NO310634B1 - Rotasjonsbrenner - Google Patents

Description

Foreliggende beskrivelse vedrører, som angitt i ingressen til de selvstendige kravene 1 og 2, en rotasjonsbrenner, og særlig en rotasjonsbrenner som er i stand til å effektivt brenne enten naturgass eller 100% hydrogen, eller flytende petroleumsgass inneholdende propan eller butan eller enhver prosentandel blanding av disse, eller enhver blanding av flytende petroleumsgass med hydrogen eller naturgass.

Rotasjonsbrennere er brennere med blandedyser som benyttes i ulike typer av industrielle ovner. En rotasjonsbrenner benytter vanligvis spinnet i drivstoffgassen, understøttet av trekken i ovnen, til å føre med seg forbrenningsluft, blande forbrenningsluften med virvelgassene, og injisere den brennbare blandingen på en stråleskåldel av brenneren og utover langs den nærliggende flaten av ovnveggen.

I en periode vil naturgass være tilgjengelig for en bruker, mens i en annen periode vil hydrogen eller flytende petroleumsgass være det eneste som er tilgjengelig. Overgang fra en til en annen representerer et stort problem fordi en ovn ofte er anordnet med svært høyt antall brennere, hvorav hver må skiftes ut.

Det er følgelig en hensikt ved foreliggende oppfinnelse å gi en brenner som effektivt kan brenne naturgass eller hydrogen, eller til og med flytende petroleumsgass, og som kan skifte fra en gass til en annen uten at det er nødvendig med mekanisk justering av brenneren og gassdysene så lenge Wobbe-tallet er det samme.

Den konvensjonelle rotasjonsbrenneren har vanligvis tangentielt anordnede gassdyser som ikke er egnede for bruk med flytende petroleumsgass eller propan eller butan fordi varmeverdiene i disse gassene forårsaker lysende flamme og fakling, hvilket er svært uønsket. Disse uønskede trekk kommer også fra den reduserte brennereffektiviteten forårsaket av lavere gassfrømming, hvilket er nødvendig for at propan skal avgi samme varme som andre brennstoff. Mindre gassdyser og høyere trykk er derfor nødvendig for å oppnå flat flammeytelse ved brenning av flytende petroleumsgass, men slike små åpninger er uegnede for naturgass eller hydrogen på grunn av det høye gasstrykk som er nødvendig for å oppnå den gitte kapasitet. Imidlertid er det svært tidskrevende og kostbart å være nødt for å skifte ut drivstoffdysene i en rotasjonsbrenner for å være i stand til å brenne et bredt spekter av drivstoff. Det er følgelig en hensikt ved foreliggende oppfinnelse å unngå å være nødt til å skifte drivstoffdysene av denne grunn.

Det er derfor svært ønskelig å frembringe en rotasjonsbrenner som er i stand til å operere med enten flytende petroleumsgass eller hydrogen, eller til og med naturgass uten at det er nødvendig å skifte gassdysene, og uten å ofre effektivitet eller økonomi.

Patentet tilhørende Morck, US nr. 4239481, innvilget til Selas Corporation i Amerika den 16. desember 1980, beskriver en rotasjonsbrenner som er i stand til å brenne et flertall gasser med ulike Wobbe-tall. Denne innbefatter et tilførselsrør som er i stand til å bære en første drivstoffgass og et andre tilførselsrør avsatt i det første tilførselsrøret som er i stand til å bære en andre drivstoffgass med enten høyere eller lavere Wobbe-tall enn den første drivstoffgass. Dette krever selvsagt ulike sett med gassfordelingsrør og ventiler, for ikke å nevne kravet til et flertall tangentielt orienterte dyser utformet for å iverksette en virvelbevegelse i gassdrivstoffet. Som i tilfellet av generelle rotasjonsbrennere, blander virvelgassene seg med luft og blandingen tenner og kastes utover av sentrifugalkreftene på en skålformet forsenloiing som omgir brenneren og deretter utover til skålen og til den nærliggende innvendige overflaten av ovnsveggen.

