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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur teilweisen Oxidation
von Schwefelwasserstoff.
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Sogenannte
saure Gasströme,
die Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid enthalten, werden als Abgasströme beispielsweise
in Öl-
und Gasraffinerien gebildet. Es ist notwendig, einen sauren Gasstrom so
zu behandeln, dass im wesentlichen sein gesamter Gehalt an Schwefelwasserstoff
abgeschieden wird, bevor er in die Atmosphäre ausgetragen wird. Diese
Abscheidung von Schwefelwasserstoff wird herkömmlicherweise durch den Claus-Prozeß durchgeführt, in
welchem ein Teil des Schwefelwasserstoffgehalts in einem Ofen verbrannt
wird, um Schwefeldioxid und Wasserdampf zu bilden; ein Teil des
resultierenden Schwefeldioxids reagiert in dem Ofen mit restlichem
Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf
(mit dem Ergebnis, dass daher einiger des Schwefelwasserstoffs teilweise
oxidiert wird). Ein Austrittsgasstrom, der Schwefelwasserstoff,
Schwefeldioxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält, strömt daher
aus dem Ofen aus. Der Schwefeldampf wird durch Kondensation aus
dem Gasgemisch extrahiert, und das resultierende Gasgemisch, das
im wesentlichen frei von Schwefeldampf ist, wird einer Mehrzahl von
katalytischen Stufen einer weiteren Reaktion zwischen Schwefeldioxid
und Schwefelwasserstoff unterzogen, um Schwefeldampf zu bilden.
Der weitere Schwefeldampf wird dann stromab jeder Stufe katalytischer
Reaktion aus dem Gasgemisch extrahiert. Dadurch wird ein Endgas
gebildet, das typischerweise 2 bis 6% des ursprünglichen Schwefelgehalts enthält. Das
Endgas wird typischerweise zur weiteren Behandlung zum Abscheiden
im wesentlichen sämtlicher
verbleibender Schwefelverbindungen geleitet.
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Herkömmlicherweise
wird Luft zur Unterstützung
der Verbrennung des Schwefelwasserstoffs eingesetzt. Typischerweise
wird die Luft mit einer ausreichenden Rate zugeführt, um genug Sauerstoffmoleküle bereitzustellen,
um irgendwelches anwesendes Ammoniak vollständig zu Stickstoff und Wasserdampf
zu oxidieren, und irgendwelche anwesende Kohlenwasserstoffe vollständig zu
Kohlendioxid und Wasserdampf zu oxidieren, und die Oxidation von etwa
einem Drittel des Schwefelwasserstoffgehalts des sauren Gases zu
Schwefeldioxid und Wasserdampf zu bewirken. In neuerer Zeit ist
erkannt worden, dass Verbesserungen des Claus-Prozesses erreicht
werden können,
in dem ein Teil der Luft durch kommerziell reinen Sauerstoff substantiiert
wird. Als Ergebnis kann die Größe des Ofens und
der stromabwärtigen
Einheiten für
einen gegebenen Schwefelwasserstoffdurchsatz reduziert werden.
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Die
EP-A-0 486 285 bezieht sich auf einen Sauerstoff-Luft-Schwefelwasserstoff-Brenner
zur Verwendung im Claus-Prozeß.
Der Brenner umfasst einen hohlen Gehäusekörper, der ein offenes distales Ende
aufweist und einen Kanal bildet, durch welchen eine Mehrzahl erster
länglicher
offenendiger rohrförmiger
Bauteile verlaufen, die Strömungsmittel
leiten können,
und eine Mehrzahl zweiter länglicher
offenendiger rohrförmiger
Bauteile verlaufen, die ebenfalls Strömungsmittel leiten können, wobei
jedes zweite rohrförmige
Bauteil innerhalb eines entsprechenden ersten rohrförmigen Bauteils
gelegen ist. Die ersten rohrförmigen
Bauteile stehen in Verbindung mit einer Schwefelwasserstoffquelle,
und die zweiten rohrförmigen
Bauteile mit einer Sauerstoffquelle. Der Zweck der Anordnung jedes
Sauerstoffrohrs innerhalb eines entsprechenden Schwefelwasserstoffrohrs
besteht darin, das Erreichen einer besonders guten Vermischung des
Sauerstoffs und des Brennstoffs zu ermöglichen und gleichförmige Bedingungen
innerhalb der Flamme zu erhalten. Zusätzlich können stabile Betriebsbedingungen
bei relativ niedrigen Brennstoff- und Sauerstoffgeschwindigkeiten erhalten
werden.
