DE68915613T2

DE68915613T2 - Sauerstoffstrahlbrenner und Verbrennungsverfahren.

Info

Publication number: DE68915613T2
Application number: DE68915613T
Authority: DE
Inventors: John Erling Anderson
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1988-05-05
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2009-03-11
Also published as: DE68915613D1; ES2053836T3; JPH0515927B2; MX166588B; US4907961A; EP0340424A2; JPH01312311A; CA1293688C; BR8901119A; EP0340424A3; KR950007387B1; KR900014814A; EP0340424B1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft Nachmisch-Brenner, bei denen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als das Oxidationsmittel eingesetzt wird.

Stand der Technik

Ein Nachmisch-Brenner ist ein Brenner, bei dem der Brennstoff und das Oxidationsmittel getrennt von dem Brenner injiziert werden. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel vermischen sich und reagieren miteinander außerhalb des Brenners. Bei den meisten industriellen Öfen werden Nachmisch-Brenner benutzt.
Bei der Verwendung von Nachmisch-Brennern, bei welchen reinen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft aufweisendes Oxidationsmittel der Verbrennungszone als Hochgeschwindigkeitsstrahlen zugeführt, und das Brennstoffgas in die Oxidationsmittelstrahlen hineingezogen wird, lassen sich eine Reihe von Vorteilen feststellen. Ein solcher Vorteil besteht darin, daß der Brenner sehr flexibel ausgelegt sein kann, da eine große Vielfalt von Flammenmustern möglich ist. Durch eine bloße Änderung der Oxidationsmitteldüse kann das Wärmeübergangsmuster in einem Ofen erheblich verändert werden. Ein anderer Vorteil liegt darin, daß die durch die Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen hervorgerufenen Zirkulationsmuster zu einer gleichförmigen Erwärmung des Ofens führen. Ein dritter Vorteil ist, daß die Flamme so ausgerichtet werden kann, daß die Wärmeübergangsrate zu der Arbeitslast vergrößert wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß das Mischen des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel verbessert wird, so daß eine vollständige Verbrennung sichergestellt wird. Noch ein weiterer Vorteil ist, daß mit Hochgeschwindigkeitsstrahlen die Bildung von Stickoxiden aufgrund des kurzen Kontakts bei hohen Flammentemperatur innerhalb des Strahls vermindert wird.
Ein neuerer wesentlicher Fortschritt im Bereich von Nachmisch-Brennern ist der von Dr. John E. Anderson entwickelte Ansaugbrenner und das Verfahren, der (das) in US-A-4 378 205 und in US-A-4 541 796 offenbart und beansprucht wird.
Ein Problem bei Nachmisch-Brennern ist das Erzielen einer guten Flammenstabilität. Die Flamme um einen Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahl, der gasförmigen Brennstoff mitreißt, wird leicht gelöscht. Bei konventionellen Luftbrennern wird dieses Problem durch den Gebrauch eines Brennerblocks überwunden. Die Umwälzung der heißen Verbrennungsprodukte innerhalb des Blocks dient dem Verbessern der Zündung. Falls dies jedoch mit reinem Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicherter Luft als Oxidationsmittel gemacht wird, würde der Brennerblock übermäßig heiß werden und schmelzen.
Um die Vorteile des Gebrauchs von Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen bei einem Nachmisch-Brenner vollständig zu verwirklichen, ist es wichtig, die Flamme zu stabilisieren, ohne die Integrität des Strahl zu zerstören.
Der zuvor erwahnte Ansaugbrenner und das Verfahren sind auf das Problem der Flammenstabilität ausgerichtet. Wenn in einem heißen Ofen gearbeitet wird, dienen die umgebenden heißen Gase dem Verbessern der Zündung. Heiße Ofengase werden in die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen hineingezogen, bevor sie sich mit dem Brennstoff mischen und mit diesem reagieren. Das Oxidationsmittel wird durch diese heißen Gase auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt, so daß das Oxidationsmittel bei Kontakt mit dem Brennstoffgas reagieren wird. Wenn in einem kalten Ofen gearbeitet wird, ist es erforderlich, die Temperatur des Brennstoffs auf einen Pegel zu bringen, bei dem der Brennstoff bei einem Kontakt mit dem Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahl reagiert. Dies wird durch die Zuführ von etwa 5 bis 10 % des gesamten für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoffs als ein Ringstrom um den Brennstoffstrom erreicht. Das Oxidationsmittel des Ringstroms und der Brennstoff reagieren, wobei der Brennstoffstrom erwarmt wird. Der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrom reißt zuerst kalte Ofengase mit, gefolgt von dem erwärmten, teilweise verbrannten Brennstoffstrom. Der Brennstoffstrom hat eine ausreichend hohe Temperatur, so daß der unverbrannte Brennstoff bei Kontakt mit dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel reagieren wird.
Es ist wünschenswert, über einen Nachmisch-Brenner und ein Verfahren unter Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen zu verfügen, bei denen eine gute Flammenstabilität erreicht wird.
Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Nachmisch-Brenner und ein Verfahren unter Einsatz von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als das Oxidationsmittel zu schaffen, bei dem das Oxidationsmittel direkt in die Ofenzone bei hoher Geschwindigkeit injiziert werden kann und eine gute Flammenstabilität erreicht wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung lautet:
Ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel, bei dem:
(A) in eine Verbrennungszone der mindestens 30 Vol.% Sauerstoff aufweisende größere Teil des für die Verbrennung benötigten Oxidationsmittels als mindestens ein Innenstrom mit einer hohen Geschwindigkeit V von mehr als 1,5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V in Meter pro Sekunde gemessen ist (von mehr als 5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V in Fuß pro Sekunde gemessen ist), injiziert wird;
(B) in die Verbrennungszone in der Nahe des größeren Oxidationsmittelteils ein kleinerer Teil des für die Verbrennung benotigten Oxidationsmittels als mindestens ein den Hochgeschwindigkeitsstrom mindestens teilweise umhüllender Strom mit einer niedrigen Geschwindigkeit injiziert wird, die kleiner als 0,5 V ist, wobei der kleinere Teil mindestens 1 % des in die Verbrennungszone insgesamt injizierten Sauerstoffs aufweist und mindestens 30 Vol.% Sauerstoff enthält;
(C) gasförmiger Brennstoff in der Nähe des kleineren Oxidationsmittelteils und letzteren unter Bildung einer Grenzfläche zwischen dem gasförmigen Brennstoff und dem kleineren Oxidationsmittelteil umhüllend mit einer solchen Geschwindigkeit in die Verbrennungszone injiziert wird, daß die niedrige Geschwindigkeit des kleineren Oxidationsmittelteils sich von der Geschwindigkeit in dem gasförmigen Brennstoff an der Grenzfläche um nicht mehr als 61 m/s (200 Fuß pro Sekunde) unterscheidet;
(D) Oxidationsmittel des kleineren Oxidationsmittelteils mit gasförmigem Brennstoff an der Grenzfläche verbrannt wird;