Morcks patent US nr.4416620, innvilget til Selas Corporation i Amerika den 22. november 1983, beskriver en høykapasitets rotasjonsbrenner utformet for brenning av petrokjemisk gass. Denne innbefatter en dreieblokk med en skålformet forsenkning med en spesiell bølget overflate og en passasje som danner en boring i blokken, hvilken er i stand til å bære frem sekundærluft. En luftkrage er avsatt i boringen, i stand til å bære frem primærluft. Et gasstiløfrselsrør er avsatt i luftkragen. Det er anordnet sett med gassdyser for oppnåelse av virvelbevegelse på vanlig måte i en rotasjonsbrenner og en liten avbøyningsplate strekker seg utad fra luftkragen, hvilken virker i kombinasjon med en bølgeformet overflate på den nærliggende brennerskålen for å iverksette utadrettet strømning ved å trekke en kombinasjon av brennstoffgass, primærluft og sekundærluft inn i en spesielt utformet bølgeform i skMforsenkningen.

Det er oppdaget at alvorlige problemer påløpes ved alternativ brenning av enten flytende petroleumsgass eller 100% hydrogen av de ovenfor uttrykte grunner. Videre har opphetingen og nedkjølingen i forbindelse med dag-for-dag ovnoperasjon en tendens til å forårsake utvidelse og sammentrekning av ovnens underbærende konstruksjon, hvilket derved danner varping og sprekkdannelse, hvilket resulterer i dannelse av potentielle utslippspassasjer for resirkulerte røykgassprodukter. Slike passasjer åpnes noen ganger ved sprekkdannelse av keramiske deler av ovnsveggen eller til og med i brennerskålen selv. Når et stort antall brennere er plassert i en felles ovnsvegg, hvor alle opereres ved ulike temperaturer og trykk, vil vridning og sprekkdannelse ha en tendens til å åpne utslippskanaler, hvilket gir utadrettet strømning for enkelte av forbrenningsproduktene, hvilket leder til lokal konstruksjonsmessig overoppheting og mulighet for nedbryting av ovnens understøttende konstruksjoner. Det er viktig å unngå de alvorlige destruktive effektene av resirkulering av forbrenningsprodukter tilbake mot overflaten av brennerskålen og omgivende områder av ovnsveggen.

Vi har også funnet at det er viktig når flytende petroleumsgass brennes å flatgjøre flammen slik at denne har en tendens til å klebe seg hovedsakelig til overflaten av brennerskålen. Til dette formål har vi funnet at det er viktig å påtrykke en flatende kraft på flammen, idet denne forlater rotasjonsbrenneren og passerer ut over overflaten av brennerskålen.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i karakteristikken til de selvstendige kravene 1 og 2 angitte trekk. Fordelaktige utførelsesformer fremgår av de uselvstendige kravene.

Oppfinnelsen gir en rotasjonsbrenner som er i stand til å brenne enten flytende petroleumsgass eller 100% hydrogen eller enhver blanding av disse to, eller brenne naturgass som et ytterligere alternativ. Det er kun nødvendig å anordne et sett med tangentielt arrangerte gassdyser, og kun et gasstilførselsrør i brenneren. Separate tilførselsrør eller samlerør for flytende petroleumsgass og hydrogen og naturgass er anordnet etter behov på utsiden av ovnen, utstyrt med egnede ventiler slik at en operatør ved et gitt tidspunkt kan velge enten gass eller en blanding av to, eller naturgass for operasjon.

Det vil ytterligere bli beskrevet i det nedenstående en avbøyende eller flatende plate av ny utforming som strekker seg på tvers av strømmen av gass og primærluft ved et punkt avsatt nedstrøms av gassdysene og i en avstand fra overflaten av brennerskålen. Dette forbedrer merkbart blandingen av primærluft og gass, i likhet med en luiuioaiviJi utuuiiiUi udiw Lii ug juvxit fester seg nært til overflaten av brennerskålen og også de tilstøtende delene av ovnsveggen.

Oppfinnelsen angis videre i tegningene, hvori:

fig. 1 er et tverrsnitt av en rotasjonsbrenner oppvisende trekkene ifølge foreliggende

oppfinnelse;

fig. 2 er et forstørret riss av en del i fig. 1;

fig. 3 er et sideriss av en alternativ form av rotasjonsbrenner i overensstemmelse med

oppfinnelsen, hvor enkelte deler er vist i snitt;

fig. 4 er et forstørret riss av en del av fig. 3; og

fig. 5 er et forstørret tverrsnitt av en andre drivstofftilførselskon av den type som

opptrer i fig. 3 og 4.

