EP0468155A1 - Method for the combustion of fuel gas with free oxygen containing gas and burner for it - Google Patents

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EP0468155A1
EP0468155A1 EP91107864A EP91107864A EP0468155A1 EP 0468155 A1 EP0468155 A1 EP 0468155A1 EP 91107864 A EP91107864 A EP 91107864A EP 91107864 A EP91107864 A EP 91107864A EP 0468155 A1 EP0468155 A1 EP 0468155A1
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EP
European Patent Office
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pressure
suction
gas
combustion
oxygen gas
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EP91107864A
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EP0468155B1 (en
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Werner Dr. Stutzenberger
Wilfried Dipl.-Ing. Lissack
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes

Definitions

  • the invention relates to a method for burning fuel gas with oxygen gas, in particular with a low-pressure fuel gas supply ( ⁇ 100 mbar) and using the Coanda effect, i.e. that low-pressure fuel gas is supplied to a suction-mixing tube over the entire cross-section except for an annular gap adjacent to the wall of the suction-mixing tube, while at the same time oxygen gas is fed in at a higher pressure via the annular gap and additional fuel gas is thus drawn in.
  • a low-pressure fuel gas supply ⁇ 100 mbar
  • Fuels relevant in accordance with the invention are in principle all gaseous fuels, but in particular the invention relates to fuel gases which, for technical reasons, are often only available at low pressure, such as Natural gas.
  • oxygen gas includes air, oxygen-enriched air and, above all, pure oxygen.
  • Propulsion nozzle burners are primarily known from oxyfuel technology. However, the injection burners used there essentially have the objective of effecting a good mixing of fuel and oxygen gas and are also used there for safety reasons.
  • An essential point in the case of propellant nozzle burners is, however, that one of the two media required for combustion, namely the fuel gas and the oxygen gas, can be introduced to an increased extent by the other by means of the known suction effect.
  • the object of the present invention is now to provide an efficient, safe and easily controllable combustion method for a low-pressure fuel gas supply.
  • the gas mixture in the suction-mixing tube contains at most as much oxygen that the ignition limit remains below.
  • the pressure of the primary oxygen gas is advantageously set between 0.3 and 15 bar, preferably between 0.5 and 4 bar.
  • a device for carrying out the method according to the invention consists of an outer tube (1) forming the outer shell, in which a second tube, the so-called suction-mixing tube, is arranged, leaving an annular channel free, which is provided for the supply of the secondary oxygen gas , and has an inner tube within this second tube, also with the release of a further ring channel, this inner tube already ending far in front of the outlet-side ends of the outer tube and the approximately equally extending second tube, and thus a mixing chamber in the front, outlet-side area of the burner head formed in this way results in which the primary oxygen gas from the inner ring channel and the fuel gas from the central channel enter with the formation of the Coanda effect and where facilities are available, whereby the pressure and quantity adjustment of the primary and the secondary oxygen gas is possible.
  • two separate supply lines (11, 12) are provided for the supply of primary and secondary oxygen gas to the corresponding ring channels, and suitable pressure adjustment valves are arranged in each of these supply lines.
  • the method according to the invention can in each case be operated successfully with the two device variants just mentioned, the first variant providing the possibility of changing the two essential process parameters even during operation, while in the latter variant after suitable installations, e.g. Congestion rings in the ring channels, there is a fixed basic setting with an oxygen gas supply at a certain pressure level.
  • the suction-mixing tube (2) is constructed in several parts, namely from a diffuser on the front, a connecting piece with a threaded area and a base tube.
  • the inner tube (4) is also advantageously composed in two parts of a base tube with a nozzle lip attached on the outside.
  • This multi-part design of the suction-mixing tube makes it possible to vary the width of the annular gap which allows the propellant oxygen gas to escape.
  • Advantageous gap widths are between 0.05 and 5 mm, preferably between 0.1 and 1 mm.
  • the diffuser (2a) has an opening angle between 4 and 15 °, preferably 6 and 9 °, on the output side and a length L that is preferred with the equation obeys, where d is the diffuser diameter at the narrowest point and x is the opening angle to the axis.
  • FIG. 1 shows a combustion or firing device according to the invention with a burner B and a gas supply G.
  • the burner B consists of an outer tube 1, a suction-mixing tube 2 arranged concentrically therein and another, likewise concentrically arranged Inner tube 4, these tubes being built on a base part 8 and annular channels 3, 5 being formed between the tubes.
  • These ring channels can be supplied with oxygen gas via supply lines 11, 12, while the central channel 7 via a feed line 13 is connected to a fuel gas supply (in FIG. 2, corresponding parts are designated with the same reference numbers).
  • Adjusting valves 15, 16 are arranged in the feed lines 11, 12 and can be adjusted via an adjusting unit 17. If necessary, the tubes forming the burner B can be stabilized in their mutual orientation by spacers 9.
  • the fact that the inner tube 4 is shorter than the two outer tubes 1, 2 results on the gas outlet side of the burner B in an inner chamber 6 into which the primary oxygen gas flowing in via the annular channel 5 and the inflowing or flowing out of the central channel 7 Intake the fuel gas first.
  • FIG. 2 shows a particularly advantageous embodiment of a burner head according to the invention in detail.
  • the suction-mixing tube and the inner tube 4 are made in several parts.
  • the suction-mixing tube is composed of a diffuser 2a on the gas outlet side, a connecting piece 2b with a threaded region 10 and a base tube 2c, while the inner tube 4 is formed of a base tube 4a with a nozzle lip 4b which is tapered on the outside.
  • the present invention thus provides expanded possibilities for designing combustion and firing methods, the method according to the invention and the associated device particularly targeting application situations in which only a fuel gas supply at a low pressure level is available.

