NO871975L - Kjel med syklonbrenner. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår syklonbrennere omfattende et brennkammer med et første kammer med en forende, en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg som er hovedsakelig ukjølt og varmfast fSret, et annet kammer med en forende, en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg, idet den bakre ende av det første kammer står i fluidforbindelse med og ligger hovedsakelig på linje med forenden av den annet kammer, samt organer innrettet til å føre luft og brensel direkte inn i det første kammer og til her å danne en virvlende strømningsbane av varme gasser for forbrenning i dette kammer.

Tidligere har syklonbrennere vært benyttet til å frembringe

en syklon av turbulente gasser i et forbrenningskammer til forbrenning av forskjellige faste materialer, herunder kull av dårlig kvalitet og vegetabilsk avfall. Slike brennere er beskrevet i "Combustion in Swirling Flows: A Review", N. Syred and J. M. Beer, Combustion and Flame, bind 23, pp. 143-201

(1974). En fluidiseringsskiktkjei med en syklonbrenner er beskrevet i US patentskrift 4 457 289. Det henvises til disse dokumenter. En røkrørskjel med en syklonbrenner har vært markedsført av Cyclotherm Division, Oswego Package Boi ler Co. , Inc.

Skjønt de skaffer en høy spesifikk varmefrigjøring, har

kjente adiabatiske syklonbrennere den ulempe at forbrenningstemperaturen er høy og NO^-uts1ippene er høye. Forbrenningen er ustabil ved brenning ved lav kapasitet, og det er ikke mulig med høye hydrodynamiske reguleringsforhold i ikke-adiabatiske brennere.

Det hydrodynamiske reguleringsforhold for kjelen er definert som forholdet mellom strømmen av komprimert luft ved maksimal belastning og strømmen ved minimal belastning og er et mål for kjelens evne til å arbeide over et stort område av be-lastninger. Et høyt reguleringsforhold vil tillate et bredt område med hensyn til nivået for dampfrembringe1 se på et bestemt tidspunkt. Et bredt område for dampfrembringe1 se er viktig for å tillate kjelen å reagere så effektivt som mulig på varierende dampbehov.

Det er en hensikt med oppfinnelsen å skaffe en kjel som benytter syklonisk forbrenning og har en meget høy spesifikk varmefrigjøring, lavt luftoverskudd og en relativt lav forbrenningstemperatur ved lave utslipp av CO og N0X.

Det er også en hensikt med oppfinnelsen å skaffe en kjel

som benytter syklonforbrenning og som er stabil ved brenning ved lav kapasitet.

Det er enda en hensikt med oppfinnelsen å skaffe en kjel

som benytter syklonforbrenning og har et høyt reguleringsforhold.

Ytterligere hensikter og fordeler ved oppfinnelsen vil bli angitt i den etterfølgende beskrivelse og tildels være selv-følgelige fra beskrivelsen, eller de vil fremgå ved utførelse av oppfinnelsen. Hensiktene og fordelene med oppfinnelsen kan realiseres og oppnås ved hjelp av de forholdsregler, trekk og kombinasjoner herav som er spesielt anført i kravene.

For oppnåelse av disse formål og i samsvar med hensikten

med oppfinnelsen, slik den kommer til uttrykk i og er generelt beskrevet i fremstillingen, er der skaffet en kjel med en syklonbrenner, omfattende et første kammer med en forende,

en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg som er hovedsakelig ukjølt og varmefast foret, et annet kammer med en forende og en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg, idet den bakre ende av det første kammer står i fluidforbindelse med og ligger hovedsakelig på linje med forenden av det annet kammer, organer til å føre luft og brensel direkte inn i det første kammer og til å danne en virvlende strømningsbane av varme gasser for forbrenning inne i det første og det annet kammer, en hovedsakelig sylindrisk, innsnevret åpning som ligger ved

den bakre ende av det annet kammer og er hovedsakelig konsentrisk med dette til utslipp av varme gasser fra det annet kammer, idet åpningen har en mindre diameter enn innerdiameteren av det annet kammer, og varmevekslerorganer som omgir det annet kammer, til hovedsakelig å avkjøle veggen av det annet kammer uten vesentlig avkjøling av veggen av det første kammer.