Med henvisning til fig. 1, er rotasjonsbrenneren 10 ifølge foreliggende oppfinnelse plassert i en del av ovnsveggen 11 av et motstandsdyktig materiale. Rotasjonsbrenneren 10 har en brennerblokk 12 som er avsatt i ovnsveggen 11, og er vanligvis også dannet av et motstandsdyktig materiale. Brennerblokken 12 har en skålformet forsenkning 14, fortrinnsvis med en konveks motstandsdyktig overflate 15. Blokken 12 strekker seg utad og sammenføyes med innsiden av overflaten 16 i ovnsveggen 11.

Brennerblokken 12 er mekanisk sikret på kjent måte til ovnsveggen 17 og er anordnet med en sentral boring 20 for tilgang av primær luft, hvilken strømmer nedstrøms i retningen indikert av pilene (a). Et drivstoffgassinnløpsrør 21 er også anordnet i boringen 20, hvilket bærer innkommende gass i retningen indikert av pilen (b). Den innkommende gass kan være naturgass, eller hydrogen, eller flytende petroleumsgass eller propan, eller butan eller en blanding.

En dysesammensetning 22 er festet til enden av drivstoffgassinnløpsrøret 21 med en brennerskålring 23 og en oppadstående flammering 24 som danner et skålformet hovedsakelig sylindrisk hulrom for dannelse av en virvelstrøm av innkommende drivstoffgass fra innløpsrøret 21. Virvelstrømrørene 25 er plassert innenfor flammeringen 24, hvor hvert rør 25 har en innløpsåpning i forbindelse med drivstoffgassinnløpsrøret 21 og med en dyseåpning 26, anordnet hovedsakelig tangentielt innenfor flammeringen 24. Som vist i fig. 1, er dyseåpningen 26 på venstre side åpen mot leseren, mens dyseåpningen 26 på høyre hånd er åpen vekk fra leseren, hvorved jetåpningene til sammen genererer en dreiende virvelstrøm innenfor flammeringen 24.

Henvisningstallet 30 merker en avbøyningsplate som er festet til en understøttelsesstav 31, hvilken videre er festet til den lukkede enden av drivstoffgassinnløpsrøret 21. Avbøyningsplaten 30 er plassert i et plan parallelt med og hovedsakelig i nærheten av planet til den indre overflate 11 av ovnsveggen, eller strekker seg hovedsakelig parallelt' til det planet, eller hovedsakelig perpendikulært til aksen av drivstoffgassinnløpsrøret 21. Den er fortrinnsvis en stiv plateform av høytemperatur stållegering, og har en diameter som er lik eller noe mindre enn diameteren av den sentrale boring 20. Fortrinnsvis er diameteren også noe mindre enn diameteren av flammeringen 24.

Henvisningstallet 32 merker en modulasjonsring festet til bunnen av brermerskålringen 23 og flammeringen 24 og har en sentralt beliggende åpning, som vist, gjennom hvilken den primære luft er fri til å strømme langs veien merket med pilene (a) som fremgår i fig. 1. Den modulerende ring 32 har en ytre omkrets hvilken har hovedsakelig den samme diameter som den innvendige diameter av den sentrale boring 20, og stopper effektivt luftstrømmen gjennom rommet 33 hvilket omgir flammeringen 24.

Med henvisning til fig. 2 i tegningene, vil operasjonen av brenneren i fig. 1 bli forklart i ytterligere detalj. Det skal understrekes at flammeringen 24 samvirker med den åpne baseringen 23 for å danne en brennerskål i hvilken den innkommende gass (b) danner en virvel som et resultat av spinnet fra de perifert beliggende virvelrørene 25. Primærluft strømmer langs veiene (a), (a) gjennom den midlere delen av moduleringsringen 32 og inn i brennerskålen innenfor flammeringen 24. Dette forårsaker en virvelbevegelse av gassen som er antent idet den blandes med den primære luft og strømmer inn i området over brennerskålen og under avledningsplaten 30. Dette danner et forblandingsområde 33. Avbøyningsplaten 30 omdirigerer den aksielle bevegelsen satt i verk av den primære luft (a) og, i kombinasjon med virvelmomentet til drivstoffgassen, forårsakes en kontinuerlig utadrettet bevegelse av den brennende forhåndsblandingen langs en utad rettet vei, skjematisk avbildet som (c) i fig. 2. Dette forårsaker at den brennende blandingen fester seg nært langs den konvekst formede motstandsstykkeoverflaten 15 av brennerblokken 12. Følgelig er den avbøyende plate 30 plassert i en posisjon for å avbøye blandingen av drivstoffgass og primærluft utad vekk fra den nedadrettede strøm i lengderetning, for strømning sideveis langs overflaten av skålen.

