DK168460B1 - Hvirvelbrænder - Google Patents

Description

- 1 - DK 168460 B1

Den foreliggende opfindelse angår en hvirvelbrænder med separat brændsel- og oxidantforsyning, især til anvendelse i gasfyrede forbrændingsreaktorer.

Denne type brænder anvendes hovedsageligt i gas-5 fyrede industriovne og procesvarmeapparater, som kræver en stabil flamme med høj forbrændingsintensitet. De konventionelt udformede hvirvelbrændere består af et brænderrør med et centralt rør til brændselsforsyning omgivet af en oxidantforsyningsport. Intensiv blanding af brændsel og 10 oxidant i forbrændingszonen efter brændermundingen opnås ved at sende oxidanten gennem et hvirvelelement, som er anbragt i centralrøret ved brændermundingen. Oxidantstrøm-men sættes herved i en hvirvlende strøm, som i forbrændingszonen tilvejebringer en kraftig intern og ekstern 15 recirkulation af forbrændingsprodukter med en høj forbrændingsintensitet til følge.

En generel ulempe ved de konventionelle hvirvelbrændere med ovenfor anførte udformning er, at brændermundingen ved høje gashastigheder, som ved de industrielle 20 brændere, er udsat for overophedning forårsaget af en kraftig intern recirkulation gennem forbrændingszonens centrum. Varme forbrændingsprodukter strømmer herved tilbage mod brændermundingen, hvilket hurtigt fører til en opvarmning til høje temperaturer og som følge deraf 25 beskadigelse af mundingen.

Det er således formålet med opfindelsen at løse dette problem ved hjælp af en forbedret udformning af brændermundingen i de kendte hvirvelbrændere med separat brændgas og oxidantforsyning.

30 Opfindelsen er baseret på observationen, at en stabil flamme med høj forbrændingsintensitet og uden skadelig recirkulation af varme forbrændingsprodukter opnås, når strømningsretningen af en hvirvlende oxidantstrøm koncentreres omkring forbrændingszonens centrum, samtidig med at 35 brændgasstrømmen rettes mod centrum.

DK 168460 B1 - 2 -

Dette opnås ved hvirvelbrænderen ifølge opfindelsen, som omfatter et brænderrør og et centralt oxidantforsyningsrør, der koncentrisk er anbragt i brænderrøret, samt mellem rørene en ringformig brændgaskanal med separat 5 indløb og udløb. Hvirvelbrænderen er ejendommelig ved, at en brændgasinjektor, der er forbundet til brændgaskanalens udløb, er udformet med et u-formet indre tværsnit omkring brænderens akse; en oxidantinjektor, der er forbundet til oxidant-10 forsyningsrørets udløb, er udformet med et U-formet tværsnit koaksialt med og med mellemrum til brændgasinjektoren; et brændgasinjektionskammer mellem brændgas og oxidantinj ektoren; et oxidantinjektionskammer indenfor oxidantinjek-15 toren; hvor injektionskamrene har en U-formet kontur og er forsynet med et cirkelformet udløb omkring brænderaksen; et cylindrisk chikanelegeme, der koaksialt er anbragt indenfor oxidantinjektionskammeret og er forsynet med en kuppelformet opstrømsende og en tilspidset nedstrøm-20 sende; og et hvirvellegeme, der er anbragt omkring chikanelegemet mellem dets opstrøms- og nedstrømsende, og er forsynet med statiske hvirvelblade, som strækker sig til oxidantinjektionskammerets væg; 25 i hvilken brænder injiceres en oxidant, der føres frem til oxidantinjektionskammeret med en hvirvlende bevægelse ved passage langs chikanelegemet og gennem hvirvellegemet, i en nedstrømsforbrændingszone i retning mod forbrændingszonens centrum, efter at oxidanten har passeret 30 gennem oxidantinjektionskammeret; DK 168460 B1 - 3 - oxidanten blandes i forbrændingszonen med en brænd-gas, der føres til brændgasinjektionskammeret og injiceres i forbrændingszonen med en indadrettet strømningsretning mod forbrændingszonens centrum efter at strømmen har pas-5 seret gennem brændgasinjektionskammeret.

Hvirvelstrømmen, der induceres i hvirvellegemet, fremmer sammenblandingen af brændgas og oxidant ved at forøge deres kontaktområde. En intensiv sammenblanding opnås når hvirvelelementets blade forsynes med en hældning 10 på mellem 15°-75°, fortrinsvis på mellem 20°-45°.