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Obwohl
der Brenner nach der EP-A-0 486 285 in der Praxis gut arbeitet,
glauben wir, dass im Claus-Prozeß eine höhere prozentuale Umwandlung von
Schwefelwasserstoff zu Schwefel in dem Schwefelkondensator erreicht
werden kann, der dem Ofen zugeordnet ist, wenn tatsächlich eine
geeignete ungleichförmige
Flamme geschaffen wird. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur teilweisen Oxidation
von Schwefelwasserstoff zu schaffen, bei welcher der Brenner eine
Konstruktion hat, die das Erreichen relativ hoher prozentualer Umwandlungen
von Schwefelwasserstoff zu Schwefel in dem Ofen erleichtert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Einrichtung zur teilweisen Oxidation von Schwefelwasserstoff
vorgesehen, mit einem Ofen und einem Luft-Sauerstoff-Schwefelwasserstoff-Brenner,
der in den Ofen hineinfeuert, wobei der Brenner einen Hauptkanal
für verbrennungsunterstützendes,
Luft enthaltendes Gas, eine Mehrzahl beabstandeter äußerer länglicher,
Strömungsmittel
leitender offenendiger Rohre, die parallel zueinander entlang des Hauptkanals
verlaufen, von denen jedes der äußeren Rohre
min destens am distalen Ende des Brenners ein entsprechendes inneres
längliches,
Strömungsmittel
führendes
offenendiges Rohr umgibt, wobei die inneren Rohre parallel zueinander
verlaufen, einen ersten Einlaß zum
Brenner für
Sauerstoff oder Sauerstoff angereicherte Luft, und einen zweiten
Einlaß zum
Brenner für
Schwefelwasserstoff enthaltendes Speisegas aufweist, wobei einer
der ersten und zweiten Einlässe
mit den inneren Rohren und der andere der ersten und zweiten Einlässe mit
den äußeren Rohren
in Verbindung steht. Des weiteren sind die Auslässe der inneren und äußeren Rohre
so angeordnet, dass im Betrieb im wesentlichen die gesamte Vermischung
von Schwefelwasserstoff mit Sauerstoff und Luft stromab des distalen
Endes des Brenners stattfindet, und wobei die Auslässe der
inneren und äußeren Rohre
so nebeneinander angeordnet und so dimensioniert sind, dass sie
in der Lage sind, im Ofen im Betrieb eine stabile Flamme mit mindestens
einer Hochtemperaturstufe und mindestens einer zweiten niedrigeren
Temperaturstufe zu halten, wobei die erste Stufe weiter als die
zweite Stufe von einem gewählten
Bereich der inneren Wand oder Wände
des Ofens entfernt ist, wodurch der gewählte Bereich von der ersten
Stufe durch die zweite Stufe abgeschirmt ist, und wobei eine erste
Gruppe der inneren und äußeren Rohre
vorhanden ist, die im Betrieb die erste Stufe der Flamme speisen,
und eine zweite Gruppe der inneren und äußeren Rohre vorhanden ist,
die im Betrieb die zweite Stufe der Flamme speisen, wobei der Brenner
eine tangentiale Position relativ zum Ofen einnimmt und die Auslässe der
ersten Gruppe der inneren und äußeren Rohre
oberhalb der Auslässe
der zweiten Gruppe der inneren und äußeren Rohre positioniert sind.
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Die
erste Stufe der Flamme ist vorzugsweise relativ sauerstoffreich
im Vergleich zur zweiten Stufe.
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Als
Ergebnis davon, dass sie relativ sauerstoffreich ist, kann eine
mittlere Flammentemperatur im Bereich von 1700 bis 2300°C in der
ersten Stufe der Flamme erreicht werden. Solche hohen Temperaturen
begünstigen
vermutlich das Cracken, d.h. die thermische Dissoziation des Schwefelwasserstoffs zu
Wasserstoff und Schwefel. Als Resultat wird vermutet, dass ein höherer Anteil
des Schwefelwasserstoffs zu Schwefel umgewandelt als bei niedrigeren Temperaturen.
Zusätzlich
erleichtert eine sauerstoffreiche erste Stufe hoher Temperatur auch
die vollständige
Zerstörung
irgendwelchen Ammoniaks im Speisegas nicht nur wegen der hohen Temperatur der
ersten Stufe, sondern auch, weil die zweite Stufe, obwohl sie relativ
sauerstoffarm ist, immer noch bei Temperaturen oberhalb von 1400°C betrieben
werden kann. Es ist in hohem Maße
wünschenswert, eine
solche vollständige
Entfernung von Ammoniak zu bewirken, da, wenn irgendwelches dieses
Gases aus dem Ofen in katalytische Stufen eines Claus-Prozesses
gelangt, es Ammoniaksalze bilden kann, welche den Katalysator vergiften
oder andere Einheiten blockieren, die bei niedrigeren Temperaturen
arbeiten.
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Typischerweise
kommunizieren die inneren Rohre mit dem ersten Einlaß. Daher
erhalten die inneren Rohre den Sauerstoff oder die Sauerstoff angereicherte
Luft, und die äußeren Rohre
erhalten Speisegas, das Schwefelwasserstoff enthält.
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Vorzugsweise
sind die Auslässe
der äußeren Rohre
der ersten Gruppe weiter voneinander beabstandet als die Auslässe der äußeren Rohre
in der zweiten Gruppe. Als Ergebnis kann proportional mehr Luft
zur ersten Gruppe von Rohren verfügbar gemacht werden als für die zweite
Gruppe von Rohren, wodurch das Erreichen der gewünschten sauerstoffreichen Bedingungen
in der ersten Stufe des Brenners erleichtert werden. Dieses Resultat
wird besonders erleichtert, wenn mehr Rohre in der zweiten Gruppe
als in der ersten Gruppe vorhanden sind; typischerweise sind mindestens
doppelt so viele Rohre in der zweiten Gruppe als in der ersten Gruppe vorhanden.
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Das
Erreichen einer hohen Flammentemperatur innerhalb der ersten Stufe
wird besonders erleichtert, wenn die Rohre in der ersten Gruppe,
die mit dem ersten Einlaß kommunizieren,
von größerem Innendurchmesser
als die Rohre der zweiten Gruppe sind, die mit dem ersten Einlaß kommunizieren.
Folglich können
solche Rohre in der ersten Gruppe einen Innendurchmesser haben,
der typischerweise vom 1,3- bis zum 3-fachen des Innendurchmessers
solcher Rohre in der zweiten Gruppe reicht. Insbesondere wenn die
inneren Rohre mit dem ersten Einlaß kommunizieren, erleichtert
eine solche Anordnung im Betrieb das Leiten von proportional mehr
Sauerstoff oder Sauerstoff angereicherter Luft zur ersten Stufe der
Flamme als zur zweiten Stufe, wodurch besonders zum Erreichen einer
hohen Temperatur in der ersten Stufe beigetragen wird. In einer
solchen Anordnung ist es zweckmäßig, dass
der Innendurchmesser der Rohre in der ersten Gruppe, die mit dem zweiten
Einlaß kommunizieren,
den gleichen Innendurchmesser wie die Rohre in der zweiten Gruppe haben,
die mit dem zweiten Einlaß kommunizieren.