(E) Oxidationsmittel des kleineren Oxidationsmittelteils in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteil unmittelbar nach dem Injizieren des größeren Oxidationsmittelteils in die Verbrennungszone hineingezogen wird und danach gasförmiger Brennstoff in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteil hineingezogen wird; und
(F) heiße Verbrennungsprodukte von der Grenzfläche in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteil hineingezogen werden, wobei die heißen Verbrennungsprodukte als eine ständige Zundquelle für den Brennstoff und den größeren Oxidationsmittelteil dienen und gasförmiger Brennstoff und Oxidationsmittel des mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteils in einer stabilen Flamme verbrannt werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungssystem mit einer Brennervorrichtung zur Verwendung mit reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als das Oxidationsmittel, versehen mit:
(A) einer Anordnung zum Anliefern eines größeren Oxidationsmittelteils zwecks Injizierens in eine Verbrennungszone, wobei die den größeren Oxidationsmittelteil anliefernde Anordnung über eine Leitungsanordnung mit einer Quelle für ein Oxidationsmittel verbunden ist, das mindestens 30 Vol.% Sauerstoff enthält, und wobei die den größeren Oxidationsmittelteil anliefernde Anordnung ein zentrales Oxidationsmittelzufahrrohr und eine an dem Injektionsende des Oxidationsmittelzuführrohrs befindliche Düse aufweist, die mit mindestens einer durchgehenden Öffnung für die Überleitung von Oxidationsmittel von dem Zufuhrrohr in die Verbrennungszone versehen ist;
(B) einer um die Düse herumreichenden ringförmigen Oxidationsmittel-Zuführöffnung zum Zuführen eines kleineren Oxidationsmittelteils zu der Verbrennungszone in der Nähe der Stelle, an welcher der größere Oxidationsmittelteil injiziert wird, so daß Oxidationsmittel aus dem kleineren Oxidationsmittelteil in den größeren Oxidationsmittelteil hineingezogen wird, unmittelbar nachdem der größere Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone injiziert wird; und
(C) einer Brennstoffzuführanordnung zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff zu der Verbrennungszone, wobei die Brennstoffzufuhranordnung so ausgelegt ist, daß sie Brennstoff in die Verbrennungszone in der Nähe des kleineren Oxidationsmittelteils diesen umhüllend so einführt, daß der gasförmige Brennstoff und der kleinere Oxidationsmittelteil innerhalb der Verbrennungszone eine Grenzfläche bilden, bevor es zu einem Kontakt zwischen gasförmigem Brennstoff und dem größeren Oxidationsmittelteil kommt.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Verbrennungszone" ein Volumen, in welchem sich Brennstoff und Oxidationsmittel mischen und unter Freigabe von Wärme miteinander reagieren.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "reiner Sauerstoff" ein Gas mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 99,5 %.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Grenzfläche" die Ebene oder den Raum, wo der gasförmige Brennstoff und der kleinere Oxidationsmittelteil aufeinander einwirken. Die Grenzfläche hat eine finite Dicke, wenn das Oxidationsmittel in das Brennstoffgas diffundiert, und das Brennstoffgas in das Oxidationsmittel diffundiert, um so ein brennbares Gemisch zu bilden.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "gasförmiger Brennstoff" einen Brennstoff der aus einem oder mehreren der folgenden Bestandteile besteht: eine oder mehrere gasförmige Komponenten, von denen einige oder alle brennbar sind; flüssige Brennstofftröpfchen, die in einem gasförmigen Medium dispergiert sind; feste Brennstoffteilchen, die in einem gasförmigen Medium dispergiert sind.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "scheinbare Strahlgeschwindigkeit" die eine Öffnung verlassende volumetrische Durchflußmenge bei Umgebungsdruck, geteilt durch die Querschnittsfläche der Öffnung.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Ausblasgeschwindigkeit" die maximale Strahlgeschwindigkeit, wie sie an der Öffnung gemessen wird, bei der eine Flamme für einen von gasförmigem Brennstoff umgebenen Oxidationsmittelstrahl aufrechterhalten werden kann. Unterhalb der Ausblasgeschwindigkeit ist die Flamme um den Strahl stabil. Über der Ausblasgeschwindigkeit kann eine Flamme nicht aufrechterhalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine Querschnittansicht einer Ausführungsform des Brenners gemäß dieser Erfindung.
FIG. 2 ist eine Querschnittansicht einer in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Einzelöffnungsdüse.
FiG. 3 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 2 veranschaulichte Oxidationsmitteldüse.
FIG. 4 ist eine Veranschaulichung der Flamme, die bei der Anwendung dieser Erfindung erzielt wird, wenn der in FIG. 2 veranschaulichte Brenner benutzt wird.
FIG. 5 ist eine Querschnittansicht einer in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 6 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 5 veranschaulichte Oxidationsmitteldüse.
FIG. 7 ist eine Querschnittansicht einer anderen in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 8 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 7 veranschaulichte Oxidationsmitteldüse.
FIG. 9 ist eine Querschnittansicht einer anderen in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 10 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 9 veranschaulichte Oxidationsmitteldüse.
FIG. 11 ist eine Veranschaulichung der Flamme, die bei der Anwendung dieser Erfindung erzielt wird, wenn der in FIG. 9 veranschaulichte Brenner benutzt wird.
FIG. 12 ist eine Querschnittansicht einer anderen in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffhungsdüse.
FIG. 13 ist eine Aufsicht auf die in FIG. 12 veranschaulichte Oxidationsmitteldüse.
FIG. 14 ist eine Querschnittansicht einer anderen in einen Brenner gemäß dieser Erfindung eingesetzten Mehrfachöffnungsdüse.
FIG. 15 ist eine Aufsicht unter einem Winkel von 30 Grad relativ zu der Brennerachse auf die in FIG. 14 veranschaulichte Oxidationsmitteldüse.
FIG. 16 ist ein Ausdruck der Ausblasgeschwindigkeit für einen Sauerstoffstrahl in Erdgas als eine Funktion des Öffnungsdurchmesser, wobei ein Brenner wie der in FIG. 1 gezeigte jedoch kein Oxidationsmittel niedriger Geschwindigkeit gemäß der Erfindung benutzt wird.
FIG. 17 ist ein Ausdruck der Ausblasgeschwindigkeit für einen Sauerstoffstrahl in ein Erdgas-Stickstoff-Brennstoffgemisch als eine Funktion der Erdgaskonzentration, wobei ein Brenner wie der in FIG. 1 gezeigte benutzt wird, sowohl mit dem als auch ohne das Oxidationsmittel niedriger Geschwindigkeit gemäß der Erfindung.
FIG. 18 ist ein Ausdruck der Ausblasgeschwindigkeit für einen Sauerstoff/Stickstoffstrahl in Erdgas als eine Funktion der Sauerstoffkonzentration in dem Oxidationsmittel, wobei ein Brenner wie der in FIG. 1 gezeigte jedoch kein Oxidationsmittel niedriger Geschwindigkeit gemäß der Erfindung benutzt wird.
FIG. 19 ist ein Ausdruck der Stickoxidkonzentration in dem Rauchgas von einem Ofen als eine Funktion der Sauerstoffstrahlgeschwindigkeit und des Sauerstoff-Öffnungsdurchmessers, wobei eine Ausführungsform des Brenners gemäß dieser Erfindung mit verschiedenen Sauerstoffdüsen benutzt wird.