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Abstract

The invention relates to a method for the combustion of fuel gas with free oxygen-containing gas, in particular with low-pressure fuel gas supply (< 100 mbar) and using the Coanda effect. i.e. that low- pressure fuel gas is supplied to a suction/mixing pipe over the entire cross-section except for an annular gap adjacent to the wall of the suction/mixing pipe, while at the same time free oxygen-containing gas at higher pressure is fed in via the annular gap and thus an additional suction of fuel gas arises. In order to improve such a low-pressure combustion method, to design it efficiently, reliably and easily regulably, it is proposed that only a primary part of the free oxygen-containing gas necessary for the combustion is supplied via the Coanda annular gap (5[216C]) inside the suction/mixing pipe (2), while a secondary part is only supplied to the gas mixture leaving the suction/mixing pipe, the values for - pressure and quantity of the primary free oxygen-containing gas - pressure and quantity of the secondary free oxygen-containing gas being adjusted as a function of the available fuel gas pressure, the desired adjustment of the combustion and the combustion efficiency and the purpose of application and characteristic data relating to safety regulations.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Brenngas mit Sauerstoffgas insbesondere bei Niedrigdruck-Brenngasversorgung « 100 mbar) und unter Anwendung des Coanda-Effekts, d.h. daß einem Saug-Misch-Rohr über den gesamten Querschnitt bis auf einen Ringspalt benachbart zur Wand des Saug-Misch-Rohres Niederdruck-Brenngas zugeführt wird, während gleichzeitig über den Ringspalt Sauerstoffgas mit höherem Druck eingespeist wird und so eine zusätzliche Ansaugung von Brenngas entsteht.The invention relates to a method for burning fuel gas with oxygen gas, in particular with a low-pressure fuel gas supply (<100 mbar) and using the Coanda effect, i.e. that low-pressure fuel gas is supplied to a suction-mixing tube over the entire cross-section except for an annular gap adjacent to the wall of the suction-mixing tube, while at the same time oxygen gas is fed in at a higher pressure via the annular gap and additional fuel gas is thus drawn in.

Erfindungsgemäß relevante Brennstoffe sind dabei prinzipiell alle gasförmigen Brennstoffe, insbesondere betrifft die Erfindung jedoch Brenngase, die aus technischen Gründen häufiger nur mit Niederdruck verfügbar sind, wie z.B. Erdgas. Der Begriff Sauerstoffgas umfaßt erfindungsgemäß Luft, sauerstoffangereicherte Luft sowie vor allem reinen Sauerstoff.Fuels relevant in accordance with the invention are in principle all gaseous fuels, but in particular the invention relates to fuel gases which, for technical reasons, are often only available at low pressure, such as Natural gas. According to the invention, the term oxygen gas includes air, oxygen-enriched air and, above all, pure oxygen.

In der Verbrennungs- und Feuerungstechnik ist im Gegensatz zur Autogentechnik vor allem die Erzeugung einer bestimmten Feuerungsleistung (MJ/sec = MW) das Ziel. Dabei kann die Problemstellung auftreten, daß mit einem nur niedrig vorgespannten Brenngas, d.h. mit Brenngasdrücken wesentlich niedriger als 100 mbar, gearbeitet werden muß. Infolgedessen entsteht unter Umständen das Problem, daß die für eine bestimmte Feuerungsleistung notwendige Menge an Brenngas nicht ohne weiteres aus der Brenngasversorgung verfügbar ist.In combustion and firing technology, in contrast to oxy-fuel technology, the primary goal is to generate a specific firing capacity (MJ / sec = MW). The problem may arise that with a fuel gas which is only biased to a low degree, i.e. with fuel gas pressures much lower than 100 mbar, must be worked. As a result, the problem arises that the amount of fuel gas required for a certain firing capacity is not readily available from the fuel gas supply.

