NL9301980A - Werkwijze en inrichting voor het verbranden van gas. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het verbranden van gas

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbranden van gas, door het mengen van het gas met een hoeveelheid lucht, het door een opening doen uitstromen van het gas- luchtmengsel en het doen ontbranden daarvan.

Een dergelijke werkwijze is algemeen bekend, en wordt bijvoorbeeld veelvuldig toegepast voor verwarmingsdoeleinden.

Een nadeel van deze bekende verbrandingswijze, die verbranding met voormenging wordt genoemd, is echter dat bij de verbranding een relatief grote hoeveelheid schadelijke stoffen, met name N0X en CO gevormd worden. Dit wordt veroorzaakt, doordat het niet goed mogelijk is een voldoende grote hoeveelheid lucht bij het brandbaar gas te mengen. De voor het verbranding benodigde lucht wordt namelijk normaliter aangezogen door de ejecteurwerking van het met kracht uit een toevoerleiding stromend gas. In het algemeen zal de zo aangezogen luchthoeveelheid echter slecht 40 tot 80 procent bedragen van de hoeveelheid die nodig is voor een zogeheten stochiometrische verbranding, dat wil zeggen een verbranding waarbij de te verbranden produkten juist in die verhouding bij elkaar gebracht worden, waarin zij volledig met elkaar reageren. Bij de bekende werkwijze wordt dus een oververrijkt gas- luchtmengsel gevormd, dat bij verbranding resulteert in een relatief hoge vlamtemperatuur, en derhalve de vorming van relatief grote hoeveelheden schadelijke stoffen.

De uitvinding beoogt te voorzien in een werkwijze van de hierboven beschreven soort, waarbij de vlamtemperatuur relatief laag blijft en de vorming van schadelijke stoffen beperkt. Dit wordt volgens de uitvinding bereikt, doorda" het mengsel uitstroomt met een snelheid die groter is dan de voor het mengsel geldende verbrandingssnelheid, na het verlaten van de uitstroomopening nog lucht aan het mengsel werd:: toegevoegd, en het zo verarmde mengsel tenslotte in scrcmingsrichting op afstand buiten de uitstroom-openir.g verbrand wordt. Door het bijmengen van lucht buiten de uitstrocmopening, voordat verbranding plaatsvindt, wordt uiteindelijk een verarmd gas- luchtmengsel gevormd, dat verbrandt in een relatief koele vlam onder vorming van geringe hoeveelheden N0x en CO.

Bij voorkeur toegepaste variaties op de werkwijze volgens de uitvinding worden beschreven in de afhankelijke conclusies 2 tot 5.

De uitvinding betreft verder een brander die geschikt is voor het uitvoeren van de hiervoor beschreven werkwijze. Volgens de uitvinding vertoont de brander tenminste éen mengkamer met tenminste één gastoevoeropening, tenminste één luchttoevoeropening en tenminste één uit-stroomopening alsmede in stromingsrichting op afstand buiten de uitstroomopening aangebrachte vlamstabiliseringsmiddelen. Deze vlamstabiliseringsmiddelen dienen ervoor om te waarborgen dat het gas- luchtmengsel dat de brander verlaat met een snelheid die groter is dan de voor dat mengsel geldende verbrandingssnelheid op enige afstand van de uitstroomopening alsnog stabiel kan verbranden. Hierdoor kan na het verlaten van de uitstroomopening en voor het bereiken van de vlamstabiliseringsmiddelen nog lucht aan het uitstromende gas- luchtmengsel worden toegevoegd, ter verarming daarvan.

Volgens een eerste voorkeursuitvoering worden de vlamstabiliseringsmiddelen gevormd door tenminste één de uitstroming van het in de mengkamer gevormde brandbare mengsel verstorend element. Het verstoren van de uitstroming resulteert in een verlaging van de snelheid van het uitstromende gas-luchtmengsel, waardoor deze afneemt tot uiteindelijk de verbrandingssnelhed van het verarmde gas- luchtmengsel, zodat dit mengsel dan tot ontbranding komt. Het stro-mingsverstorend element kan een de uitstroomopening overspannende brug zijn, of deel uitmaken van een boven de uitstroomopening aangebracht rooster.

Verdere van de brander volgens deze eerste voor-keursuitvoeringsvarianten vormen de materie van de afhankelijke conclusies 10 en 11.

