DE2935290A1

DE2935290A1 - Mit erwaermter pressluft betriebener brenner

Info

Publication number: DE2935290A1
Application number: DE19792935290
Authority: DE
Inventors: Horst M Glomm; Klaus E Sawatski
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1980-04-10
Also published as: US4257762A; EP0008842A1; EP0008842B1; DE2935290C2; JPS6029851B2; CA1132038A; JPS5535895A

Description

MIT ERWÄRMTER PRESSLUFT BETRIEBENER BRENNER

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Bauart.

Man verwendet solche Brenner zum Verarbeiten von Rohstoffen in chemischen Anlagen, wobei Abgase entstehen, die zwar noch einen verwendbaren Heizwert haben, aber nicht in Gasbrennern verwendet werden können, die nur für Brennstoffe mit begrenzten Eigenschaften bestimmt sind. Beträgt zum Beispiel der Heizwert der Abgase 200 btu/cf LHV (1,9-10⁶J) dann lassen sich diese Abgase nicht wirksam in Brennern verheizen, die für Metan oder Erdgas mit einem Heizwert von 910 btu/cf LHV (1,9-10⁶J)
bestimmt sind.

Man bemüht sich in erheblichem Umfange, solche Abgase zu verwenden, da sie bei verschiedenen Verfahren reichlich anfallen Mit den üblichen Brennern ist das aber nicht nur wegen des niedrigen Heizwertes sondern auch aus verschiedenen anderen Gründen nicht möglich. Darum kann man alle anfallenden Brenngase gewöhnlich nicht voll verwerten, was zu einer entsprechenden Verschwendung führt. Abgase mit einem sehr niedrigen Heizwert von beispielsweise 50 btu/cf (1,9-10 J) stellen aber eine nützliche Wärmeenergiequelle dar, wenn man sie verbrennen kann.

Im allgemeinen werden solche Abgase erst dann erzeugt, wenn das betreffende Verfahren in Gang gekommen ist. Bis dahin muß man ein gewöhnliches Brenngas , etwa Erdgas, als Wärmequelle verwenden, um das Verfahren in Gang zu bringen. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, daß die Gasbrenner, in

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denen ein Gasgemisch erzeugt wird, sich zum Betrieb entweder mit Erdgas oder mit Abgasen eignen. Das ist möglich, weil die zur Verbrennung erforderliche Luft dem Brenner als Preßluft zugeführt wird und für diese Zufuhr keine Gasenergie benötigt wird. Bekannte Brenner machen von der Brenngasenergie Gebrauch, indem das Brenngas mit hohem Druck (1 bar) ins Freie entweicht, um die Mischung mit der Brennluft herbeizuführen, wenn es sich um Brenner zum Abfackeln von Gasen ins Freie handelt, wobei die Gase selbst die Brennluft zuführen.

Haben die Abgase wegen ihres Gehalts an brennbaren Stoffen außer freiem Wasserstoff Heizwert, ist es von Vorteil, sie vor der Verbrennung mit einer bestimmten Menge von Luft zu vermischen und diese Mischung dem Brenner zuzuführen. Herrscht in den Gasen freier Wasserstoff vor, dann ist die vorherige Beimischung von Luft unerwünscht und gefährlich, weil dann die Flamme in den Brenner zurückschlagen und diesen ernstlich beschädigen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Brenneraggregat so auszugestalten, daß es magere Abgase bei niedrigem Druck mit einem so geringen Heizwert wie zum Beispiel 50 btu/cf mit Hilfe von erwärmter Preßluft verbrennen und die so gewonnene Wärme im Bedarfsfall durch Zusatz von Brenngas mit so hohem Heizwert wie 3500 btu/cf steigern kann oder auch den ganzen erforderlichen Wärmebedarf durch jedes dieser Brenngase allein decken kann.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil angegebene Ausgestaltung des Brenners gelöst;, den man durch eine Öffnung der aus feuerfesten Ziegeln bestehenden Wand des

