DE1401826A1

DE1401826A1 - Verbrennungsvorrichtung fuer Kohlenwasserstoffbrennstoffe

Info

Publication number: DE1401826A1
Application number: DE19621401826
Authority: DE
Inventors: Lancashire Alan Holt; Kear Robert Willam
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1962-06-26
Filing date: 1962-09-10
Publication date: 1968-11-14
Also published as: US3224679A; GB1055584A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung für Kohlenwasserstoffbrennstoffe mit einer becherförmigen Flammenkammer, die mit einem Heiz- oder Reaktionsraum oder dergleichen verbunden werden kann, und deren Boden eine Öffnung zum Zuführen des Brennstoffs und eines Oxydationsmittels, z.B. von Sauerstoff oder Luft, aufweistο

Da bereits Verbrennungavorrichtungen dieser Bauart bekannt sind, werden sie im folgenden als Verbrennungsvorrichtungen der genannten Art bezeichnet. Die Verbrennung findet ausschließlich oder mindestens in einem erheblichen Ausmaß innerhalb der Plammenkammer statt, und die heißen Gase gelangen dann in einen Heiz- oder Reaktionsraum, an den die Verbrennungsvorrichtung angeschlossen ist. Bei der erwähnten Konstruktion ergibt sich eine sehr konzentrierte Verbrennungs- oder Reaktionsζone, mittels deren sich eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoff material ohne Luftüberschuß erzielen läßt, und außerdem kann die Vorrichtung sowohl mit einer vollständigen als auoh mit einer nur teilweisen. Verbrennung betrieben werden.

809808/0002

- 2 - 1A-24 464

Bin Ziel der Erfindung besteht darin, eine Verbrennungsvorrichtung vorzusehen, die so konstruiert ist, daß eine Zone entsteht, in der sieh die Reaktion mit einer sehr hohen Intensität abspielt, wobei die Gefahr einer -Beschädigung der Wände der Flammenkaiiimer auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist, und wobei die Vorrichtung zur Verwendung bei einem Prozeß geeignet ist, durch den mit Hilfe einer teilweisen Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Gases ein Gas erzeugt wird, das Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthält.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, bei dem es möglich ist, die Form der Flamme und den Verlauf der Gasströmung dadurch zu ändern, daß die gegenseitige Lage bestimmter Bauteile des Systems geändert wird.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Verbrermungssystem der genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß sie in Kombination eine wassergekühlte Umfassungswand aus Metall aufweist, die ein zentral angeordnetes kreisrundes Umlenkorgan enthält, welches nahe dem offenen Ende der Plammenkammer endet und zwei konzentrische ringförmige kühlkanale abgrenzt, in denen ein Kühlmittel zirkulieren kann, ferner eine Brennerdüse mit einem kegelstumpfförmigen Hingkanal für den Brennstoff und Sauerstoff oder Luft, wobei der Durchmesser der Flammenkammer größer ist als der Durchmesser des Auslasses des kegelstumpfförmigen Ringkanals und vorzugsweise mindestens gleich dem 1,5-fachen und höchstene gleich dem 6-fachen des zuletzt erwähnten Durchmessers ist, sowie einen aus Metall bestehenden flachen Boden der Flammenkammer, der das zentral angeordnete, eine ebene Stirnfläche aufweisende Ende der Brennerdüse mn-

- 3 - 1A-

Es hat sich gezeigt, daß die soeben geschilderte Anordnung gewährleistet, daß die Metallteile des Systems gegen übermäßig hohe Temperaturen geschützt werden, die während des Betriebs innerhalb der Flammenkammer auftreten, und daß gleich-. zeitig eine stabile Verbrennungs- oder Umwandlungszone entsteht, was auf die Einhaltung der erforderlichen Beziehung zwischen den Durchmessern des Auslasses des kegelstumpfförmigen Ringkanals und der Flammenkammer zurückzuführen ist. Insbesondere bildet sich ein bestimmter Verlauf der Gasströmung aus, wobei als wichtigstes Merkmal ein äußerer torusförmiger Gfaswirbel entsteht, durßh den Wärme zu einem Punkte zurückgeführt wird, der nahe demjenigen Punkte liegt, an welchem die miteinander reagierenden Stoffe aus dem Ringkanal austreten, wodurch eine stabile Reaktion gewährleistet wird·

Die Umfassungs- oder Seitenwand der Flammenkammer hat eine Länge, die vorzugsweise zwischen dem 0,1-fachen und dem 0,8-fachen des Flammenkammerdurchmessers verstellt werden kann.