Für diesen Fall ist es denkbar, Treibdüsenbrenner einzusetzen. Treibdüsenbrenner sind vor allem aus der Autogentechnik bekannt. Die dort verwendeten Injektionsbrenner haben jedoch wesentlich die Zielsetzung eine gute Vermischung von Brenn-und Sauerstoffgas zu bewirken und werden auch aus sicherheitstechnischen Gründen dort bevorzugt angewendet. Ein wesentlicher Punkt bei Treibdüsenbrennern besteht eben jedoch auch darin, daß von den zweien, für eine Verbrennung notwendigen Medien, nämlich dem Brenngas und dem Sauerstoffgas, eines vom anderen mittels des bekannten Saugeffekts in erhöhtem Maße herangeführt werden kann. Prinzipiell sind dazu der ansaugende Effekt eines kompakten, zentral strömenden Strahls auf seine Umgebung sowie der Coanda-Effekt bekannt (siehe Lehrbuch "Industrieofen- und Brennerbau" J.H.Brunklaus, Vulkan Verlag Essen, 4.Auflage, Jan.1975, Seiten 101 bis 103, insbesondere Bilder 100 und 101).In this case, it is conceivable to use a jet nozzle burner. Propulsion nozzle burners are primarily known from oxyfuel technology. However, the injection burners used there essentially have the objective of effecting a good mixing of fuel and oxygen gas and are also used there for safety reasons. An essential point in the case of propellant nozzle burners is, however, that one of the two media required for combustion, namely the fuel gas and the oxygen gas, can be introduced to an increased extent by the other by means of the known suction effect. In principle, the suction effect of a compact, centrally flowing jet on its surroundings and the Coanda effect are known (see textbook "Industrial furnace and burner construction" JHBrunklaus, Vulkan Verlag Essen, 4th edition, Jan.1975, pages 101 to 103, especially pictures 100 and 101).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein leistungsfähiges, sicheres und gut regelbares Verbrennungsverfahren für eine Niedrigdruck-Brenngasversorgung anzugeben.The object of the present invention is now to provide an efficient, safe and easily controllable combustion method for a low-pressure fuel gas supply.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Basis des Coanda-Effekts und basierend auf der Hochdruckverfügbarkeit des Sauerstoffgases gelöst, wobei jedoch nur ein primärer Teil der zur Verbrennunng notwendigen Menge an Sauerstoffgas zur Ausbildung des Coanda-Effekts über den Ringspalt innerhalb des Saug-Misch-Rohres zugeführt wird, während ein sekundärer Teil erst dem das Saug-Misch-Rohr verlassenden Gasgemisch zugeführt wird, wobei die Werte für

  • - Druck und Menge des primären Sauerstoffgases
  • - Druck und Menge des sekundären Sauerstoffgases

abhängig vom verfügbaren Brenngasdruck, der gewünschten Einstellung der Verbrennung und der Verbrennungsleistung sowie dem Anwendungszweck und sicherheitstechnischen Eckdaten eingestellt werden.This object is achieved according to the present invention on the basis of the Coanda effect and on the basis of the high pressure availability of the oxygen gas, but only a primary part of the amount of oxygen gas required for combustion to form the Coanda effect via the annular gap within the suction mixture -Tube is supplied, while a secondary part is only supplied to the gas mixture leaving the suction-mixing tube, the values for
  • - Pressure and amount of primary oxygen gas
  • - Pressure and amount of secondary oxygen gas

depending on the available fuel gas pressure, the desired setting of the combustion and the combustion performance as well as the application and basic safety data.

Mit dieser zweigeteilten Sauerstoffgaszufuhr unter Anwendung des Coanda-Effekts erhält man weitreichende Möglichkeiten zur Erzeugung einer leistungsstarken Verbrennung auch bei Niedrigdruck-Brenngasversorgung. Der Ablauf im einzelnen ist dabei wie folgt: Der über den Ringspalt (5') entstehende Ringstrom des primären Sauerstoffgases fließt an der Wand des Saug-Misch-Rohres entlang und haftet an dieser. Im Innern dieses Stromes entsteht dabei eine Drucksenke, die eine Ansaugung des zentral zugeführten Brenngases zur Folge hat. Je nach Druck bzw. Menge des Primär-Sauerstoffgases wird in dieser Situation mehr oder weniger Brenngas angesaugt. Der zu einer in der Regel stöchiometrisch auszulegenden Verbrennung fehlende Sauerstoff wird dann noch in Gestalt des sekundären Sauerstoffgases außerhalb des Saug-Misch-Rohres zugeführt. Durch diese Vorgehensweise ergeben sich folgende Effekte:

  • - Bereitstellung einer erhöhten Menge an Brenngas im Vergleich zur Menge ohne Coanda-Ringstrom
  • - weitreichende Möglichkeiten zur Regelung der Ansaugung und Verbrennung durch die Aufteilung in primäres, ansaugendes Sauerstoffgas und sekundäres Sauerstoffgas
  • - gute Vermischung von Sauerstoffgas und Brenngas bereits in der Ansaugphase.
With this two-part oxygen gas supply using the Coanda effect, there are extensive possibilities for generating a powerful combustion even with a low-pressure fuel gas supply. The process in detail is as follows: The ring flow of the primary oxygen gas that arises via the annular gap (5 ') flows along the wall of the suction-mixing tube and adheres to it. A pressure drop is created inside this stream, which results in the central fuel gas being sucked in. Depending on the pressure or amount of the primary oxygen gas, more or less fuel gas is drawn in in this situation. The oxygen which is usually missing for a stoichiometric combustion is then supplied in the form of the secondary oxygen gas outside the suction-mixing tube. The following effects result from this procedure:
  • - Providing an increased amount of fuel gas compared to the amount without Coanda ring flow
  • - Extensive possibilities for controlling the intake and combustion by dividing it into primary, intake oxygen gas and secondary oxygen gas
  • - Good mixing of oxygen gas and fuel gas already in the intake phase.

Eine weitere Möglichkeiten schaffende Weiterbildung des erfindugsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß auch der für die Erzeugung des Coanda-Effekts notwendige Ringspalt in seiner Größe variiert wird. Dadurch ergibt sich neben den im Hauptanspruch genannten Parametern eine weitere Einflußgröße ein entsprechendes Verbrennungsverfahren zu optimieren.A further development of the method according to the invention which creates further possibilities is that the size of the annular gap required for producing the Coanda effect is also varied. In addition to the parameters mentioned in the main claim, this results in a further influencing variable for optimizing a corresponding combustion process.