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Das
Positionieren der Auslässe
der ersten Gruppe der inneren und äußeren Rohre allgemein oberhalb
der Auslässe
der zweiten Gruppe wirkt der Tendenz entgegen, dass der Boden des
Ofens stärker
thermischer Beschädigung
ausgesetzt ist als andere Bereiche des Ofens.
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Das
Speisegas ist typischerweise ein Gemisch aus Schwefelwasserstoff
und Kohlendioxid. Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe und/oder Ammoniak
können
ebenfalls vorhanden sein. Gewünschtenfalls
kann das Speisegas Amingas aus einer Ölraffinerie oder ein Gemisch
von Amingas mit einem sauren Wasserabstreifergas sein. Amingas enthält typischerweise
mindestens 70 Vol.-% Ammoniak und zusätzlich mindestens 10% Kohlendioxid.
Saure Wasserabstreifergas ist ein Gemisch aus Schwefelwasserstoff,
Ammoniak und Wasserdampf. Andere Gase können ebenfalls in dem sauren
Wasserabstreifergas vorhanden sein. Wenn es gewünscht wird, beide Gase nach
dem Verfahren und in der Einrichtung nach der Erfindung zu behandeln,
können sie
vorgemischt werden. Ein möglicher
Nachteil einer solchen Vormischung ist jedoch, dass ein Teil des Ammoniaks
dazu tendiert, in die niedrigere Temperaturstufe oder Temperaturstufen
der Flamme zu strömen
und es kann eine Gefahr bestehen, dass nicht sämtliches Ammoniak zerstört wird.
In der Praxis kann jedoch mit Sauerstoffbetrieb der niedrigeren Temperaturstufe
oder -Stufen typischerweise eine Temperatur oberhalb des Minimums
für die
Ammoniakzerstörung
aufrechterhalten werden. In jedem Fall kann ein möglicher
Nachteil vermieden werden, wenn der Brenner so angeordnet ist, dass
zwei zweite Einlässe
vorhanden sind, wobei einer ausschließlich der ersten Gruppe von
Rohren zugeordnet und der andere ausschließlich der zweiten Gruppe von Rohren
zugeordnet ist. Auf diese Weise kann sämtliches ammoniakhaltiges Gas
(das saure Wasserabstreifergas) in die sauerstoffreiche Hochtemperaturstufe
oder -stufen der Flammen geleitet werden. Eine solche Anordnung
kann es leichter machen, eine vollständige Entfernung des Ammoniaks
aus dem Speisegas zu erreichen.
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Abhängig von
ihrer Größe kann
die Einrichtung nach der Erfindung sechs bis dreißig erste
Rohre haben. Vorzugsweise hat sie acht bis zwanzig erste Rohre.
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Vorzugsweise
endigen die inneren und äußeren Rohre
alle in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Achse des Brenners.
Eine solche Anordnung hilft, die thermische Erosion des Brenners
zu reduzieren. Falls gewünscht,
kann jedes der Rohre eine Spitze aus hitze- und korrosionsbeständiger Legierung
erhalten, aber dies ist im allgemeinen nicht notwendig. Tatsächlich kann
der Brenner selbst bei Erosion der Rohre effektiv weiter betrieben
werden.
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Der
Hauptkanal des Brenners ist zweckmäßigerweise durch eine Öffnung definiert,
durch welche der Brenner in den Ofen hineinfeuert. Alternativ kann
der Brenner eine äußere Hülle haben,
welche den Kanal definiert, der vom Ofen getrennt ist.
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Allgemein
besteht keine Notwendigkeit für
irgendein spezielles Kühlsystem
für den
Brenner. Dies deshalb, weil der Brenner leicht so angeordnet werden
kann, dass im Betrieb die Strömung
des verbrennungsunterstützenden
Gases, das Luft enthält,
ausreichend ist, um eine genügende
Kühlung
für den Brenner
bereitzustellen.
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Eine
Einrichtung nach der Erfindung bietet auch die gleichen Vorteile
hinsichtlich der mechanischen Konstruktion wie diejenige nach der
EP-A-0 486 285. Daher können
die Brennerrohre aus relativ billigen Materialien hergestellt werden,
beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Zweitens ist die Herstellung besonders
einfach, weil keine Endplatte vorhanden ist noch eine Notwendigkeit
zum Bohren schräger Öffnungen
besteht. Drittens ist der Brenner in der Lage, durch Wärmedehnung
und Zusammenziehung bewirkte Bewegungen aufzunehmen, da die inneren und äußeren rohrförmigen Bauteile
typischerweise nur an ihren proximalen Enden befestigt sind und freie
distale Enden haben.
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Durch
geeignete Verteilung von verbrennungsunterstützenden und schwefelwasserstoffhaltigen
Gasen zwischen den verschiedenen Stufen der Flammen ist es möglich, sicherzustellen,
dass das Molverhältnis
von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid in dem Austrittsgas aus
dem Ofen in der Größenordnung
von 2 : 1 liegt und daher die Anforderungen eines herkömmlichen
Claus-Prozesses erfüllen kann,
der mit katalytischen Claus-Reaktionseinheiten sowie dem Ofen arbeitet.
