DE69623048T2

DE69623048T2 - Brenner

Info

Publication number: DE69623048T2
Application number: DE69623048T
Authority: DE
Inventors: C. Andrews; K. Nabors
Original assignee: Xothermic Inc
Current assignee: Xothermic Inc
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: MXPA98009613A; WO1997044618A1; AU5751996A; CA2254978A1; CZ292563B6; EP0898687A4; EP0898687A1; DE69623048D1; EP0898687B1; ATE222341T1; CZ369798A3; CA2254978C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennervorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffs und eines Sauerstoffträgers in einer Verbrennungskammer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die gegenwärtigen Anforderungen an die meisten industriellen Brenner bestehen nicht nur darin, die erforderliche Wärme für den speziellen Prozess bereitzustellen, sondern auch eine unerwünschte, verbrennungsbezogene Verunreinigung zu reduzieren. Neuerdings verwendet man Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner (Brenner, die mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reinen Sauerstoff verwenden), um den Verordnungen zur Reduzierung von Emissionen zu entsprechen. Obwohl den geforderten Reduzierungen entsprochen wird, haben viele der Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner nicht die von der Industrie verlangte Flexibilität. Einige der Funktionsnachteile bei den gegenwärtigen Sauerstoff-/Brennstoff-Brennern sind die fixierten geometrischen Formen und das Unvermögen, eine Vielzahl von Brennstoffen zu verwenden, sowie Materialbegrenzungen.
Neuerdings verwenden Brenner mit Sauerstoff angereicherte Luft zu Wirkungsgradverbesserungen und Emissionsreduzierungen. Bei angereicherter Luft ergeben sich zusätzliche Probleme beim Betrieb des Brenners. Wenn die Sauerstoffträgerqualität sich nahezu reinem beziehungsweise reinem Sauerstoff annähert, nehmen die Verbrennungstemperaturen zu und es ergibt sich ein höheres Ausmaß der Materialzersetzung. Um den erhöhten Verbrennungstemperaturen entgegenzuwirken, wird bei dem Brenner eine stabilisierte Verbrennung weg vom Brenneraustritt eingesetzt, was einen Wärmeübergang näher zum Ziel und weiter vom Brenner weg ermöglicht, wodurch der Wirkungsgrad verbessert und die Lebensdauer der Brenner-/Ofen-Anlage gesteigert wird. Die Fähigkeit, das Flammenprofil weg von den Brennstoff und Sauerstoffträgerkanälen bei einer temperaturempfindlichen Anlage einzustellen, wird noch kritischer, wenn vorerhitzte Sauerstoffträger verwendet werden. Vorerhitzte Sauerstoffträger führen zu noch höheren Verbrennungstemperaturen, die eine sehr schnelle Materialzersetzung herbeiführen, sollten die Flammenprofile nicht reguliert werden. Der Einstellbarkeitsaspekt ist wesentlich, da er Bestandteil der Verwendung von vorerhitzten Sauerstoffträgern ist. Wenn sich die Sauerstoffträgertemperaturen während eines vorgegebenen Zeitraums ändern, können zur Aufrechterhaltung einer konsistenten Flammenleistung Impulsänderungen ausgeführt werden.