In einer sicherheitstechnisch günstigen Ausgestaltung wird erfindugsgemäß höchstens soviel primäres Sauerstoffgas zugeführt, daß im Gasgemisch im Saug-Misch-Rohr maximal soviel Sauerstoff enthalten ist, daß die Zündgrenze unterschritten bleibt. Bei Erdgas bedeutet dies beispielsweise einen Sauerstoffanteil von maximal 40 %.In an embodiment which is favorable in terms of safety technology, according to the invention at most as much primary oxygen gas is supplied that the gas mixture in the suction-mixing tube contains at most as much oxygen that the ignition limit remains below. In the case of natural gas, for example, this means a maximum oxygen content of 40%.

Prinzipiell ist aber auch eine Entzündung und Verbrennung im Saug-Misch-Rohr zulässig, solange der Gasstrahl im Saug-Misch-Rohr nicht bis ganz zu seinem Rand brennt, d.h. noch unbrennbare Teile des ursprünglichen Coanda-Rand-gasstroms als schützende Gasschicht für das Saug-Misch-Rohr wirken. Jedoch gilt für den Volumengasstrom v des primären Sauerstoffgasstromes, wenn dieser aus reinem Sauerstoff besteht, daß dieser der Gleichung

Figure imgb0001
gehorchen muß, wobei vg der gesamte Gasvolumenstrom und Z die Zündgrenze in % sind, wenn die obengenannte Schutzfunktion noch vorhanden sein soll. Für sauerstoffangereicherte Luft ist die Gleichung entsprechend umzuinterpretieren.In principle, however, ignition and combustion in the suction-mixing tube is also permitted as long as the gas jet in the suction-mixing tube does not burn to the very edge, i.e. still incombustible parts of the original Coanda edge gas stream as a protective gas layer for the suction -Mixing pipe act. However, for the volume gas flow v of the primary oxygen gas flow, if it consists of pure oxygen, this applies to the equation
Figure imgb0001
 must obey, where vg the total gas volume flow and Z are the ignition limit in% if the above-mentioned protective function should still be present. The equation must be reinterpreted accordingly for oxygen-enriched air.

Mit Vorteil wird in diesem Zusammenhang der Druck des primären Sauerstoffgases zwischen 0,3 und 15 bar, Vorzugsweise zwischen 0,5 und 4 bar eingestellt.In this context, the pressure of the primary oxygen gas is advantageously set between 0.3 and 15 bar, preferably between 0.5 and 4 bar.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem, die äußere Hülle bildenden Außenrohr (1), in dem ein zweites Rohr, das sogenannte Saug-Misch-Rohr, unter Freilassung eines Ringkanals angeordnet ist, welcher für die Zufuhr des sekundären Sauerstoffgases vorgesehen ist, und besitzt innerhalb dieses zweiten Rohres ebenfalls unter Freilassung eines weiteren Ringkanals ein Innenrohr, wobei dieses Innenrohr bereits weit vor den austrittsseitigen Enden von Außenrohr und dem etwa gleichlang sich erstreckenden zweiten Rohr endet und sich so eine Mischkammer im vorderen, austrittsseitigen Bereich des so gebildeten Brennerkopfes ergibt, in die das primäre Sauerstoffgas aus dem inneren Ringkanal und das Brenngas aus dem Zentralkanal unter Ausbildung des Coanda-Effekts eintreten und wobei Einrichtungen vorhanden sind, wodurch die druck- und mengenmäßige Einstellung des primären und des sekundären Sauerstoffgases möglich ist.A device for carrying out the method according to the invention consists of an outer tube (1) forming the outer shell, in which a second tube, the so-called suction-mixing tube, is arranged, leaving an annular channel free, which is provided for the supply of the secondary oxygen gas , and has an inner tube within this second tube, also with the release of a further ring channel, this inner tube already ending far in front of the outlet-side ends of the outer tube and the approximately equally extending second tube, and thus a mixing chamber in the front, outlet-side area of the burner head formed in this way results in which the primary oxygen gas from the inner ring channel and the fuel gas from the central channel enter with the formation of the Coanda effect and where facilities are available, whereby the pressure and quantity adjustment of the primary and the secondary oxygen gas is possible.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei getrennte Zufuhrleitungen (11, 12) für die Zuleitung von primärem und sekundärem Sauerstoffgas zu den entsprechenden Ringkanälen vorgesehen und in diesen Zufuhrleitungen jeweils geeignete Druck-Einstellventile angeordnet.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, two separate supply lines (11, 12) are provided for the supply of primary and secondary oxygen gas to the corresponding ring channels, and suitable pressure adjustment valves are arranged in each of these supply lines.

In einer dazu alternativen Gestaltungsvariante ist nur eine Zufuhrleitung für das Sauerstoffgas mit darin angeordnetem Einstellventil vorgesehen ist, wobei mittels durchflußbestimmenden Einbauten in den Ringkanälen (5, 3) das Sauerstoffgas in zwei geeignete Fraktionen aufgeteilt wird.In an alternative design variant to this, only one feed line for the oxygen gas with an adjusting valve arranged therein is provided, the oxygen gas being divided into two suitable fractions by means of flow-determining fittings in the ring channels (5, 3).