Detaillierte Beschreibung

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1 ist ein Durchlaß 1 über eine Leitungsanordnung 2 mit einer (nicht gezeigten) Quelle für Oxidationsmittel verbunden, das mindestens 30 Vol.% Sauerstoff enthält. Sauerstoffquellen beinhalten zum Beispiel eine Gasspeicherflasche, einen Tank für flüssigen Sauerstoff, von dem Sauerstoff vor einem Gebrauch verdampft wird, und für größere Anforderungen eine Luftzerlegungsanlage wie z.B. eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage oder eine Druckwechseladsorptionsanlage. Mit Sauerstoff angereicherte Luft kann auch durch das Kombinieren von hochreinem Sauerstoff mit Luft erzeugt werden, wobei der kombinierte Strom der Leitungsanordnung 2 zugeleitet wird. Das Oxidationsmittel tritt aus dem Durchlaß 1 durch eine Düse 9 mit einer oder mehreren Öffnungen 12 in die Verbrennungszone 3.
FIG. 1 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der der Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit nahe dem Oxidationsmittelstrom hoher Geschwindigkeit ein Ringstrom ist, der eine ringförmige Umhüllung um den Hochgeschwindigkeitsstrom bildet. Der Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit muß jedoch den Oxidationsmittelstrom hoher Geschwindigkeit nicht vollständig umgeben. Der Ringstrom könnte auch statt einer durchgehenden ringförmigen Öffnung eine Anzahl von Strahlen niedriger Geschwindigkeit aus einer Anzahl von Öffnungen aufweisen. Falls zum Beispiel der Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrom nicht rund sondern ein ebener Strahl wäre, könnte der Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit ferner ein benachbarter ebener Strom sein.
Wieder unter Bezugnahme auf FIG. 1 ist koaxial zu dem Durchlaß 1 ein(e) ringförmige(r) Durchlaß oder Öffnung 4 ausgebildet, der (die) über eine Leitungsanordnung 5 mit einer (nicht gezeigten) Quelle für Oxidationsmittel, das mindestens 30 Vol.% Sauerstoff aufweist, verbunden ist. Oxidationsmittel tritt aus dem ringförmigen Durchlaß 4 direkt in die Verbrennungszone 3 und bildet eine Umhüllung, die das aus dem zentralen Durchlaß 1 austretende Oxidationsmittel und bis zu einem geringen Abstand deren entsprechende Injektionsstellen umgibt.
Gasförmiger Brennstoff wie z.B. Erdgas, Wasserstoff Koksofengas, Propan und ähnliches wird der Verbrennungszone 3 über eine von den Oxidationsmitteldurchlässen getrennte Anordnung zugeführt, so daß der Brennstoff am Beginn der Verbrennungszone nahe dem Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit ist. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten Ausführungsform wird Brennstoff direkt der Verbrennungszone 3 durch einen Durchlaß 6 zugeführt, der koaxial und benachbart der Außenseite des ringförmigen Oxidationsmittelstromes niedriger Geschwindigkeit an deren entsprechenden Injektionsstellen angeordnet ist.
Der Durchlaß 1 führt den größeren Teil des für eine Verbrennung mit dem Brennstoff benötigten Oxidationsmittels, und der koaxiale Durchlaß 4 führt den kleineren Teil oder den Rest des gesamten Oxidationsmittels. Der kleinere Oxidationsmittelteil macht mindestens 1 % des gesamten, der Verbrennungszone zugeführten Sauerstoffs aus. Vorzugsweise macht der kleinere Oxidationsmittelteil weniger als 10 % des gesamten, der Verbrennungszone zugeführten Sauerstoffs aus.
Sowohl der größere als auch der kleinere Oxidationsmittelteil enthalten mindestens 30 Vol.% Sauerstoff. Es ist jedoch nicht notwendig, daß der kleinere Oxidationsmittelteil die gleiche Sauerstoffkonzentration wie der größere Oxidationsmittelteil hat.
Der größere Oxidationsmittelteil wird von Durchlaß 1 in die Verbrennungszone 3 als ein Hochgeschwindigkeitsstrahl 8 mit einer Geschwindigkeit V injiziert, die an der Austrittsöffnung 12 größer als 1,5 P ist, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V die Geschwindigkeit in Meter pro Sekunde ist (größer als 5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V die Geschwindigkeit in Fuß pro Sekunde ist).
Der kleiner Oxidationsmittelteil wird in die Verbrennungszone 3 von dem ringförmigen Durchlaß oder der Öffnung 4 mit einer niedrigen Geschwindigkeit von weniger als 0,5 V injiziert, so daß sich die niedrige Geschwindigkeit des kleineren Oxidationsmittelteils um nicht mehr als 61 m/s (200 Fuß pro Sekunde) von der Geschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs an deren Grenzfläche unterscheidet. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des kleineren Oxidationsmittelteils kleiner als 30 m/s (100 Fuß/s).
Wieder unter Bezugnahme auf FIG. 1 strömt ein Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit aus dem Austritt 7 am Ende des Durchlasses 4. Dieser Strom niedriger Geschwindigkeit bildet eine Umhüllung um den Hochgeschwindigkeitsstrahl 8 des größeren Oxidationsmittelteils, der aus Öffnung 12 am Ende von Durchlaß 1 austritt. Der Hochgeschwindigkeitsstrahl von Öffnung 12 reißt umgebende Gase mit, wenn er durch die Verbrennungszone 3 strömt. Das erste Gas, das nach dem Verlassen der Düse mitgerissen wird, ist der ringförmige Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit, der in den größeren Oxidationsmittelteil direkt nach dem Injizieren des größeren Oxidationsmittelteils in die Verbrennungszone hineingezogen wird. Diesem folgt das Hineinziehen von gasförmigem Brennstoff. Die Strömungslinien des in den Oxidationsmittelstrahl 8 hineingezogenen gasförmigen Brennstoffs sind in FIG. 1 durch die gestrichelten Linien 10 dargestellt. Zwischen dem Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit und dem gasförmigen Brennstoff wird eine Verbrennungsgrenzfläche 11 gebildet, wenn beide Ströme in den Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahl hineingezogen werden. Die Zündung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels niedriger Geschwindigkeit wird durch jede geeignete Zündvorrichtung ausgelöst. Da sich der ringförmige Strom des kleineren Oxidationsmittelteils mit einer niedrigen Geschwindigkeit mit Bezug auf das Brennstoffgas bewegt, kann eine stabile Flamme an der Grenzfläche 11 aufrechterhalten werden. Die heißen Verbrennungsprodukte dieser Flamme werden an einer Stelle 13 in den Strahl gezogen, im allgemeinen in einem Abstand, der kleiner als 6 Durchmesser der Öffnung 12 in der Düse 9 ist, und bevor eine wesentliche Verdünnung des größeren Oxidationsmittelteils durch Ofengase erfolgen kann. Dies ist exakt der Punkt, an dem Brennstoff beginnt, in den Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahl gezogen zu werden und sich mit dem größeren Oxidationsmittelteil zu mischen. Für die in FIG. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist die Schnittlinie 13 ein Kreis um den Umfang des Oxidationsmittelstrahls. Die heißen Verbrennungsprodukte von der ringförmigen Oxidationsmittel- Brennstoff-Flamme dienen als eine ständige Zündquelle an dem Schnittpunkt 13, wo der Brennstoff und der größere Oxidationsmittelteil zum ersten Mal aufeinandertreffen. Dies ist die ideale Stelle für eine Zündung. Diese ständige Zündquelle vor einer wesentlichen Verdünnung des größeren Oxidationsmittelteils durch Ofengase ermöglicht das Aufrechterhalten einer stabilen Verbrennung mit dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel an der Grenzfläche des Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahls 8. Dies wird erreicht ohne die Integrität des Strahls des größeren Oxidationsmittelteils zu ändern.
