DE4231866A1 - Brenner und verfahren zum verbrennen von gas mit niedrigem brennwert - Google Patents
Brenner und verfahren zum verbrennen von gas mit niedrigem brennwertInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner sowie ein Verfahren
zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert und im besonderen
auf einen Brenner und ein Verfahren zum Verbrennen von Gas, dessen
spezifischer Brennwert niedriger ist als etwa 800 kcal/Nm3.
Eine Vielzahl unterschiedlicher Nebenproduktgase kommen von
petrochemischen Anlagen, Erdölraffinerien und Hammerwerken. Von
diesen Gasen werden solche mit einem hohen spezifischen Brennwert
als Wärmequelle für das Heizen von Ofen und Kesseln eingesetzt,
aber solche mit niedrigem spezifischem Brennwert, der unterhalb
800 kcal/Nm3 liegt, führen zu Schwierigkeiten bei der Verbrennung.
In der Realität verbrennen Gase, die einen spezifischen Brennwert
von weniger als 600 kcal/Nm3 besitzen, nicht kontinuierlich, da
sie die theoretische Verbrennungstemperatur nicht aufrechtzuer
halten vermögen, auch wenn sie bis oberhalb ihres Zündpunktes
erhitzt werden.
Aus diesem Grund werden die Nebenproduktgase mit niedrigem Brenn
wert verbrannt, nachdem sie mit einem Gas mit einem hohen spezifi
schen Brennwert (wie etwa Butan, Erdgas und Hochofengas) ver
mischt wurden, um hierdurch den spezifischen Brennwert auf
mindestens 800 kcal/Nm3 anzuheben, oder sie werden zusammen mit
einem Gas mit hohem spezifischen Brennwert, Öl oder Cherosil trotz
des wirtschaftlichen Nachteils verbrannt. Alternativ werden sie
zusammen mit einem Gas von hohem Brennwert in der Atmosphäre
über ein Fackelrohr verbrannt.
Es gibt ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brenn
wert mit Hilfe eines Brenners, der mit einer Wärmeaustauschfunktion
versehen ist und das Verbrennungsgas zur Brenngasvorheizung einsetzt.
Bei einem weiteren Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem
Brennwert wird sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft verwandt.
Es gibt drei Verfahren zum Verbrennen eines Gases mit niedrigem
Brennwert. Das erste verwendet einen Brenner mit einer Wärmeaus
tauschfunktion unter Vorheizen des Verbrennungsgases mit dem Abgas.
Das zweite nutzt sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft aus. Das
dritte umfaßt das Mischen mit einem Gas mit hohem spezifischem Brenn
wert und das Vorheizen von Verbrennungsluft und/oder Brenngas (wie
etwa in Wärmeöfen für Hochöfen).
Das Verbrennen von Gas mit niedrigem spezifischem Brennwert zusammen
mit einem Gas mit hohem Brennwert (wie etwa Butan, Erdgas und Koks
ofengas) oder mit Hilfe von sauerstoffangereicherter Verbrennungs
luft ist nicht nur unwirtschaftlich, sondern auch nicht erstrebens
wert aus Gründen der Material- und Energieeinsparung. Außerdem for
dert das Verbrennen eines Gases mit niedrigem Brennwert mit Hilfe
eines Brenners, der eine Wärmeaustauschfunktion besitzt, eine
Wärmequelle zum Vorheizen und einen komplizierten Aufbau für den
Wärmeaustausch.
Um die vorgenannten Probleme zu lösen, ist bereits eine Vorrichtung
zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert vorgeschlagen worden,
die Gegenstand der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 30 609/1990
ist.
Weitere Nachforschungen führten zur Entwicklung eines neuen Brenners
und eines Verfahrens zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert
ohne das Erfordernis, dieses mit einem Gas von hohem Brennwert zu
vermischen.
