DE2043808C2

DE2043808C2 - Verbrennungsvorrichtung zum Betrieb mit Heizgas

Info

Publication number: DE2043808C2
Application number: DE2043808A
Authority: DE
Inventors: Leonard Percy Wokingham Berkshire Bagge; Robert William Farnham Surrey Kear
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1969-09-05
Filing date: 1970-09-03
Publication date: 1983-08-18
Also published as: US3663153A; BE755352A; FR2060894A5; DE2043808A1; GB1273364A; NL7013039A; SE362487B

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung zum Betrieb mit Heizgas, z. B. Erdgas, Insbesondere zur Verwendung in einem Industrieofen, mit einer rota-.tlonssymmetrlschen stromab offenen Brennkammer, In .vdie stromauf ein koaxialer Brenner gerichtet; ist, der einen zentralen Ringkanal für die Zuführung von Primärluft, einen diesen umschließenden mittleren Ringkanal für die Zuführung des Heizgases und um letzteren einen äußeren Ringkanal für die Zuführung von Sekundärluft aufweist, wobei ein gemeinsamer Lufteinlaß für die Primärluft und die Sekundärluft vorgesehen Ist.

Eine derartige Verbrennungsvorrichtung ist bereits bekannt (DE-GM 19 94 034). Dabei werden die Primärluft axial und das Heizgas durch geneigt ausgerichtete Düsen in das stromaufwärts gelegene Ende der Brennkammer eingeleitet, während die Sekundärluft durch über die Länge der Brennkammer verteilte radiale Öffnungen zugeführt wird. Dabei sind keine Maßnahmen vorgesehen, um die Sekundärluft mit einer von der Primärluft unterschiedlichen Geschwindigkeit einzuleiten.

Ferner wird bei der bekannten Vorrichtung die insgesamt zugeführte Verbrennungsluft aufgrund der vorgegebenen Strömungsquerschnitte mit festen Anteilen in Primärluft und in Sekundärluft aufgeteilt. Eine Veränderung dsr Gesamtmenge an Verbrennungsluft führt zu im wesentli-

••5 chen proportionalen Mengenänderungen bei der Primärluft und der Sekundärluft. Daher lassen sich mit der bekannten Verbrennungsvorrichtung optimale Verbrennungsbedingungen nicht oder nur innerhalb eines begrenzten Betriebsbereichs erzielen, zumal die in der Brennkammer gebildeten Verbrennungsgase im nachgeschalteten Ofen mit einem größeren Heizgas- und Verbrennungbiuubirüiii zusammengeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß die richtige Aufteilung und Verteilung des Oxidiermittels (Luft) sowie die innige und abgestufte Mischung mit dem Heizgas eine Voraussetzung dafür ist, eine bestimmte Strömung des Gases zu erreichen und eine vollständige Verbrennung zu erzielen.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Verbrennungsvorrichtung so auszubilden, daß in einem weiten Betriebsbereich eine stabile und vollständige Verbrennung erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß der zentrale Ringkana! für die Primärluft und der mittlere Ringkanal für das Heizgas in den Boden einer Flammenkammer münden, die zur Brennkammer hin offen ist und vom äußeren stromauf in die Brennkammer mündenden Ringkanal für die Sekundärluft mit umschlossen ist, daß im äußeren Ringkanal eine verstellbare Stauplatte zur mengenmäßigen Einstellung des

■to Sekundärluftstroms und einj Vorrichtung zum Herabsetzen der Geschwindigkeit des Sekundärluftstroms gegenüber dem Primärluftstrom vorgesehen sind.

Bei einem Zerstäubungsbrenner für Schweröl ist es allerdings bereits bekannt, Primärluft mit vollem Druck

« und demzufolge hoher Geschwindigkeit in den Feuerraum einzuleiten, während Sekundärluft durch Regelklappen und unier Drall mit geringerer Geschwindigkeit zugegeben wird und bei Teillast ganz abgeschaltet wird (»Öl + Gas« 6/65. Seiten 15 bis 19). Abgesehen von der im Vergleich zur Primärluft herabgesetzten Einleitgeschwindigkeit der Sekundärluft ist der bekannte Brenner abweichend ausgebildet und auch nicht mit einer uestimmten Brennkammer kombiniert und nicht für die Verbrennung von Heizgas vorgesehen, so daß auch die vorteilhaften Ergebnisse der vorliegenden Erfindung von vornherein ausscheiden.