Des weiteren können
genügend
niedrige Temperaturen in der Abschirmung oder der oder den zweiten
Stufe oder Stufen der Flamme aufrechterhalten werden, um jede Gefahr der
Beschädigung
der feuerfesten Auskleidung zu vermeiden, die typischerweise eingesetzt
wird, um die inneren Wände
des Ofens zu schützen,
ohne die Ammoniakzerstörung
zu beeinträchtigen,
falls dieses Gas vorhanden ist. Darüberhinaus besteht eine beträchtliche
Flexibilität
bei der Auswahl bei der Stöchiometrie
der verschiedenen Stufen der Flamme. Tatsächlich wird es im allgemeinen
bevorzugt, die erste Stufe oder die ersten Stufen so zu betreiben,
dass sie Sauerstoffmoleküle
mit einer Rate von mindestens (110x/300 + y + z) m3s–1 und
mehr vorzugsweise im Bereich von (120x/300 + y + z) bis (240x/300
+ y + z) m3s–1 erhalten,
wobei:
x der stöchiometrische
Strömungsdurchsatz
von Sauerstoffmolekülen
ist, der für
eine vollständige
Oxidation des in die erste Stufe eintretenden Schwefelwasserstoffs
erforderlich ist,
y der stöchiometrische
Strömungsdurchsatz
von Sauerstoffmolekülen
ist, der für
die vollständige
Oxidation irgendwelchen in die erste Stufe eintretenden Ammoniaks
erforderlich ist,
z der stöchiometrische
Strömungsdurchsatz
von Sauerstoffmolekülen
ist, der für
eine vollständige
Oxidation irgendwelcher in die erste Stufe eintretender Kohlenwasserstoffe
erforderlich ist.
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Die
Temperatur des den Auslaß des
Ofens verlassenden Austrittsgases kann leicht unterhalb von 1650°C gehalten
werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung liegt darin,
dass sie die Fähigkeit
hat, in weitem Umfang variierende Strömungen des Schwefelwasserstoff
enthaltenden Speisegases auszunehmen. Bei niedrigeren Zufuhrraten
des Speisegases kann der Molanteil des Sauerstoff oder der Sauerstoff angereicherten
Luft, der bzw. die in die erste Stufe oder ersten Stufen der Flamme
zugeführt
wird, reduziert werden. Tatsächlich
kann bei den niedrigsten Zufuhrraten des Speisegases anstelle des
Sauerstoffs oder der Sauerstoff angereicherten Luft der Zufuhr zur
ersten Stufe oder den ersten Stufen der Flamme eingesetzt werden,
vorausgesetzt, dass eine solche Substitution die vollständige Zerstörung von
Ammoniak, insbesondere in der zweiten Stufe oder den zweiten Stufen,
nicht beeinträchtigt.
Beispiele von Brennern, die das Zuführen sämtlichen Ammoniaks zur ersten
Stufe oder den ersten Stufen ermöglichen,
werden daher bevorzugt, wenn gute Vernichtungseigenschaften verlangt
werden.
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Die
Einrichtung nach der Erfindung wird nunmehr beispielshalber unter
Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Einrichtung
zeigt, bei welcher der Brenner axial angeordnet ist,
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2 eine
schematische Ansicht vom distalen Ende eines Brenners zur Verwendung
in der in 1 gezeigten Einrichtung zeigt,
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3 eine
schematische Darstellung vom distalen Ende eines alternativen Brenners
zur Verwendung in der in 1 gezeigten Einrichtung zeigt,
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4 einen
schematischen Schnitt durch den Ofen nach 1 zeigt,
der die Verteilung der Temperatur in einem Schnitt durch eine Flamme
verdeutlicht, die entweder durch den in 2 gezeigten Brenner
oder den in 3 gezeigten Brenner erzeugt
wird,
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5 eine
schematische Seitenansicht eines Brenners zur Verwendung in der
Einrichtung nach der Erfindung zeigt, wobei die Führung des Gasstroms
zu den jeweiligen Rohren und Kanälen des
in 1 gezeigten Brenners dargestellt ist,
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6 eine
schematische Darstellung einer Einrichtung nach der Erfindung zeigt,
in welcher der Brenner tangential montiert ist,
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7 eine
schematische Darstellung vom distalen Ende eines ersten Brenners
zeigt, der zur Verwendung in der in 6 gezeigten
Einrichtung geeignet ist,
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8 eine
schematische Endansicht vom distalen Ende eines zweiten Brenners
zur Verwendung in der in 6 gezeigten Einrichtung zeigt,
und
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9 eine
schematische Schnittdarstellung des in 6 gezeigten
Ofens zeigt, wobei grundsätzlich
die Flammenform dargestellt ist, die durch Betrieb des in 7 oder 8 gezeigten
Brenners erzeugt wird.
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Die
Zeichnungen sind nicht maßstäblich.
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Gemäß 1 der
Zeichnungen hat ein Ofen 102 für die teilweise Oxidation von
Schwefelwasserstoff eine axiale Einlassöffnung 104 am einen
Ende und eine axiale Auslassöffnung 106 am
entgegengesetzten Ende. Die Einlassöffnung 104 nimmt einen Brenner 108 auf.
Das distale Ende 110 des Brenners 108 ist leicht
in die Öffnung 104 zurückgezogen.
Der Brenner 108 ist eine Gehäuse- und -Rohrkonstruktion.
Gewünschtenfalls
kann die Innenwand der Öffnung 106 das
Gehäuse
des Brenners 108 bilden. Der Brenner 108 ist betriebsmäßig Leitungen 110, 112 und 114 zur
Zufuhr von Sauerstoff bzw. Luft bzw. einem Schwefelwasserstoff enthaltenden
Gasstrom zugeordnet. Gewünschtenfalls,
obwohl in 1 nicht dargestellt, können auch
zwei gesonderte Rohrleitungen 114 für die Zufuhr verschiedener
schwefelwasserstoffhaltiger Gasströme zu den verschiedenen Teilen
des Brenners 108 vorhanden sein.
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Im
Betrieb feuert der Brenner 108 in den Ofen 102 hinein.
Eine Flamme 116 wird erzeugt. Die Flamme 116 hat
eine relativ heiße
sauerstoffreiche innere Region oder Stufe 118 und eine
die innere Stufe 118 umschließende äußere Region oder Stufe 120 niedrigerer
Temperatur. Die Temperaturen innerhalb der inneren Hochtemperaturstufe 118 können 2000°C überschreiten.