Slik det er vist i fig. 2, strekker den avbøyende plate 30 seg hovedsakelig fullstendig over sfrørnningsveien til primærluften og drivstoffgassen i boringen 20 og er adskilt nedstrøms fra boringen 20. Denne har en oppstrøms overflate 30a med flate mot dysene 25,25 og en nedstrøms overflate 30b med flate mot den indre del av ovnen. Overflaten 30b er ytterligere betydningsfull ved at denne tjener til å avbøye omgivende forbrenningsprodukter som dannes innenfor ovnens legeme, hvilke forbrenningsprodukter har en tendens til å returnere til brenneren langs veiene (d), (d), som vist i fig.

2. Den oppstrøms plasserte overflate 30(b) forhindrer innblanding med den effektive operasjon av brenneren og unngår utvandring av varme ovngasser utad gjennom boringen 20, hvilket ville ellers forårsake overoppheting av de ytre delene av ovnen og konstruksjonen rundt.

I denne forbindelse skal det videre bemerkes at nærværet av moduleringsringen 32 er viktig ikke bare fordi denne forhindrer den innkommende primære luft (a) fra å passere rundt den ytre omkrets av flammeringen 24, for derved å hjelpe den flytende petroleumsgassflammen i å feste seg til brennerskålveggen. Denne hindrer også resirkulering av ovnens gassforbrenningsprodukter fra å passere samtidig gjennom den samme åpning mellom flammeringen 24 og boringen 20.

Fig. 3 viser en alternativ form av oppfinnelsen særlig effektiv for å oppnå særlig lave nitrogenoksidverdier i forbrenningsproduktet. Passasjen for brermstoffgassinnløpsrøret 21 strekker seg gjennom brennerskålen 23, støttestaven 31 og den understøttende delen av avbøyningsplaten 30, hvilket muliggjør utslipp av drivstoffgass til og gjennom enden av avbøyningsplaten 30. En gassfordelingskon 34, beleilig sammensatt av et høytemperatur keramisk materiale, skrus inn i enden av avbøyningsplaten 30 og strekker seg inn i cMvstoffgassinnløpspassasjen for drivstoffgassinnløpsrøret 21. Det er vist i ytterligere detalj i fig. 4 og 5 av tegningene at gassfordelingskonusen 34 har gjenger 35 i inngrep med indre gjenger i avbøyningsplaten 30, og innbefatter et flertall med avstand adskilte i lengderetning anordnede passasjer 36, fordelt rundt omkretsen av konusen for frembringelse av drivstoffgass utad gjennom utløpene 37, som vist i fig. 5. På denne måte introduseres drivstoffgass mot den nedstrøms overflaten av avbøyningsflaten 30, hvilken overflate er rettet mot det indre av ovnen. Dette introduserer sekundærgass inn i ovnen i et flertall separate sfrømninger, hvilke alle er separate fra den opprinnelige strømmen av drivstoffgass hvilken er introdusert inn i og gjennom virveldysene 25.

Den sekundære gass injiseres gjennom et flertall dyser 37 for sfrømning radielt utad langs den nedstrøms anordnede vegg 30(b) av avbøyningsflaten 30 og reagerer med de resirkulerende ovnsgassene (d). Da disse resirkulerende ovnsgassene er utarmet med hensyn på oksygen, opptrer en lavtemperaturreaksjon med det lille gjenværende oksygeninnholdet i ovnsgassene. Dette gir en lavere flammetemperatur, hvilket man tror er viktig. Selv om de underliggende grunnene for reduksjon av NOx innholdet ikke er fullstendig utviklet, er det et faktum at introduksjon av sekundærgass minimerer produksjonen av nitrogenoksider. Dette er klart fordelaktig i lys av den pågående miljøinteresse ved minimering av NOx i forbrenningsgasser.

