DE9003576U1

DE9003576U1 - Strahlungswandbrenner

Info

Publication number: DE9003576U1
Application number: DE9003576U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1990-03-23
Publication date: 1990-06-07
Anticipated expiration: 2000-03-24
Also published as: IT8920104A0; IT1228990B

Description

Mannesmann nktiengesellschaft Mannesmannufer 2 26 24S D-4000 Düsseldorf

Kinetics Technology International Group B.V. Bredewater 26
NL-2/00 Zoetermeer

Sirs" * -jngswatiuöi enner

Die Erfindung festrifft einen Str&M.·-^;;, wand^~enner für gasförmige Brennstoffe gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

Es gehört zum alls^mein bekannten Stand der Technik, insbesondere in der chemischen Industrie, thermische Reaktoren einzusetzen, in denen Rohrschlangen oder andere für den Wärmetausch geeignete Elemente Verwendung finden, die im wesentlichen durch die Strahlung &er bei der Verbrennung von Gas entstehenden Flammen beheizt werden. Dabei werden die Rohrschlangen im Innern von einem FlieQmedium (Prozeßmedium) durchströmt, das unter Einwirkung der erhöhten Temperatur und ggf. durch einen anwesenden Katalysator zu bestimmten chemischen Reaktionen veranlaßt wird. Diese Reaktoren müssen in der Lage sein, eine hohe Wärmeenergie pro Flächeneinheit auf relativ hohem Temperaturniveau (über 1000 Grad Celsius) aufzunehmen und auf das Prozeßmedium zu übertragen. Hierfür gelangen Gasstrahlungsbrenner besonderer Art zur Rnwendung, die zur Befestigung an den Ofenwänden geeignet sind, gleichmäßig über die Wandfläche der Verbrennungskammer des Reaktors

«erteilt werden und jeweils radial zur Brennerachse gerichtete Flarmen erzeugen, die die Wand in eine gleichförmige Leucht- und Strahlungsflache verwandeln. Der Einsatz dieser Brenner ermöglicht den Finbau der Rohrschlangen oder sonstigen Wärmetauscher-Elemente in kürzestes abstand zu der strshU-ir'» W=Td, ohne daß die Rohrschlangen oder die Wärmetauscher-Elemente vou den Flammen bestrichen und beschädigt werden. Dadurch wird ein intensiver und über die gesamte Reaktorfläche nahezu gleichmäQig verteilter Wärmestrom begünstigt..

Die bisher verwendeten Gasbrenner arbeiten mit unter mäßigem Überdruck gefördertem Brenngas und besitzen eine Düse für die Brenngaszuführung, mit der unter Nutzung des Venturi-Effektes die Rnsaugung der für die Verbrennung erforderlichen Luftmenge und deren Mischung mit dem Gas erfolgt. Im allgemeinen weisen diese Brenner keine modulierte Regelung der Verbrennungsluft, sondern lediglich Lufteintrittsschieber auf. RIs Brennstoff wird zumeist Raffineriegas verwendet, das üblicherweise aus Gemischen leichter Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan, Ethylen usw. besteht, die darüber hinaus oft zwischen 10 und 25 VoI &Lgr; oder sogar noch mehr Wasserstoff enthalten.

Die bisher verwendeten Gasbrenner weisen den Nachteil auf, daß die Verbrennung mit erheblichem Luftüberschuß in einer Größenordnung von 15 bis 20 % erfolgt, der eine besonders starke Stickoxidproduktion (NOx) zur Folge hat. Es ist allgemein bekannt, daß Verbrennungsvorgäng? unter Luftüberschuß bei hohen Temperaturen eine große Menge Stickoxide erzeugen, die zum überwiegenden Teil auf die in der Verbrennungsluft enthaltenen flnteile an Sauerstoff und Stickstoff zurückzuführen ist. Da die Stickoxide als schwerwiegende Umweltgifte anzusehen sind, ist man bemüht, sie durch Einflußnahme erf .lie Verbrennungsbedingungen möglichst weit zu reduzieren, und zwar dadurch, daß man einerseits die für die Verbrennung erforderliche Luftmenge und andererseits in einem

angemessenen Verhältnis die Verbrennungstemperatur reduziert.