Obwohl der eingeführte Brennstoff (fest, flüssig oder gasförmig) einen speziellen Impuls hat, ist dieser in der Größe gewöhnlich kleiner als der des Sauerstoffträgers. Das soll nicht bedeuten, dass der Brennstoffimpuls im Flammenprofil keine Rolle spielt. Es soll vielmehr das Ausmaß der Steuerung seiner Einflüsse auf die Gesamtreaktion hervorheben. Mit dieser Erkenntnis ist die Steuerung des Sauerstoffträgers bei der Einstellung des Flammenprofils entscheidend. In vielen Betriebssituationen wird eine Änderung der Kohlenwasserstoffbrennstoffe erforderlich. Diese Änderung des Brennstoffs wird leicht durch die Fähigkeit des Brenners aufgenommen, den Sauerstoffträgerimpuls zu variieren. Feste Brennstoffe, wie Kohle und Holz, besitzen ganz verschiedene Transport- und Verbrennungseigenschaften gegenüber flüssigen Brennstoffen, wie Öl oder Alkohol. Gasförmige Brennstoffe, wie Erdgas und Propan, sind wiederum in gleicher Hinsicht unterschiedlich gegenüber festen und flüssigen Brennstoffen. Diese Brennstoffe sind jedoch in ihrer Fähigkeit ähnlich, so dass sie durch ein externes Sauerstoffträgermedium beeinflussbar sind. Ein fester Brennstoff wird gewöhnlich in kleine Teilchen zerkleinert und durch einen Teil des Sauerstoffträgers, gewöhnlich Luft, in den abschließenden Verbrennungsprozess transportiert. Ein flüssiger Brennstoff wird als Flüssigkeit transportiert und in kleine Tröpfchen zerstäubt, gewöhnlich in die Form eines Zerstäubungsmediums, das aus einem Teil des Sauerstoffträgers besteht, und in den Verbrennungsprozess eingeführt. Gasförmige Brennstoffe werden, wenn nötig, in einem Teil des Sauerstoffträgers gemischt und in den Verbrennungsprozess eingeführt, jedoch in den meisten Fällen in ihrer Ursprungszusammensetzung transportiert und eingeführt. Der gemeinsame Faktor aller drei Brennstoffarten besteht darin, dass der Brennstoff als Teilchen, Tröpfchen oder Moleküle zugeführt wird, die klein genug sind, dass sie Eigenschaften eines gasförmigen Mediums aufzeigen. Dieses "Imitieren" eines gasförmigen Brennstoffs erlaubt es, dass der Sauerstoffträgerimpuls eine beträchtliche Wirkung auf die Leistung des Flammenprofils hat. Mit der richtigen Sauerstoffträgerimpulseinstellung werden akzeptable Flammenprofile im gleichen Brenner bei Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe erreicht. Obwohl die Wirkung der Brennstoffqualität und der Brennstoffart nicht vernachlässigt werden können, sorgt die vorliegende Erfindung für Einrichtungen zur Einstellung des Sauerstoffträgerimpulses, um Brennstoffänderungen zu kompensieren.
Die Justiermöglichkeit bei dem Brenner erlaubt es der Bedienungsperson auch, die Leistung fein einzustellen, um erzeugte Verunreinigungen zu minimieren. Eine Brennstoffänderung erfordert eine Änderung der Sauerstoffträgerströmungsform. Diese Änderung beeinflusst auch die Erzeugung vieler Verunreinigungen, insbesondere von Stickstoff und Schwefelderivaten. Diese Derivate werden von vielen Faktoren beeinflusst, von denen die wichtigsten die Temperatur und die Verweilzeit sind. Mit der Fähigkeit, den Sauerstoffträgerimpuls einzustellen und dadurch das Flammenprofil und die Temperatur, können unerwünschte Verunreinigungen durch Einstellen auf jeden verwendeten Brennstoff minimiert werden.
Die Impulseinstellung für den Sauerstoffträger erfolgt durch Veränderung des Stroms bei mehreren Kanälen. Es werden vier Sätze von Kanälen um den Brennstoffkanal herum zur Bildung einer Diamantform angeordnet. Die Sauerstoffträgerkanäle werden weiterhin in primäre und sekundäre Kanäle unterteilt. Die primären Kanäle befinden sich so dem Brennstoffkanal am nächsten und können eine Winkelrichtung zu dem Brennstoff haben. Die sekundären Sauerstoffträgerkanäle befinden sich weiter weg von dem Brennstoff und können winkelausgerichtet werden, jedoch nicht notwendigerweise in dem gleichen Ausmaß wie die primären Kanäle. Abhängig von dem erforderlichen Flammenprofil wird der Sauerstoffträger zwischen den primären und sekundären Kanälen aufgezweigt. Diese Aufzweigung ändert den Gesamtimpuls sowie die Richtung des abgezweigten Stroms, da die primären und sekundären Kanäle nicht die gleichen Winkel- oder Kreuzungsstellen passieren. Zusätzlich zur primären und sekundären Abzweigung des Sauerstoffträgers kann die Strömung wieder von einem speziellen Kanalsatz weg oder auf ihn hin gerichtet werden. Dies stellt Einrichtungen zur Verfügung, die erforderlich sind, um Flammenprofile für Brennstoffänderungen, Betriebserfordernisse oder die Verunreinigungsreduzierung neu auszurichten oder zu kompensieren.