Oppfinnelsen er videre illustrert i forhold til de to følgende eksempler.

EKSEMPLER

En brenner i overensstemmelse med fig. 1 ble montert i en standard Selas K9206 brennerblokk og koblet til tilførselsrør som gir naturgass, hydrogen og propan. Brennstoffgassen ble innført gjennom nr. 42-åpninger og brenningen ble foretatt i en standard keramisk testblokkovn.

De følgende resultater ble bestemt separat for naturgass, hydrogen og propan. Det var ingen betydelig overoppheting av brenneren i noen av tilfellene, støynivået var godtagbart, og ingen dyser ble skiftet. Det ble observert at flammene klebet seg til brennerskålen og til den omgivende indre vegg av ovnen i hvert tilfelle.

Resultatene av forsøkene er som følger:

RÅDATA

Selv om oppfinnelsen er svært effektiv for brenning av enten hydrogen eller flytende petroleumsgass alene, er det svært enkelt mulig med denne brenner å brenne en blanding av slike drivstoff; hvilken brenning av de hver for seg eller begge sammen er effektiv.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet med henvisning til spesifikke former av denne, er enkelte modifikasjoner nevnt i beskrivelsen, og det skal bemerkes at et bredt spekter av andre endringer inkluderende bruk av ulike blandinger av propan og butan, eller bruk av konkave brennerskåler eller skåler med spesiell utforming, kan utføres uten at dette fjerner seg fra oppfinnelsens konsept.

Tilførselen av drivstoffgass og luft kan alternativt utføres gjennom et indre tilførselsrør i et tilførselsrør, med det resulterende ringformede rom koblet til en brennertupp og det indre rør koblet til den andre brennertupp. Denne oppfinnelsen er ikke begrenset til bruk med kun to brennertupper, men kan benyttes med tre, fire eller flere.

I tillegg kan røret i røranordningen gi en lufttilførsel til en eller den andre av passasjene, og denne lufttilførselen kan være koblet sammen for fordeling gjennom de keramiske tuppåpningene 37 i fig. 5 for ytterligere reduksjon av innholder av nitrogenoksider i forbrenningsgassen.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet med henvisning til spesifikke former av brennere, skåler og ovner, er enkelte modifikasjoner vist i tegningene eller nevnt i beskrivelsen, og det skal bemerkes at et bredt spekte av andre endringer kan utføres uten at dette fratrer oppfinnelsens konsept. For eksempel kan ekvivalente elementer erstattes i forhold til de som er vist og beskrevet, deler kan vendes, og enkelte trekk kan benyttes uavhengig av andre trekk, uten at dette trer vekk fra oppfinnelsens konsept som beskrevet i de etterfølgende krav.

Claims (10)

1. Rotasjonsbrermersammenseming, karakterisert ved : a. en brennerblokk (12) tilpasset for plassering i en ovnsvegg (17), hvor nevnte blokk innbefatter en brennerskål og har en boring (20) som strekker seg gjennom den nevnte blokk og inn i skålens base; b. tilførselsorganer for primærluft koblet til den nevnte boring (20) og som strekker seg gjennom den nevnte brennerskål; c. tilførselsorgan (21) for drivstoffgass som strekker seg langs den nevnte brennerblokk (12) og er koblet til for tilførsel av drivstoffgass sammen med den nevnte primære luft; d. en brenner med virveldyser (25) for å bibringe en virvelstrømning i drivstoffgassen; e. organer for forbindelse av den nevnte virvelgass med den nevnte primære luft for å danne en virvlende gass-lutfblanding nedstrøms av de nevnte virveldyser (25); og f. en avbøyende plate (30) avsatt nedstrøms for de nevnte virveldyser (25) og fra den nevnte brennerskål, hvor nevnte avbøyende plate (30) er anordnet på tvers i en posisjon for å avbøye den nevnte blanding av drivstoffgass og primærluft utad, vekk fra den nevnte nedstrøms retning for sideveis strømning langs overflaten av den nevnte brennerskål.