Die FIG. 2-4 veranschaulichen die Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Brenner eine einzelne Öffnung für das Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit benutzt. Die Oxidationsmitteldüse ist in FIG. 3 einzeln dargestellt, und in den FIG. 2 und 4 ist sie in den Brenner eingebaut gezeigt. Die Flamme ist in FIG. 4 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf FIG. 4 wird das Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit durch die einzelne Öffnung 20 injiziert, während das Oxidationsmittel niedriger Geschwindigkeit durch den ringförmigen Durchlaß 21 injiziert wird. Brennstoffgas wird durch einen Durch1aß 26 in die Verbrennungszone injiziert. Da das Oxidationsmittel niedriger Geschwindigkeit und das Brennstoffgas in den Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahl 22 hineingezogen werden, wird an der Grenzfläche 27 eine stabile Flamme ausgebildet, wobei sich das Oxidationsmittel niedriger Geschwindigkeit auf der einen Seite und Brennstoffgas sich auf der anderen Seite befindet. Diese Flamme an der Grenzfläche bildet eine Umhüllung um die Düse, die mit dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahl 22 an einer Stelle 24 zusammentrifft. Dies ist die Stelle, an der Brennstoffgas zum ersten Mal in den Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahl hineingezogen wird. Zwischen dem Brennstoffgas und dem größeren Oxidationsmittelteil wird an der Stelle 24 durch die Zuführ heißer Verbrennungsprodukte von der Flamme an der Grenzfläche 27 eine ständige Zündung eingerichtet und aufrechterhalten. Die Düse 23 ist abnehmbar, und sie wird bei Gewinden 28 in das Oxidationsmittelzufuhrrohr 29 eingeschraubt. Auf diese Weise kann die Düse für den größeren Oxidationsmittelteil leicht ersetzt und der Brenner für einen Betrieb in einer anderen Betriebsart wie gewünscht geändert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit durch eine Mehrzahl von Öffnungen mit kleinem Durchmesser in die Verbrennungszone injiziert. Bei einer einzigen Öffnung mit großem Durchmesser reißt der Hochgeschwindigkeitsstrahl den Brennstoff über eine längere Distanz mit, und das Mitreißen nahe der Öffnung für das Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit kann ungenügend sein, um den Auftrieb und natürliche Konvektionskräfte zu überwinden. Infolgedessen kann gasförmiger Brennstoff dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahl entkommen und unverbrannt bleiben. Die FIG. 5 und 6 veranschaulichen die Ausführungsform der Erfindung bei einem Brenner, der vier Öffnungen für das Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit benutzt. Die Oxidationsmitteldüse ist in FIG. 6 einzeln gezeigt, und in FIG. 5 ist sie in den Brenner eingebaut gezeigt. Wie veranschaulicht in FIG. 5 sind die vier Öffnungen 30 unter einem Winkel zu der Brennerachse ausgerichtet, so daß sich die Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen nicht gegenseitig beeinträchtigen. Ersetzt man die Einzelöffnungsdüse 23 von FIG. 4 durch die Düse 31 von FIG. 5, die vier Öffnungen aufweist, so findet das Mitreißen des Brennstoffs näher an der Öffnung für das Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit statt, und die Tendenz, gasförmigen Brennstoff aufgrund von Auftrieb und natürlichen Konvektionskräften zu verlieren, wird stark vermindert. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird es besonders bevorzugt, daß es mehr als drei Öffnungen für das Oxidationsmittel hoher Geschwindigkeit gibt, und daß der Durchmesser jeder Öffnung kleiner als 6,4 mm (¹/&sub4; inch) ist.
In den FIG. 7 und 8 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Oxidationsmitteldüse ist in FIG. 8 einzeln gezeigt, und sie ist in FIG. 7 in den Brenner eingebaut dargestellt. Die Einzelöffnungsdüse 23 von FIG. 4 ist wie gezeigt in FIG. 7 durch eine Mehrfachöffnungsdüse 40 ersetzt. Diese Düse hat zwei Sätze von Öffnungen. Der erste Satz weist sechs Öffnungen 41 auf die in gleichmäßigem Abstand um den Umfang der Düse 40 und unter einem Winkel weg von Düsenoberfläche angeordnet sind. Die drei Öffnungen 42 des zweiten Satzes sind auf der Stirnfläche der Düse angeordnet und unter einem Winkel nach außen mit Bezug auf die Achse des Brenners ausgebildet. Vorzugsweise ist (sind) die starker radial ausgerichtete(n) Öffnung(en) 41 unter einem Winkel von mindestens 10 Grad nach außen zu der (den) stärker axial ausgerichteten Öffnung(en) 42 ausgerichtet. Die Ausführungsform des Brenners, bei der eine Düse mit stärker radial und stärker axial ausgerichteten Öffnungen für das Injizieren des größeren Oxidationsmittelteils in die Verbrennungszone eingesetzt wird, kann aufgrund der sequentiellen Natur des Kontaktes zwischen dem Brennstoff und dem größeren Oxidationsmittelteil vorteilhaft für das Ausführen einer Verbrennung mit geringerer Bildung von Stickoxiden benutzt werden.
In den FIG. 9, 10 und 11 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Oxidationsmitteldüse ist in FIG. 10 einzeln gezeigt, und sie ist in den FIG. 9 und 11 in den Brenner eingebaut dargestellt. Die Flamme ist in FIG. 11 veranschaulicht. Die Einzelöffnungsdüse 23 von FIG. 4 ist wie gezeigt in FIG. 11 durch eine Mehrfachöffnungsdüse 50 ersetzt. Um einen Kreis auf der Stirnfläche der Düse 52 sind zwölf Öffnungen 51 in gleichmäßigem Abstand angeordnet. Die Öffnungen sind unter einem Winkel weg von der Achse des Brenners ausgebildet. Um die Öffnungen mit einem angemessenem Abstand zwischen benachbarten Öffnungen unterzubringen, ist die Düse über den Austritt 53 des ringförmigen Oxidationsmitteldurchlasses 54 hinaus erweitert und vergrößert, um für einen größeren Betrag der Düsenstirnfläche 52 zu sorgen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung strömt der ringförmige Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit, der den Austritt 53 verläßt, entlang dem Umfang der Düse 50, bevor er in die Hochgeschwindigkeitsstrahlen 55 des größeren Oxidationsmittelteils hineingezogen wird. Die Flamme an der Grenzfläche 56 zwischen dem Oxidationsmittel niedriger Geschwindigkeit und dem Brennstoffgas bildet eine Umhüllung um den Bereich der Düse, der sich in die Verbrennungszone hinein erstreckt. An der Stelle 58, wo die Grenzfläche 56 zwischen dem Brennstoff und dem Ringraum-Oxidationsmittel mit den Hochgeschwindigkeitsstrahlen 55 zusammentrifft, wird für eine ständige Zündung des Brennstoffs von Durchlaß 57 und der Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen 55 gesorgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen 51 unter einem Winkel von mehr als 10 Grad nach außen weg von der Brennerachse angeordnet.
In den FIG. 12 und 13 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Oxidationsmitteldüse ist in FIG. 13 einzeln dargestellt, und in FIG. 12 ist sie in den Brenner eingebaut dargestellt. Die Oxidationsmitteldüse 61 hat eine sphärische Oberfläche 62. Die Öffnungen 63 für die Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen sind senkrecht zu dieser Oberfläche in Richtung auf das Kugelzentrum gebohrt. Die Öffnungen sind wie gezeigt in FIG. 13 auf drei konzentrischen Kreisen 64, 65 und 66 angeordnet, die einen gemeinsamen Mittelpunkt haben. Oxidationsmittel wird durch einen Durchlaß 67 zu den Öffnungen geliefert. Ein kleiner Teil des Oxidationsmittels, zwischen 1 und 10 % des gesamten Oxidationsmittels, wird von dem Durchlaß 67 über Leckdurchlässe 68 zu dem ringförmigen Durchlaß 69 abgezogen. Brennstoff wird über einen die Düse umgebenden Durchlaß 70 angeliefert. Das den Durchlaß 69 verlassende Oxidationsmittel liefert den Oxidationsmittelstrom niedriger Geschwindigkeit, der zum Stabilisieren der Flamme um die Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen von den Öffnungen 63 erforderlich ist. Der Oxidationsmittelstrom von dem ringförmigen Durchlaß 69 strömt entlang der sphärischen Oberfläche, bevor er in die Hochgeschwindigkeitsstrahlen hineingezogen wird. Die Flamme an der Grenzfläche zwischen dem ringförmigen Oxidationsmittelstrom und dem Brennstoff bildet eine Umhüllung um die sphärische Oberfläche der Düse.
Der gemeinsame Mittelpunkt der konzentrischen Kreise in FIG. 13 ist entlang der Achse des Brenners angeordnet. Die Erfindung kann auch so angewendet werden, daß der Mittelpunkt der konzentrischen Kreise an einer Stelle liegt, die wie gezeigt in den FIG. 14 und 15 von der Achse versetzt ist. Die Oxidationsmitteldüse ist in FIG. 15 einzeln dargestellt, und sie ist in FIG. 14 in den Brenner eingebaut gezeigt. In FIG. 14 ist eine Linie 83 unter einem Winkel 81 zu einer durch die Brennerachse gezogenen Linie 84 gezeigt. Die Linie 83 schneidet die Düsenoberfläche an einer Stelle 82. Die konzentrischen Kreise zum Ausrichten der Öffnungen auf der Düsenoberfläche haben einen gemeinsamen Mittelpunkt auf der Linie 83. Der Oxidationsmittelringstrom niedriger Geschwindigkeit stabilisiert die Flammen um die Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen in der gleichen Weise, wie sie für die Brenneranordnung der FIG. 12 und 13 beschrieben wurde. Das Flammenmuster wird durch die Richtung der Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahlen bestimmt. Wenn die Erfindung wie gezeigt in den FIG. 14 und 15 angewendet wird, sind die Strahlflammen unter einem Winkel weg von der Brennerachse ausgerichtet. Auf diese Weise kann die Düse geändert werden, um die gleiche Wirkung wie eine Anwinkelung des gesamten Brenners zu zeigen.
Die Erfindung kann auch mit Mehrfachöffnungsdüsen mit einem asymmetrischen Öffnungsmuster angewendet werden.
Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele dienen dazu, die vorliegende Erfindung weiter zu veranschaulichen, oder um Vergleichsergebnisse zu liefern.