Volgens een tweede voorkeursuitvoering worden de vlamstabiliseringsmiddelen gevormd door (zie verder conclusie 13). Het wervelelement vormt een gebied waarin het uitstromend gas- luchtmengsel in werveling gebracht wordt, en de snelheid daarvan dus verlaagd wordt.

Verdere uitwerkingen van deze uitvoeringsvorm zijn beschreven in conclusies 14 en 15.

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van een aantal voorbeelden, waarbij verwezen wordt naar de bijgevoegde tekening, waarin overeenkomstige onderdelen aangeduid zijn met gelijke verwijzingscijfers, en waarin: fig. 1 een perspectivisch aanzicht is van een eerste uitvoeringsvorm van de brander volgens de uitvinding; fig. 2 een gedeeltelijk opengesneden perspectivisch detailaanzicht is van de brander van figuur 1; fig. 3 een doorsnede toont volgens de lijn III-III in figuren 1 en 2; fig. 4 een perspectivisch aanzicht is van een alternatieve brander volgens de eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding; fig. 5 een gedeeltelijk doorgesneden perspectivisch detailaanzicht is van een ander alternatief van de eerste uitvoeringsvorm van de brander volgens de uitvinding; fig. 6 een met figuur 5 overeenkomend aanzicht is van nog een andere variant op de eerste uitvoeringsvorm van de brander volgens de uitvinding; en fig. 7 een met figuren 5 en 6 overeenkomend aanzicht is van een tweede uitvoeringsvorm van de brander volgens de uitvinding.

Een brander 1 (figuur 1) omvat een buisvormige mengkamer 2, die voorzien is van een gastoevoeropening 3, die tevens fungeert als luchttoevoeropening, en waardoor gas binnenstroomt met grote snelheid door een ejecteur 4 geblazen wordt. Door de ejecteurwerking van het gas wordt lucht volgens pijlen PA door de zich eerst vernauwende en vervol- gens verwijderde straalbuis 11 meegezogen in de toevoerope-ning 3. Het gas G en de lucht PA worden in de kamer 2 gemengd, en verlaten deze vervolgens door een drietal evenwijdige, spieetvormige uitstroomopeningen 5. Het uitstromend gas- luchtmengsel heeft een hogere snelheid dan de daarvoor geldende verbrandingssnelheid, en komt dus niet zondermeer tot verbranding. Derhalve zijn in stromingsrichting op afstand boven de uitstroomopeningen 5 vlamstabiliseringsmid-delen 6 aangebracht. Deze vlamstabiliseringsmiddelen 6 worden in het getoonde voorbeeld gevormd door de uitstroming verstorende elementen in de vorm van de uitstroomopeningen 5 overspannende bruggen 8 (fig. 2). Door deze bruggen 8 wordt de uitstroomsnelheid van het gas- luchtmengsel plaatselijk zover vertraagd, dat deze daalt tot de voor het mengsel geldende verbrandingssnelheid, waardoor het mengsel tot ontbranding komt onder vorming van in hoofdzaak omgekeerd kegelvormige vlammen 7. Doordat de verbranding op afstand van de uitstroomopeningen 5 plaatsheeft, kan tussen de uitstroomopeningen 5 en de vlamstabiliseringsmiddelen 6 nog extra lucht uit de omgeving van de brander 1 aangezogen worden volgens de pijlen SA, welke extra lucht het gas-luchtmengsel zodanig verarmt, dat bij de verbranding daarvan een relatief lage vlamtemperatuur ontstaat, en derhalve geringe hoeveelheden schadelijke stoffen gevormd worden.

Niet alleen de samenstelling van het gas- luchtmengsel met een overmaat aan lucht, maar ook de vorm van de vlam, welke een relatief uitgestrekt vlamfront vertoont en dus een geringe specifieke warmte per oppervlakte eenheid heeft, speelt een rol bij de verlaging van de valmtemperatuur en de daarmee samenhangende uitstoot van schadelijke stoffen.

Bij de getoonde uitvoeringsvorm worden de bruggen 8 gevormd door met elkaar verbonden uiteinden van tanden van kamvcrmige zijwanden 9 van de uitstroomopeningen 5. Deze configuratie resulteert in een constructief buitengewoon eenvoudige brander, welke tegen geringe kosten vervaardigd kan worden. Het ontwerp van bestaande branders behoeft hiertoe slechts in geringe mate aangepast te worden.