Mit den beiden ebengenannten Vorrichtungsvarianten kann das erfindungsgemäße Verfahren jeweils erfolgreich betrieben werden, wobei die erste Variante die Möglichkeit liefert, die beiden wesentlichen Verfahrensparameter auch im laufenden Betrieb zu ändern, während bei der letzteren Variante nach einmaliger Installation geeigneter Einbauten, z.B. Stauringe in den Ringkanälen, sich eine feste Grundeinstellung bei einer Sauerstoffgaszufuhr auf einem bestimmten Druckniveau ergibt.The method according to the invention can in each case be operated successfully with the two device variants just mentioned, the first variant providing the possibility of changing the two essential process parameters even during operation, while in the latter variant after suitable installations, e.g. Congestion rings in the ring channels, there is a fixed basic setting with an oxygen gas supply at a certain pressure level.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Saug-Misch-Rohr (2) mehrteilig ausgebildet, nämlich aus einem vorderseitigen Diffusor, einem Verbindungsstück mit Gewindebereich und einem Basisrohr. Auch das Innenrohr (4) ist vorteilhaft zweiteilig aus einem Basisrohr mit aufgesetzter, außenseitig angeschrägter Düsenlippe zusammengesetzt.In a further advantageous development, the suction-mixing tube (2) is constructed in several parts, namely from a diffuser on the front, a connecting piece with a threaded area and a base tube. The inner tube (4) is also advantageously composed in two parts of a base tube with a nozzle lip attached on the outside.

Diese mehrteilige Ausgestaltung des Saug-Misch-Rohres, insbesondere mit Gewindestück ermöglicht es, den Ringspalt, der das Treibsauerstoffgas austreten läßt, in seiner Weite zu variieren. Vorteilhafte Spaltbreiten liegen dabei zwischen 0.05 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0.1 und 1 mm.This multi-part design of the suction-mixing tube, in particular with a threaded piece, makes it possible to vary the width of the annular gap which allows the propellant oxygen gas to escape. Advantageous gap widths are between 0.05 and 5 mm, preferably between 0.1 and 1 mm.

Besonders günstig ist es darüber hinaus, wenn der Diffusor (2a) ausgangsseitig einen Öffnungswinkel zwischen 4 und 15 °, vozugsweise 6 und 9 °, besitzt und eine Länge L, die mit Vorzug der Gleichung

Figure imgb0002
gehorcht, wobei d der Diffusordurchmesser an der engsten Stelle und x der Öffnungswinkel zur Achse hin ist. Mit diesen Spalt- und Diffusormaßgaben sind optimale Ergebnisse für eine Feuerung auf Niederdruck-Brenngas- Basis erreichbar.It is also particularly favorable if the diffuser (2a) has an opening angle between 4 and 15 °, preferably 6 and 9 °, on the output side and a length L that is preferred with the equation
Figure imgb0002
 obeys, where d is the diffuser diameter at the narrowest point and x is the opening angle to the axis. With these gap and diffuser specifications, optimal results for firing on a low pressure fuel gas basis can be achieved.

Anhand der Figuren wird im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft näher erläutert.The method according to the invention and a device according to the invention are explained in more detail by way of example with reference to the figures.

Es zeigen:

  • Figur 1 eine erfindungsgemäße Sauerstoff-Brenngasverbrennungseinrichtung mit Brenner und Gaseversorgung (schematisch)
  • Figur 2 einen erfindungsgemäßen Brennerkopf im Detail in einer Schnitt-Seitenansicht.
Show it:
  • 1 shows an oxygen-fuel gas combustion device according to the invention with a burner and gas supply (schematic)
  • Figure 2 shows a burner head according to the invention in detail in a sectional side view.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbrennungs- oder Feuerungseinrichtung mit einem Brenner B und eine Gaseversorgung G. In seiner prinzipiellen Ausgestaltung besteht der Brenner B aus einem Außenrohr 1, einem innerhalb diesem konzentrisch angeordneten, Saug-Misch-Rohr 2 und einem weiteren, ebenfalls konzentrisch angeordneten Innenrohr 4, wobei diese Rohre auf einem Fußteil 8 aufgebaut sind und zwischen den Rohren Ringkanäle 3, 5 gebildet sind. Diese Ringkanäle sind über Zuleitungen 11, 12 mit Sauerstoffgas versorgbar, während der Zentralkanal 7 über eine Zuleitung 13 mit einer Brenngasversorgung verbunden ist (in Figur 2 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet). In den Zuleitungen 11, 12 sind Einstellventile 15, 16 angeordnet, die über eine Einstelleinheit 17 justierbar sind. Gegebenenfalls können die den Brenner B bildenden Rohre in ihrer gegenseitigen Orientierung durch Abstandshalter 9 stabilisiert sein. Dadurch, daß das Innenrohr 4 kürzer ausgebildet ist als die beiden äußeren Rohre 1,2 ergibt sich auf der gasaustrittsseitigen Seite des Brenners B eine Innenkammer 6, in die das über den Ringkanal 5 einströmende, primäre Sauerstoffgas und das aus dem Zentralkanal 7 zufließende bzw. angesaugte Brenngas zunächst eintreten.Figure 1 shows a combustion or firing device according to the invention with a burner B and a gas supply G. In its basic configuration, the burner B consists of an outer tube 1, a suction-mixing tube 2 arranged concentrically therein and another, likewise concentrically arranged Inner tube 4, these tubes being built on a base part 8 and annular channels 3, 5 being formed between the tubes. These ring channels can be supplied with oxygen gas via supply lines 11, 12, while the central channel 7 via a feed line 13 is connected to a fuel gas supply (in FIG. 2, corresponding parts are designated with the same reference numbers). Adjusting valves 15, 16 are arranged in the feed lines 11, 12 and can be adjusted via an adjusting unit 17. If necessary, the tubes forming the burner B can be stabilized in their mutual orientation by spacers 9. The fact that the inner tube 4 is shorter than the two outer tubes 1, 2 results on the gas outlet side of the burner B in an inner chamber 6 into which the primary oxygen gas flowing in via the annular channel 5 and the inflowing or flowing out of the central channel 7 Intake the fuel gas first.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft nun wie folgt ab:

  • Aus der Brenngaszuleitung 13 steht beispielsweise Erdgas mit einem Druck weit unterhalb 100 mbar, beispielsweise etwa 20 mbar, zur Verfügung. Als Sauerstoffgas ist z.B. reiner Sauerstoff mit Drucken bis zu 30 bar verfügbar. Größere Feuerungsleistungen, etwa über 0.5 MJ/sec, sind bei diesem Brenngasdruck und bei bei konventioneller Feuerungsgestaltung nicht ohne weiteres möglich. Führt man jedoch die Feuerung gemäß der vorliegenden Erfindung durch, d.h. führt man über den inneren Ringkanal 5 mit einer Kanalweite von etwa 0.5 mm Sauerstoff in einem Druckbereich von 0.5 bis 4 bar zu, so ergibt sich aufgrund des besagten Coanda-Effektes ein erhöhter Zustrom von Erdgas aus dem Zentralkanal 7, so daß höhere Feuerungsleistungen möglich sind. Dabei kann ein Mehrfaches, prinzipiell bis 40-faches, an Erdgas aus der Niederdruckversorgung entnommen werden, als vergleichsweise bei einer Erdgaszufuhr ohne zusätzlich angewandten Coanda-Effekt möglich wäre. Nach der Verbrennungsgleichung von Erdgas
    Figure imgb0003
ist hierbei insgesamt ein CH4 : 02-Verhältnis von etwa 1 : 2 einzuhalten. In diesem Gesamtrahmen, also dem Verbrennungsverhältnis, der notwendig anzusaugenden Menge von Erdgas für eine bestimmte Feuerungsleistung sowie sicherheitstechnisch bedingten Eckdaten - z.B. das Gemisch im Saug-Misch-Rohr sollte unterhalb seiner Zündgrenze bleiben - sind nun die erfindungsgemäß variablen Parameter, nämlich der Druck und die Menge des primären und sekundären Sauerstoffs einzustellen. Eine Verbrennung im Mischraum wird bei Erdgas als Brenngas dabei dadurch verhindert, daß im Mischraum maximal ein Sauerstoffgehalt von 40 % zugelassen wird.The method according to the invention now proceeds as follows:
  • For example, natural gas with a pressure far below 100 mbar, for example about 20 mbar, is available from the fuel gas supply line 13. For example, pure oxygen with pressures up to 30 bar is available as oxygen gas. Larger firing capacities, such as over 0.5 MJ / sec, are not readily possible with this fuel gas pressure and with conventional firing designs. However, if the firing is carried out in accordance with the present invention, ie if oxygen is supplied via the inner ring channel 5 with a channel width of approximately 0.5 mm in a pressure range of 0.5 to 4 bar, the Coanda effect results in an increased inflow of Natural gas from the central duct 7, so that higher firing capacities are possible. A multiple, in principle up to 40 times, of natural gas can be taken from the low-pressure supply than would be possible with a natural gas supply without an additional Coanda effect. According to the natural gas combustion equation
    Figure imgb0003
a CH 4 : 0 2 ratio of approximately 1: 2 must be observed. Within this overall framework, i.e. the combustion ratio, the amount of natural gas to be sucked in for a certain firing capacity and safety-related key data - e.g. the mixture in the suction-mixing pipe should remain below its ignition limit - the parameters according to the invention, namely the pressure and the Adjust the amount of primary and secondary oxygen. Combustion in the mixing room is prevented with natural gas as fuel gas by permitting a maximum oxygen content of 40% in the mixing room.

Mit der erfindugsgemäßen Aufteilung des Sauerstoffs in zwei Fraktionen sowie den zugehörigen Einstellmöglichkeiten über die Einstellventile 15, 16
und über eine Ringspaltvariation läßt sich also einerseits die Erdgasansaugung leicht auf das Bedürfnis im jeweiligen Anwendungsfall einstellen, während andererseits der zur Verbrennung noch fehlende Sauerstoff problemlos zudosiert werden kann. Typische Aufteilungsverhältnisse zwischen primärem und sekundärem Sauerstoff liegen dabei zwischen Verhältnissen von 1 : 1 bis 1 : 5. Wegen den auftretenden Mengenverhältnissen, den zuzuführenden Mengen und bereitzustellenden Drucken und Feuerungsleistungen ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft mit reinem Sauerstoff als Sauerstoffgas durchzuführen.With the division of the oxygen into two fractions according to the invention and the associated setting options via the setting valves 15, 16
and, on the one hand, an annular gap variation allows the natural gas intake to be easily adjusted to the requirements in the respective application, while on the other hand the oxygen still missing for combustion can be metered in without problems. Typical distribution ratios between primary and secondary oxygen lie between ratios of 1: 1 to 1: 5. Because of the quantitative ratios occurring, the quantities to be supplied and the pressures and firing capacities to be provided, the process according to the invention can be carried out particularly advantageously with pure oxygen as the oxygen gas.

