NO152883B - Hoeytemperaturbrenner og fremgangsmaate ved drift av saadan - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved drift av

en høytemperaturbrenner og en slik brenner ifølge kravenes innledning.

For å bygge over tiden frem til forhåpentligvis nye energiformer utvikles, står verden overfor behovet for mest mulig effektivt å utnytte de energiressurser som foreligger, både ved å utnytte hvert primærbrennstoff maksimalt og ved for hver anvendelse å velge korrekt type teknologi og energi med fast brensel, olje, gass eller elektrisitet.

Et behov foreligger for en brenner som forener god økonomi me"d tilpasning til ulike brennstoffer og som er egnet for ulike fremstillingmetoder.

Behovet foreligger også for en brenner hvis røkgass inneholder meget lave mengder uforbrent materiale, CO og C02-Brenneren bør også kunne utnytte sterkt forvarmet forbrenn-ingsluft. Virkningsgraden skal være høy og gassammensetningen nærmest tilsvarende inertgass, samtidig som styrbarheten skal være meget god.

En slik brenner bør også kunne brukes både som høy-trykksbrenner og høyhastighetsbrenner og fremstille en gass med høy temperatur og hastighet for å gi høy varmeoverføring til eksempelvis en detalj under smiing.

Disse mål oppfylles med brenneren ifølge oppfinnel-

sen, HTB-brenneren, høytemperaturbrenneren.

Brenneren ifølge oppfinnelsen er av typen med for-brenningskammer utformet som beholder, dvs. brennstoffet for-brenner i et volum som er begrenset av en beholder, eller et forforbrenningskammer med meget høy belastning pr volumenhet.

En typisk verdi er 50 MW/m^ i forhold til tidligere konstruk-sjoner , t.o.m. mindre, som vanligvis ligger på 10-15 mW/m-*

og som oftest har både lavere virkningsgrad og større restok-sygeninnhold. Denne brennertype står i motsetning til de såkalte brennere med fri flamme.

HTB-brenneren kan lett omformes til gassbrenner ved

at de indre varme deler utbyttes. De ytre deler med tilkob-lingene etc. er helt identiske for gass- og oljebrennere.

Flammerørsinnsatsen kan lett tas ut ved at den kun er festet i gavlen bg innskjøvet i brennermantelen. Også flamme-overvåkningen og tenneren samt sprederen er anordnet ved gavlen .

Brenneren er fullstendig fremstilt av stål, noe som gir en hurtigere oppstarting og nedbygging enn ved murte kon-struksjoner. Ytterligere en fordel er også at en stålkonstruk-sjon ikke gir opphav til teglstein- og murrester i gassen ved varmlufts- eller varmgassproduksjon.

En fordom mot metalliske materialer har vært at metall-temperaturen må holdes lav for å gi en'tilfredsstillende leve-tid. Derfor har det vær nødvendig å holde luft - brennstoff-forholdet høyt, dvs. lav gasstemperatur, eller å aksellerere avkjølingen av brennkammerveggen. I begge tilfeller foreligger risikoen for lav virkningsgrad med eksempelvis sotdannelse som en følge. Problemet med levetiden er løst dels ved høy-verdige materialer, dels ved å la disse arbeide kontrollert med en høy temperatur. I vår konstruksjon anvendes også høy-verdige, metalliske materialer som eksempelvis av typen krom-nikkelstål, eksempelvis Avesta 253 MA eller rene nikkellege-ringer, eksempelvis Inconel eller Nimonic med skalltemperatu-rer på omtrent 1100, hhv. 1200°C. Ved kontinuerlig drift kan kromnikkelstålet benyttes opp til 900°C og nikkellegeringene opp til 1000°C.

Med styring av driften holdes middeltemperaturen i flammerøret nær den høyeste temperaturen på ethvert punkt og materialtemperaturen opprettholdes ved regulering av belastningene eller av innløpstemperaturen. Strømningshastighetene i flammerørets bakside holdes derfor høyest der belastningene er høyest, området nærmet lufthullet. Ved avledningen fås det også her en dobbeltkjøling. Hastighetene er valgt slik at materialtemperaturene stiger kun moderat ved forhøyet innløps-temperatur. Således gir eksempelvis en forhøyning av innløps-temperaturen fra 20 til 600°C en forhøyelse av den maksimale materialtemperaturen fra 250 til 950°C med forbrenning like over støkiometrisk forbrenning.

Som spredere benyttes trykkluftdrevne spredere, dels av en standardtype, dels av en spesielt utviklet type som gir et større driftsområde. Denne er en såkalt Y-type (ypsilon-type eller multistråletype). Ved at den har like mange sepa-rate hull som antallet lufthull i flammerøret, gir den en meget god regulering av sprednings- og forbrenningsegenskapene når sprederen dreies.