Bei der US-A-5 302 112 hat eine Verbrennungsvorrichtung unabhängige Ströme, nämlich einen für den Sauerstoffträger und einem für einen Brennstoff mit der Möglichkeit einer einstellbaren Steuerung, um verschiedene Flammenformen und reproduzierbare Verbrennungsraten bei unterschiedlichem Sauerstoffträger und gasförmigen Brennstoffdurchsätzen zu ermöglichen. Es wurde ein Brennerblock mit primären und sekundären Sauerstoffträgerkanälen verwendet, die in Winkeln angeordnet sind. Der Brenner hat auch eine Einspeisung für gasförmigen Brennstoff, die in primäre und sekundäre Wege für den gasförmigen Brennstoff getrennt ist.
Die US-A-4 494 923 zeigt einen Oxy-Brennstoff-Brenner, der eine Vielzahl von Zuführkanälen um ein elektrisches Zündsystem herum hat. Die US-A-4 378 205 zeigt einen Sauerstoff-Brennstoff-Ofen mit einer Vielzahl von Sauerstoffträgerdüsen, die in einer Abstandbeziehung zu einer Brennstoffdüse angeordnet sind und die eine Geschwindigkeit haben, die ausreicht, um eine Ansaugung von Ofengasen in die Sauerstoffträgerdüsen zum Mischen des Brennstoffs herbeizuführen. Die US-A-4 622 007 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur variablen Wärmeerzeugung durch Verwendung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs mit getrennt zugeführten Brennstoffströmen und wenigstens zwei oxydierenden Gasen zum Reagieren mit dem Brennstoff. Die US- A-4 541 796 bezieht sich auf einen Sauerstoffansaugbrenner zur Befeuerung eines Ofens, der eine Vielzahl von Oxidationsträgerdüsen in einer Abstandsbeziehung zu den Brennstoffdüsen hat. Die US-A-4 954 076 zeigt einen Oxy-Brennstoff-Brenner mit Düsenmischung, der einen Sauerstoffsträger verwendet, welcher mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird, um recyclisierte Verbrennungsprodukte anzusaugen. Die US-A-4 790 743 bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung von NOX-Emissionen während der Verbrennung von Stickstoff enthaltendem Brennstoff, wobei Kohlestaub zusammen mit seinem Trägergas zu einem primären Brenner zugeführt wird. Die US-A-4 933 163 bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen von Wasserstoffsulfid aus Abgas, bei welchem Sauerstoff und Luft durch Mehrfachröhre der Verbrennungskammer zugeführt werden. Die US-A- 4 957 050 beschreibt einen Verbrennungsprozess, der als Sauerstoffträger Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet, wobei der Verbrennungskammer getrennt von den Sauerstoffträgern ein flüssiger Brennstoff zugeführt wird. Die US-A-4 988 285 zeigt ein Verbrennungsverfahren, bei welchem Sauerstoffträger gesondert in die Verbrennungszone in einer definierten Geschwindigkeitsbeziehung eingestrahlt und Verbrennungsgase in den Sauerstoffstrom vor der Mischung mit dem Brennstoff angesaugt werden. Die US-A-S 267 850 offenbart einen Brennstoffbrenner, der einen zentralen Brennstoffstrom mit hoher Geschwindigkeit und einen ringförmigen koaxialen Sauerstoffträgerstrom mit geringer Geschwindigkeit verwendet, um eine stabile stetige Verbrennung in dem sich erweiternden verbrennenden Strom auszuführen.