In Figur 2 ist schließlich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes detailliert dargestellt.Finally, FIG. 2 shows a particularly advantageous embodiment of a burner head according to the invention in detail.

Bei dem gezeigten Brennerkopf ist das Saug-Misch-Rohr und das Innenrohr 4 mehrteilig ausgebildet. Das Saug-Misch-Rohr setzt sich aus einem gasaustrittsseitigen Diffusor 2a, einem Verbindungsstück 2b mit Gewindebereich 10 und einem Basisrohr 2c zusammen, während das Innenrohr 4 aus einem Basisrohr 4a mit aufgesetzter, außenseitig angeschrägter Düsenlippe 4b gebildet ist. Die angeschrägte Außenseite der Düsenlippe 4b und das brennerinnenseitige Ende des Diffusors 2a, der sich zunächst im Querschnitt verjüngt und sich zur Austrittsseite hin wieder erweitert, bilden in dieser Ausgestaltung den erfindungswesentlichen Coanda-Ringspalt 5', der in dieser Brennerkonstruktion aufgrund des Gewindestücks 10 auf dem Verbindungsstück 2b und dem darin verschieden weit einschraubbaren Diffusor verstellbar ist. Mit dem auf diese Weise erhaltenen Variationsparameter kann ein zu gestaltendes Niederdruck-Verbrennungsverfahrens zusätzlich optimiert werden.In the burner head shown, the suction-mixing tube and the inner tube 4 are made in several parts. The suction-mixing tube is composed of a diffuser 2a on the gas outlet side, a connecting piece 2b with a threaded region 10 and a base tube 2c, while the inner tube 4 is formed of a base tube 4a with a nozzle lip 4b which is tapered on the outside. The tapered outside of the nozzle lip 4b and the end of the diffuser 2a on the inside of the burner, which initially tapers in cross-section and widens towards the exit side, form in this embodiment the Coanda annular gap 5 'which is essential to the invention and which in this burner construction is due to the threaded part 10 on the Connection piece 2b and the diffuser which can be screwed therein to different degrees is adjustable. With the variation parameter obtained in this way, a low-pressure combustion process to be designed can be additionally optimized.