Ofens in diesen einsetzen kann. Die erwärmte Preßluft zur Verbrennung wird also dem äußeren Ende des inneren Brennerrohrs unter Steuerung der Strömungsmenge zugeführt und fließt zum inneren

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Ende des Brennerrohrs, das sich zunehmend trichterförmig erweitert und außen verschlossen ist. Am geschlossenen Ende hat dieses Brenerrohr in seiner Außenwand einen herumgehenden Kranz von Längsschlitzen, durch welche die erwärmte Brennerluft radial nach außen in Richtung auf die aus Ziegeln bestehende Innenwand des Ofens fließt.

Durch eine radial in die Wandung des inneren Brennerrohrs eingesetzte Rohrleitung wird Gas von hohem Heizwert zugeführt. Diese Zuleitung hat einen oder mehrere Auslässe, die ungefähr in der Achse des inneren Brennerrohrs gelegen und stromabwärts gerichtet sind.

Das innere Brennerrohr ist gleichachsig von einem äußeren Brennerrohr etwas größeren Durchmessers umgeben, so daß ein Kanal von ringförmigem Querschnitt zwischen den Rohren gebildet ist. Dem äußeren Ende dieses Kanals wird das auf eine niedrige Temperatur erwärmte Abgas zugeführt und fließt durch den Kanal stromab und am anderen Ende am Umfang des äußeren Brennerrohrs durch einen Schlitz nach außen, der sich um das Brennerrohr herum erstreckt. Das Gas entzündet sich dort an der heißen aus Ziegeln bestehenden Ofenwand, die auf ihrer Innenseite gekrümmt trichterförmig profiliert oder mit einer Vertiefung versehen ist, die ein rechteckiges Profil hat und eine bestimmte Tiefe und einen bestimmten Radius aufweist.

Beim Auftreffen auf diese profilierte Ofenwandfläche mischt sich die erwärmte Preßluft mit dem mageren Abgas und erhitzt die Ofenfläche bei ihrer Verbrennung auf Rotglut, so daß die glühende Ofenwandfläche eine stetige Verbrennung unterstützt.

Das innere Brennerrohr weist auf seiner Außenfläche eine ringförmige Rippe auf, deren Höhe geringer bemessen ist als die radiale Weite des im Querschnitt ringförmigen Kanals. Bei

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seiner Strömung über diese Rippe hinweg wird das magere Gas gleichmäßig über den Umfang des Kanals verteilt.

Erfordert es die Zusammensetzung des mageren Gases, daß dieses mit der Preßluft vermischt wird, dann können in der Wandung des inneren Brennerrohrs 'Öffnungen vorgesehen sein, durch welche die Preßluft hindurchfließt und sich mit dem mageren Gas vermischt, bevor dieses aus dem Schlitz austritt, der im Umfang des äußeren Brennerrohrs vorgesehen ist. Enthält das magere Gas erhebliche Mengen von Wasserstoff, dann ist die vorherige Beimischung von Preßluft vor der Verbrennung unerwünscht. In diesem Falle werden die öffnungen fortgelassen. Anderenfalls kann bis zu 30 % Preßluft aus dem inneren Brennerrohr durch diese 'Öffnungen dem mageren Gas beigemischt werden, bevor dieses aus dem Auslaßschlitz austritt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachstehend im einzelnen erläutert werden wird, ist in den Zeichnungen dargestellt. In diesen zeigen

Fig. 1 einen Aufriß des Brenners,

Fig. 2 die Seitenansicht des Brenners in Richtung der Pfeile 2 dargestellt,

Fig. 3 den Längsschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4-^10 Einzelheiten des Brenners und

Fig. 11 die Einrichtung zum Verdichten und Vorwärmen der Brennluft für den Brenner.