Doordat een deel van de overmaat lucht pas aan het gas- luchtmengsel wordt toegevoegd nadat dit het uit de openingen 5 gestroomd is, kan de diameter van de mengkamer 2 kleiner zijn dan bij bestaande voorgemengde branders die werken met een overmaat lucht, welke reeds in de mengkamer 2 bij het gas gemengd wordt. Dergelijke bekende branders vergen een relatief grote mengkamer met een relatief grote toevoeropening, en nemen dus relatief veel ruimte in. Daarnaast hebben deze bekende branders het probleem dat de ej ecteurwerking van het in de mengkamer stromende gas niet of nauwelijks voldoende is om de benodigde grote luchthoeveelheden aan te zuigen. Om deze ejecteurwerking te vergroten, zou het gas met zeer grote snelheid in de mengkamer gespoten dienen te worden, hetgeen dan echter zou leiden tot problemen met betrekking tot de menging van het gas met de lucht, en de verdeling van het mengsel over het totaal van de uitstroomopening(en). Derhalve wordt er bij bekende branders vaak gebruik gemaakt van gedwongen lucht toevoer, bijvoorbeeld door middel van een ventilator. Hierdoor worden echter de kosten van de brander aanzienlijk verhoogd, terwijl ook de voor het inbouw benodigde ruimte sterk toeneemt.

De hiervoor aangehaalde problemen met betrekking tot het bijmengen van de benodigde overmaat lucht in de mengkamer doen zich met name voor bij branders met een ingewikkelder configuratie dan een eenvoudige buisvorm, zoals getoond m figuur 4. Bij een dergelijk brander is het slechts tegen zeer grote constructieve inspanningen reeds in de mengkamer mogelijk een overmaat aan lucht bij het gas te mengen. Met de getoonde configuratie kan echter de benodigde 301ucht eenvoudig buiten de mengkamers om aangevoerd worden volgens de pijlen SA. De vlamstabiliseringmiddelen 6 zijn in het getoonde voorbeeld op naast elkaar gelegen mengkamerge-deelten 2 versprongen ten opzichte van elkaar geplaatst, waardoor een zeer goede verdeling van de vlammen 7 en derhalve een zeer dicht vlammendek ontstaat.

Bij de in figuur 5 getoonde brander wordt de uitstroming door de middelste uitstroomopening 5 verstoord door de bruggen 8, waardoor het uit deze opening stromende gas- luchtmengsel tot ontbranding komt. De hierdoor gegenereerde warmte ontsteekt ook het niet verstoorde gas- lucht-mengsel dat uit de beide buitenste uitstroomopeningen 5 stroomt.

Bij de in figuur 6 getoonde brandervorm hangen de zijwanden 9 van de middelste uitstroomopening 5 als het ware aan de ruggen 8, in plaats van dat zij aan hun uiteinden afzonderlijk aan de mengkamer bevestigd zijn, zoals bij de uitvoeringsvorm van figuren 1 tot 3. Hierdoor wordt een stijvere constructie verkregen, die ook bij hoge temperaturen vormvast blijft.

Hoewel in de getoonde voorbeelden als vlamstabili-seringmiddelen 6 telkens de uitstroomopeningen 5 overspannende bruggen 8 weergegeven zijn, is het natuurlijk ook denkbaar daarvoor bijvoorbeeld een boven de uitstroomopeningen 5 aangebracht rooster te gebruiken, waarvan de knooppunten dan als vlamstabiliseringspunten zouden kunnen dienen.

Bij de in figuur 7 getoonde brander 1 wordt de uitstroming van het gas- luchtmengsel niet verstoord, maar wordt midden in de uitstroming een gebied gevormd waar het 9as" luchtmengsel met relatief lage snelheid kan rondwervelen. Dit wordt bereikt door een centraal tussen de uitstroomopeningen 5 geplaatste, langwerpig, plaatvormig wer-velelement 10. Dit wervelelement of deze wervelplaat 10, die uitsteekt boven een hoofdvlak dat bepaald wordt door de uitstroomopeningen 5, is dikker dan de scheidingswanden 9 die de uitstroomopeningen 5 begrenzen, en heeft een scherp afgesneden, rechte bovenzijde. Hierdoor ontstaat bij de uitstroming met relatief hoge snelheid van het gas- luchtmengsel boven deze wervelplaat 10 een zone met stilstaand, of langzaam ronddwarrelend mengsel, dat door zijn geringe snelheid tot ontbranding kan komen, en de rest van het uitstromend mengsel "aansteekt". Het instromende gas- luchtmengsel en de tijdens het transport tot aan de bovenzijde van de wervelplaat 10 daardoor aangezogen extra of "secun- daire" lucht SA verbrandt dan in een langgerekte, in doorsnede dwars op de richting van de uitstroomopening 5 waaiervormige vlam, waarvan de punt aan de bovenzijde op de wer-velplaat 10 "staat".