Die US-A-4 439 132 offenbart ein Verbrennungsverfahren und eine Verbrennungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art mit einem Minimum an NOX-Emission unter Verwendung eines Brennerblocks mit einem Brennstoffauslasskanal, der mit einer Brennstoffleitung verbunden ist, mit primären Sauerstoffträgerauslasskanälen, die um den Brennstoffauslasskanal herum angeordnet sind und von denen jeder mit einer primären Sauerstoffträgerleitung verbunden ist, und mit sekundären Sauerstoffträgerauslasskanälen, die um den Brennstoffauslasskanal herum angeordnet sind und einen Abstand von den primären Sauerstoffträgerauslasskanälen bezogen auf den Brennstoffauslasskanal haben, und von denen jeder mit einer sekundären Sauerstoffleitung verbunden ist. Die Brennervorrichtung hat weiterhin Sauerstoffträgerzuführleitungen, von denen jede mit der primären Sauerstoffträgerleitung und mit der sekundären Sauerstoffträgerleitung verbunden ist, sowie Sauerstoffträgersteuerventile, die in jeder sekundären Sauerstoffträgerleitung angeordnet sind.
Die sekundären Sauerstoffträgerkanäle sind am Umfang und parallel zur Achse des Brennstoffauslasskanals angeordnet, während sich die primären Sauerstoffträgerkanäle radial innerhalb der sekundären Sauerstoffträgerkanäle über einen vorher festgelegten Sektorwinkel erstrecken. Den primären Sauerstoffträgerkanälen zugeordnete Strömungsventile gibt es nicht.
Die US- 4 475 885 offenbart einen einstellbaren Flammenbrenner, der zu dem der gattungsgemäßen Art ähnlich ist und eine genormte Steuereinrichtung zum Einstellen der relativen Menge des Sauerstoffträgers aufweist, um Flammenreliefprofile zu erzeugen, die zwischen einer kurzen zylindrischen Flamme und einer langen intensiven nur radialen Flamme variieren.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Brennervorrichtung der gattungsgemäßen Art zum Ändern der Flammenprofile für die Anforderungen unterschiedlicher Prozesse bereitzustellen und einen Wärmeübergang und Flammenformen für eine Variierung für unterschiedliche Brennstoffe oder andere Anforderungen zu ermöglichen.
Basierend auf den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 wird dieses Ziel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Die Brennervorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen Einsatz, wo Einstellungen auf eine spezielle Flammenprofilgeometrie für die Leistung des Verbrennungsprozesses kritisch ist, und ist besonders zweckmäßig bei Anwendungen, wo eine Vielfalt von Kohlenwasserstoffbrennstoffen konstant verwendet wird und das Entfernen der Brennervorrichtung nicht möglich ist. Das oxidierende Medium wird dem Verbrennungsprozess durch eine Reihe vor Kanälen zugeführt, die im Impuls und in der sich ergebenden Strömungsrichtung durch einfache Einstellung von Steuerventilen variiert werden können. Diese Einstellung bildet die Einrichtungen, die erforderlich sind, um eine Vielfalt von Brennstoffen einzusetzen, beispielsweise feste, flüssige oder gasförmige, ohne dass es nötig ist, den Brenner aufgrund seiner festgelegten Sauerstoffträgerauslegung zu ändern oder auszutauschen. Die Sauerstoffträgeröffnungen können auch unabhängig voneinander eingestellt werden, was eine Änderung der Flammengeometrie und - richtung nach den Anforderungen ermöglicht. Änderungen in dem Sauerstoffträgerströmungsweg ermöglichen eine Optimierung der thermischen Wirkungsgrade, während gleichzeitig Einrichtungen bereitgestellt werden, um sauerstoffbezogene Emissionen zu minimieren, beispielsweise solche, die Stickstoff und Schwefel einschließen.