Der Brenner 10 hat einzyl indrisches inneres Brennerrohr 12, das von einem äußeren Brennerrohr 22 umgeben ist. Dieses ist

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an seinem stromauf-gelegenen Ende verschlossen und bildet mit dem inneren Brennerrohr einen Ringkanal 49. Das magere Abgas wird dem Brenner durch eine Rohrleitung 24 in Richtung des Pfeils 28 zugeführt und fließt durch den Kanal 49 von ringförmigem Querschnitt hindurch. Die beiden Brennerrohre 12 und 22 werden von einem Flansch 30 getragen, der an der äußeren Stahl verkleidung 34 der Ofenwand 36 bei 32 angeschraubt ist. Die Ofenwand 36 besteht aus feuerfesten Ziegeln und ist mit einer mittleren Öffnung versehen, durch die der Brenner eingesetzt wird.

Die Brennluft wird durch eine Einlaßleitung 94 in Richtung des Pfeiles 98, Fig. 11, angesaugt und einem Verdichter 95 zugeführt, der die verdichtete Luft durch eine Auslaßrohrleitung 96 einer Einrichtung 97 zum Erwärmen der Brennluft zuführt. Bei dieser Einrichtung kann es sich um einen üblichen Wärmeaustauscher handeln, durch den Abwärme verwertet wird. Die erwärmte Preßluft mit einer Temperatur von mindestens 200°C fließt in das innere Brennerrohr 12 und durch dieses in den Ofen hinein.

Die Strömungsgeschwindigkeit der Preßluft wird durch ein Drosselventil 15 oder dergleichen gesteuert, Fig. 3, das auf einer Querwelle 14 des aus Eisenblech bestehenden Rohres 12 angeordnet ist. Stromab von diesem Drosselventil hat die Wandung des inneren Brennerrohrs 12 ein Loch,durch das eine Zuleitung 18 von kleinem Durchmesser hindurchgeht und bei eingeschweißt ist. Durch diese Zuleitung fließt ein Brenngas von hohem Heizwert in Richtung des Pfeiles 26 und tritt im Inneren des Brennerrohrs 12 aus dem Ende der Zuleitung 18 durch eins oder mehrere Löcher 44, 45 aus, die dicht an der Achse 76, Fig. 5, des Rohres 12 stromab gerichtet sind. Zu diesem Zweck reicht die an ihrem Ende bei 21 verschlossene Zuleitung 18 dreiviertel der lichten Weite des Rohres 12 in dieses hinein. Es kann mit einem einzigen Loch 44 oder vorzugs-

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weise mit einem Kranz solcher Löcher versehen sein, die so gebohrt sind, daß ihre Achsen auf einer Kegelfläche liegen In Fig. 5 zeigen die Pfeile, in welcher Richtung das Brenngas aus der Zuleitung 18 austritt. Die Pfeile können mit der Achse 76 einen Winkel von 30° gemäß Fig. 5 oder einen Winkel von 45° gemäß Fig. 7 einschließen. Der Zweck dieser Winkellage der Löcher 44, 45 ist es, das Brenngas gründlich mit der schnellen Preßluftströmung zu vermischen, in die die Zuleitung 18 hineinragt. Die Mischung 64, Fig. 3, fließt stromab durch das innere Brennerrohr und tritt in radialer Richtung durch einen Kranz von Längsschlitzen 72 aus, die um den Umfang der Wandung des trichterförmigen Endes 13 des Brennerrohrs 12 verteilt sind. Den Austritt der Mischung aus Preßluft und Gas zeigen die Pfeile 70 und 74. Diese Mischung trifft auf die Innenfläche 38 der Ofenwand 36 und fließt an dieser Innenwand entlang.