Beispiel 1

Unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich der in FIG. 1 veranschaulichten wurden Brennerversuche durchgeführt. Zum Vergleich wurde der Brenner mit und ohne Sauerstoffstrom durch den Ringraum betrieben. Der Brennstoff war Erdgas, und das Oxidationsmittel war reiner Sauerstoff. Der Brennstoffwurde durch eine Düse mit einer einzelnen Öffnung mit einem Durchmesser von 1,6 mm (¹/&sub1;&sub6; inch) in die Verbrennungszone injiziert. Die Sauerstoffgeschwindigkeit wurde langsam gesteigert. Der zugeführte Brennstoff war immer für eine vollständige Verbrennung ausreichend, und er wurde mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,3 bis 0,9 m/s (1 bis 3 Fuß/s) zugeführt. Ohne dem Oxidationsmittelstrom durch den Ringraum war die Flamme bis zu einer Oxidationsmittel-Strahlgeschwindigkeit von 51 m/s (167 Fuß/s) stabil. An dieser Stelle begann sich die Flamme teilweise zu lösen, wobei nur noch ein Teil an der Düse haftete. Als die Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstrahls weiter gesteigert wurde, wurde die Instabilität der Flamme stärker, bis die Flamme bei einer Sauerstoffgeschwindigkeit von 52 m/s (171 Fuß/s) ausging. Dieser Wert wird als die Ausblasgeschwindigkeit bezeichnet. Bei dieser Strahlgeschwindigkeit konnte die Flamme nicht erneut gezündet werden.
Als der Versuchsablauf für unterschiedliche Düsengrößen wiederholt wurde, ergaben sich ähnliche Ergebnisse. Die Öffnungsgröße der Sauerstoffdüse wurde von 0,8 bis 6,4 mm (¹/&sub3;&sub2; bis ¹/&sub4; inch) variiert. Die Ausblasgeschwindigkeit wurde gemessen, und die ausgedruckten Ergebnisse sind in FIG. 16 dargestellt. Wie in dem Ausdruck veranschaulicht, lag die Ausblasgeschwindigkeit zwischen 46 und 70 m/s (150 und 230 Fuß/s).
Der Versuchsablauf wurde mit einer Sauerstoffdüse mit einem Durchmesser von 1,6 mm (¹/&sub1;&sub6; inch) wiederholt, jedoch strömte Sauerstoff mit einer Durchflußmenge von 59 bis 71 dm³/h (2,1 bis 2,5 Kubikfuß pro Stunde (CFH)) durch den Ringraum, was einer Geschwindigkeit von etwa 0,3 m/s (1 Fuß/s) an dem Ringraumaustritt entsprach. Mit dem Sauerstoff-Ringstrom wurde eine stabile Strahlflamme bei Sauerstoffdurchflußmengen von bis zu 4,4 m³/h (156 CFH) durch die 1,6 mm (¹/&sub1;&sub6; inch) Sauerstoffdüse erreicht, entsprechend einer scheinbaren Strahlgeschwindigkeit von 619 m/s (2030 Fuß/s). Bei dem verfügbaren Sauerstoffdruck war dies der Grenzwert für den Strom von Sauerstoff durch die Leitungen. Die Ausblasgeschwindigkeit, die nicht erreicht wurde, war sogar eine noch höhere Geschwindigkeit. Als die Sauerstoffzuführ zu dem Ringraum abgeschaltet wurde, erlosch die Flamme um den Strahl.
Der Gebrauch des Sauerstoffstroms niedriger Geschwindigkeit durch den Ringraum nahe des größeren Sauerstoffteils hoher Geschwindigkeit erhöhte die Ausblasgeschwindigkeit für den Sauerstoffstrahl um mehr als eine Größenordnung.

Beispiel 2

Die gleiche Versuchsvorrichtung und das Verfahren, wie beschrieben bei Beispiel 1, wurden mit Wasserstoff als Brennstoff und reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel benutzt. Die Geschwindigkeit des Wasserstoffstroms lag zwischen 0,6 und 0,9 m/s (2 und 3 Fuß/s). Die Werte sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Durchflußmenge in m³/h (CFH) und die scheinbare Strahlgeschwindigkeit in m/s (Fuß/s) sind sowohl für den Sauerstoff-Ringstrom als auch für den Strahl aus der Sauerstoffdüse angegeben. Indem ein Sauerstoffstrom niedriger Geschwindigkeit durch den Ringraum geleitet wurde, konnte eine stabile Flamme um den Strahl bei viel höheren Strahlgeschwindigkeiten aufrechterhalten werden. Der Gebrauch des Sauerstoff-Ringstroms für eine starke Erweiterung des Bereichs der Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit für stabile Flammen läßt sich auch für Wasserstoff als ein Brennstoff sowie für Erdgas anwenden. Tabelle 1 Öffnungsdurchmesser der Sauerstoffdüse Sauerstoff-Ringstrom Sauerstoffdüse inch Fuß/s (*1) Ausblasgeschwindigkeit. Bei dieser Geschwindigkeit konnte keine Flamme um den Sauerstoffstrahl aufrechterhalten werden. (*2) Maximaler Durchfluß, der durch die Sauerstoffleitung bei dem verfügbaren Druck erreicht werden konnte. Bei dieser Geschwindigkeit war die Flamme um den Sauerstoffstrahl stabil.

Beispiel 3

Die gleiche Versuchsvorrichtung und das Verfahren, wie beschrieben bei Beispiel 1, wurden mit Erdgas-Stickstoff-Gemischen als Brennstoff und reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel benutzt, wobei die Öffnung der Sauerstoffdüse einen Durchmesser von 3,2 mm (¹/&sub8; inch) hatte. Die Geschwindigkeit des Brennstoffstroms lag zwischen 1,2 und 3,4 m/s (4 und 11 Fuß/s). Die Ausblasgeschwindigkeit wurde mit und ohne Sauerstoffstrom zu dem Ringraum für verschiedene Brennstoffgemische gemessen. Bei Versuchen, bei welchen Sauerstoff in dem Ringraum benutzt wurde, lag die Sauerstoff-Durchflußmenge zu dem Ringraum zwischen 1,2 und 10,7 % der gesamten Sauerstoffmenge, und die Geschwindigkeit des Ringstroms lag zwischen 0,3 und 2,1 m/s (1 und 7 Fuß/s). Die Ergebnisse sind in FIG. 17 ausgedruckt. Wie in den Ausdrucken veranschaulicht ist, stieg die Ausblasgeschwindigkeit erheblich an, wenn der Sauerstoff-Ringstrom eingesetzt wurde. Zum Beispiel betrug die Ausblasgeschwindigkeit für ein Gemisch aus 50 % Erdgas und 50 % Stickstoff 56 m/s (185 Fuß/s) ohne dem Sauerstoff-Ringstrom, und sie betrug 655 m/s (2150 Fuß/s) mit dem Sauerstoff- Ringstrom. Bei diesem speziellen Brennstoffgemisch betrug die Sauerstoff-Durchflußmenge zu dem Ringraum 0,26 m³/h (9,2 CFH), was 1,3 % des gesamten Sauerstoffs und einer Stromgeschwindigkeit von 1,1 m/s (3,6 Fuß/s) entspricht. Die Geschwindigkeit des Brennstoffstroms betrug 1,5 m/s (5 Fuß/s). Der Gebrauch des Sauerstoff-Ringstroms für dieses Brennstoffgemisch erhöhte die Ausblasgeschwindigkeit um mehr als eine Größenordnung.