Fin Brennertyp der gattungsgemäOen Rrt, mit dem eine gewisse Reduzierung des Überschusses en Verbrennungsluft erzielt werden konnte, ist in dem italienischen Patent 11 64 595 beschrieben. Dieser Brenner bewirkt die Reduzierung der eingeleiteten Luft dadurch, daß eine Zwangsmischung won vorgewärmter Luft mit dem Brenngas stattfindet, bevor das Gemisch den Düsenkopf des Brenners erreicht. Dieser Brenner frann jedoch nur mit unter überdruck zugeführter Verbrennungsluft funktionieren und erfordert somit in jedem Fall Hilfseinrichtungen, um den gewünschten Effekt zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Gas-Strahlungswandbrenner vorzuschlagen, der über das bisher bei den bekannten Brennertypen mögliche MaO hinaus eine Verminderung der Bildung von Stickoxiden ermöglicht, ohne daO dazu die Zuleitung von Verbrennungsluft unter überdruck unbedingt erforderlich ist.

Diese Rufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strahlungswandbrenner mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daO eine Gasrückführung aus dem Verbrennungsraum vorgesehen ist, mit der ein Teil der Verbrennungsgase in das Venturi-Rohr des Strahlungswandbrenners geführt und dort mit dem Brennstoff und der frisch zugeführten Verbrennungsluft gemischt wird. Dadurch entsteht ein Verbrennungsgasgemisch mit relativ geringem LuftüberschuO (unter 5 Vol.%), so daß vergleichsweise wenig Stickstoff für die Bildung von NOx zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird die Verbrennungstemperatur durch das "Ballastgas" aus der

Verbrennungsgasrückführung abgesenkt, da es durch die freigesetzte Verbrennungswärme mit aufgeheizt werden muß. fluch dadurch wird dip Stickoxidentstehung wesentlich vermindert.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 den Längsschnitt eines ersten Rusführungsbeispieles eines

erfindungsgemäOen Brenners mit Verbrennungsluftansaugung und

Figur 2 den Längsschnitt durch ein zweites Rusführungsbeispiel eines erfindungsgemäOen Brenners mit Druckluftzufuhr für die Verbrennungsluft.

Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist der Strahlungswandbrenner auf die Wand 1 der Brennkammer 2 eines thermischen Reaktors aufgebaut. Der Brenner weist einen Düsenkopf 3 (z. B. aus Sonderstahl oder einem anderen hochtemperaturfesten Werkstoff) auf, der in der öffnung B eines Feuerfestkörpers 4 angebracht ist und eine Reihe von Rustrittsöffnungen 5 für ein Verbrennungsgasgemisch besitzt, wobei die Rustrittsöffnungen 5 radial ausgerichtet sind, um die Verbrennungsflamme längs der Stirnfläche des Feuerfestkörpers 4 zu verteilen und zu leiten. Der Feuerfestkörper 4 ist auf der Innenfläche der Wand 1 der Verbrennungskammer 2 mit Haltebügeln B befestigt. Distanzhaltestücke 7 aus wärmeisolierendem Werkstoff werden zweckmässigerweise zwischen der Unterseite des Feuerfestkörpers 4 und der Oberfläche der Wand 1 angebracht. Vor den Rustrittsöffnungen 5 des Düsenkopfss 3 ist ein Verteilerring 27 angeordnet, der die einwandfreie Mischung von Brenngas und Sauerstoff träger fördert.