Insgesamt ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung also erweiterte Möglichkeiten zur Gestaltung von Verbrennungs- und Feuerungsverfahren, wobei das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung insbesondere auf Anwendungssituationen abzielt, in denen nur eine Brenngasversorgung auf niedrigem Druckniveau zur Verfügung steht.Overall, the present invention thus provides expanded possibilities for designing combustion and firing methods, the method according to the invention and the associated device particularly targeting application situations in which only a fuel gas supply at a low pressure level is available.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verbrennen von Brenngas mit Sauerstoffgas insbesondere bei Niedrigdruck-Brenngasversorgung « 100 mbar) unter Anwendung des Coanda- Effekts, d.h. daß einem Saug-Misch-Rohr (2) über den gesamten Querschnitt bis auf einen Ringspalt benachbart zur Wand des Rohres Niederdruck-Brenngas zugeführt wird, während gleichzeitig über den Ringspalt Sauerstoffgas mit höherem Druck mit dem Effekt einer Erhöhung der Brenngaszufuhr eingespeist wird,
dadurch gekennzeichnet, daß nur ein primärer Teil des zur Verbrennunng notwendigen Sauerstoffgases über den Coanda-Ringspalt (5') innerhalb des Saug-Misch-Rohr (2) zugeführt wird, während ein sekundärer Teil erst dem das Saug-Misch-Rohr verlassenden Gasgemisch zugeführt wird, wobei die Werte für - Druck und Menge des primären Sauerstoffgases - Druck und Menge des sekundären Sauerstoffgases
abhängig vom verfügbaren Brenngasdruck, der gewünschten Einstellung der Verbrennung und der Verbrennungsleistung sowie dem Anwendungszweck und sicherheitstechnischen Eckdaten eingestellt werden.1. Process for the combustion of fuel gas with oxygen gas, in particular in the case of low-pressure fuel gas supply <100 mbar) using the Coanda effect, ie that a suction-mixing tube (2) over the entire cross section except for an annular gap adjacent to the wall of the tube has low pressure - Fuel gas is supplied, while at the same time oxygen gas at a higher pressure is fed in via the annular gap with the effect of increasing the fuel gas supply,
characterized in that only a primary part of the oxygen gas required for combustion is supplied via the Coanda annular gap (5 ') within the suction-mixing tube (2), while a secondary part is only supplied to the gas mixture leaving the suction-mixing tube the values for - Pressure and amount of primary oxygen gas - Pressure and amount of secondary oxygen gas
depending on the available fuel gas pressure, the desired setting of the combustion and the combustion performance as well as the application and basic safety data. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Coanda-Ringspalt in seiner Größe variiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the size of the Coanda annular gap is additionally varied. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß maximal soviel primäres Sauerstoffgas zugeführt wird, daß im im Saug-Misch-Rohr sich bildenden Gasgemisch höchstens soviel Sauerstoff enthalten ist, daß die Zündgrenze unterschritten bleibt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a maximum of so much primary oxygen gas is supplied that the gas mixture forming in the suction-mixing tube contains at most as much oxygen that the ignition limit remains below. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des primären Sauerstoffgases zwischen 0,3 und 15 bar, vorzugsweise zwischen 0,5 und 4 bar eingestellt. wird.4. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the pressure of the primary oxygen gas is set between 0.3 and 15 bar, preferably between 0.5 and 4 bar. becomes. 5. Sauerstoff-Brenngas-Verbrennungsvorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche mit mehreren ineinander angeordneten rohrartigen Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem die äußere Hülle bildenden Außenrohr (1) ein zweites Rohr, nämlich ein Saug-Misch-Rohr (2), unter Freilassung eines Ringkanals (3) angeordnet ist, welcher für die Zufuhr des sekundären Sauerstoffgases vorgesehen ist, und innerhalb des Saug-Misch-Rohres ein Innenrohr (4) ebenfalls unter Bildung eines Ringkanals (5) und eines diesen Kanal abschließenden Coanda-Ringspalts (5') installiert ist, wobei dieses Innenrohr bereits erheblich vor den austrittsseitigen Enden des Außenrohres (1) und des etwa gleich langen Saug-Misch-Rohres endet und so eine Innenkammer (6) im vorderen Bereich des so gebildeten Brennerkopfes gebildet ist, in die das über den inneren Ringkanal (5) zugeführte primäre Sauerstoffgas und das Brenngas aus dem Zentralkanal (7) unter Ausbildung des Coanda-Effekts eintreten und wobei Einrichtungen vorhanden sind, die die getrennte druck- und mengenmäßige Einstellung des primären und des sekundären Sauerstoffgases bewirken oder ermöglichen.5. Oxygen-fuel gas combustion device for carrying out the method according to one or more of the above claims with a plurality of tubular components arranged one inside the other, characterized in that in a outer tube forming the outer tube (1) a second tube, namely a suction-mixing Pipe (2), with the release of an annular channel (3), which is provided for the supply of the secondary oxygen gas, and inside the suction-mixing tube, an inner tube (4), also forming an annular channel (5) and one of these channels final Coanda annular gap (5 ') is installed, this inner tube already ending considerably in front of the outlet-side ends of the outer tube (1) and the suction-mixing tube of approximately the same length, and thus an inner chamber (6) in the front region of the burner head formed in this way is formed, into which the primary oxygen gas supplied via the inner ring channel (5) and the fuel gas from the central channel (7) below Formation of the Coanda effect occur and there are facilities that effect or enable the separate pressure and quantity adjustment of the primary and the secondary oxygen gas. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Zufuhrleitungen (11, 12) für die Zuleitung von primärem und sekundärem Sauerstoffgas zu den entsprechenden Ringkanälen (5, 3) vorgesehen sind und in diesen Zufuhrleitungen Einstellventile (15, 16) angeordnet sind6. The device according to claim 5, characterized in that two separate supply lines (11, 12) for the supply of primary and secondary oxygen gas to the corresponding ring channels (5, 3) are provided and in these supply lines adjusting valves (15, 16) are arranged 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Zufuhrleitung für Sauerstoffgas mit darin angeordnetem Einstellventil vorgesehen ist und mittels durchflußbestimmender Einbauten in den Ringkanälen (5, 3) das Sauerstoffgas in zwei geeignete Fraktionen aufgeteilt wird.7. The device according to claim 5, characterized in that only one supply line for oxygen gas is provided with a control valve arranged therein and by means of flow-determining internals in the ring channels (5, 3), the oxygen gas is divided into two suitable fractions. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Saug-Misch-Rohr (2) aus einen vorderseitigen Diffusor (2a), einem Verbindungsstück (2b) mit Gewindebereich(10) und einem Basisrohr (2c) sowie daß das Innenrohr (4) aus einem Basisrohr (4a) mit aufgesetzter, außenseitig angeschrägter Düsenlippe (4b) zusammengesetzt ist.8. Device according to claims 5 to 7, characterized in that the suction-mixing tube (2) from a front diffuser (2a), a connecting piece (2b) with a threaded area (10) and a base tube (2c) and that Inner tube (4) is composed of a base tube (4a) with a nozzle lip (4b) that is tapered on the outside. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Coanda-Ringspaltes (5') 0.05 bis 5 mm, vorzugsweise 0.1 bis 1 mmm, beträgt.9. Device according to claims 5 to 8, characterized in that the width of the Coanda annular gap (5 ') is 0.05 to 5 mm, preferably 0.1 to 1 mm. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor ausgangsseitig einen Öffnuhgswinkel x zwischen 4 und 15 °, vozugsweise 6 und 9 °, aufweist und eine Länge L, die der Gleichung
Figure imgb0004
wobei d der Diffusordurchmesser an der engsten Stelle und x der Öffnungswinkel zur Achse hin ist.10. The device according to claim 8, characterized in that the diffuser on the output side has an opening angle x between 4 and 15 °, preferably 6 and 9 °, and a length L that the equation
Figure imgb0004
 where d is the diffuser diameter at the narrowest point and x is the opening angle to the axis.
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