Tegningen, som utgjør en del av den foreliggende fremstilling, beskriver foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen og tjener sammen med den foregående generelle beskrivelse og den etterfølgende detaljerte beskrivelse av foretrukne ut-før e 1 sesf o rmer til å forklare prinsippene ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 er et oppriss i snitt gjennom en første utførelsesform for en kjel som inneholder trekkene ifølge den foreliggende oppf inneIse.

Fig. 2 er et enderiss av kjelen på fig. 1.

Fig. 3 er et tverrsnitt etter linjen 3-3 på fig. 1.

Fig. 4 er et tverrsnitt etter linjen 4-4 på fig. 1.

Det vil nå i detalj bli henvist til den foretrukne utførelses-form av oppfinnelsen, slik den er vist på tegningen.

I henhold til oppfinnelsen er der skaffet en kjel med en syklonbrenner, omfattende et første kammer med en forende,

en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg som er hovedsakelig ukjølt og varmefast foret, et annet kammer med en forende, en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg, idet den bakre ende av det første kammer står i fluidforbindelse med og ligger hovedsakelig på linje med forenden av det annet kammer, organer til å føre luft og brensel direkte inn i det første

kammer og til å danne en virvlende strømningsbane av varme gasser for forbrenning inne i det første og det annet kammer, en hovedsakelig rund, innsnevret åpning som ligger ved den bakre ende av det annet kammer og er hovedsakelig konsentrisk med dette, til utslipp av varme gasser fra det annet kammer, idet åpningen har en mindre diameter enn innerdiameter av det annet kammer, og varmevekslerorganer som omgir bare det annet kammer, til hovedsakelig å avkjøle veggen av det annet kammer uten vesentlig avkjøling av veggen av det første kammer.

Fig. 1 viser en horisontalt anbragt røkrørskjel med en syklonbrenner i henhold til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen. Brenneren innbefatter et midtre kjelerør som også er kjent som et Morison-rør, med et forbrenningskammer eller -rom 21 som utgjøres av et første kammer 22 og et annet kammer 24. Det første kammer innbefatter en forende 26, en bakre ende 28 og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg

30 som er hovedsakelig ukjølt og varmefast foret.

Det annet kammer 24 har en forende 32, en bakre ende 34 og

en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg 36 som fortrinnsvis er utført av metall. Den bakre ende 28 av det første kammer 2 2 og forenden 3 2 av det annet kammer 24 står i fluidforbindelse med og ligger på linje med hinannen.

Organer til å føre luft og brensel direkte inn i det første kammer 22, f.eks. et tilførsels- eller et fordelingskammer 38, og tangensiale dyser 40 skaffer en virvlende strømnings-bane av varme gasser inne i det reaksjonskammer som dannes av det første kammer 22 og det annet kammer 24. Brenselet,

som fortrinnsvis er væske- eller gassformet, føres tangen-sialt inn gjennom dyser 43, men kan isteden eller alternativt føres inn i det første kammer 22 radialt gjennom en dyse 41. En hovedsakelig sylindrisk, innsnevret utløpsåpning 42

er anordnet ved den bakre ende 34 av det annet kammer 24 og står konsentrisk på linje med dette kammer 24, slik at utløps-

åpningen har en mindre diameter enn innerdiameteren av det annet kammer 24. I den viste utførelse mater en kilde for trykkluft, f.eks. en vifte (ikke vist), luft fra samle-

eller forde 1ingskammeret 38 gjennom dysene 40 inn i det første kammer 22.

I henhold til oppfinnelsen er det avgjørende at tverrsnittsarealet for de tangensiale luftdyser 40 og de geometriske egenskaper av det første kammer 22 og det annet kammer 24

er innrettet til å skaffe et Swirl-tall (S) på minst 0,6 og et Reynolds-tal1 (Re) på minst 18 000, noe som er nødvendig for å skape en virvel med turbulens i det første kammer 22

og det annet kammer 24 når der arbeides ved maksimal kapasitet. På den annen side må Swirl-tallet og Reynolds-tallet ved maksimal kapasitet ikke overskride slike verdier som ville føre til et uakseptabelt trykkfall gjennom de tangensiale luftdyser 40 og forbrenningskammeret som utgjøres av det første kammer 22 og det annet kammer 24.