Es konnte festgestellt werden, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Verbrennungsvorgang den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden kann, ohne daß auf eine vollständige Verbrennung mit stabilen Verhältnissen und geeigneter Flammenform verzichtet wer» -.den muß. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung in besonderem Maße für eine Industrielle Verwendung, z. B. In Stahlwerken, geeignet.

Ein typisches Anwendungsbeispiel sind metallurgische Öfen, beispielsweise Kupolöfen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Vorrichtung Im äußeren Ringkanal zur Herabsetzung der

Geschwindigkeit des Sekundärluftstroms von einer ringförmigen Expansionskammer hinter der Stauplatte gebildet. Eine solche Vorrichtung ist einfach, wirksam und unanfällig für Störungen.

Ferner hat es sich bewährt, im äußeren Ringkanal stromab von der Expansionskammer eine Verteilerplatte anzuordnen. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Eintrittsströmung der Sekundärluft in die Brennkammer gewährleistet.

weise an ein Gebläse angeschlossen, welche Druckluft mit einem Druck bis zu 1,1 bar liefern kann.

Die Verbrennungsluft kann vorgewärmt werden, z. B. auf rekupeidtivem Wege mittels des Abfallgases des Heizprozesses, für welchen der Brenner und die Brennkammer eingesetzt werden (beispielsweise ein Kupolofen).

Alternativ kann eine rekuperative Vorwärmung auch innerhalb der Brennvorrichtung selber stattfinden. Die

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung erweitern sich io Luft kann durch Kanäle in der feuerfesten Auskleidung die Mündungsenden des zentralen Ringkanals für die
Primärluft und des mittleren Ringkanals für das Heizgas
in Strömungsrichtung kegelförmig. Mit dieser Maßnahme können die Strömungs- und Mischungsverhältnisse in der Flammenkammer günstig beeinflußt werden.
Ferner hat sich eii.e Ausführungsform als zweckmäßig
herausgestellt, bei welcher dtr Querschnitt des zentralen
Ringkanals für die Primärluft durch axiale Verschiebung
eines zentralen Hohlkörpers veränderbar ist. der die
Innenumfangswand des zentralen Ringkanals bildet und 20 den Brenner eintritt. Es genügt die Anwendung eines an seinem hinteren Ende kegelförmig gestaltet ist In die- Teiles dieses Luftweges, wenn lediglich eine Vorwärmung im bescheideneren Ausmaß eri«.derlich ist.

Die Primärluft wird über einen Ringkat.al 8 zugeführt, mit welchem der Auslaß 5 der Primärluft-Zuführung in Verbindung steht. Sekundärluft wird über einen Ri-gkanal 9 zugeführt. Innerhalb dieses Kanales ist eine Stauplatte iO vorgesehen, welche einen vorbestimmten Durchlaß für die Sekundärluft freiläßt. Die Weite dieses

der Brennkammer hindurchgeleitet werden oder einen äußeren, mit der Auskleidung in Berührung stehenden Mantel bilden, wodurch deren Standzeit verlängert werden kann. Anschließend kann die Luft durch einen die Stirnwand der Brennkammer bildenden Kanal, welcher auch an die feuerfeste Auskleidung angrenzen kann, und über die äußere Verkleidung des Brenners, welche die Wärme der Flamme und Strahlungswärme von der Brennkammer erhält, geleitet werden, bevor sie hinten in

Durchlasses legt den Anteil der Verbrennungsluft fest.

Faüe dient der zentrale Hohlkörper nicht nur der vorgenannten Austrittsströmung in die Flap-menkammer, darüber hinaus kann auf einfache Weise zugleich die eingeleitete Primärluftmenge gesteuert werden.

Um die Flammenform während des Betriebes in
gewünschter Weise einstellen zu können, kann zweckmäßigerweise der Boden der Flammenkammer axial
gegenüber ihrem offenen Ende verstellbar sein. Dadurch
kann auch über eine Anpassung der Flammenform den 30 welcher als Sekundärluft zugeführt wird. Bei der gezeig jeweiligen Betriebsbedingungen Rechnung getragen wer- ten Austuhrungsform ist unmittelbar stromabwärts von den. Allerdings ist es bereits bekannt, bei einer Verbren- der Stauplatte 10 eine Expansionskammer 11 vorgesehen, nungsvorrichtung den zentralen Boden der Flammen- welche die Geschwindigkeit des Sekundärluftstromes im kammer in die das brennbare Gemisch sich kegelförmig Betrieb herabsetzt. Eine gelochte Verteilerplatte 12 stellt erweiternd austritt, axial in Richtung auf das offene Ende 35 eine richtige Verteilung des Luftstromes im Sekundärder Flammenkammer verstellbar zu machen (GBPS Luft-Auslaß 6 stromabwärts der Verteilerplatte 12 sicher.