Der Düsenkopf 3 befindet sich am Rustrittsende eines zylindrischen Verlängerungsstückes 9 aus z. B. Stahl oder GuQeisen. Diese¹ rohrförmige Verlängerungsstück 9 ist auQen auf dem Ruslaufkonus eines Venturi-Rohres 10 geschoben und über eine Flanschverbindung dicht mit diesem verbunden. Das Venturi-Rohr 10 besteht ebenfalls aus Gußeisen oder Stahl. Die Baueinheit aus Venturi-Rohr 10 und zylindrischem Verlängerungsstück 9 ist durch die Wand 1 des Reaktors geführt und an dieser abgedichtet befestigt.

Das Venturi-Rohr 10 endet auf der entgegengesetzten Seite (Gaseinlaufseite) in einem Festflansch, an dem der als Gesamteinheit mit 13 bezeichnete Gaszufuhrblock für die Gaszufuhr und die Regelung der angesaugten Verbrennungsluft montiert ist. Dieser Block 13 ist im vorliegenden Beispiel mit zwei Düsen 14 für die Erzeugung eines Brenngasstrahles versehen. Die Brenngasdüsen 14 sind über die Gewindeanschlüsse 15 mit einer nicht dargestellten Brenngasverteilerleitung verbindbar. Der Gaszufuhrblock 13 weist einen Drehplattenschieber 16 für die Regulierung der über das Rohr 21 angesaugten Primärverbrennungsluft auf. Darüber hinaus ist auch eine Reguliermöglichkeit für Sekundärluft vorgesehen. Der Gaszufuhrblock 13 ist nämlich von einer Schallschutzhaube 17 umgeben, die mit einer Innenverkleidung 1B aus schallabsorbierendem Material versehen ist, um das Eigengeräusch des Brenners zu dämpfen. Mit einem Handrad 19 kann nun diese Schallschutzhaube 17 mehr oder minder stark durch axiale Längsverschiebung auf den Block 13 angestellt werden und so den Sekundärluftstrom über Rohr 20 mindern oder sogar ganz sperren.

Durch den Feuerfestkörper 4 hindurch führen vier Rohre 12, die im Bereich des engsten Querschnittes (Drosselstelle) 11 des Venturi-Rohres 10 ir. dieses einmünden. Durch die so hergestellte Verbindung zwischen der Verbrennungskammer 2 und der Drosselstelle 11 des Venturi-Rohres

kann ein Teil der gasförmigen Verbrennungspr"i1ukte dank des im B'-reich der Drosselstelle 11 des Veniuri-Rohres 10 <3ls Folqe des mit erhöhter Geschwindigkeit strömenden Brennstoff gemischen ent stehnncien Unterdmrks aus der Verbrennungskammer 2 in das Venturi-Rohr 10 zurückgeleitet werden, ohne daO es hierzu einer gesonderten Rntriebsvonüchtuno, Cumpe oder Ventilator) bedarf, jjer flnteil der auf diese Weise wieder in das Venturi-Rohr 10 gelangenden Verbrennungsprodukte bewirkt eine änderung des Verhältnisses Stickstoff/Sauerstoff in der Verbrennungsluft und erzeugt so eine prozentuale Minderung des Sauerstoffgehaltes der Verbrennungsluft bei gleichzeitiger Senkung der Flammentemperatur, vermindert infolgedessen die Stickoxidbildung. Der LuftüberschuD wird auf diese Weise auf eine ungefähre Größenordnung zwischen 3 und 5 Vol.% reduziert. Das in Figur 1 dargestellte Rusführungsbeispiel eines Strahlungswandbrenners mit Naturzug für die Verbrennungsluftversorgung zeigt, daß mit einem relativ geringen zusätzlichen Bauaufwand eine wirksame Einschränkung der Sticküxidbildung möglich ist.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Brenner handelt es sich um einen Brenner mit Druckluftzufuhr, der hinsichtlich Grundkonstruktion und Rrbeitsprinzip dem in Figur 1 dargestellten Brenner entspricht mit dem Unterschied, daß der Gaszufuhrblock 13 mit Schallschutzhaube 17 und den sonstigen Teilen ersetzt ist durch eine Druckgaszufuhreinheit. Difse weist eine Zentrierhülse 24 für eine Brenntjasdüse 14 auf, wobei die Zentrierhülse 24 starr mit der Innenwand des äußeren Endes (Gaseinlaufseite) des Venturi-Rohres 10 durch Befestigungsarme verbunden ist. Im Innern der Zentrierhülse 24 ist ein Rohr 23 für die Brenngaszuführung eingeschraubt. Der Flansch an der Gaseinlaufseite des Venturi-Rohres 10 ist mit dem Ende eines Rohrkrümmers 21 für den Zustrom der Druckluft verbunden. Das Rohr 23 für die Brenngaszufuhr ist durch die außen liegende Wand des Rohrkrümmers 21 geführt. Letzterer ist

