedium und Sauerstoffträger, d.h. zwischen dem aus
den Rohren austretenden brennbaren Gas und dem zugeführten Medium,
d.h. der Luft gefördert wird.
Daraus resultiert eine hohe Luftförderleistung, die man anhand
eines allgemeinen Verhältnisses
der Verdünnung
des brennbaren Gases in der Luft in der Größenordnung von 40 quantifizieren
kann. (Zum Vergleich: Herkömmliche
Brenner haben ein Verdünnungsverhältnis von
3 bis 10). Die Luftmenge, die durch die erfindungsgemäße Einrichtung
mittransportiert wird, ist sehr beachtlich, und zwar auch wenn die
Einrichtung mit einem Antriebsmedium versorgt wird, das unter sehr
geringem Druck steht.
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Die
Klägerin
hat Versuche an einem Brenner am Boden durchgeführt, der als "Burn pit" bezeichnet wird.
Wenn man einen herkömmlichen
Brenner, bestehend aus einer Einzelzufuhrleitung für zu verbrennendes
Gas und einem Venturirohr, verwendet, das nur eine zentrale Zufuhrleitung
enthält,
kommt es zur Bildung eines dichten schwarzen Rauchs, der auf die unvollständige Verbrennung
der Gase hindeutet. Wenn man dagegen die erfindungsgemäße Einrichtung
unter den gleichen Bedingungen eines hohen Durchsatzes und geringen
Drucks des zu verbrennenden Gases einsetzt, erhält man eine rauchfreie Verbrennung.
Auch die in der Flamme mitgeführten Kondensate
verbrennen rauchfrei. Für
die Erzielung einer vollständigen
Verbrennung mit einem herkömmlichen
Brenner wäre
ein 30 mal höherer
Gasdruck erforderlich gewesen.
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Bei
Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung
herrschen ferner Betriebsbedingungen, die eine Reduzierung der Stickoxyde
bewirken, wie die Einstellung der Verbrennungsluft und die Beseitigung
von sehr heißen
Berei chen der Flamme durch Homogenisierung ihrer Temperaturen. Dies
ist von Interesse, weil nachgewiesen wurde, dass die bei einer Verbrennung
gebildeten Stickoxyde zur Versauerung, photochemischen Verschmutzung,
Schädigung der
Ozonschicht und Steigerung des Treibhauseffekts beitragen.