Die offenbarte Vorrichtung ist insbesondere hinsichtlich Betriebsflexibilität ausgelegt. Ihre Sauerstoffträgereinstellbarkeit ermöglicht Änderungen des Flammenprofils, wie sie gefordert werden, beispielsweise Lastanforderungsänderungen oder Wärmeübertragungseingaben. Der Wärmeübergang und die Flammenform ändern sich mit unterschiedlichen Brennstoffen und die Einstellungsfähigkeit ist kritisch, wenn eine Änderung des Brennstofftyps vorgenommen wird. Der variable Impuls für den Sauerstoffträger und die sich ergebende Strömungsrichtung ergeben die Vielseitigkeit, die benötigt wird, um erwünschte Flammenergebnisse zu erhalten.
Um den verschiedenen Betriebsanforderungen zu genügen, umfasst die vorliegende Erfindung einen Brenner, bei dem der Sauerstoffträger einen variablen Impuls haben kann, um die benötigten Grenzen der Justierungen zu erreichen. Es ist die Notwendigkeit für eine hochgradige Einstellung erforderlich, um einen sicheren und tolerierbaren Betrieb bei Verwendung eines hochangereicherten Sauerstoffträgers aufrecht zu erhalten und um Einrichtungen bereitzustellen, verschiedene Brennstoffarten einzusetzen, während eine dauernd akzeptable Flammengeometrie aufrecht erhalten wird, und um die Leistungseinstellung für maximal erreichbare Emissionsreduzierungen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist eine Vielfalt von Flammenprofilen möglich. Mit der breiten Brennstoffeingabebasis ist es erforderlich, eine große Auswahl von einstellbaren Flammenprofilen vorzusehen. Größere Teilchen, wie sie bei festen Brennstoffen verwendet werden, erfordern einen stärkeren Impuls, um eine Flammenprofilstabilität zu erhalten, während gasförmige Brennstoffe einen geringeren Impuls für die gleiche Flammenprofilgeometrie erfordern. Zusätzlich stellen die Sauerstoffträger-Einstellfähigkeiten nicht nur die Einrichtungen bereit, die zur Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe erforderlich sind, sondern auch die Fähigkeit, Flammenprofile zu ändern, wie sie für jeden Brennstoff erforderlich sind, um die Verbrennungsleistung zu optimieren.
Um das gewünschte Flammenprofil über einer breiten Basis von Brennstoffarten aufrecht zu erhalten, können primäre und sekundäre Sauerstoffträgerkanalflächenverhältnisse abhängig von den speziellen Anwendungsparametern variieren. Das Sauerstoffträgerkanalflächenverhältnis ist definiert als die Querschnittsfläche des sekundären Sauerstoffträgerkanals geteilt durch die Querschnittsfläche des primären Sauerstoffträgerkanals der gleichen Brennerseite. Die Verhältnisse sind unabhängig von anderen Brennerseiten und können abhängig von den Anforderungen differieren. In einem Fall kann die Fähigkeit einer hohen Zurückstellung erwünscht sein, wobei ein höheres Verhältnis die erforderliche große Impulsänderung geben würde. In einem anderen Fall würde eine Feineinstellung des Flammenprofils durch einen engen Bereich von Betriebsbelastungen ein niedrigeres Verhältnis vorschreiben. Im Falle der beschriebenen Erfindung sorgt ein Verhältnis von etwa vier zu eins für die gezeigte Flammenprofileinstellung. Spezielle Verhältnisse wählt man zur Optimierung des spezifischen interessierenden Betriebsbereichs, während noch Einrichtungen vorgesehen werden, um das Flammenprofil für eine Vielzahl von Brennstoffen einzustellen.