Beispiel 4

Die gleiche Versuchsvorrichtung und das Verfahren, wie beschrieben bei Beispiel 1, wurden mit Erdgas als Brennstoff und mit Sauerstoff-Stickstoff-Gemischen als Oxidationsmittel benutzt. Für die Oxidationsmitteldüse wurden Öffnungsdurchmesser von 1,6, 2,4, 3,2 und 4,8 mm (¹/&sub1;&sub6;, ¹/&sub3;&sub2;, ¹/&sub8; und ³/&sub1;&sub6; inch) benutzt. Alle Messungen der Ausblasgeschwindigkeit wurden mit durch den Ringraum strömendem Oxidationsmittel gemacht. Die Konzentration des Oxidationsmittels in dem Ringstrom war immer die gleiche wie die des Oxidationsmittels zu der Düse. Die Oxidationsmittel-Durchflußmenge zu dem Ringraum lag zwischen 3 und 13 % des gesamten Oxidationsmittelstroms. Die Geschwindigkeit des Oxidationsmittel-Ringstroms variierte zwischen 0,3 und 1,8 m/s (1 und 6 Fuß/s). Die Geschwindigkeit des Brennstoffstroms lag zwischen 1,2 und 3,4 m/s (4 und 11 Fuß/s). In FIG. 18 ist die Ausblasgeschwindigkeit gegenüber dem Prozentsatz an Sauerstoff in dem Oxidationsmittel aufgetragen. Wie in dem Ausdruck veranschaulicht ist, sank die Ausblasgeschwindigkeit erheblich, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Oxidationsmittel abnahm. Der Gebrauch des Oxidationsmittel-Ringstroms ist bei hohen Sauerstoffkonzentrationen am stärksten wirksam, im wesentlichen über der Konzentration von 21 Vol.%, wie sie in Luft festzustellen ist. Wie in dem Ausdruck von FIG. 18 angedeutet ist, ist der Vorteil des Gebrauchs eines Oxidationsmittel- Ringstroms zur Stabilisierung der Flamme um den Oxidationsmittelstrahl bei Sauerstoffkonzentrationen in dem Oxidationsmittel von unter 30 Vol.% in der Tat nicht erheblich.

Beispiel 5

Unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich der in den FIG. 2 und 5 veranschaulichten wurden Brennerversuche durchgeführt, wobei reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel und Erdgas als Brennstoff benutzt wurden. Es wurde nach einem Vergleich zwischen dem Brennerbetrieb unter Verwendung der in FIG. 2 gezeigten Ausführungsform dieser Erfindung mit einer Einzelöffnungs-Sauerstoffdüse und der in FIG. 5 gezeigten Mehrfachöffnungsdüse gesucht. Für beide Brennerversuche betrug die Sauerstoff-Durchflußmenge zu der Düse 28 m³/h (990 CFH). Die Erdgas-Durchflußmenge betrug 14,4 m³/h (510 CFH), entsprechend einer Stromgeschwindigkeit von 3,4 m/s (11 Fuß/s). Die Öffnungsgrößen für beide Düsen wurden 50 gewählt, daß eine scheinbare Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit nahe 305 m/s (1000 Fuß/s) erreicht wurde. Die Einzelöffnungsdüse hatte einen Durchmesser von 5,6 mm (&sup7;/&sub3;&sub2; inch) und eine scheinbare Strahlgeschwindigkeit von 323 m/s (1060 Fuß/s). Die Mehrfachöffnungsdüse hatte vier Öffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 3,38 mm (0,113 inch) und eine scheinbare Strahlgeschwindigkeit von 302 m/s (990 Fuß/s). Die Öffnungen waren in gleichmäßigem Abstand um einen Kreis mit einem Durchmesser von 20,7 mm (¹³/&sub1;&sub6; inch) angeordnet, wobei die Öffnungen unter einem Winkel von 15 Grad nach außen mit Bezug zu der Brennerachse ausgerichtet waren. Die Brenner wurden in die offene Atmosphäre gefeuert, wobei die Brennerachse horizontal war. Bei der Einzelöffnungsdüse war die Verbrennung stabil für eine Ringraum-Durchflußmenge von über 0,20 m³/h (7 CFH). Es gab eine große gelbe Flamme oberhalb der Sauerstoffstrahlflamme, die anzeigte, daß ein Teil des Brennstoffs in Luft abseits des Strahls brannte. Das Erdgas wurde nicht vollständig in den Sauerstoff hineingezogen. Die Auftriebskräfte waren groß genug, daß ein Teil des Erdgases in die Umgebung des Strahl entkam. Bei der Mehrfachöffnungs-Sauerstoffdüse war die Verbrennung stabil für eine Ringraum-Durchflußmenge von über 0,25 m³/h (9 CFH). Es gab keine Anzeichen für eine Verbrennung von Erdgas in Luft oberhalb der Sauerstoffstrahlflammen. Der gesamte Brennstoff wurde in die Sauerstoffstrahlen hineingezogen.

Beispiel 6

Unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich der in den FIG. 7 und 8 veranschaulichten wurden Brennerversuche durchgeführt. Die Sauerstoffdüse hatte sechs Öffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 1,04 mm (0,041 inch), die gleichmäßig um den Umfang der Düse angeordnet und unter einem Winkel von 45 Grad nach außen zu der Achse ausgerichtet waren. Die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen von diesen Öffnungen werden als die Seitenstrahlen bezeichnet. Es gab auch drei Öffnungen, jede mit einem Durchmesser von 1,78 mm (0,070 inch), die in gleichmäßigem Abstand um die Stirnseite der Düse unter einem Winkel von 15 Grad nach außen zu der Achse angeordnet waren. Die Hochgeschwindigkeitsstrahlen von diesen Öffnungen werden als die vorderen Strahlen bezeichnet. Das Oxidationsmittel für die Versuche war reiner Sauerstoff, während der Brennstoff Erdgas war. Die Sauerstoff- Durchflußmenge für die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen betrug 28,0 m³/h (990 CFH), entsprechend einer scheinbaren Strahlgeschwindigkeit von 619 m/s (2030 Fuß/s). Etwa 41 % des Sauerstoffs zu der Düse strömte durch die Seitenstrahlen und 59 % strömten durch die vorderen Strahlen. Die Erdgas-Durchflußmenge betrug 14,4 m³/h (510 CFH), entsprechend einer Stromgeschwindigkeit von 3,4 m/s (11 Fuß/s). Es wurden vier Übergangsstellen identifiziert, als die Ringraum-Sauerstoffdurchflußmenge variiert wurde. Die Geschwindigkeit des Ringstromes und der Prozentsatz des Sauerstoffs zu dem Ringraum an der gesamten Sauerstoffmenge sind für diese Übergangsstellen bei dem Brennerbetrieb in Tabelle 2 aufgelistet: Tabelle 2 Ringraum-Sauerstoff % des gesamten Sauerstoffs zu dem Ringstrom Durchflußmenge Geschwindigkeit Fuß/s
Unterhalb einer Ringraum-Sauerstoffdurchflußmenge von 0,45 m³/h (16 CFH) waren die Flammen um die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen instabil und wurden gelöscht. Als die Ringraum-Sauerstoffdurchflußmenge auf über 0,45 m³/h (16 CFH) angehoben wurde, blieben die Flammen um die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffseitenstrahlen gezündet, wobei es einige Fluktuationen in den Flammen gab. Bei einer Ringraum-Sauerstoffdurchflußmenge von 0,59 m³/h (21 CFH) waren die Flammen um die Seitenstrahlen stabil und ohne Fluktuationen. Die Flammen um die vorderen Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen waren bei dieser Ringraum-Sauerstoffdurchflußmenge von der Düse gelöst. Als die Ringraum-Sauerstoffdurchflußmenge weiter gesteigert wurde, wurden die Flammen um die vorderen Strahlen stabiler und bewegten sich näher zu der Düsenstirnfläche. Bei einer Ringraumdurchflußmenge von 1,53 m³/h (54 CFH) hafteten die Flammen um die vorderen Sauerstoffstrahlen an der Düsenstirnfläche, jedoch gab es einige Fluktuationen in den Flammen. Als die Ringraum- Sauerstoffdurchflußmenge noch weiter erhöht wurde, nahmen die Fluktuationen in den Flammen um die vorderen Sauerstoffstrahlen ab. Bei einer Ringraum-Sauerstoffdurchflußmenge von 2,41 m³/h (85 CFH) waren die Flammen um alle Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen sehr stabil und ohne Fluktuationen.