Soweit der Brenner bis hierher beschrieben ist, eignet er sich also zum Verbrennen des bei 26, Fig. 3, zugeführten hochwertigen Brenngases für sich allein oder ergänzt durch mageres Brenngas. Genügt aber für den Wärmebedarf die Wärmeerzeugung durch das magere Brenngas, dann kann die Zuführung des hochwertigen Brenngases entfallen. In diesem Falle unterbleibt die Beimischung zur Preßluft durch die 'Öffnung 34 und bei 64 fließt dann reine Preßluft ohne Brenngas zu den Längsschlitzen 72 und tritt dort mit einer Geschwindigkeit von mindestens 38 m je Sekunde in der Richtung 70, 74 aus. Dieser Luftstrom liefert den Sauerstoff für die Verbrennung der bei 59 austretenden mageren Brenngase. Infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich eine reichliche Wirbelbildung, die für die gründliche Mischung der Ströme 59 und 74 sorgt. Infolge dieser Wirbel bildung kommt die innere Ofenfläche 38 in innige Berührung mit den brennenden Gasen und wird durch diese bis auf Rotglut erwärmt. Durch die Wärme-

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strahlung, die von den glühenden Ziegeln im Bereich des Endes 13 des Brennerrohrs 12 ausgeht, wird die Wärmeübertragung erleichtert. Es geschieht dies für die ganze Dauer des Betriebes des Brenners, auch wenn dieser nur mit magerem Gas beschickt wird. Bekanntlich ist die Beimischung von fetten Brenngasen zu den mageren oder die Verbrennung fetter Brenngase allein von Vorteil und erwünscht.

Der das Ende 13 des inneren Brennerrohrs 12 verschließende Deckel 47 kann eben gestaltet sein. Vorzuziehen ist aber die Gestalt eines gleichachsigen Kegels, dessen Scheitel stromauf gerichtet ist, so daß der das Brennerrohr 12 durchfließende Strom 64 von Luft und Gas radial nach außen durch die Schlitze 12 im Sinne der Pfeile 70 und 74 gerichtet wird.

An einer stromauf vom Rohrende 13 gelegenen Stelle können in die Wandung des inneren Brennerrohrs 12 öffnungen 62 gebohrt werden, durch welche die Preßluft oder die unter Druck stehende Mischung von Luft und hochwertigem Brenngas 54 hindurchfließen kann und in den Kanal 49 von ringförmigem Querschnitt zwischen dem inneren Brennerrohr 12 und dem äußeren Brennerrohr 22 gelangt, der das innere Brennerrohr umgibt.

In seiner gleichachsigen Lage zum inneren Brennerrohr wird das äußere Brennerrohr 22 durch Abstandsstücke 50 gehalten, die einen radialen Abstand 51 gewährleisten. Ferner kann das innere Rohr 12 auf seiner Außenfläche eine schmale ringförmige Rippe 48 haben, deren Höhe so bemessen ist, daß sie einen Bruchteil des radialen Abstandes 51 beträgt. Zweck dieser Rippe ist es, das magere Brenngas gleichmäßig um den ganzen Umfang des Kanals 49 herum zu verteilen.

Der Kanal 49 ist stromab teilweise durch eine Ringscheibe 60 verschlossen, die an der Außenwand des inneren Brennerrohrs sitzt, aber vom äußeren Brennerrohr 22 einen Abstand 58 einhält

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und daher um den Umfang herum einen engen Spalt 56 offenläßt, durch den das magere Gas in Richtung der Pfeile 59 hindurchfließen kann, um über die Wandung 38 der Ofenmauer 36 zu streichen. Dem Ringkanal 49 wird das magere Gas durch die Rohrleitung 24 in Richtung des Pfeiles 28 zugeführt und fließt dann in Richtung der Pfeile 29 stromab durch den Kanal 49 und aus diesem heraus durch den Umfangsschlitz 56 in Richtung des Pfeiles 59.

Fig. 4 stellt einen Querschnitt längs der Schnittebene 4-4 der Fig. 3 dar und zeigt das innere Brennerrohr 12, das äußere Brennerrohr 22, den Kanal 49 von ringförmigem Querschnitt, die Abstandsstücke 50 und die Rippe 48.