Eine Ausführungsform der Vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Brenneranordnung ist,
Fig. 2 eine Stirnansicht des Brenners von Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 des Brenners von Fig. 1 und 2 ist,
Fig. 4 eine Einzelheits-Schnittansicht längs der Linie 3-3 von Fig. 2 zeigt,
Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 von Fig. 2 ist und im Einzelnen den sekundären Sauerstoffträgerkanal zeigt,
Fig. 6 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 von Fig. 2 ist und im Einzelnen den sekundären Sauerstoffträgerkanal mit radialem Winkel zeigt,
Fig. 7 eine Stirn- und linke Seitenansicht des Brennerblocks von Fig. 1 und 2 ist und eine Einstellung zur Erreichung eines symmetrischen Flammenprofils mit niedrigem Impuls zeigt,
Fig. 8 eine Stirn- und linke Seitenansicht des Brennerblocks von Fig. 1 und 2 ist und eine Einstellung zur Erreichung eines symmetrischen Flammenprofils mit hohem Impuls zeigt,
Fig. 9 eine Stirn- und linke Seitenansicht des Brennerblocks von Fig. 1 und 2 ist, bei der eine gerichtete Flammenprofileinstellung vorgenommen ist, und
Fig. 10 eine Stirn- und linke Seitenansicht des Brennerblocks von Fig. 1 und 2 ist, bei welcher eine flache breite Flammenprofileinstellung ausgeführt ist.
In Fig. 1 und 2 ist eine isometrische Ansicht eines Brennerblocks gezeigt, bei welchem die Mehrheit der Flammeneinstellungen von dem Sauerstoffträger abgeleitet werden. Der Brennstoff tritt in den Brenner durch den Brennstoffeinlass 1 ein und gelangt durch die Brennstoffleitung 2 in den Brennerblock 7 und tritt durch den Brennstoffauslasskanal 12 aus. Die Art des Brennstoffs kann variieren. Deshalb wurde kein Versuch gemacht, mehr als die Einrichtungen im Einzelnen zu zeigen, die erforderlich sind, um den Brennstoff dem Brenner zuzuführen. Transport und Konditionierung sind für jede Brennstoffart unterschiedlich, wie jedoch vorher beschrieben, können alle Brennstoffe als gasförmiges Medium behandelt werden.
Der Oxidationsträger ist ein gasförmiges Medium mit irgendeiner Konzentration einer Sauerstoffreinheit und er wird in den Brenner durch vier Sauerstoffträgerleitungen eingeführt, von denen in Fig. 1 zwei zu sehen sind, nämlich die Sauerstoffträgereinlassleitung 3 auf der Oberseite und die Sauerstoffträgereinlassleitung 5 auf der rechten Seite. Der Sauerstoffträger aus der Leitung 3 geht durch die Sauerstoffträgeranordnung 4 hindurch in den Brennerblock 7. Der Brennerblock 7 ist in vier gesonderte Bereiche aufgeteilt, nämlich die Brennerblockoberseite 8, die rechte Brennerblockseite 9, die Brennerblockunterseite 10 und die linke Brennerblockseite 11. Fig. 2 zeigt die Brennerfläche, auf der der Sauerstoffträger und der Brennstoff zur Bildung des Flammenprofils austreten. Der Sauerstoffträger tritt durch die folgenden Kanäle aus: den primären oberen Sauerstoffträgerkanal 13; den primären Sauerstoffträgerkanal 14 auf der rechten Seite, den unteren primären Sauerstoffträgerkanal 15, den primären Sauerstoffträgerkanal 16 auf der linken Seite, den oberen sekundären Sauerstoffträgerkanal 17, den sekundären Sauerstoffträgerkanal 18 auf der rechten Seite, den unteren sekundären Sauerstoffträgerkanal 19 und den sekundären Sauerstoffträgerkanal 20 auf der linken Seite. Die primären Sauerstoffträgeraustrittskanäle sind in einem Abstand von 90 Grad bezüglich der Brennstoffleitungsmittellinie angeordnet. Die sekundären Sauerstoffträgerauslasskanäle sind in einem Abstand von 90 Grad voneinander bezogen auf die Brennstoffleitungsmittellinie 40 von Fig. 4 angeordnet, jedoch nicht notwendigerweise in der gleichen Ausrichtung wie die primären Sauerstoffträgerauslasskanäle. Die primären und sekundären Sauerstoffträgerauslasskanäle können irgendeinen Durchmesser haben, wie er durch die Last gefordert wird, und können in einem Abstand angeordnet werden, um angrenzende Kanäle (primäre und sekundäre) zu kontaktieren oder bis zu etwa einhundert Kanaldurchmessern zwischen benachbarten Kanälen.