Beispiel 7

Unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich der in den FIG. 9, 10 und 11 veranschaulichten wurden Brennerversuche durchgeführt. Die Öffnungen waren in gleichmäßigem Abstand um einen 25,4 mm (1 inch) großen Kreis auf der Düsenstirnfläche angeordnet und unter einem Winkel von 15 Grad nach außen zu der Düsenachse ausgerichtet. Die Anzahl und der Durchmesser der Öffnungen wurden variiert, um die Auswirkungen der Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit und des Öfthungsdurchmessers auf die Bildung von Stickoxiden in einem Hochtemperaturofen zu bestimmen. Das Oxidationsmittel war reiner Sauerstoff und der Brennstoff war Erdgas. Die Sauerstoff-Durchflußmenge zu den Öffnungen betrug 28,0 m³/h (990 CFH). Die Sauerstoff-Durchflußmenge zu dem Ringraum betrug 2,0 m³/h (72 CFH), was 6,8 % des gesamten Sauerstoffs und einer Ringstromgeschwindigkeit von 2,7 m/s (8,9 Fuß/s) entspricht. Die Erdgas-Durchflußmenge betrug 14,4 m³/h (510 CFH), entsprechend einer Stromgeschwindigkeit von 3,6 m/s (11 Fuß/s). Dem Brennstoffstrom wurde Stickstoff bei einer Durchflußmenge von 0,71 m³/h (25 CFH) zugegeben, um sicherzustellen, daß genügend Stickstoff für die Bildung von Stickoxiden vorhanden war. Der Brenner wurde in einen Ofen gefeuert, der 0,9 m (3 Fuß) breit, 1,0 m (3,4 Fuß) hoch und 2,4 m (8 Fuß) lang war. Der Ofen wurde unter Verwendung eines Thermoelements im Dach des Ofens auf einer gesteuerten Temperatur von 1154 ºC (2110 ºF) gehalten. Proben des Rauchgases wurden getrocknet und dann auf Stickoxide untersucht. Die Versuchsbedingungen und die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgelistet: Tabelle 3 Öffnungen Versuch Scheinbare Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit ppm NOx Anzahl Durchmesser inch Fuß/s
Der Brenner arbeitete stabil für alle Versuchsbedingungen, solange der Sauerstoffstrom zu dem Ringraum aufrechterhalten wurde. Für die Versuche 1 bis 3 wurde der Durchmesser der Öffnungen variiert, wobei die scheinbare Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit im wesentlichen konstant gehalten wurde. Als der Durchmesser der Öffnungen von 3,18 auf 1,61 mm (0,125 auf 0,0635 inch) abnahm, fiel die Bildung von Stickoxiden von 303 auf 180 ppm. Für die Versuche 4 bis 7 wurde der Durchmesser der Öffnungen konstant gehalten, und die scheinbare Strahlgeschwindigkeit wurde variiert. Als die scheinbare Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit von 174 auf 582 m/s (570 auf 1910 Fuß/s) anstieg, fiel die Bildung von Stickoxiden von 430 auf 216 ppm. Indem die Konzentration der Stickoxide in dem Rauchgas gegenüber dem Verhältnis des Öffnungsdurchmessers d zu der scheinbaren Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit V aufgetragen wurde, erhielt man wie gezeigt in FIG. 19 eine Korrelation. Die Datenpunkte für die Versuche 1-3 mit unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern sind durch Kreise dargestellt, und die Datenpunkte für die Versuche 4-7 mit unterschiedlichen Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeiten sind durch Kreuze dargestellt. Die Werte zeigen, daß die NOx-Bildung eine Funktion der Kontaktzeit bei hoher Temperatur ist.

Beispiel 8

Unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich der in den FIG. 12 und 13 veranschaulichten wurden Brennerversuche durchgeführt. Das Oxidationsmittel war reiner Sauerstoff und der Brennstoff war Erdgas. Die Oberfläche der Sauerstoffdüse war sphärisch und hatte einen Radius von 38 mm (1,5 inch). Der größere Sauerstoffteil strömte durch Öffnungen, die senkrecht zu der sphärischen Oberfläche in Richtung auf das Kugelzenttum gebohrt waren. Es gab 34 Öffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 3,66 mm (0,144 inch). Die Öffnungen waren in gleichmäßigem Abstand um drei Kreise angeordnet, deren Mittelpunkte in der Achse des Brenners lagen. Es gab 6 Öffnungen um den inneren Kreis, der einen Durchmesser von 19,5 mm (0,766 inch) hatte, 12 Öffnungen um den mittleren Kreis, der einen Durchmesser von 32,2 mm (1,268 inch) hatte und 16 Öffnungen um den äußeren Kreis, der einen Durchmesser von 43,7 mm (1,721 inch) hatte. Ein Teil des Sauerstoffs wurde von der Sauerstoffhauptkammer durch 8 Öffnungen mit einem Durchmesser von 1,6 mm (¹/&sub1;&sub6; inch) für den Ringstrom niedriger Geschwindigkeit abgezogen, der die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen umgab. Erdgas strömte durch den Durchlaß, der das Sauerstoffzufürrrohr umgab. Die gesamte Sauerstoff-Durchflußmenge betrug 566 m³/h (20000 CFH). Die Sauerstoff-Durchflußmenge durch die 34 Hochgeschwindigkeits-Öffnungen betrug 542 m³/h (19150 CFH), 95,8 % des gesamten Sauerstoffs, wodurch sich eine scheinbare Sauerstoff-Strahlgeschwindigkeit von 421 m/s (1380 Fuß/s) ergab. Die Sauerstoff-Durchflußmenge durch den Ringstrom niedriger Geschwindigkeit betrug 24 m³/h (850 CFH), was 4,2 % des gesamten Sauerstoffs und einer Stromgeschwindigkeit von 21 m/s (68 Fuß/s) entsprach. Die Erdgas-Durchflußmenge betrug 283 m³/h (10000 CFH) für eine Stromgeschwindigkeit von 20 m/s (66 Fuß/s). Bei diesen Betriebsbedingungen arbeitete der Brenner sehr stabil mit stetigen Flammen um jeden der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahlen. Der gesamte Brennstoff wurde in die Sauerstoffstrahlen hineingezogen.

Beispiel 9

Unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich der in den FIG. 14 und 15 veranschaulichten wurden Brennerversuche durchgeführt. Die Sauerstoffdüse unterschied sich von der, die bei dem Brenner von Beispiel 8 benutzt wurde, dadurch, daß die drei Kreise zum Ausrichten der Öffnungen ein Zentrum hatten, das auf einer um 30 Grad von der Brennerachse angewinkelten Linie lag, wobei diese Linie durch das Zentrum der sphärischen Oberfläche verlief. Alle Abmessungen und Betriebsbedingungen waren die gleichen wie jene für Beispiel 8. Der Brenner arbeitete stabil mit stetigen Flammen um jeden der Hochgeschwindigkeitsstrahlen. Der gesamte Brennstoff wurde in die Sauerstoffstrahlen hineingezogen. Im Vergleich zu dem bei Beispiel 8 beschriebenen Brennerversuch waren die Verbrennungsprodukte für die Flammen dieses Versuchs unter einem Winkel von 30 Grad angewinkelt.
Nun kann durch den Gebrauch des Brenners und des Verfahrens gemäß dieser Erfindung eine effiziente und stabile Verbrennung bei sehr hoher Oxidationsmittelgeschwindigkeit ausgeführt werden, wobei Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als Oxidationsmittel benutzt wird.