Hvilken type energi som skal velges, avhenger i de fleste tilfeller av økonomiske faktorer. Selv om elektrisk oppvarming skulle kunne gi en 100% virkningsgrad, så blir den primære innsatsen likevel ca. 3-5 ganger større så lenge elektrisiteten i det vesentlige kommer fra varmekraftverk. En direkte forbrenning ved forbruksstedet er derfor i de fleste tilfeller økonomisk gunstig.

Valget av brennstoff kan gi ulike fordeler og et brennstoff som er utmerket for en bestemt prosess kan vise seg å være meget uhensiktsmessig ved en annen. Gass, olje og fast brennstoff krever ulike forbrenningsteknologier, og ulike pro-sesskrav kan gjøre at det ene eller det andre brennstoff fore-trekkes fremfor andre. Det riktige valg av brennstoff kan med-føre materialbesparelse ved prosessen og brennstoffkostnadene blir derfor ikke de eneste avgjørende.

Naturgass og forgassede petroleumsprodukter anses spesielt hensiktsmessige for de fleste oppvarmingsformål, men i visse tilfeller kan fordelene med disse brennstoffer ikke helt komme til sin rett, idet forbrenningsoljer blir mer fordelaktig .

Dersom ulike energiformer sammenlignes, forbrenings-olje, gass og elektrisitet, med hensyn til deres viktigste egenskaper som eksempelvis liten tilsmussingsgrad både av ut-rustningen og omgivelsene, lydproblemer, styringsmuligheter og nøyaktighet, fleksibilitet, oppvarmingshastighet, mulighet til automatisering, letthåndterlighet ved tilførsel og hånd-tering, vedlikehold av utrusting, pålitelig leveranse og på-virkning av atmosfæren, blir elektrisiteten og gassen relativt likeverdige og forbrenningsoljen overlegen. Dertil kommer imid-lertid at elektrisiteten er en sekundær energiform som for nå-værende fremstilles av primærbrennstoff med ganske dårlig eff-ektivitet. Gassen har altså en klar fordel foran elektrisiteten dersom begge gir like bra resultater ved bruken. Oje blir derimot dårligere på de fleste punktene.

Et av de mange områder hvor gass har en stor fordel fremfor alle andre brennstoffer er for de store dampkjeler,

der eksempelvis røkgassene blir rene og utgiftene for utrus-tning og drift av miljøbeskyttende innretninger for å hindre emisjoner, blir minimale.

For flammene ved automatisert glassfremstilling er også gass så overlegen at andre brennstoffer er nærmest utenk-bare.

For andre formål kan derimot andre brennstoffer være mer egnet og således er eksempelvis oljer med høyt svovelinn-hold fordelaktige ved sementfremstilling.

Mellom de ovenfor nevnte ytterpunkter ligger et stort antall mellomliggende områder hvor samme teknologi for samme prosess, men innrettet under ulike omstendigheter, gir ulike resultater og det ene eller det andre brennstoff kan stille seg fordelaktig i ulike tilfeller.

Industrielle prosesser som krever varme er eksempelvis tørking for å fjerne vann eller løsningsmidler fra teksti-ler, matvarer, keramiske produkter, papir, tømmer, farger og lakker etc. Oppvarming av vann skjer også i stor målestokk innenfor industrier som eksempelvis tekstilbehandling, frem-stilling av matvarer etc. Videre behandles metaller med varme ved f.eks. valsing, pressing, smiing, smelting etc. Brennstoff anvendes også for brenning av teglsten og keramikk, for brenning av kalk etc. samt for utallige ulike oppvarmingsformål i bygninger etc.

Fremgangsmåten og brenner ifølge oppfinnelsen imøtekommer de forannevnte krav og mål med de i kravenes karakteriserende deler anførte trekk.

Oppfinnelsen beskrives mer detaljert i henhold til tegningen hvor figur 1 viser en HTB-brenner for gass i snitt, figur 2 viser brenneren tilpasset for olje, likeledes i snitt, figur 3 viser et snitt langs linjen III-III på figur 2, figur 4 viser skjematisk et tverrsnitt gjennom en oljebrenner ifølge oppfinnelsen med piler som viser de ulike luftstrømmer og figur 5 viser strømningen ved luftinntaket for en vanlig kommersiell brenner.