Der Brennerblock 7 hat Kanalflächenebenen, zu denen die obere primäre Auslassfläche 21, die primäre Auslassfläche 22 auf der rechten Seite, die untere primäre Auslassfläche 23, die primäre Auslassfläche 24 auf der linken Seite, die obere sekundäre Auslassfläche 25, die sekundäre Auslassfläche 26 auf der rechten Seite, die untere sekundäre Auslassfläche 27 und die sekundäre Auslassfläche 28 auf der linken Seite gehören. Die Auslass- oder Kanalflächen können am besten als Ebenen beschrieben werden, die die einzelnen Kanäle umgeben. Jeder Kanal hat eine Auslassfläche und jede Auslassfläche hat ihre eigene Winkelausrichtung bezüglich der Brennstoffleitungsmittellinie 40 von Fig. 4. Eine Auslassflächen-Winkelausrichtung von null Grad wäre für die Leitungsmittellinie 40 normal, ein positiver Winkel würde die Auslassfläche zu der Brennstoffleitungsmittellinie 40 hin positionieren und umgekehrt würde ein negativer Winkel die Auslassfläche von der Brennstoffleitungsmittellinie 40 weg positionieren. Die Auslassflächenausrichtung ist unabhängig von dein Sauerstoffträgerkanalwinkel und wird durch die spezielle Anwendung vorgegeben.
Fig. 3 und 4 zeigt in der Schnittansicht die untere Sauerstoffträgeranordnung 30 und die obere Sauerstoffträgeranordnung 33. Alle vier Sauerstoffträgeranordnungen haben die gleiche Steuerausrüstung, wovon zur Klarheit nur zwei gezeigt sind. Der durch die obere Sauerstoffträgerleitung und die untere Sauerstoffträgerleitung 29 eintretende Sauerstoffträger geht durch die Sauerstoffträgerdurchsatzsteuerventile 36 (oben) und 38 (unten) hindurch. Diese Durchsatzsteuerventile regulieren den Sauerstoffträgerstrom zu den jeweiligen Sauerstoffträgeranordnungen, wobei der Strom zu jeder Anordnung aufgrund von Betriebsanforderungen unterschiedlich sein kann. Der jeder Anordnung zugeführte Sauerstoffträger wird zwischen der primären Sauerstoffträgerleitung (oben 32 und unten 34) und der sekundären Sauerstoffträgerleitung (oben 33 und unten 35) aufgeteilt.
Die Aufteilung wird durch das Sauerstoffträgersteuerventil (oben 37 und unten 39) erreicht. Der Sauerstoffträger geht durch den Brennerblock 7 hindurch und gelangt zu den entsprechenden Auslasskanälen, wobei sich der Sauerstoffträger mit dem Brennstoff vereint. Eine typische Sauerstoffträgereinstellung kann einen hohen Impuls für eine schnelle Verbrennung erfordern. In diesem Fall würde das Steuerventil geschlossen, um den größten Teil des Sauerstoffträgerstroms durch die primäre Leitung zu drücken, wodurch die Gesamtgeschwindigkeit erhöht wird. Für einen geringeren Impuls würde das Steuerventil geöffnet, um den Strom sowohl durch die primären als auch durch die sekundären Kanäle hindurch zu führen, wodurch die Gesamtgeschwindigkeit verlangsamt würde.
Fig. 4 ist eine mehr ins Einzelne gehende Ansicht von Fig. 3 und zeigt den Brennerblock 7 und die Brennstoffleitungsmittellinie 40. Der Winkel 45 der oberen primären Sauerstoffträgerleitung ist der Winkel zwischen der Mittellinie 40 der Brennstoffleitung und der Mittellinie 41 der oberen primären Sauerstoffträgerleitung. Der Winkel 46 der unteren primären Sauerstoffträgerleitung ist der Winkel zwischen der Mittellinie 40 der Brennstoffleitung und der Mittellinie 43 der unteren primären Sauerstoffträgerleitung. Der Winkel 47 der oberen sekundären Sauerstoffträgerleitung ist der Winkel zwischen der Mittellinie 40 der Brennstoffleitung und der Mittellinie 42 der oberen sekundären Sauerstoffträgerleitung. Der Winkel 48 der unteren sekundären Sauerstoffträgerleitung ist der Winkel zwischen der Mittellinie 40 der Brennstoffleitung und der Mittellinie 44 der unteren sekundären Sauerstoffträgerleitung. Gewöhnlich führt ein großer Sauerstoffträgerleitungswinkel zu einer schnelleren und intensiveren Verbrennung aufgrund der erhöhten Vermischung, die durch die starken Aufprallwinkel verursacht wird.