Det er virvelen av turbulens som gjør det mulig å oppnå f rigjøringsverdier for spesifikk varme på opp til og over

63

3,5 x 10 kcal/m «h og NOx-konsentras joner i røkgassene på

ca. 60-120 ppm og ca. 120-180 ppm ved forbrenning av henholds-vis naturgass og lett brenselolje. Den innsnevrede utløps-åpning 42 og det indre av det annet kammer 24 må ha visse geometriske egenskaper sammen med tverrsnittsarealet av de tangensiale luftdyser i det første kammer 22 for å skaffe de nødvendige Swirl-tall og Reynolds-tal1.

Alle de ovenfor nevnte trekk vil bli nærmere forklart neden-for, og de er generelt diskutert i den ovenfor nevnte artikkel av Syred og Beer, og i de henvisninger som er gjort i denne artikkel, og som det også henvises til her.

Hvis forbrenningskammeret 21 omfattende det først kammer 22

og det annet kammer 24 blir utført og drevet slik at der fås

et Swirl-tall på minst 0,6 og et Reynolds-tal1 på minst

18 000 i forbrenningskammeret, samtidig som forholdet mellom diameteren av ut 1øpsåpningen 42 (De) og diameteren av inner-veggen av det annet kammer 24 (Do), dvs. De/Do som i det etterfølgende vil bli kalt X, ligger i området fra 0,4 til 0,7, vil det første og det annet kammer under drift oppvise store innvendige tilbakestrømningssoner under dannelse av så meget som tre konsentriske toroidale res irkulasjonssoner. Slike resirkulasjonssoner er generelt kjent på området for vanlige syklonbrennere. Dette koblet sammen med det høye nivå for turbulens medfører vesentlig forbedret varmeut-veksling og dermed en relativt jevn temperatur gjennom for-brenningskamrene 22 og 24.

Verdien av forholdet X ligger fortrinnsvis i området 0,4-0,7, samtidig som trykkfallet avtar gjennom forbrenningskammeret og Swirl-tallet øker etter hvert som X øker. Høyere verdier av X foretrekkes. For verdier av X på over 0,7 blir imidlertid de indre tilbakestrømningssoner ikke tilstrekkelig dannet.

Varmevekslerorganer omgir det annet kammer 24 for vesentlig avkjøling av veggene 36 av det annet kammer 24 uten vesentlig kjøling av veggene 30 av det første kammer 22. Varmevekslerorganene innbefatter fortrinnsvis en ytre kjelemantel 48, gassrør 50 som er anordnet mellom denne mantel 48 og Morison-røret 54 og tjener til å føre varme gasser fra det annet kammer 24, og et rom 52 inne i mantelen 48 utenfor gassrørene 50 og det annet kammer 24 til å føre vann som er oppvarmet av de oppvarmede gasser i det annet kammer 24 og i gassrørene 50, alt på vanlig kjent måte.

Stabil forbrenning, selv ved lav kjelekapasitet, oppnås ved

at veggene av det første kammer 22 hvor luften og brenselet injiseres, ikke er avkjølt, idet bare veggene av det annet kammer 24 avkjøles. Denne stabile forbrenning tillater oppnåelse av høye reguleringsforhold. Som et resultat av denne utførelse kan f.eks. reguleringsforholdet økes fra 4:1 opp

til og endog høyere enn 10:1. Luftoverskuddet kan reduseres fra 25-30% til 5% og holdes konstant ved 5% over det høye reguleringsforhold på 10:1. Flammetemperaturen kan reduseres til 1100°C og lavere, i motsetning til ca. 1600aC for konven-sjonelle røkrørskjeier. Utslippet av NOxer derfor lavere enn i vanlige brenner/kjel-enheter som følge av lavere flamme-temperatur og lavere luftoverskudd.