Claims

1.Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel, bei dem:

(A) in eine Verbrennungszone (3) der mindestens 30 Vol.% Sauerstoff aufweisende größere Teil des für die Verbrennung benötigten Oxidationsmittels als mindestens ein Innenstrom (8) mit einer hohen Geschwindigkeit V von mehr als 1,5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V in Meter pro Sekunde gemessen ist (von mehr als 5 P, wobei P der Volumenprozentsatz an Sauerstoff in dem größeren Oxidationsmittelteil ist und V in Fuß pro Sekunde gemessen ist), injiziert wird;

(B) in die Verbrennungszone in der Nähe des größeren Oxidationsmittelteils ein kleinerer Teil des für die Verbrennung benötigten Oxidationsmittels als mindestens ein den Hochgeschwindigkeitsstrom (8) mindestens teilweise umhüllender Strom mit einer niedrigen Geschwindigkeit injiziert wird, die kleiner als 0,5 V ist, wobei der kleinere Teil mindestens 1 % des in die Verbrennungszone insgesamt injizierten Sauerstoffs aufweist und mindestens 30 Vol.% Sauerstoff enthält;

(C) gasförmiger Brennstoff in der Nähe des kleineren Oxidationsmittelteils und letzteren unter Bildung einer Grenzfläche (11, 27, 56) zwischen dem gasförmigen Brennstoff und dem kleineren Oxidationsmittelteil umhüllend mit einer solchen Geschwindigkeit in die Verbrennungszone injiziert wird, daß die niedrige Geschwindigkeit des kleineren Oxidationsmittelteils sich von der Geschwindigkeit in dem gasförmigen Brennstoff an der Grenzfläche um nicht mehr als 61 m/s (200 Fuß pro Sekunde) unterscheidet;

(D) Oxidationsmittel des kleineren Oxidationsmittelteils mit gasförmigem Brennstoff an der Grenzfläche verbrannt wird;

(E) Oxidationsmittel des kleineren Oxidationsmittelteils in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteil unmittelbar nach dem Injizieren des größeren Oxidationsmittelteils in die Verbrennungszone hineingezogen wird und danach gasförmiger Brennstoff in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteil hineingezogen wird; und

(F) heiße Verbrennungsprodukte von der Grenzfläche (11, 27, 56) in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteil hineingezogen werden, wobei die heißen Verbrennungsprodukte als eine ständige Zündquelle für den Brennstoff und den größeren Oxidationsmittelteil dienen und gasförmiger Brennstoff und Oxidationsmittel des mit hoher Geschwindigkeit strömenden größeren Oxidationsmittelteils in einer stabilen Flamme verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens einer der den größeren Oxidationsmittelteil und den kleineren Oxidationsmittelteil umfassenden Oxidationsmittelteile aus reinem Sauerstoff besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die niedrige Geschwindigkeit nicht mehr als 30 Meter pro Sekunde (100 Fuß pro Sekunde) beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das mit niedriger Geschwindigkeit in die Verbrennungszone injizierte Oxidationsmittel weniger als 10 % des insgesamt in die Verbrennungszone injizierten Sauerstoffs aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der niedrige Geschwindigkeit aufweisende Oxidationsmittelstrom in die Verbrennungszone als ein Ringstrom um das Hochgeschwindigkeitsoxidationsmittel (8) herum eingeblasen wird, so daß eine mit niedriger Geschwindigkeit strömende ringförmige Umhüllung um das Hochgeschwindigkeitsoxidationsmittel herum ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der kleinere Oxidationsmittelteil als Leckstrom von dem größeren Oxidationsmittelteil bereitgestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone in Form einer Mehrzahl von gesonderten Oxidationsmittelströmen injiziert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone als mindestens ein stärker axial gerichteter Strahl und als mindestens ein stärker radial gerichteter Strahl injiziert wird, wobei der stärker radial gerichtete Strahl unter einem Winkel von mindestens 10º außerhalb von dem stärker axial gerichteten Strahl verläuft.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone über eine oder mehrere Öffnungen injiziert wird, die einen Durchmesser von weniger als 6,4 mm (0,25 inch) hat (haben).

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mit hoher Geschwindigkeit strömende größere Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone stromab von der Stelle injiziert wird, an welcher der mit niedriger Geschwindigkeit strömende kleinere Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone injiziert wird.

11. Verbrennungssystem mit einer Brennervorrichtung zur Verwendung mit reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als das Oxidationsmittel, versehen mit:

(A) einer Anordnung zum Anliefern eines größeren Oxidationsmittelteils zwecks Injizierens in eine Verbrennungszone (3), wobei die den größeren Oxidationsmittelteil anliefernde Anordnung über eine Leitungsanordnung mit einer Quelle für ein Oxidationsmittel verbunden ist, das mindestens 30 Vol.% Sauerstoff enthält, und wobei die den größeren Oxidationsmittelteil anliefernde Anordnung ein zentrales Oxidationsmittelzuführrohr und eine an dem Injektionsende des Oxidationsmittelzufuhrrohrs befindliche Düse (9, 23, 31, 40, 50, 61) aufweist, die mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (12, 20, 30, 41, 42, 51, 63) für die Überleitung von Oxidationsmittel von dem Zufuhrrohr in die Verbrennungszone versehen ist;

(B) einer um die Düse (9, 23, 31, 50, 61) herumreichenden ringförmigen Oxidationsmittel-Zufahröffnung (4, 21, 54, 69) zum Zuführen eines kleineren Oxidationsmittelteils zu der Verbrennungszone (3) in der Nähe der Stelle, an welcher der größere Oxidationsmittelteil injiziert wird, so daß Oxidationsmittel aus dem kleineren Oxidationsmittelteil in den größeren Oxidationsmittelteil hineingezogen wird, unmittelbar nachdem der größere Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone injiziert wird; und

(C) einer Brennstoffzuführanordnung (6, 26, 57, 70) zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff zu der Verbrennungszone, wobei die Brennstoffzufuhranordnung so ausgelegt ist, daß sie Brennstoff in die Verbrennungszone (3) in der Nähe des kleineren Oxidationsmittelteils diesen umhüllend so einführt, daß der gasförmige Brennstoff und der kleinere Oxidationsmittelteil innerhalb der Verbrennungszone eine Grenzfläche (11, 27, 56) bilden, bevor es zu einem Kontakt zwischen gasförmigem Brennstoff und dem größeren Oxidationsmittelteil kommt.

12. Verbrennungssystem nach Anspruch 11, bei dem die Anordnung zum Anliefern des größeren Oxidationsmittelteils eine Düse (31, 40, 50, 61) mit einer Mehrzahl von Öffnungen (30, 41, 42, 51, 63) aufweist.

13. Verbrennungssystem nach Anspruch 12, bei dem die mehreren Öffnungen parallel zueinander in Richtung auf die Verbrennungszone gerichtet sind.

14. Verbrennungssystem nach Anspruch 12, bei dem die mehreren Öffnungen (30, 41, 42, 51, 63) jeweils mit voneinander divergierenden Winkeln in Richtung auf die Verbrennungszone (3) gerichtet sind.

15. Verbrennungssystem nach Anspruch 12, bei dem jede Öffnung einen Durchmesser von weniger als 6,4 mm (0,25 inch) hat.

16. Verbrennungssystem nach Anspruch 11, bei dem die Anordnung zum Anliefern des größeren Oxidationsmittelteils eine abnehmbare Düse (23, 31, 40, 50) aufweist.

17. Verbrennungssystem nach Anspruch 16, bei dem die abnehmbare Düse (23, 31, 40, 50) in den Kopf des Brenners eingeschraubt und aus diesem herausgeschraubt werden kann.

18. Verbrennungssystem nach Anspruch 11, ferner versehen mit mindestens einer Lecköffnung (68), die durch das zentrale Oxidationsmittelzufuhrrohr (61) hindurchreicht und die es Oxidationsmittel erlaubt, von der Anordnung zum Anliefern des größeren Oxidationsmittelteils in die ringförmige Oxidationsmittelzufuhröffnung (69) zu gelangen.

19. Verbrennungssystem nach Anspruch 11, bei dem die Anordnung zum Anliefern des größeren Oxidationsmittelteils (40, 50, 61) den größeren Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone stromab von der Stelle einleitet, an welcher die ringförmige Öffnung (54, 69) den kleineren Oxidationsmittelteil in die Verbrennungszone gelangen läßt.

20. Verbrennungssystem nach Anspruch 11, bei dem die Düse (61) eine sphärische Oberfläche (62) aufweist.

21. Verbrennungssystem nach Anspruch 20 mit einer Mehrzahl von Öffnungen (63), die durch den sphärischen Düsenteil senkrecht zu der sphärischen Oberfläche (62) in Richtung auf das Kugelzentrum hindurchreichen und mit Bezug auf die Brennerachse zentrisch ausgerichtet sind.

22. Verbrennungssystem nach Anspruch 20 mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die durch den sphärischen Düsenteil senkrecht zu der sphärischen Oberfiäche in Richtung auf das Kugelzentrum hindurchreichen und mit Bezug auf die Brennerachse (84) versetzt sind.