über einen Schlauch 22 und einen Schieber 25 für die Regulierung des Luftstromes mit einem zweiten, won einem nicht dargestellten Qruckluftaggregat kommenden starren Rohr 26 verbunden. Während in Figur 1 die beiden Brenngasdüsen 14 mit Rbstand vor der Drosselstelle 11 des Venturi-Rohres 10 enden, ist in Figur 2 die Brenngasdüse 14 bis an die Drosselstelle 11 herangeführt.

fluch im Falle des Brenners gemäß Figur 2 bewirkt die beschleunigte Strömung des Luft/Brenngasgemisches im Bereich der Drosselstelle 11 des Venturi-Rohres 10 wiederum eine Rückführung einer gewissen Menge der Brenngase, die aus der Verbrennungskammer 2 durch die Rohre 12 aufgrund des Unterdrucks in der Drosselstelle 11 engesaugt werden.

Claims

5chutzansprüche:

1. Strahlungswandbrenner für gasförmige Brennstoffe zur Beheizung insbesondere von Reaktoren für die chemische Industrie, mit einem 'JfrP-iuriHRc-hr C1S3, in asm der Brennstsff rast iinisr übr iruck oder drucklos zugeführter Verbrennungsluft mischösr ist, mit fsj.^d. einer Brenngasdüse (14), die auf rien Einlaufbereich des Venturi-Rohres (10) gerichtet und durch die das Brenngas unter Überdruck in das Venturi-Rohr (10) einleitbar ist ^rmd mit einem &ldquor;mter dem flusUo,' des Venturi-Rohres (10) angeschlossenen Düsenkopf O)₁ der in den Brennraum (2) des Reaktors hineinragt und eine Vielzahl von Rustrittsöffnungen (5) umfaßt, die radial von &uacgr;&agr;&idiagr;- Ochse des Düsenkopfes (3) weggerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Rohrleitung (12) vorgesehen ist, die von dem Brennraum (Z) in den Bereich des engsten querschnitts (11) des Venturi-Rohres (10) führt.

2. Strahlungswandbrenner nach Hnspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüse oder -düsen (14) bei druckloser Verbrennungsluftzufuhr mit Rbstand vor dem engsten Querschnitt (11) des Venturi-Rohres (10) enden.

3. Strahlungswandbrenner nach Rnspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüse oder -düsen (14) bei druckbeladener Verbrennungsluftzufuhr im Bereich des engsten Querschnittes (11) des Venturi-Rohres (10) enden.

A. Strahlungswandbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitungen (12) schräg gegen die Einströmrichtung des zugeführten Brennstoffs in das Venturi-Rohr (10) münden.

5. 5trahlufiQäwandbrenner nsch einem der Rnsprüchs? 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Süssnkopf (3) am Ende eines xyliftöriscf^n., rohrförrniq-er Verlängerungsstückes (9) angeordnet ist, das außen über den fluslaufbereich des Venturi-Rohres (10) geschoben und dicht mit dem Hantel des Veruw i-^chres C10) verbunden is*

E. Strahlungswaridbrenner nach einem der iispröc^e 1 bis 5, iSddurch gekennzeichnet, daQ zur Verbesserung der Mischung von Brenngas und Verbrennungsluft vor den Rustrittsöffnungen (5) des Düsenkopfes (S) ein ^uerteilerring (27) angeordnet ist.