Det sentrale kjelerør innbefatter fortrinnsvis et sylindrisk rør 54 som ligger på linje med og henger sammen med veggen 36 av det annet kammer 24. Varme gasser fra det annet kammer 24 passerer gjennom ut 1øpsåpningen 42 inn i det sylindriske rør 54.

Varmevekslerorganene innbefatter også fortrinnsvis organer såsom et bakre rom 56 til å rette strømmen av varme gasser som kommer ut fra det sylindriske rør 54 fra det annet kammer 24, mot et første, på forhånd fastlagt sett av gassrør 50, f.eks. de i det nedre område av fig. 1 og et fremre rom 58 til å rette varme gasser fra det første sett av gassrør 50 til et annet sett av gassrør 50 i det øvre parti av fig. 1

i motsatt retning. Dette er vist ved piler som indikerer gasstrømning og er vanlig kjent i forbindelse med røkrørs-kjeier.

Som vist på fig. 3 innbefatter organene til tilførsel av

luft og brensel fortrinnsvis separate ledninger for tilførsel av luft og brensel hver for seg direkte inn i det første kammer 22 og blanding og forbrenning i det første og det annet kammer 22 og 24.

Forholdet mellom lengdene av det første og det annet kammer 22, 24 påvirker forbrenningstemperaturen i forbrenningskammeret 21. Med avtagende lengde av det første kammer 22 i forhold til lengden av det annet kammer 24 avtar vanligvis forbrenningstemperaturen. Det nevnte forhold er viktig, da en reduksjon av forbrenningstemperaturen reduserer dannelsen av N0X. Dette forhold for naturgass og brenselolje er vanligvis lavere enn 1,5 for en lavkapasitetsbrenner og kan bli mindre en 0,5 for en brenner med meget høy kapasitet. Det foretrekkes at lengdeforholdet mellom det første og det annet kammer ligger hovedsakelig i området fra 0,2:1 til 1,5:1. Av denne grunn kan forbrenningstemperaturen være lavere enn 1100-1200 oC selv for høykapasitetsforbrenning.

For å hindre skade på metallveggen 36 av det annet kammer

24 som følge av for sterk oppvarming er forenden 32 av veggen

36 foret med et ildfast materiale 60.

Skjønt det foretrekkes at den ovenfor beskrevne syklonbrenner anbringes i et kjelsystem, er det meningen at den kan benyttes til forbrennings- og reaksjonsformål uten noe vesentlig kjelapparat. En slik syklonbrenner omfatter et første kammer med en forende, en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg som er hovedsakelig ukjølt og varmefast foret, et annet kammer med en forende, en bakre ende og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg, idet den bakre ende av det første kammer står i fluidforbindelse med og ligger hovedsakelig på linje med forenden av det annet kammer, organer til å føre luft og brensel direkte inn i det første kammer og til å danne en virvlende strømningsbane inne i det første og det annet kammer, en hovedsakelig sylindrisk innsnevret utløpsåpning som ligger ved den bakre ende av det annet kammer og er hovedsakelig konsentrisk med dette, idet ut 1øpsåpningen har en mindre diameter enn innerdiameteren av det annet kammer, og organer til vesentlig kjøling av veggen av det annet kammer uten vesentlig kjøling av veggen av det første kammer.

Ytterligere fordeler og modifikasjoner vil lett fremgå for fagfolk. Generelt er oppfinnelsen derfor ikke begrenset til de spesielle detaljer, representative apparater og illu-strerende eksempler som er vist og beskrevet. Man kan derfor avvike fra slike detaljer uten å avvike fra kjernen i eller området for den generelle oppfinne1 ses tanke.