Typischerweise treten Sauerstoffmoleküle in die Stufe 118 mit
einem Durchsatz im Bereich von (120x/300 + y + z) bis (240x/300
+ y + z) m3s–1 ein,
wobei x, y und z die oben zugeordneten Bedeutungen haben.
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Im
Ofen 2 finden mehrere chemische Reaktionen statt. Erstens
gibt es Verbrennungsreaktionen, bei denen in dem Schwefelwasserstoff
enthaltenden Gas etwa vorhandener Kohlenwasserstoff vollständig zu
Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert wird und irgendwelches in
dem Schwefelwasserstoff enthaltenden Gas vorhandenes Ammoniak vollständig zu
Stickstoff und Wasserdampf oxidiert wird. Die Hauptverbrenungsreaktion
ist jedoch das Verbrennen von Schwefelwasserstoff zur Bildung von
Wasserdampf und Schwefeldioxid. Ein Teil des resultierenden Schwefeldioxids
reagiert mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und
Wasserdampf. Eine weitere wichtige Reaktion, die in der Flammenzone 116 des
Ofens 102 stattfindet, ist die thermische Dissoziation
eines Teils des Schwefelwasserstoffs in Wasserstoff und Schwefeldampf.
Diese Reaktion wird durch hohe Temperaturen begünstigt. Zusätzlich disoziiert auch ein
Teil des Ammoniaks thermisch zu Stickstoff und Wasserstoff. Kleinere
Reaktionen können
ebenfalls im Ofen 102 stattfinden.
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Der
Brenner 108 weist typischerweise 8 bis 20 äußere Rohre
(nicht dargestellt) und 8 bis 20 innere Rohre (nicht dargestellt)
auf. Eine Anordnung der Rohre und des äußeren Gehäuses ist in 2 gezeigt.
Gemäß 2 hat
ein Brenner 200 ein äußeres Gehäuse 202.
Das Gehäuse 202 definiert
einen Hauptkanal 204 für
die Luftströmung.
Die Luft ist vorzugsweise an Sauerstoff weder angereichert noch verarmt,
sondern normaler atmosphärische
Luft. Es sind 18 offenendige äußere Rohre 208 vorhanden, die
entlang des Hauptkanals 204 verlaufen. Die äußeren Rohre 208 sind
alle zueinander und zur Längsachse
des Gehäuses 202 parallel.
Jedes äußere Rohr 208 umschließt mindestens
an seinen distalen Ende ein inneres Rohr 210. Jedes innere
Rohr 210 ist koaxial mit dem äußeren Rohr 208, in
dem es aufgenommen ist. Die distalen Enden der Rohre 208 und 210 endigen
alle in der gleichen Ende senkrecht zur Längsachse des Brenners 200.
Es erfolgt daher keine Vermischung von Schwefelwasserstoff mit Luft oder
Sauerstoff stromauf des distalen Endes des Brenners. Die inneren
Rohre 210 kommunizieren alle mit einer Quelle von Sauerstoff
oder sauerstoffangereicherter Luft. Vorzugsweise ist der Sauerstoff
mindestens 80% rein, mehr vorzugsweise mindestens 90% rein, und
höchst
vorzugsweise mindestens 99% rein. Die äußeren Rohre 208 kommunizieren
alle mit einer Quelle von Schwefelwasserstoff enthaltendem Gas.
Dieses Gas kann auch Ammoniak und Kohlenwasserstoffe sowie nicht
brennbare Bestandteile wie beispielsweise Wasserdampf, Stickstoff,
Kohlendioxid und Argon enthalten.
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Die
Paare von äußeren Rohren 208 und
inneren Rohren 210 sind in einer ersten inneren Gruppe 212 und
einer zweiten äußeren Gruppe 214 angeordnet.
Die äußere Gruppe
von Rohrpaaren 208 und 210 ist so angeordnet,
dass ihre Auslässe
alle auf dem Umfang eines gedachten Kreises liegen. Wie in 2 gezeigt
ist, sind 14 Paare von Rohren 208 in der zweiten Gruppe 214 vorhanden.
Die äußeren Rohre 208 in
der zweiten Gruppe 214 sind gleichmäßig umfangsmäßig voneinander
beabstandet. Andererseits sind vier Paare von äußeren Rohren 208 und inneren
Rohren 210 in der ersten Gruppe 212 vorhanden.
Jedes Paar von Rohren 208 und 210 in der Gruppe 212 kann
als an einer Ecke eines gedachten Quadrats liegend betrachtet werden,
wobei die Längsachse
des Brenners durch die Mitte dieses Quadrats verläuft. Wie
in 2 gezeigt ist, ist der Abstand zwischen den einzelnen
Rohrpaaren in der inneren Gruppe 212 größer als der Abstand zwischen den
einzelnen Rohrpaaren in der äußeren Gruppe 214.
Da sämtliche äußeren Rohre 208 den
gleichen Durchmesser haben, wie auch sämtliche inneren Rohre 210,
ist leicht einzusehen, dass das Schwefelwasserstoff enthaltende
Gas, das die Auslässe
der Rohre 208 der inneren Gruppe 212 verläßt, mit
proportional mehr Sauerstoffmolekülen in Berührung kommt als der Schwefelwasserstoff,
der die Teile der äußeren Gruppe 214 bildenden
Rohre 208 verläßt. Als
Ergebnis kann eine Flamme aufrechterhalten werden, die eine innere
sauerstoffangereicherte Hochtemperaturstufe und eine äußere Stufe
niedrigerer Temperatur aufweist. Weil die erste Gruppe 212 von
Auslässen
durch die zweite Gruppe 214 umschlossen ist, wird die Hochtemperaturstufe
durch die Stufe niedrigerer Temperatur umschlossen, und daher ist
es eine einfache Sache, die relativen Strömungen von Gasen im Brenner 200 so
zu manipulieren, dass die zweite oder äußere Stufe der Flamme effektiv
die gesamte feuerfest ausgekleidete Innenwandfläche des Ofens gegen die innere
Hochtemperaturstufe der Flamme abschirmt. Des weiteren können die
Strömungen
so ausgelegt werden, dass die notwendige Zufuhrrate von Sauerstoffmolekülen zur ersten
Stufe der Flamme erreicht wird und dadurch eine mittlere Temperatur
von typischerweise oberhalb 1700°C
in der ersten Stufe erreicht wird, was ein thermisches Cracken bzw.