Dadurch, daß man das Mittelstück gegenüber der Flammenkammerwand in axialer Richtung verstellt, kann man die Flammenform nach Bedarf beeinflussen und sie zwischen einer offenen Torusform, die der oben erwähnten kleineren Länge der Flammen-

_c>1 kammerwand entspricht, um zu gewährleisten, daß mindestens der

ο äußere Wirbel während des Betriebs erhalten bleibt, und einer

\ geschlossenen doppelten Torusform variieren, die der erwähnten oo

° größeren Länge der Flammenkammerwand entspricht. Mit der offeoo

_o nen torusförmigen Flamme wird zweckmäßig dann gearbeitet, wenn

oo _o

der Brenner schräg, z.B. unter einem Winkel von 45 , mit einer Heiz- oder ^eaktionskammer verbunden ist, so daß dann während des -rietriebs eine gleichmäßige Verteilung der heißen Verbrennungs-

- 4 - 1A-24- 464

produkte innerhalb der Kammer gewährleistet ist.

Der Mündungskegelwinkel des divergierenden kegelstumpfförmigen BrennstoffzuführungskanalB kann zwischen 30° und 120° liegen; bei diesen Winkelwerten handelt es sioh um die zulässigen Grenzwerte, bei denen noch ein einwandfreier Betrieb des Systems gewährleistet 1st.

In der äußeren und/oder der inneren Wand des kegelstumpfförmigen Ringkanals kann man eine oder mehrere Öffnungen zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs vorsehen, so daß der Brennstoff in den Sauerstoff- oder Luftstrom eingeleitet und damit vermisoht wirdf ferner kann ein zusätzlicher axialer ■ Kanal in einem zentral angeordneten Bauteil des Brenners vor-. handen sein, über den man z.B, nur Sauerstoff zuführen kann, um die Verbrennung vor dem Abstellen des Brenners zu beeinflussen, oder Dampf, um den Verbrennungsvorgang so zu modifizieren, daß nur eine Teilverbrennung stattfindet! im letzteren Falle ist dieser Kanal vorzugsweise als zweiter inneren divergierenden kegelförmiger Kanal ausgebildet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eohematisoher Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert·

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematisohen Irängssohnitt.

Fig. 2 und 3 zeigen in kleinerem Maßstabe im Längeeohnitt zwei verschiedene Stellungen der Teile der Flammenkammerwand und lassen"-die sich während des ^etriebs einsteilenden Flammenformen erkennen.

8 0 98Ό8/0 00 2

Gemäß Fig. 1 umfaßt das erfindungsgemäße System eine becherförmige Flammenkammer 1, in der die Verbrennung stattfindet, wobei sich während des Betriebs torusförmige Gaswirbel ausbilden, wie es bei 2 und 3 durch Pfeile angedeutet ist. Die becherförmige Flammenkammer 1 hat einen flachen Boden 4, in dessen Mitte ein Brenner mit einer Düse 5 angeordnet ist, der eine ebene Stirnfläche aufweist. Zwischen der Düse 5 und dem Boden 4 ist ein kegelstumpfförmiger Ringkanal 6 vorgesehen, durch den das Gemisch aus dem Brennstoff und dem Oxydationsmittel zwischen den torusförmigen Gasströmen S und 3 in die becherförmige Flammenkammer 1 eingeleitet wird. Die Seitenwand 7 der Flammenkammer ist hohl und enthält ein kreisrundes bzw. zylindrisches Umlenkorgan 8, das zwei konzentrische ringförmige Kühlwasserkanäle 9 und 10 abgrenzt, die am vorderen Ende 11 der.Seitenwand 7 miteinander verbunden sind· Es sind hier nicht gezeigte Einlasse und Auslässe vorgesehen, die mit dem äußeren Kühlkanal 9 bzw. dem inneren Kühlkanal 10 verbunden und und es ermöglichen, Wasser in den Kanälen zirkulieren zu lassen.

Während des Betriebs wird Luft oder Sauerstoff über eine Rohrleitung 12 zugeführt, die in dem kegelstumpfförmigen Ringkanal 6 mündet. Die Einrichtung zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs umfaßt einen Kanal 13 in einem zentral angeordne-

o ten Bauteil 14, der zu einer schlitzförmigen Öffnung 15 nahe ο

° dem Auslaß des Kanals 6 führt. Es ist jedoch auch möglich, die Q Einrichtung zum Zuführen des Brennstoffs in der äußeren Wand

an des Kanals 6 vorzusehen; in diesem Falle kann man über den

«o Kanal 13 des Bauteils 14 ζ·Β· nur Sauerstoff zuführen, nachdem der Brenner stillgesetzt worden ist. Natürlich ist auch die Verwendung eines gasförmigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs _F(Trc_D

möglich, und in diesem Falle kann man den Brennstoff vorher mit der für die Verbrennung benötigten Luft mischen. Anstelle der schlitzförmigen Öffnung 15 kann man mehrere in gleichmäßigen Umfangsabständen verteilte getrennte Öffnungen vorsehen.

In Fig. 2 und 3, wo die sich bei verschiedenen Stellungen der Flammenkammerwand ausbildenden Flammenformen dargestellt sind, sind sowohl die Wand als der Boden der Flammenkammer aus Gründen der Einfachheit als massive Bauteile dargestellt, doch t sei bemerkt, daß die konstruktiven Einzelheiten tatsächlich der in Fig. 1 gezeigten Anordnung entsprechen.