Das magere Gas strömt also aus dem Schlitz 56 mit ziemlich hoher Geschwindigkeit und mindestens 15 m/je Sekunde längs der gewölbten Oberfläche 38 der Ofenwand. In diesen Strom des mageren Gases hinein fließt die erwärmte Preßluft in Richtung der Pfeile 70 und 74, so daß eine schnelle Mischung und Verbrennung an der Fläche 38 stattfindet. Das Ziegelmauerwerk der Ofenwand wird dadurch sehr heiß und erleichtert durch seine Wärmestrahlung das Aufrechterhalten der Verbrennung des mit der Luft vermischten mageren Gases.

Im unteren Teil der Fig. 3 ist eine rechteckig profilierte Vertiefung der Ofenwand dargestellt. Diese Vertiefung hat einen Boden 61 und eine äußere Umfangsflache 62. Bei dieser Profilierung der Ofenwand ergibt sich die Möglichkeit, daß in einem gewissen Bereich eine ruhige Verbrennung stattfindet und die Flamme dort leichter ruhig gehalten v/erden kann. Man kann auch abwechselnd oder in Kombination der Ofenwandung beide Profilgestalten und 61, 62 geben.

Ein Beispiel dafür zeigt Fig. 8, die den Schnitt nach der Linie 8-8 der Fig. 3 wiedergibt. Man sieht also dabei in das innere Ende 13 des Brennerrohres hinein und erkennt die

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Ringscheibe 60. Die Oberfläche 37 der Ofenwand ist ringsherum in einzelne Segmente unterteilt die abwechselnd das rechteckige Profil 61, 62 und das gewölbte Profil 38 haben. Die beiden Profilgestalten sind also dabei miteinander vereinigt.

In den Fig. 9 und 10, welche die Schnitte nach den Linien 9-9 und 10-10 der Fig. 8 zeigen, erkennt man Einzelheiten. Sind acht getrennte Paare von Segmenten mit dem Profil 38 und Segmenten mit dem Profil 61, 62 vorgesehen, dann kann sich die Zahl der Schlitze 72 auf acht bis sechzehn belaufen, damit sich am inneren Ende des Brennerrohrs die gewünschte Gasströmung 70, 74 für jedes Segment ergibt.

Bei einer bewährten Ausführungsform dieses Brenners beträgt die lichte Weite des inneren Brennerrohrs 100 mm und seine Wandstärke 6 mm. Die lichte Weite des äußeren Brennerrohrs kann 150 mm betragen. Dann erhält der Kanal 49 von ringförmigem Querschnitt eine Weite von etwa 19 mm und die Rippe 48 eine Höhe von 16 mm.

Der beschriebene Brenner eignet sich für magere Brenngase, die mit einem Druck von 50 mm Pa zur Verfügung stehen. Um die gewünschte Wärmeleistung aufrechtzuerhalten und das Abgas wirksam zu verbrennen, kann es erwünscht sein, das fette Gas mit einem Druck von etwa 1 bar mit der auf 200° C erwärmten Preßluft zu vermischen, die so hochgespannt ist, daß die Strömung beim Austritt aus den Schlitzen 72 eine Geschwindigkeit von etwa 45 m/je Sekunde hat. Bei Verwendung des fetten Gases ergibt sich eine stetige Flamme, welche die vollständige Verbrennung der Abgase von niedrigem Heizwert gewährleistet. Auch macht es der Zusatz des fetten Gases möglich, die Wärmeleistung von Brennstoffen dem Wärmebedarf des Ofens in der erforderlichen Weise anzupassen.