Felles for utførelsene for gass og olje er en sylindrisk yttermantel 1 som ender i en bakre flens 2 og en fremre flens 3. Yttermantelen har en rørstuss 5 for inntak av for-brenningsluft og mantelens fremre del har en yttermantel som kan ha en ekstra mantel 50 slik at det dannes et mellomrom 6 mellom mantlene. Den fremre flens 3- har' et boltehull 7 for mottak av brenneren og i flensen er festet en skålformet ut-løpskon 8 med en ytre åpning 9 for flammen og/eller røkgassene.

Endestykket 10 er festet til den bakre flens 2 med

bolter 11. I et hull 12 i gavlens midte er flammerørsinnsat-

sen 13 fastsatt i et hull 12 i midten av endestykket og strek-

ker seg til den fremre flens 3 samtidig som den utvider seg traktfor-

met til samme diameter som mantelen 1. I flammerøret 13 er hullene 14 og 15 anordnet for luftinntak og her munner også

tenneren 16 ut, her er også anordnet flammevokteren 17 og ob-servasjonsrøret 18 som likeledes er festet til gavlringen 10

og tilkoblet fødeledningene 21, 22 med koblinger 19, 20. Midt i gavlringen sitter brenneren 23 med koblingen 24 til brennstoff ledningen 25 og er festet i gavlringen 10 med bolter 26.

Hele flammerørsinnsatsen kan tas ut og byttes meget enkelt ved at gavlringen løsnes fra yttermantelen og en annen innsats settes inn, eksempelvis ved bytte av brennstoff eller ved ved-likeholdsarbeider .

Figur 2 viser en HTB-brenner for olje. Denne adskil-

ler seg fra gassutførelsen kun ved at flammerøret 33 har en sylindrisk form og er kortere enn tilsvarende gassversjon 13, og ved at lufthullene 34 er anordnet på en annen måte med en av-skjermning eller et styrerør 35 for styring av lufttilførselen. Gassbrenneren 13 er videre utskiftet med en oljebrenner 36.

Til forskjell fra andre beholderbrennkamre tvinges

her en betydelig større del av forbrenningsluften å gå inn til primærsonen. Dette oppnås ved at forbrenningsluften av et føringsrør 35 ledes om og i sin strømningsretning som er motsatt hovedstrømningsretningen. Derigjennom oppnås en resulterende hastighet R^ innover, bakover mot primærsonen, slik det er vist på figur 4.

Strømningen i et normalt beholderbrennkammer er vist

på figur 5. Hastighetsresultanten RB er her rettet nedad-frem-

over. Med en slik konstruksjon kan maksimalt 30% av luften innføres til primærsonen og til og med ved hjelp av lederskov-

ler og lignende anordninger kan strømmen maksimalt økes til 50%, mens ca. 75% av luften går til primærsonen i konstruk-

sjonen ifølge oppfinnelsen. Herigjennom skapes muligheter for å

drive brennkammeret ned mot støkiometriske forhold uten at det dannes lange stikkflammer utenfor brenneren ved normal lengde av brennkammeret. r

Denne funksjon forsterkes ved slisser eller spalter 43, like mange og like brede som lufthullene 34 og plassert på samme frembringer. Herved skapes ytterligere en flamme-holdesone som muliggjør resirkulasjon av røkgass fra primærsonen og dermed forlenget oppholdstid.

Luftfilmen 44 fra slissen som går frem langs veggen mot hullene bidrar også til å holde temperaturen på flammerørs-veggen nede.

Den samme teknikk kan også benyttes på veggen nærmest hullene oppstrøms, dvs. ulike slisser og spalter 45. Denne del av flammerøret kan også avkjøles mer effektivt ved at strøm-ningshastigheten på flammerørets bakside økes med et ekstra føringsrør 46.

Flammerørsveggen i området for hullene utsettes for de høyeste temperaturer enten kort før eller etter hullene, avhengig av hvilken spredertype som benyttes. Ved vår egen såkalte multijetspreder fås de høyeste temperaturer nedstrøms for hullene, men med vanlige standardspredere flyttes tempera-turmaksimum og kommer til å ligge oppstrøms for hullene.

Ved ombøyningen 47 oppnås videre en meget god kjøle-effekt i den del av brenneren hvor sluttforbrenningen foregår, med en resulterende høy gasstemperatur.

Ved en kombinasjon av ulike tiltak på de punkter hvor maksimal effekt oppnås, kan altså brennkammerveggens temperatur holdes nede med et høyt, men for materialet tillatelig nivå ved støkiometrisk forbrenning og med innløpstemperaturer på opp til omkring 6 00°C.

For å minske belastningene på utløpskonen 8, er rektangulære spor 4 9 utført på en slik måte at utløpsåpningens innside helt dekkes av en friskluftfilm med den diffuseringsvin-kel som oppnås fra sporene. Den for kjølingen avdelte strøm utgjør maksimalt 10% av forbrenningsluftstrømmen.