Ferner kann man die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit Wasserzuführungsmitteln versehen, damit V/asser in den Gasstrom eingespritzt werden kann, wenn die Absicht besteht, Gasgemische, die Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthalten, durch eine teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff oder Luft zu erzeugen. Diese Mittel können duroh mehrere aus den Zeichnungen nicht ersichtliche kleine Zuführungsöffnungen

^ gebildet werden, die im Boden 4 der becherförmigen Flammenkammer 1 um den Ringkanal 6 herum auf einem Kreia verteilt sind. Statt dessen kann man zu dem genannten Zweck einen ringförmigen Schlitz in der inneren oder äußeren Wand des Kanals 6 vorsehen. Ein solcher Schlitz läßt sich auf geeignete Y/eise gegenüber der Brennstoffzuftihrungsöffnung anordnen. Das i/asser kann gegebe-

^ nenfalls über einen die Rohrleitung 12 umgebenden Hohlraum ^ zugeführt werden. Im letzteren Falle kann das diesen Raum durch-

strömende Wasser zusätzlich als Kühlwasser verwendet werdn.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems wurden Versuche

durchgeführt, wobei das System zur Erzeugung von Wasserstoff

ORIGINAL INSPECTED

- 7 - 1A-

und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasgemischen durch die teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff benutzt wurde j man kann jedoch auch Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwenden? bei diesen Versuchen wurden sehr zufriedenstellende Ergenisse erzielt. Ferner hat es sich gezeigt, daß sich das System nach der Erfindung auch einwandfrei als mit hoher Intensität arbeitende Verbrennungsvorrichtung, d.h. für eine vollständige Verbrennung, betreiben läßt·

Nachstehend sind die Hauptabmessungen der bei den Versuchen benutzten Verbrennungsvorrichtung angegeben.

Innendurchmesser der Flammenkammer

Durihmesser des ringförmigen Brennstoffzuführungskanals

Länge der Plammenkammerwand Kegelwinkel des Brennstoffstrahls

Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung ist auch bei Siemens-Martin-Öfen zum Schmelzen von Stahl vorteilhaft verwendbar.

I	1	II
100 mm		27 mm
38 mm	mm	64 mm
22 biä 51 Fällen		in beiden
50°	50°

8 0 9808/000 2 OR₁GI_nAL₁NSPEOTED

Patentansprüche:

Claims

- 8 - 1A-24.46* PATENTANSPRÜCHE.

1. Verbrennungsvorrichtung für Kohlenwasserstoffbrennstoffe mit einer an eine Heiz- oder Reaktionskammer oder dergleichen anschließbaren becherförmigen Flammenkammer, deren Boden eine Öffnung zum Zuführen des Brennstoffs und eines Oxydationsmittels aufweist, gekennz eichnet durch die
Kombination einer aus Metall bestehenden Wasser gekühlten

Seitenwand, die ein zentral angeordnetes kreisrundes Umlenkorgan

> enthält, welches nahe dem offenen Ende der Flammenkammer endet und zwei konzentrische ringförmige Kühlkanäle abgrenzt, durch welche ein Kühlmittel zirkulieren kann, einer Brennerdüse mit einem kegelstumpfförmigen Ringkanal für den Brennstoff und
das Oxydationsmittel, wobei der Durchmesser der Flammenkammer größer ist als der Durchmesser am Auslaß des kegelstumpfförmigen Ringkanals, sowie eines aus Metall bestehenden flachen Bodens der Flammenkammer, der das in seiner Mitte angeordnete, durch eine ebene Stirnfläche begrenzte Ende der Brennerdüse umfaßt.

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Flammenkammer mindestens gleich dem 1,5-faohen und höchstens gleich
dem 6-fachen des Durchmessers am Auelaß des kegelstumpfför»

Q migen Ringkanals ist.

"-Ν.

3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruoh 1 oder 2, dadurch

oo >

° gekennzeichnet, daß die Länge der becherförmigen Q Q. Flammenkammer verstellbar ist.' tu

4. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 3$ dadurch · ■■ -α

gekennzeichnet, daß die Länge der Flammenkammer . B zwischen dem 0,1-fachen und dem 0,8-fachen des Flammenkammer-

- 9 - 1A-24 464

durchmessers verstellbar ist. 1401826

5. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere und/oder die innere Wand des kegelstumpfförmigen Ringkanals mit einer oder mehreren BrennstoffZuführungsöffnungen versehen ist.

6. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5<, dadurch gekennzeichnet , daß der Boden der becherförmigen Flammenkammer mit Y/asserzuführungsöffnungen versehen ist.

7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die innere oder die äußere Wand des kegelstumpfförmigen Ringkanals mit- v/asserzuführungsöffnungen versehen ist.

8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß sie mit einem Siemens-Martin-Ofen zum Schmelzen von Stahl kombiniert ist.

809808/0002