Samtidig forhindrer det indadrettede strømningsmønster omkring forbrændingszonens centrum, der opnås ved hjælp af injektionskamrenes ϋ-formede konturer, recirkulation af varme forbrændingsprodukter i højtemperatur-15 området omkring forbrændingszonens centrum, som ellers ville medføre overophedning af brændermundingen.

Ydermere fører dette strømningsmønster til en kraftig ekstern recirkulation i lavtemperaturområdet udenfor forbrændingszonens centrum, fra hvilket område kun 20 kølede forbrændingsprodukter strømmer tilbage til brændermundingen. Herfra suges produkterne tilbage til forbrændingszonens varme område og genopvarmes her.

Ved anvendelsen af en brænder ifølge opfindelsen i en gasfyret reaktor, forhindrer denne cirkuleringsstrøm af 25 kølede forbrændingsprodukter, at reaktorvæggen omkring forbrændingszonen rammes af varme forbrændingsprodukter og forlænger derved reaktorens levetid.

Temperaturen ved brændermundingen tæt ved injektionskamrenes udløb kan kontrolleres yderligere ved at 30 udforme oxidantinjektoren ved udløbet af oxidantinjektions-kammeret skarpkantet med en minimal kantvinkel. En reduceret opvarmning og tilstrækkelig mekanisk stabilitet af injektoren opnås, når kantvinklen ligger på mellem 15°-60°, fortrinsvis på mellem 15°-40°.

DK 168460 B1 - 4 -

Som et fordelagtigt træk ved brænderen ifølge opfindelsen tilvejebringer den kraftige eksterne recirkulation af kølede forbrændingsprodukter en homogen temperaturfordeling i området omkring forbrændingszonen. Dette er af 5 stor betydning ved drift af fyrede katalytiske reaktorer, hvor produktudbyttet i høj grad afhænger af en homogen temperaturfordeling i katalysatorlejet, som typisk findes umiddelbart under forbrændingszonen.

Brænderen ifølge opfindelsen er således særlig 10 velegnet til opvarmning og gennemførelse af katalytiske processer i gasfyrede reaktorer.

De ovenfor anførte formål og fordele ved opfindelsen er nærmere beskrevet i det følgende under henvisning til tegningen, hvor figuren skematisk viser et længdesnit 15 gennem en hvirvelbrænder ifølge opfindelsen.

I figuren, der viser en specifik udførelsesform for opfindelsen, omgiver et brænderrør 2 koaksialt til en fælles akse 16 et centralt oxidantforsyningsrør 4, og definerer en brændgasforsyningskanal 6 mellem rørene.

20 En injektor 10 med et indre U-formet tværsnit omkring akse 16 er installeret ved udløb 8 i brænderrør 2. Injektoren indeslutter en injektor 12 med et ϋ-formet tværsnit, monteret på udløb 14 af centralrør 4. Injektorer 10 og 12 indeslutter et brændgasinjektionskammer 18, der er 25 forbundet til brændgasforsyningskanal 6, og et oxidant injektionskammer 20 indenfor injektor 12. Kammer 20 er forbundet til centralrør 4's udløb.

Injektionskamre 18 og 20 har en ϋ-formet kontur omkring akse 16, og et cirkelformet udløb 22 henholdsvis 30 24. Udløb 24 i injektionskammer 20 kan alternativt munde ud i injektionskammer 18's nedre del. Udmundingen af injektor 12 omkring oxidantinjektionskammerets udløb er skarpkantet med en minimal kantvinkel 7 for at beskytte udmundingen mod - 5 - DK 168460 B1 overophedning som yderligere beskrevet forneden. Injektionskammer 20 er endvidere forsynet med et cylindrisk chikanelegeme 26, der koaksialt er anbragt med mellemrum til kammer 20's indre væg. Chikanelegeme 20 er forsynet med 5 en kuppelformet opstrømsende 28 og en tilspidset nedstrøm-sende 30. Omkring legemets cylindriske del er monteret et hvirvellegeme 32, med statiske hvirvelblade (ikke vist), der strækker sig til injektionskammer 20's væg.

Ved brænderens drift leveres brændgas gennem kanal 10 6 til injektionskammer 18 og injiceres i en forbrændings zone under injektionskammer 20's udløb 24. På grund af injektionskammer 18's U-formede kontur rettes den injicerede brændgasstrøm mod forbrændingszonens centrum omkring akse 16, som antydet i figuren ved hjælp af pilene. I for-15 brændingszonen blandes brændgassen med en oxidant, der tilføres gennem centralrør 4 og injiceres i forbrændingszonen gennem injektionskammer 20.