Ook is het wellicht denkbaar ter stabilisatie van de vlammen gebruik te maken van boven de uitstroomopeningen aangebrachte hete punten, zoals bijvoorbeeld gloeistaven of hulpvlammen.

Claims (15)

1. Werkwijze voor het verbranden van een gas, door het mengen van het gas (G) met een hoeveelheid lucht (PA), het door een opening (15) doen uitstromen van het gasluchtmengsel en het doen ontbranden daarvan, met het kenmerk, dat het mengsel uitstroomt met een snelheid die groter is dan de voor het mengsel geldende verbrandingssnelheid, na het verlaten van de uitstroomopening (5) nog lucht (SA) aan het mengsel wordt toegevoegd, en het zo verarmde mengsel tenslotte in stromingsrichting op afstand buiten de uitstroomopening (5) verbrand wordt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de voor de uitstroomopening (5) met het gas gemengde luchthoeveelheid (PA) ten hoogste gelijk is aan de voor een stochiometrische verbranding benodigde hoeveelheid lucht.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de voor de uitstroomopening (5) bijgemengde hoeveelheid lucht (PA) ten hoogste 80 procent van de stochiometrische luchthoeveelheid bedraagt.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat na het verlaten van de uitstroomopening (5) zoveel lucht (SA) aan het mengsel toegevoegd wordt, dat het luchtgehalte van het mengsel bij de verbranding tenminste 110 procent van het voor een stochiometrische verbranding benodigde luchtgehalte bedraagt.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat na het verlaten van de uitstroomopening (5) zoveel lucht (SA) toegevoegd wordt, dat het luchtgehalte bij de verbranding tenminste 130 procent van het stochiometrisch luchtgehalte bedraagt.

6. Brander (1), kennelijk bedoeld voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één der voorgaande conclusies.

7. Brander (1), tenminste één mengkamer (2) met tenminste één gastoevoeropening (3), tenminste één luchttoe-voeropening (3), en tenminste één uitstroomopening (5), en in stromingsrichting op afstand buiten de uitstroomopening (5) aangebrachte vlamstabiliseringsmiddelen (6).

8. Brander (1), volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de vlamstabiliseringsmiddelen (6) gevormd worden door tenminste één de uitstroming van het in de mengkamer (2) gevormde brandbare mengsel verstorend element.

9. Brander (1) volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het stromingsverstorend element een de uitstroomopening overspannende brug (8) is.

10. Brander (1),. volgens conclusie 9, gekenmerkt door een spieetvormige uitstroomopening (5), en een aantal in langsrichting van de uitstroomspleet (5) op onderlinge afstand aangebrachte, dwars op de spleetrichting geplaatste bruggen (8).

11. Brander (1) / volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de uitstroomopening begrensd wordt door in de spleetrichting kamvormige zijwanden (9), en de uiteinden van tegenover elkaar gelegen tanden van de kammen aan weerszijden van de opening (5) met elkaar verbonden zijn.

12. Brander (1), volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het stromingsverstorend element deel uitmaakt van een boven de uitstroomopening (5) aangebracht rooster.

13. Brander (1), volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de vlamstabiliseringsmiddelen (6) gevormd worden door tenminste één in de uitstroomopening (5) geplaatst, buiten het hoofdvlak van de uitstroomopening geplaatst wervelelement.

14. Brander (1), volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de uitstroomopening (5) spieetvormig is, en het wervelelement een centraal in de uistroomspleet (5) geplaatste, langwerpige wervelplaat (10) is.

15. Brander (1), volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat er meerdere, naast elkaar gelegen, door wanden (9) van elkaar gescheiden uitstroomopeningen (5) aanwezig zijn, en de dikte van de wervelplaat (10) groter is dan de dikte van de scheidingswanden (9).