To ulike spredertyper er omtalt ovenfor. Den av oss fremstilte og solgte spreder av den såkalte multijettype gir en høyere virkningsgrad enn den standardtype som også kan velges. Årsaken til den høyere virkningsgraden er at en mindre fallstørrelsesorden oppnås ved at oljen og understøttelses-luften fordeles gjennom et antall hull, vanligvis 6 eller 8, istedet for gjennom et eneste.hull slik som i standardsprederen. Multijetsprederen gir også et større reguleringsområde gjennom den flammholdeeffekt som fås omkring hver stråle. Til den høy-ere virkningsgraden i HTB-brenneren bidrar også at sprederen kan ha like mange hull som hullene i flammerøret og ved å inn-stille stillingen for sprederen og flammerøret i forhold til hverandre oppnås et optimalt driftsforhold når en stråle fra sprederen rettes noe forskutt i den av føringskransen indu-serte rotasjonsretning i forhold til lufthullet.

Om innløpstemperaturer og materialvalg kan ytterligere tillegges at det opp til innløpstemperaturer på 300°C hensiktsmessig benyttes Avesta 253 MA og opptil 500-600°C Incolnel eller Nimonic. For enda høyere innløpstemperaturer pågår utvikling av flammerør av keramisk materiale. Utseende-messig finnes ingen forskjell mellom keramiske rør og metall-rør bortsett fra at det keramiske rør må utføres tykkere, ca. 4-6 mm.

For å redusere trykkfallet ved "keramiske temperaturer" velges for keramiske flammerør større ytterhylse enn for flammerør av metall.

Om spesielle kjølekrav foreligger kan en varmesenk-ning oppnås ved at en ekstra mantel 50 legges rundt yttermantelen. I den derved dannede spalt kan deretter luft eller vann sirkuleres. Herved oppnås en kaldere mantel og tilsvarende økt kjøling ved økt varmestråling fra de varme indre deler mot de kaldere ytre partier.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved drift av en høytemperaturbrenner med spreder for brensel, inntak for luft og brensel, flamme-rør med inntakshull for tilluften, yttermantel og utløpskon, karakterisert ved at tilluften ledes inn i den primære forbrenningssone gjennom hull i flammerøret etter å ha vært ombøyd med en ledering , at flammerøret kjøles ned-strøms og/eller oppstrøms ved hvert luftinntakshull ved hjelp av slisser i flammerøret på samme generatrise som luftinntaks-hullet og med samme bredde som dette, at brenselsprederen har like mange utløpshull som antall luftinnløpshull i flammerøret, at forbreningen innstilles ved vridning av sprederen til opti-mal stilling, og at utløpskonen avkjøles ved luftinnblåsing, at luftstrømningens hastighet økes på flammerørets bakside med en ledering og at yttermantelen på avstand omgis av en ekstra mantel for sirkulasjon av luft eller vann i mellomrommet mellom mantlene.

2. Høytemperaturbrenner med spreder (23, 36) for brensel, innløp for luft og brensel (21, 22, 25), flammerør (13, 33) med innløpshull (14, 34) for tilluft, yttermantel (1) og utløps-kon (8), karakterisert ved at flammerøret (13, 33) er festet i brennerens gavl (10) og lett kan utbyttes med andre typer flammerør for omforming av ulike brenseltyper, at flammerøret (13, 33) er utført av metall, at en ledering (35) er anordnet for ombøyning (47) av tilluften gjennom lufthullene (34) innover-bakover mot den primære forbrenningssone, og med et flertall utløpshull for brensel i sprederen (36) tilsvarende de respektive innløpshull (34) for tilluften i flamme-røret (33) .

3. Høytemperaturbrenner ifølge krav 2,. karakterisert ved en sliss (43) i flammerøret (33) for innføring av luft og kjøling av veggen nedstrøms for hvert luftinntakshull (34) .

4. Høytemperaturbrenner ifølge krav 2-3, karakterisert ved at en ytterligere sliss (45) er anordnet for innføring av luft oppstrøms for hvert inntakshull (34) .

5. Høytemperaturbrenner ifølge krav 2-4, karakterisert ved en ytterligere føringsring (46) for økning av lufthastigheten på baksiden av flammerøret (33).

6. Høytemperaturbrenner ifølge krav 2-5, karakterisert ved en ekstra mantel (50) for avgrens-ning av et rom (6) for kjølemiddel mellom den ekstra mantel (50) og brennerens yttermantel (1).

7. Høytemperaturbrenner ifølge krav 2-6, karakterisert ved rektangulære spor (4 9) i mantelens (1) forkant for innblåsing av en luftfilm over utløpskonens (8) innside.