Das Heizgas wird über einen Einlaß 13 zugeführt, welcher mit einer Gaskammer 14 in Verbindung steht. An diese Gaskammer ist über zwei Gas-Zufuhrrohre 15 eine Expansionskammer in Form eines Ringkanals 16 angeschlossen, der mit dem Gas-AuslaS 4 in Verbindung steh' In der Expansionskammer sind Verwirbelungsvorrichtunger 17 vorgesehen.

Die Weite der Primärluft-Zuführung kann im Betrieb

"Fig". 2 einen vereinfacht dargestellten Längsschnitt «verändert werden. Dazu ist ein zentraler, länglicher durch einen Teil einer alternativen Ausführungsform. Hohlkörper 18 vorgesehen, dessen konisch bzw. k-ägelför-

Die in Fig 1 gezeigte Brennvorrii-htung umfaßt eine mig gestaltetes stromabwärts gelegenes Ende die innere Brennkammer 1 und einen Brenner 2. Am Brenner 2 ist Seitenwand des Kanales für die Primärluft bildet. Durch eine Flammenkammer 3 vorgesehen, weiche an ihrem eine axiale Verschiebung des Hohlkörpers beispielsweise offenen, stromabwärts gelegenen Ende mit der Brenn- ⁵⁰ in Richtung nach hinten wird der Luft-Auslaß 5 verengt.

10 55 584).

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen vereinfacht dargestellten Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Brennvorrichtung nach der Erfindung,

kammer 2 in Verbindung steht. Der Boden der Flammenkammer 3 umfaßt eine ringförmige Öffnung bzw. einen ringförmigen Auslaß 4 einer Gas-Zuführung, welcher einen ringförmigen Auslaß 5 für Primärluft umgibt wodurch die Primärluft beschleunigt und entsprechend die innige Mischung der Gase gefördert wird

Die Seitenwand der Flammtnkammer 3 ist mittels Einstellbolzen 19 relativ zum Boden der Flammenkam-

Der Gas-Auslaß und der Luft-Auslaß sind jeweils am ⁵⁵ mcr axial verschiebbar. Dies bedeutet, daß die effektive

stromabwärts gelegenen Ende eines ringförmigen Kana les für die Zufuhr von Luft ausgebildet. Jeder der beiden Kanäle erweitert sich zum stromabwärts gelegenen Ende hin konisch. Die Weite der beiden Kanäle kann jeweils konstant sein, jedoch auch zum Auslaß hin kleiner werden, so daß im Betrieb jeder Gasstrom beschleunigt wird. ;Bei der vorliegenden Ausführungsform wird deriQuer- «fschnltt des Gas-Kanales zum Auslaß;hin kleiner(iwährend der Kanal für die Primärluft konstanten Querschnitt bei einstellbarer Weite hat.

Der Brenner 2 ist mit einem gemeinsamen Luft-Einlaß 7 für die Primär- und Sekundärluft versehen. Der Luft-Einlaß Ist an eine nicht gezeigte Luft-Quelle, beisplels-Länge der Flammenkammer einstellbar Is', und zwar vorzugsweise zwischen dem 0.1- und dem O.Sfachen ihres Durchmessers. Dadurch kann die Flamme in ihrer Gestalt willkürlich beeinflußt und von einer kurzen, weitwinkligen und -chirmförmlgen Flamme in eine toro-Idische, verwirbelte Flamme und auch in eine noch längere Flamme verändert werden.

Vl Die; Verbrennung wird innerhalb der Brennkammer zu Ende geführt. Um optimale Verbrennungsbedingungen sicherzustellen, ist innerhalb der Brennkammer eine Mischstelle In Forrr. einer Verengung 20 vorgesehen, welche als Hindernis wirkt, an welchem ein Teil der heißen Gase zurückgelenkt wird, was eine gleichmäßige

Wärmeverteilung Innerhalb der Brennkammer sicherstellt.