Damit ist die Erfindung in allen Einzelheiten beschrieben,

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doch ist es klar, daß die Einzelheiten in mannigfacher Weise abgewandelt werden können und daß sich die Anordnung der einzelnen Elemente abändern läßt, ohne daß dadurch vom Wesen der Erfindung abgewichen würde. Es versteht sich, daß die Erfindung keineswegs auf die beschriebenen Beispiele beschränkt ist, die nur der Erläuterung nicht aber der Beschränkung des Schutzumfanges dienen, der sich aus den Patentansprüchen ergibt und auch im vollen Bereich Äquivalente umfaßt.

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■ι 'Κ Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

f \J Mit erwärmter Preßluft betriebener Brenner für verschiedene Brenngase, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a.) ein in eine öffnung (23) der Offenwand (34) eingesetztes von dieser getragenes inneres Brennerrohr (12) ist mit seinem stromauf gelegenen Ende an eine Preßluftquelle (95, 97) angeschlossen, die vorerwärmte Preßluft von bestimmter Temperatur und bestimmtem Druck in das innere Brennerrohr (12) bläst;

b.) am abwärtsgelegenen Ende ist das innere Brennerrohr (12) verschlossen und mit einem Kranz von Längsschlitzen (72) versehen;

c.) ein äußeres Brennerrohr (22) umgibt das innere (12) und bildet mit ihm einen Kanal (49) von ringförmigem Querschnitt, der mit seinem einen Ende an eine Quelle (24) von Heizgas niedrigen Drucks und geringen Heizwerts angeschlossen ist und am anderen Ende einen sich um den Umfang herumerstreckenden Schlitz (56) für das Gas hat, das sich dort unter

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Bayerische Vereinsbank Mönchen,Kto.-Nr.882495 (BLZ 70020270) · Deutsche Bank Mönchen,Kto.-Nr.82/08050 PLZ 70070010)

Postscheckamt München, Kto.-Nr. 163397-802 (BLZ 70010080)

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heftiger Wirbelbildung mit der vorerwärmten Preßluft mischt, die aus den Längsschlitzen austritt und die vollständige Verbrennung des Gases von niedrigem Heizwert an dem Umfangsschl itz (56) unterstützt.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im inneren Brennerrohr (12) im Abstand von dem stromauf" gelegenen Ende eine Zuleitung (18) für ein unter bestimmtem ₍ Druck stehendes Gas von hohem Heizwert mit einem stromab- \ gerichteten und axial angeordneten Auslaß (44, 45) mündet, so daß der Brenner das niedriggespannte Gas von geringem Heizwert und das hochgespannte Gas von hohem Heizwert in unterschiedlichem Verhältnis verbrennen kann.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des inneren Brennerrohrs (12) mindestens eine öffnung

(52) hat, die in den Kanal (49) von ringförmigem Querschnitt ) mündet und eine bestimmte Menge der Preßluft hindurchfließen laßt, die sich mit dem Gas geringen Heizwerts vermischt, bevor dieses durch den Umfangsschlitz (56) austritt.
4. Brenner.nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des inneren Brennerrohrs (12) einen um ihren Umfang verteilten Kranz von öffnungen (52) hat.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Brennerrohr (12) an seinem Ende trichterförmig erweitert ist.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der das innere Brennerrohr (12) am stromab-gelegenen Ende verschließende Deckel (67) die Gestalt eines gleichachsigen Kegels (66) hat, dessen Scheitel stromauf gerichtet ist.

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7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem im Querschnitt ringförmigen Kanal (49) Abstandsstücke (50) befinden., die das innere Brennerrohr (12) im äußeren Brennerrohr (22) zentrieren.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Brennerrohr (12) von einer auf seiner Außenfläche sitzenden Rippe (48) umgeben ist, deren Höhe einen bestimmten Bruchteil der radialen Weite des ringförmigen Kanals (49) beträgt.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (97) zum Erwärmen der Verbrennungsluft auf eine bestimmte Temperatur.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Verdichter (95) der die Brennluft auf einen bestimmten Druck verdichtet.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (15) zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit der Brennluft.

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