Es liegt dementsprechend der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Brenner und ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brenn
wert zur Verfügung zu stellen, durch welche es gelingt, dieses Gas
in einer ökonomischen Weise einwandfrei zu verbrennen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erdfindung durch die in den
Ansprüchen angegebenen Merkmale.
Gemäß der Erfindung umfaßt der Brenner zum Verbrennen von Gas mit
niedrigem Brennwert eine Brennkammer, einen Drosseleinbau mit einer
Mehrzahl von hierin ausgebildeten Düsen, der in der Brennkammer an
geordnet ist, sowie eine Mischkammer, in welcher sich eine Mehrzahl
perforierter Düsen befindet, die jeweils in ihrer Wandung eine Mehr
zahl von Löchern aufweisen, wobei die Mischkammer auf der stromauf
wärtigen Seite des Drosseleinbaus angeordnet ist.
Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit
niedrigem Brennwert unter Einsatz des zuvor definierten Brenners,
wobei man nach dem Verfahren entweder Verbrennungsluft oder das Gas
mit niedrigem Brennwert in die Mischkammer einführt, den verbleiben
den Teil in die Mischkammer durch die perforierten Düsen derart ein
leitet, daß er in Radialrichtung einer hohen Geschwindigkeit durch
die Löcher injiziert wird, um ein Mischen der beiden Bestandteile
in der Mischkammer zu vollziehen, worauf man das gemischte Gas in
die Brennkammer durch die Düsen des Drosseleinbaues injiziert.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:
Fig. 1a einen Schnitt durch den Brenner gemäß der Erfindung,
Fig. 1b einen Schnitt entlang der Schnittlinie X-X der Fig. 1a,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine perforierte Düse gemäß der Er
findung in größerem Maßstab und schematischer Darstellung,
Fig. 3a die Draufsicht auf den erfindungsgemäß verwendeten Drossel
einbau,
Fig. 3b einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Drossel
einbau,
Fig. 3c eine schematische Darstellung des Teiles Y in Fig. 3b
in größerem Maßstab und
Fig. 4 eine grafische Darstellung des Bereiches des unterren Heiz
wertes, der erreichbar ist durch ein Gas mit niedrigem
Brennwert, wobei die Abszisse den unteren Heizwert re
präsentiert, die Ordinate das Verhältnis der Menge der
Wärmezufuhr durch den Pilotbrenner zur Gesamtmenge der
Wärmezufuhr durch den Brenner.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
Der erfindugnsgemäße Brenner ist in den Fig. 1a (Schnittdarstellung)
und 1b (Schnitt entlang der Schnittlinie X-X der Fig. 1a) wiederge
geben.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 umfaßt der Brenner einen
Drosseleinbau 1 mit einer Mehrzahl hierin ausgebildeter Düsen 2.
Er wird von einem Metallzylinder 3 abgestützt und befindet sich in
einer Brennkammer 5, die innerhalb einer Ofenwandung 4 eines Hoch
ofens angeordnet ist. Der Metallzylinder 3 ist mit einer Flammsperre
6 versehen.
Außerdem ist in Fig. 6 ein zylindrischer Brennner 7 wiedergegeben,
der eine Mischkammer 8 sowie eine Beschickungskammer 9 umfaßt. Das
Ende der Mischkammer 8 steht mit dem Metallzylinder 3 in Verbindung
und ist an der äußeren Oberfläche der Ofenwandung 4 des Hochofens
befestigt. Zwischen der Mischkammer 8 und der Beschickungskammer 9
befindet sich eine Unterteilung 10, deren Durchmesser größer ist
als derjenige des Brenmners 7. Die Unterteilung 10 ist am oberen
Ende der Beschickungskammer 9 befestigt und am Flansch 11 der Misch
kammer 8 angeschraubt. Die Unterteilung ist mit 9 perforierten Düsen
13 versehen, die jeweils eine Mehrzahl von Löchern 12 tragen, die
am vorwärtigen Ende in der Wandung ausgebildet sind. Die Misch
kammer 8 besitzt einen Einlaß 14 und die Beschickungskammer 9 ist
mit einem Einlaß 15 versehen. Weiterhin ist ein Thermoelement 16
wiedergegeben, um ein Zurückschlagen der Flamme zu ermitteln und
weiterhin eine wassergekühlte Zone 17 (die einen Teil der Mischkammer
8 bildet), welche ein Zurückschlagen der Flamme ungefährlich macht,
auch wenn dies eintreten sollte.