Før oxidanten injiceres i forbrændingszonen, bringes den i hvirvlende strøm ved passage gennem hvirvelle-20 gemet 32. Ved hjælp af chikanelegeme 26 og på grund af injektionskammer 20's U-formede kontur udledes den hvirvlende oxidantstrøm til forbrændingszonen i en strømningsretning rettet mod forbrændingszonens centrum.

Herved opnås at oxidant- og brændgasstrømmen hoved-25 sagelig blandes i højtemperaturområdet omkring forbrændingszonens centrum og den uønskede interne recirkulation af varme forbrændingsprodukter indenfor dette område forhindres. En recirkulationsstrøm etableres alene i lavtemperaturregionen i forbrændingszonens ydre område, hvilket med-30 fører reducerede materialetemperaturer tæt ved injektionskamrenes udløb. Temperaturerne i dette område kan som anført ovenfor ydermere styres ved at udforme oxidantin-jektorens udmunding skarpkantet, hvorved blandingszonen af oxidanten og brændgassen holdes i en større afstand fra 35 udmundingen når kantvinklen mindskes.

- 6 - DK 168460 B1

Ved anvendelser, der kræver særlig høje forbrændingsintensiteter, kan udmundingen endvidere beskyttes mod høje temperaturer ved at lede en inert gas eller damp til injektionskamrenes udløb, gennem en boret kanal i injek-5 toren 12.

Claims (4)

1. Hvirvelbrænder med et brænderrør (2) og et centralt oxidantforsyningsrør (4)# der koncentrisk er anbragt i 5 brænderrøret, samt mellem rørene en ringformig brændgaska-nal (6), hvor brænderrøret og oxidantforsyningsrøret har separate indløb og udløb, kendetegnet ved, at en brænd** gasinjektor (10), der er forbundet til brændgaskanalens udløb, er udformet med et U-formet indre tværsnit omkring 10 brænderens akse (16); en oxidantinjektor (12), der er forbundet til oxidantforsyningsrørets udløb, er udformet med et ϋ-formet tværsnit koaksialt og med mellemrum til brændgasinjektoren (10); 15 et brændgasinjektionskammer (18) mellem brændgas og oxidantinjektoren (12); et oxidantinjektionskammer (20) indenfor oxidantinjektoren (12); hvor injektionskamrene (18, 20) har en U-formet kontur og er forsynet med et cirkelformet udløb (22, 20 24) omkring brænderaksen (16); et cylindrisk chikanelegeme (26), der koaksialt er anbragt indenfor oxidantinjektionskammeret (20) og er forsynet med en kuppelformet opstrømsende (28) og en tilspidset nedstrømsende (30); og 25 et hvirvellegeme (32), der er anbragt omkring chikanelegemet (26) mellem dets opstrøms- og nedstrømsende, og er forsynet med statiske hvirvelblade, som strækker sig til oxidantinjektionskammerets væg; i hvilken brænder injiceres en oxidant, der føres 30 frem til oxidant injektionskammeret med en hvirvlende bevægelse ved passage langs chikanelegemet (26) og gennem hvirvellegemet (32), i en nedstrømsforbrændingszone i retning mod forbrændingszonens centrum, efter at oxidanten har passeret gennem oxidantinjektionskammeret (20); - 8 - DK 168460 B1 oxidanten blandes i forbrændingszonen med en brænd-gas, der føres til brændgasinjektionskammeret (18) og injiceres i forbrændingszonen med en indadrettet strømningsretning mod forbrændingszonens centrum efter at strøm-5 men har passeret gennem brændgasinj ektionskammeret (18).

2. Hvirvelbrænder ifølge krav l, kendetegnet ved, at hvirvellegemets (32) blade er anbragt i hvirvellegemet med en hældning på 15°-75°, fortrinsvis 20°-45°.

3. Hvirvelbrænder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 10 injektorerne (10, 12) er forsynet med en kantvinkel y på 15°-60°, fortrinsvis 15°-40° omkring injektionskamrenes udløb (22, 24).

4. Anvendelsen af en hvirvelbrænder ifølge ethvert af de foregående krav ved gennemførelse af katalytiske pro- 15 cesser i en gasfyret reaktor.