eine thermische Dissoziation von Schwefelwasserstoff begünstigt,
während die
mittlere Temperatur der zweiten Stufe typischerweise unterhalb 1650°C gehalten
wird, wodurch eine Beschädigung
der feuerfesten Wände
des Ofens vermieden wird, in welchen der Brenner 200 hineinfeuert.
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Der
in 2 gezeigte Brenner erhält seine Abstufung durch eine
disproportional große
Verteilung von Luft zur ersten Gruppe 212 von Rohren. Das Maß der Abstufung,
das auf diese Weise erreicht werden kann, ist jedoch begrenzt. Eine
weitere Konsequenz der Art und Weise, in welcher die Rohre zusammen
in dem in 2 gezeigten Brenner gruppiert sind,
liegt darin, dass die Abstufung des Brenners umso ausgeprägter zu
werden tendiert, je niedriger die Reinheit des durch die inneren
Rohre 210 strömenden
Sauerstoffs ist. Dies rührt
daher, dass, je niedriger die Reinheit dieses Sauerstoffs ist, desto größer die
Luftströmung
durch den Hauptkanal 204 sein muß, und desto ausgeprägter der
Effekt der disproportionalen Verteilung der Luft zwischen der ersten
und der zweiten Gruppe von Rohren ist.
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Um
nun auf 3 Bezug zu nehmen, der darin
gezeigte Brenner 300 hat viele Ähnlichkeiten mit dem in 2 gezeigten
Brenner 200. Der Brenner 300 hat also ein äußeres Gehäuse 302,
das einen Hauptkanal 304 für die Strömung von Luft definiert. Es
sind 13 offenendige äußere Rohre 308 vorgesehen,
die entlang des Kanals 304 parallel zueinander und zur
Achse des Brenners 300 verlaufen. Alle Rohre 308 haben
den gleichen Durchmesser. Jedes Rohr 308 umgibt mindestens
an seinem distalen Ende ein entsprechendes offenendiges koaxiales
inneres Rohr 310. Die Auslässe der Paare von Rohren 308 und 310 sind
in zwei Gruppen analog zu den Rohrpaaren im Brenner 200 angeordnet.
Es ist also eine innere Gruppe 312 von vier Paaren von
Auslässen, die
in der Art und Weise der Gruppe 212 des Brenners 200 angeordnet
sind, und eine äußere, umfangsmäßig angeordnete
Gruppe 314 von Paaren von Rohrauslässen vorhanden. Jedoch sind
nur 9 Paare von Rohrauslässen
in der Gruppe 314 vorhanden. Des weiteren ist der Abstand
zwischen den benachbarten Auslässen
der äußeren Rohre 308 in
der äußeren Gruppe 314 der
gleiche wie der Abstand zwischen den benachbarten Auslässen von
Rohren 308 in der inneren Gruppe 312. Dementsprechend wird
die Luft, die durch den Kanal 304 strömt, annähernd gleichmäßig auf
die einzelnen Strömungen von
Schwefelwasserstoff enthaltendem Gas verteilt, das die Auslässe der
Rohre 308 verläßt, seien
sie nun in der ersten Gruppe 312 oder in der zweiten Gruppe 314.
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Die
Durchmesser der Rohre 310 sind nicht alle gleich. Jene
Rohre 310 deren Auslässe
die erste Gruppe 312 bilden, haben einen größeren Innendurchmesser
als die Rohre 308, deren Auslässe in der zweiten Gruppe 314 liegen.
Typischerweise ist der Innendurchmesser der im Durchmesser größeren Rohre 310 mindestens
zweimal so groß wie
der Innendurchmesser der im Durchmesser kleineren Rohre 308.
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Im
Gegensatz zu dem in 2 gezeigten Brenner wird die
Abstufung der resultierenden Flamme umso ausgeprägter, je größer die Reinheit des zu den
Rohren 308 zugeführten
Sauerstoffs ist. Des weiteren, weil der in 3 gezeigte
Brenner auf einer Ungleichheit zwischen den Zufuhrraten zu den jeweiligen
Sauerstoffrohren 310 der ersten bzw. zweiten Gruppe 312 und 314 beruht,
können
im allgemeinen höhere
Flammentemperaturen in der ersten oder inneren Stufe der Flamme
bei den in 3 gezeigten Brenner als bei
dem in 2 gezeigten erreicht werden.
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Falls
gewünscht,
können
sowohl Mittel zum Erreichen einer inneren Stufe höherer Temperatur und
einer äußeren Stufe
niedrigerer Temperatur im gleichen Brenner eingesetzt werden. Daher
könnte der
in 2 gezeigte Brenner in der ersten Gruppe 212 von
Paaren von Sauerstoffrohren 208 größere Durchmesser als bei den
entsprechenden Sauerstoffrohren 208 in der zweiten oder äußeren Gruppe 214 anwenden.
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Sowohl
der in 2 gezeigte Brenner wie auch der in 3 gezeigte
Brenner ist in der Lage, eine Flamme zu erzeugen, die an ihrem maximalen Durchmesser
einen Querschnitt hat, wie er allgemein in 4 gezeigt
ist, wobei eine zentrale Zone 402 relativ hoher Temperatur
und eine äußere ringförmige Zone 404 niedrigerer
Temperatur vorhanden ist. Die Flamme nimmt den größten Teil
des Querschnitts des Ofens ein, um dadurch eine maximale Ausnutzung des
darin verfügbaren
Raums zu erhalten.