Der in der beschriebenen Weise aufgebaute Brenner arbeitet in der
folgenden Weise zur Verbrennung eines Gases mit niedrigem Brennwert
A mit Verbrennungsluft B.
Im allgemeinen benötigt ein Gas A mit niedrigem Brennwert eine ge
ringere Menge an Verbrennungsluft als dessen Volumen für eine voll
ständige Verbrennung. Dementsprechend ist es erstrebenswert, daß
die Verbrennungsluft B mit einer hohen Geschwindigkeit durch die
perforierten Düsen 13 eingeführt wird. Mit anderen Worten sollte
die Verbrennungsluft B (die einen geringeren Teil ausmacht) unter
Druck stehen und in die Mischkammer A injiziert werden, die mit
einem Gas A von niedrigem Brennwert (die den größeren Teil ausmacht)
gefüllt ist. Dies spart elektrische Energie für das Unterdrucksetzen
ein und trägt zu einem gleichförmigen Vermischen bei. Ein weiterer
Vorteil des Injizierens der Verbrennungsluft B durch die perforierten
Düsen 13 liegt darin, daß es hierdurch ausgeschlossen ist, daß die
Löcher sich mit Teer und anderen Verunreinigungen zusetzen, die in
dem Gas (oder Nebenprodukt Gas) mit niedrigem Brennwert enthalten sind.
Die Injektion der Verbrennungsluft B erfolgt in Radialrichtung
aus den Löchern 12 am vorwärtigen Ende der perforierten Düsen 13
entsprechend der Darstellung in Fig. 2. Die injizierte Verbrennungs
luft B trifft jeweils in rechtem Winkel auf dem Strom des Gases A
mit niedrigem Brennwert, welches in die Mischkammer 8 über den
Einlaß 14 eingeführt wurde. Jede perforierte Düse 13 besitzt 12
Löcher 12, die im Zickzack in zwei Reihen angeordnet sind, um den
mikroskopischen Mischvorgang zu unterstützen. Die Strömungsgeschwin
digkeit der Verbrennungsluft B, die durch die Löcher 12 injiziert
wird, sollte größer sein als etwa 30 m/s, um einen turbulenten
Mischvorgang mit dem Gas A niedrigen Brennwertes sicherzustellen.
Der rapide Mischvorgang der Verbrennungsluft B mit dem Gas A nied
rigen Brennwerts innerhalb der Mischkammer 8 führt zu einem idealen
Vormischgas C, in welchem jedes Molekül des Gases A niedrigen Brenn
werts gleichförmig umgeben ist von Verbrennungsluft B. Dann wird
das Vormischgas C in den Drosseleinbau 1 durch die Flammsperre 6
eingeführt.
Der Drosseleinbau 1 besteht aus einem gießbaren hitzebeständigen
Material, so daß er in der Lage ist, hohen Temperaturen zu wider
stehen und zu verhindern, daß die Mischkammer 8 sich erhitzt auf
grund der geringen thermischen Leitfähigkeit. Es ist von Bedeutung,
daß die Verbrennung des Gases A niedrigen Brennwertes durch eine
stabile Flamme erfolgt. Dies wird erreicht durch den wärmefesten
Drosseleinbau 1 gemäß der Erfindung, da er durch die Strahlungs
wärme von der Flamme und der Ofenwandung 4 konstant erhitzt wird.
Außerdem trägt die große Wärmekapazität des wärmefesten Drossel
einbaus 1 zur stabilen Verbrennung des Gases A niedrigen Brenn
wertes bei.