2. Rotasjonsbrenner for brening av enten hydrogen eller propan eller en blanding av disse, for bruk i kombinasjon med en brenneblokk (12) med en indre vegg (11) og en skålformet forsenkning (14) i en overflate av den nevnte blokk og en åpning (20) soms trekker seg fra basen av den nevnte skålformede forsenkningen (14) og opp til den motsatte overflaten av den nevnte blokk (12), ved den nevnte brenner plassert i nærheten av den nevnte blokkåpning (20), hvor den nevnte brenner er karakterisert ved å innbefatte: a. organer som danner en passasje (20) for primærluft; b. organer som danner en ringformet flammering (24) avsatt i den nevnte brenner i den nevnte passasje (20); c. et drivstofftilførselsrør (21) som strekker seg langs den nevnte primære luftpassasje (20); d. et sett gassfordelingsrør (25) soms trekker seg fra det nevnte tilførselsrør (21) og er plassert hovedsakelig langs omkretsen innenfor den nevnte flammering (24) for å danne en virvelblanding av drivstoffgass og primærluft som strømmer i en nedstrøms retning i den nevnte primære luftpassasje (20); og e. en avbøyningsplate (30) avsatt nedstrøms av den nevnte flammering (24) og nedstrøms av de nevnte gassfordelingsrør (25) og som strekker seg hovedsakelig fullstendig over den nevnte strøm av drivstoff og primærluft for å avbøye den nevnte nedstrøms strøm og for å tvinge den nevnte blanding til å strømme utad langs brennerskålen.

3. Rotasjonsbrenner ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte avbøyningsplate (30) strekker seg hovedsakelig fullstendig på tvers av strømningveien for den nevnte primære luft og drivstoffgass i den nevnte boring (20), og er avsatt nedstrøms av den nevnte boring (20).

4. Rotasjonsbrenner ifølge krav 1, karakterisert ved at den avbøyende plate (30) har en oppstrøms overflate (30a) rettet mot de nevnte dyser og en nedstrøms overflate (30b) rettet mot den nevnte ovn, hvori sekundære drivstoffgassorganer (34) er anordnet ragende gjennom den nevnte avbøyende plate til den nevnte nedstrøms flate av den nevnte avbøyende plate (30) for å tilføre sekundær drivstoffgass til den nevnte nedstrøms flate (30b).

5. Rotasjonsbrenner ifølge krav 4, karakterisert ved et ytterligere fordelingsorgan (34) anordnet ved den nevnte nedstrøms flate (30b) av avbøyningsplaten (30) for spredning av den nevnte sekundære drivstoffgass langs den nevnte nedstrøms flate (30b) for reaksjon med resirkulerende gasser fra innsiden av ovnen.

6. Rotasjonsbrenner ifølge krav 5, karakterisert ved at de ytterligere fordelingsorganer er en ribbeformet keramisk plugg (34) tilpasset for innskruing i enden av det nevnte ytterligere drivstoffgasstilførselsorganet, hvor den nevnte plugg (34) har et flertall passasjer (36) som danner et flertall i forhold til hverandre adskilte strømningspassasjer for fordeling av den nevnte sekundære drivstoffgass.

7. Rotasjonsbrenner ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at brennerskålen har en av en spiral dannet overflate.

8. Rotasjonsbrenner ifølge krav 1, karakterisert ved en modulerende ring (32) hvilken er anordnet ragende utad fra de nevnte virveldyser (25) og hovedsakelig fullstendig dekker en nærliggende del av den nevnte brennerblokk-åpningen (20) for å sperre tilbakesrførnningen av forbrenningsprodukter gjennom den nevnte brennerblokkåpning.

9. Rotasjonsbrenner ifølge krav 1 eller 2, karakterisert v e d at den nevnte avbøyningsplate (30) er plassert i hovedsakelig det samme plan som den indre ovnsvegg (11).

10. Rotasjonsbrenner ifølge krav 2, karakterisert ved en modulerende ring (32) anordnet utragende fra den nevnte flammering (24) og hovedsakelig fullstendig dekkende av en nærliggende del (33) av den nevnte brennerblokkåpning, for å hindre innadstrømning av primærluft eller tilbakesfrømning av forbrenningsprodukter ved siden av brennerblokken (12).