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Die
Konstruktion von Brennern der in den 2 und 3 gezeigten
Art ist in 5 dargestellt. Zur leichteren
Darstellung sind nur drei Paare von inneren und äußeren Rohren in 5 gezeigt. Der
in 5 gezeigte Brenner hat ein längliches rohrförmiges Gehäuse 502,
das an seinem distalen Ende offen ist und an seinem proximalen Ende
einen Einlaß 504 aufweist,
der mit einer Quelle verdichteter Luft (nicht dargestellt) verbunden
werden kann. Das Gehäuse 502 ist
strömungsmitteldicht
an einer Stützplatte 506 befestigt.
Die Stützplatte 506 bildet
eine Wand einer ersten, etwa zylindrischen Gasverteilungskammer 508,
und die Stützplatte 506 ist
mit Öffnungen
ausgebildet, in welchen die proximalen Enden von offenendigen äußeren Rohren 510,
die parallel zueinander und zur Längsachse des Gehäuses verlaufen,
strömungsmitteldicht
aufgenommen sind. Gase können
daher aus der Gasverteilungskammer 508 durch die Rohre 510 von
deren proximalen Enden zu deren distalen Enden strömen. Die
Gasverteilungskammer 508 hat einen Einlaß 512 für Schwefelwasserstoff
enthaltendes Gas. Daher nehmen die äußeren Rohre 508 im
Betrieb des Brenners Schwefelwasserstoff enthaltendes Gas auf. Die
Kammer 508 ist mit einer weiteren Platte 514 gegenüber der
Platte 508 versehen. Die Platte 514 bildet eine
gemeinsame Wand der Gasverteilungskammer 508 und einer zweiten
Gasverteilungskammer 516, die einen Einlaß 518 aufweist,
der mit einer Quelle von kommerziell reinem Sauerstoff verbunden
werden kann. Die Platte 514 weist Öffnungen auf, in denen die
proximalen Enden von offenendigen inneren Rohren 520 strömungsmitteldicht
eingesetzt sind, die sich über den
größten Teil
ihrer Länge
durch die äußeren Rohre 510 und
koaxial damit erstrecken. Sauerstoff kann aus der Kammer 516 durch
die inneren Kanäle 520 strömen.
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Wie
in 5 gezeigt ist, endigen die distalen Enden sämtlicher
innerer Rohre 520 und sämtlicher innerer
Rohre 510 in der gleichen, zur Achse des Brenners senkrechten
Ebene. Es versteht sich, dass die inneren Rohre 520 nicht
an irgendeiner Platte oder einem ähnlichen Bauteil mit ihren
distalen Enden befestigt sind. Um eine Abstützung für sie zu schaffen, kann jedes
innere Rohr 520 mit einem damit verbundenen Stern 522 ausgestattet
sein, um eine reibschlüssige
Anlage mit der Innenwandfläche des
jeweiligen äußeren Rohrs 510 herzustellen.
Analog dazu sind die äußeren Rohre 510 mit
damit verbundenen Sternen 524 ausgestattet, wobei die Enden
jedes Stern 524 in reibschlüssiger Anlage entweder mit
der Innenwandfläche
des Gehäuses 502 oder der
Außenfläche eines
anderen äußeren Rohrs 510 steht.
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Typischerweise
sind sämtliche
Teile des in 5 gezeigten Brenners aus Stahl,
typischerweise rostfreiem Stahl, hergestellt. Es ist keine Verbindung zwischen
der ersten Gasverteilungskammer 508 und der zweiten Gasverteilungskammer 516 vorhanden. In ähnlicher
Weise gibt es keine Gasverbindung zwischen der Gasverteilungsgkammer 508 und
dem durch das Gehäuse 500 definierten
Kanal 502. Dementsprechend erfolgt keine Vormischung von
Schwefelwasserstoff mit entweder Luft oder Sauerstoff.
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Um
nun auf 6 Bezug zu nehmen, dort ist ein
Ofen 700 gezeigt, der einen Brenner 702 aufweist,
der etwa tangential in den Ofen hinein feuert. Die Innenwände des
Ofens 700 haben eine feuerfeste Auskleidung. Der Brenner 702 hat
Einlässe 704, 706 und 708 für Sauerstoff
bzw. Luft bzw. Schwefelwasserstoff enthaltendes Gas. Im allgemeinen
ist der Betrieb des in 6 gezeigten Ofens analog demjenigen
des in 1 gezeigten. Jedoch tendiert die (nicht dargestellte)
Flamme, die vom Brenner 702 ausgeht, dazu, eine etwa bogenförmige Form
zu haben, die sich durch den Ofen 700 erstreckt. Als Ergebnis
der Flammenform tendiert die feuerfeste Auskleidung am Boden des
Ofens heißer
zu werden als diejenige am oberen Ende. Es ist besonders wünschenswert,
sicherzustellen, dass die feuerfeste Auskleidung am Boden des Ofens 700 nicht überhitzt wird.
Ein weiteres Merkmal der in 6 gezeigten Anordnung
ist, dass das Gehäuse
des Brenners einen rechteckigen Querschnitt hat.
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Gemäß 7 hat
ein Brenner 800 ein äußeres Gehäuses 802 mit
rechteckigem Querschnitt, der einen Hauptkanal 804 für Luft bildet.
Der Brenner 800 dient zum tangentialen Feuern in einem
Ofen (in 7 nicht gezeigt), in der in 6 gezeigten
Weise. Innerhalb des Hauptluftkanals 804 verläuft eine Mehrzahl
von zueinander parallelen offenendigen äußeren Rohren 806.