Der wärmefeste Drosseleinbau 1 erlaubt den Eintritt des vorgemischten
Gases C durch die Düsen 2 gemäß der Darstellung in Fig. 3. Der Strom
des vorgemischten Gases D erzeugt eine Rezirkulationszone 18 in dem
Bereich auf der stromabwärtigen Seite des Drosseleinbaus 1, der vom
den Löchern 2 umgeben ist. In dieser Rezirkulationszone 18 brennt
das Gas A niedrigen Brennwertes stabil, da die stromabwärtige Seite
des Drosseleinbaues 1 auf eine hohe Temperatur erhitzt wurde durch
die Strahlungshitze von der Flamme und der Ofenwandung 4. Diese sta
bile Verbrennung wirkt als Flammenstabilisator. Dies ist genauso,
als wären eine große Zahl von Pilotbrennern in der Rezirkulations
zone 18 des feuerfesten Drosseleinbaues installiert. Dies ist wich
tig, da das vorgemischte Gas C vorerhitzt ist, wenn es durch die
Düsen 2 hindurchströmt und dementsprechend besitzt es eine höhere
Verbrennungsgeschwindigkeit, die den Bereich der stabilen Ver
brennung verengt. Die Strömungsgeschwindigkeit des vorgemischten
Gases C in den Düsen 2 sollte vorzugsweise niedrig sein (d. h. 10
bis 25 m/s), solange kein Rückschlagen der Flamme eintritt.
Der wärmefeste Drosseleinbau 1 sollte so aufgebaut sein, daß der
feste Teil (in welchem die Rezirkulationszonen 18 gebildet sind)
40 bis 60% und vorzugsweise 45 bis 55% des Bereiches seiner Aus
gangsoberfläche (stromabwärtige Seite) einnimmt. Wenn dieses Ver
hältnis kleiner ist als zuvor angegeben, wird die Verbrennung von
Gas A geringen Brennwertes unmöglich, da die Rezirkulationszonen
18 nicht vollständig als Flammenstabilisator wirken. Wenn im Gegen
teil das Verhältnis größer ist als zuvor angegeben, wird die Strö
mungsgeschwindigkeit des vorgemischten Gases C in den Düsen 2 so
hoch, daß ein Abblasen der Flammen eintritt, wodurch die Verbrennung
instabil wird.
Die Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des Bereiches des unteren
Heizwertes, der erreicht wird, wenn ein Gas niedrigen Brennwertes
gemäß der Erfindung und nach herkömmlicher Technologie verbrannt
wird. Es ist herauszustellen, daß nach herkömmlicher Technologie
es nur möglich ist, ein Gas A mit niedrigem Brennwert, dessen Brenn
wert geringer ist als etwa 700 bis 800 kcal/Nm3 zu verbrennen, wenn
sowohl das Gas A niedrigen Brennwertes als auch die Verbrennungsluft
B vorgeheizt werden auf etwa 400°C. Im Gegensatz hierzu ist es ge
mäß der Erfindung möglich, ein Gas mit extrem niedrigem Brennwert
zu verbrennen, das einen unteren Heizwert von etwa 250 kcal/Nm3
besitzt.
Im einzelnen gibt die Fig. 4 die Ergebnisse einer Verbrennung wider,
die durchgeführt wurde durch das Vorerhitzen des Gases A niedrigen
Brennwertes und der Verbrennungsluft B bei (1) 150°C (2) 250°C
oder (3) 330°C. Eine stabile Verbrennung wurde erzielt in dem Be
reich auf der rechten Seite der gestrichelten Linien (1), (2) und
(3), während jedoch eine instabile Verbrennung (mit Abblasen und
Flammenvibration) eintrat in dem Bereich auf der linken Seite der
gestrichelten Linien (1), (2) und (3). Es ist auch herauszustellen,
daß die stabile Verbrennungszone nach links verschoben ist (Abnahme
des Heizwertes), wenn die Vorerhietzungstemperatur erhöht wird von
(1) auf (3). Im Fall der niedrigen Vorerhitzungstemperatur (1) wird
die Verbrennung beeinflußt durch die Menge an Wärmezufuhr durch den
Pilotbrenner, während im Fall einer hohen Vorerhitzungstemperatur
(2) oder (3) die Verbrennung nur wenig beeinflußt wird durch die
Menge der Wärmezufuhr durch den Pilotbrenner, oder die Verbrennung
ist so stabil, daß der Pilotbrenner nicht erforderlich ist. Dies
liegt daran, daß die Flamme in der Rezirkulationszone 18 auf der
stromabwärtigen Seite des Drosseleinbaues 1 als Flamme des Pilot
brenners wirkt, wie dies zuvor erläutert wurde.