Claims (13)

1. Syklonbrenner, omfattende: et brennkammer (21) med et første kammer (22) med en forende (26), en bakre ende (28) og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg (30) som er hovedsakelig ukjølt og varmfast f6ret, et annet kammer (24) med en forende (32), en bakre ende (34) og en hovedsakelig sylindrisk, langsgående yttervegg (36), idet den bakre ende av det første kammer står i fluidforbindelse med og ligger hovedsakelig på linje med forenden (32) av det annet kammer (24), samt organer (40,43) innrettet til å føre luft og brensel direkte inn i det.første kammer (22) og til her å danne en virvlende strømningsbane av varme gasser for forbrenning i dette kammer, karakterisert ved en hovedsakelig sylindrisk, innsnevret utløpsåpning (42) som er anordnet ved den bakre ende (34) av det annet kammer (24) og som forløper hovedsakelig konsentrisk med dette, til utslipp av varme gasser fra det annet kammer (24), idet utløpsåpningen (42) har en mindre diameter (De) enn innerdiameteren (Do) av det annet kammer (24), og varmevekslerorganer (50) til hovedsakelig å avkjøle veggen av det annet kammer (24) uten vesentlig avkjøling av veggen av det første kammer (22) idet organene (40, 43) sammen med utløpsåpningen (42) også danner en virvlende strømningsbane av varme gasser for forbrenning i det annet kammer (24).

2. Syklonbrenner som angitt i krav 1, karakterisert ved at den innbefatter et hovedsakelig sylindrisk rør (54) som strekker seg fra den bakre ende av det annet kammer (24) og ligger på linje med det annet kammer.

3. Syklonbrenner som angitt i krav 1, karakterisert ved at tilførselsorganene innbefatter organer (40,43) til hver for seg å føre luft og brensel direkte inn i det første kammer (22) og til å blande og forbrenne dem i det første og det annet kammer.

4. Syklonbrenner som angitt i krav 3, karakterisert ved at lufttilførselsorganene (40) og brenseltilførselsorganene (43) er konsentriske dyser til tangensial injisering av luft og brensel i det første kammer.

5. Syklonbrenner som angitt i krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom lengden av første og det annet kammer ligger i området fra 0,2:1 til 1,5:1.

6. Syklonbrenner som angitt i krav 1, karakterisert ved at forenden (32) av den ytre vegg (36) av det annet kammer (24) er f6ret med varmefast materiale.

7. Syklonbrenner som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at det annet kammer omfatter i det minste et parti av kjelrøkrøret, og varmevekslerorganene omgir det annet kammer og innbefatter en ytre mantel (48), gassrør (50) mellom den ytre mantel og det annet kammer (24) til å føre varme gasser fra det annet kammer, og rom (52) inne i mantelen (48) utenfor gassrørene og det annet kammer til å føre vann som blir oppvarmet av de varme gasser i det annet kammer (48) og gassrørene (50).

8. Syklonbrenner som angitt i krav 7, karakterisert ved at varmevekslerorganene innbefatter organer (56,58) til å rette strømmen av varme gasser fra det annet kammer gjennom et på forhånd fastlagt sett av gassrør (50) og tibake gjennom et annet på forhånd fastlagt sett av gassrør.

9. Syklonbrenner som angitt i krav 7, karakterisert ved at den innbefatter et hovedsakelig sylindrisk rør (54) som strekker seg fra den bakre ende av det annet kammer (24) og står hovedsakelig på linje med dette.

10. Syklonbrenner som angitt i krav 9, karakterisert ved at kjelrøret (48) omfatter det annet kammer (24) og det hovedsakelig sylindriske rør (54), og at varmevekslerorganene (56,58) innbefatter organer til å føre strømmen av varme gasser fra det sylindriske rør gjennom gassrørene.

11. Syklonbrenner som angitt i krav 7, karakterisert ved at gassrørene (50) strekker seg i lengderetningen parallelt med det annet kammer (24).

12. Syklonbrenner som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at den virvlende strøm-ningsbane har et Swirl-tall på minst 0,6 og et Reynolds-tall på minst 18.000 ved maksimum kjlekapasitet.

13. Syklonbrenner som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at forholdet mellom diameteren (De) av den innsnevrede utløpsåpning og diameteren (Do) av innerflaten av det annet kammer ligger i området mellom 0,4 og 0,7.