Jedes äußere Rohr 806 umgibt ein
koaxiales inneres Rohr 808 mindestens am distalen Ende
des Brenners 800. Die Rohre 806 kommunizieren
an ihren proximalen Enden mit einer Quelle von Schwefelwasserstoff
enthaltendem Gas; die Rohre 808 kommunizieren an ihren
proximalen Enden mit einer Quelle von kommerziell reinem Sauerstoff
oder sauerstoffangereicherter Luft.
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Die
Rohrpaare 806 und 808 sind zwischen einer oberen
Gruppe 810 und einer unteren Gruppe 812 aufgeteilt.
Es sind 8 Rohrpaare in der oberen Gruppe 810 und 11 in
der unteren Gruppe 812 vorhanden. Die äußeren Rohr 806 haben
alle den gleichen Innendurchmesser, ebenso sämtliche inneren Rohre 808.
Die äußeren Rohre 806 in
der oberen Gruppe 810 sind jedoch weiter voneinander beabstandet
als diejenigen in der unteren Gruppe 812.
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Im
Betrieb findet die gesamte Vermischung von Schwefelwasserstoff mit
Sauerstoff und Luft stromab des distalen Endes des Brenners 800 statt. Die
Anordnung der Auslässe
der äußeren Rohre 806 und
der inneren Rohre 808 ist derart, dass im Betrieb im Ofen
eine stabile Flamme mit einer ersten Stufe hoher Temperatur aufrechterhalten
wird, die Sauerstoffmoleküle
mit einem Durchsatz im Bereich von (120x/300 + y + z) bis (240x/300
+ y + z) m3s–1 erhält, wobei
x, y und z alle die ihnen oben zugeordneten Bedeutungen haben. Die
Rohrpaare in der unteren Gruppe 812 speisen Sauerstoff
oder sauerstoffangereicherte Luft und Schwefelwasserstoff enthaltendes Gas
in die Stufe niedrigerer Temperatur der Flamme. Diese Stufe niedrigerer
Temperatur schirmt die Innenwände
des Ofens gegen die obere Stufe relativ hoher Temperatur ab. Eine
typische Flammenform, die im Betrieb des Brenners 802 in
dem in 6 gezeigten Ofen erhalten werden kann, ist schematisch in 9 dargestellt.
Gemäß 9 feuert
der Brenner 802 in einen Ofen 1000 und erzeugt
eine etwa bogenförmige
Flamme 1002 mit einer inneren Stufe 1004 hoher
Temperatur, die typischerweise eine mittlere Temperatur im Bereich
von 1700 bis 2300°C
hat, und eine äußere Zone 1006 niedriger
Temperatur, die typischerweise eine mittlere Temperatur unterhalb 1650°C hat, die
einen gewählten
Bereich der inneren Wand des Ofens 1000 gegen die Stufe 1004 abschirmt.
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Um
wieder auf 7 Bezug zu nehmen, die Abstufung
der Flamme resultiert aus der Tatsache, dass der aus den äußeren Rohren 806 in
der oberen Gruppe 810 austretende Schwefelwasserstoff sich mit
proportional mehr Luft mischen kann als aus den äußeren Rohren 806 in
der unteren Gruppe 812 austretender Schwefelwasserstoff.
Als Ergebnis ist die innere Stufe 1004 der Flamme 1000 sauerstoffreicher
als die äußere Stufe 1006.
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Um
nun auf 8 Bezug zu nehmen, dort ist ein
Brenner 900 gezeigt, der im wesentlichen ähnlich dem
in 7 gezeigten ist. Der Brenner 900 hat
also ein äußeres Gehäuse 902 mit
rechteckigem Querschnitt. Das Gehäuse 902 bildet den
Hauptkanal 904 für
die Luftströmung.
Es ist eine Mehrzahl von äußeren offenendigen
Rohren 906 vorhanden, die parallel zueinander verlaufen
Jedes äußere Rohr 906 umschließt ein inneres
offenendiges Rohr 908 mindestens am distalen Ende des Brenners 900.
Sämtliche Rohre 906 und 908 endigen
an ihren distalen Enden in einer gemeinsamen, zur Achse des Brenners 900 senkrechten
Ebene. Die Rohrpaare sind in einer oberen Gruppe 910 und
einer unteren Gruppe 912 angeordnet. Die äußeren Rohre 906 in
der unteren Gruppe 912 sind enger voneinander beabstandet
als die äußeren Rohre 906 in
der oberen Gruppe 912. Als Ergebnis kann die in 9 gezeigte
Art einer Flammenform innerhalb einer heißen inneren Zone 1004 und
eine äußere Zone 1006 niedrigerer
Temperatur erzeugt werden. Ein signifikanter Unterschied zwischen
dem in 8 gezeigten Brenner 900 und dem in 7 gezeigten
Brenner 800 liegt jedoch darin, dass der Innendurchmesser
der inneren Rohre 908 der oberen Gruppe 910 größer als
der Innendurchmesser der inneren Rohre 908 der unteren
Gruppe 912 ist. Als Ergebnis kann aus jedem äußeren Rohr 908 der
oberen Gruppe 910 austretender Schwefelwasserstoff sich
mit proportional mehr kommerziell reinem Sauerstoff vermischen als
aus den äußeren Rohren 908 der
unteren Gruppe 912 austretender Schwefelwasserstoff. Daher
kann im Betrieb des in 7 gezeigten Brenners eine innere
Flammenstufe 1004 höherer
Temperatur erzeugt werden. Mittlere Temperaturen oberhalb von 2000°C können in
der inneren Stufe 1004 leicht erzeugt werden, ohne eine mittlere
Temperatur von 1650°C
in der äußeren Stufe zu überschreiten.
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Es
sollte beachtet werden, dass in ausdrückende "110x/330", wie sie hier verwendet werden, das
Symbol "/" ein Divisonszeichen
ist.