Damit gestattet die Erfindung eine stabile Verbrennung eines Gases
mit niedrigem Heizwert allein durch Hilfe von Verbrennungsluft ohne
die Notwendigkeit, es in die Atmosphäre abzublasen, oder es zusammen
mit einem teuren Gas mit hohem Heizwert oder sauerstoffangereicherter
Verbrennungsluft zu verbrennen. Dementsprechend trägt die Erfindung
in großem Maße zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz bei.
Zusammenfassend handelt es sich bei der Erfindung um einen Brenner
sowie ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert
ohne die Notwendigkeit, es zu mischen oder mit einem Gas von hohem
Brennwert zu verbrennen. Das Verfahren umfaßt die Einführung entweder
der Verbrennungsluft oder des Gases niedrigen Heizwertes in eine Misch
kammer, die Einführung des verbleibenden Teils in die Mischkammer
durch perforierte Düsen derart, daß dieser in radialer Richtung in
einer hohen Geschwindigkeit durch Löcher eingeblasen wird zur Be
wirkung der Vermischung der beiden Bestandteile in der Mischkammer
und das Injizieren des gemischten Gases in die Brennkammer durch
die Düsen eines feuerfesten Drosseleinbaues.
Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich angegeben werden,
daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung lediglich um eine
solche beispielhaften Charakters handelt und daß verschiedene
Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
Claims (5)
1. Brenner zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert, ge
kennzeichnet durch eine Brennkammer (5), einen
feuerfesten Drosseleinbau (1) mit einer Mehrzahl hierin ausgebildeter
Düsen (2), der sich innerhalb der Brennkammer (5) befindet, sowie
eine Mischkammer (8), in welcher eine Mehrzahl perforierter Düsen
(13) angeordnet sind, die jeweils eine Mehrzahl von Löchern (12)
in ihren Wandungen tragen, wobei die Mischkammer (8) auf der strom
aufwärtigen Seite des feuerfesten Drosseleinbaues (1) angeordnet ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der feuerfeste Drosseleinbau (1) derart ausgestaltet ist, daß
sein Schachtteil 40 bis 60% des Bereiches der flachen Ausgangsober
fläche ausmacht.
3. Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert unter
Einsatz des Brenners gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß man entweder die Verbrennungsluft oder das
Gas niedrigen Brennwertes in die Mischkammer einleitet, den verblei
benden Teil in die Mischkammer durch die perforierten Düsen derart
einführt, daß er in Radialrichtung mit einer hohen Geschwindigkeit
von den Löchern injiziert wird zur Bewirkung der Vermischung der
beiden Teile innerhalb der Mischkammer, worauf man das gemischte Gas
in die Brennkammer durch die Düsen des feuerfesten Drosseleinbaues
injiziert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß entweder die Verbrennungsluft oder das Gas niedrigen
Brennwertes je nachdem, welches in der geringsten Menge vorliegt,
durch die perforierten Düsen einführt, wobei die Injektionsgeschwin
digkeit größer als 30 m/s ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Strönmungsgeschwindigkeit des vorgemischten Gases
aus Gas mit niedrigem Brennwert und Verbrennungsluft 10 bis 25 m/s
innerhalb des feuerfesten Drosseleinbaues beträgt.
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