Da in der Brennkammer Temperaturen von 1800⁰C und höher auftreten können, ist die ein Metallgehäuse 21 aufweisende Brennkammer mit einer feuerfesten Auskleidung 22 versehen. Zwischen dem Gehäuse 21 und der Auskleidung 22 kann eine Faserstoffisolation 23 vorgesehen sein.

Am stromabwärts gelegenen, vom Brenner 2 entfernten Ende der Brennkammer kann eine durch eine Verengung gebildete Auslaßdüse 26 vorgesehen sein. Die Düse bzw. die Verengung führt zu einer Beschleunigung der heißen, ausströmenden Gase auf eine hohe Geschwindigkeit, wodurch eine besonders schnelle Erhitzung durch Konvektion von beispielsweise Stahlbarren vor dem Schmieden und/oder ein tiefes Eindringen der austretenden Gase in einen Ofen oder Schacht erzielbar ist.

Bei der in Flg. 2 gezeigten Ausführungsform ist ein Abschnitt 24 der Außenwand des Kanales für die Sekundärluft kegelförmig geformt. Dadurch kann die Menge der Sekundärluft durch axiale Verschiebung der Stauplatte 1Ü gesteuert werden. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird der ringförmige, mit A bezeichnete Durchlaß kleiner, wenn die Stauplatte nach vorne bewegt wird, so daß entsprechend auch die Menge der Sekundärluft abnimmt. Damit die Menge dei· Sekundärluft unabhängig eingestellt werden kann, sind Einstellbolzen 25 für die Staupfatte 10 vorgesehen. Der kegelförmige Abschnitt 24 kann sich alternativ auch zum stromabwärts gelegenen Ende hin erweitern. In diesem Fall entspricht der End^ stellung der Stauplatte am vorderen Ende eine maximale Zufuhr von Sekundärluft.

Im Betrieb variiert das Verhältnis zwischen Sekundär- und Primärluft normalerweise zwischen 3:1 und 2: 1 unter der Voraussetzung, daß keine Nebenluft aus der Umgebung in den Verbrennungsraum hineingelangen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbrennungsvorrichtung zum Betrieb mit Heizgas, z. B. Erdgas, insbesondere zur Verwendung in einem Industrieofen, mit einer rotationssymmetrischen stromab offenen Brennkammer, in die stromauf ein koaxialer Brenner gerichtet ist, der einen zentralen Ringkanal für die Zuführung von Primärluft, einen diesen umschließenden mittleren Ringkanal für die Zuführung des Heizgases und um letzteren einen äußeren Ringkanal für die Zuführung von Sekundärluft aufweist, wobei ein gemeinsamer Lufteinlaß für die Primärluft und die Sekundärluft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Ringkanal (5, 8) für die Primärluft und der mittlere Ringkanal (4, 16) für das Heizgas in den Boden einer Flammenkammer (3) münden, die zur Brennkammer (1) hin offen ist und vom äußeren stromauf in die Brennkammer (1) mündenden Ringkanal (6, 9) für die Sekundär? ν ft mit umschlossen ist, daß im äußeren Ringkanal (6, 9) eine verstellbare Staupiatte (iO) zur mengenmäßigen Einstellung des Sekundärluftstroms und eine Vorrichtung zum Herabsetzen der Geschwindigkeit des Sekundärluftstroms gegenüber dem Primärluftstrom vorgesehen sind.

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung im äußeren Ringkanal (6, 9) von einer ringförmigen Expansionskammer (11) hinter der Stauplaue (10) gebildet ist.

3. Verbreiniungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da? im äußeren Ringkanal (6, 9) stromab von der Expansionskammer (11) eine Verteilerplatte (12) angeoidnet ' t.

4. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsenden (4 und 5) des zentralen Ringkanals (5, 8) für die Primärluft und des mittleren Ringkanals (4, 16) für das Heizgas sich in Strömungsrichtung kegelförmig erweitern.

5. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des zentralen Ringkanals (5, 8) für die Primärluft durch axiale Verschiebung eines zentralen Hohlkörpers (18) veränderbar ist. der die Innenumfangswand des zentralen Ringkanals (5, 8) bildet und an seinem hinteren Ende kegelförmig gestaltet ist.

6. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Flammenkammer (3) axial gegenüber ihrem offenen Ende verstellbar ist.