Fig. 5 zeigt in einer Einzelheit die obere sekundäre Sauerstoffträgerleitung 33. In diesem Fall überlappen die Mittellinie 40 der Brennstoffleitung und die Mittellinie 42 der oberen sekundären Sauerstoffträgerleitung einander, was anzeigt, dass sie beide aus dieser Ansicht parallel sind. Diese Ansicht geht von der Brennstoffleitungsmittellinie nach außen oder in Radialrichtung. Fig. 6 zeigt die gleiche Ansicht wir Fig. 5 mit der Ausnahme, dass die Mittellinie 40 der Brennstoffleitung und die Mittellinie 42 der sekundären Sauerstoffträgerleitung nicht mehr parallel sind. Der Winkel wird als Radialwinkel der sekundären Sauerstoffträgerleitung bezeichnet und kann variieren. Jeder Sauerstoffträger hat seinen eigenen Radialwinkel, wobei jeder unterschiedlich sein kann. Diese Radialwinkel bilden eine zusätzliche Einrichtung zur Einstellung der Verbrennungsrate.
Größere Winkel führen zu Sauerstoffträgerrotationsströmen, die die Verbrennung mehr an der Blockfläche und in manchen Fällen an der Blockfläche halten. Der genaue Winkel wird von dem geforderten Flammenprofil vorgegeben.
Fig. 7 und 8 zeigen unterschiedliche Sauerstoffträgerimpulseinstellungen und die Wirkung auf das Flammenprofil. Um ein symmetrisches Flammenprofil zu erhalten, wird der gesamte Sauerstoffträgermassenstrom gleichmäßig durch jede Brennerblockseite 8, 9, 10, 11 der Sauerstoffträgeranordnung aufgeteilt. Jede primäre Sauerstoffträgerleitung hat einen gleichen Massenstrom und jede sekundäre Sauerstoffträgerleitung hat ebenfalls einen gleichen Massenstrom.
Gemäß Fig. 7 sind die Sauerstoffträgersteuerventile so eingestellt, dass der Großteil des Sauerstoffträgers durch die sekundären Sauerstoffträgerleitungen und der kleinere Teil durch die primären Sauerstoffträgerleitungen hindurchgeht. Die Einstellung verlangsamt den gesamten Sauerstoffträgerimpuls und ändert die Richtung zu einem flacheren Winkel hin. Diese Änderungen zur Erzeugung eines Flammenprofils 50 mit niedrigem Impuls verlangsamen die Verbrennungsrate bis zu einem Punkt, an dem sie über einer längeren Distanz erfolgt, um eine lange schmale Flamme zu erzeugen.
Fig. 8 zeigt die gleiche symmetrische Massenstromanordnung wie Fig. 7, wobei jedoch die Sauerstoffträgersteuerventile so eingestellt sind, dass der Großteil des Sauerstoffträgers durch die primären Sauerstoffträgerleitungen und der kleinere Teil durch die sekundären Sauerstoffträgerleitungen hindurchgeht. Das Ergebnis ist eine Steigerung der Verbrennungsrate aufgrund des höheren Impulses und des steileren Winkels. Das Flammenprofil 51 mit hohem Impuls ist viel kürzer als das Flammenprofil 50 in Fig. 7 mit niedrigem Impuls. Beide Flammenprofile haben den gleichen Flammenprofilanfang (50A, 51A), das Flammenprofilende 51B mit hohem Profil liegt jedoch näher bei dem Flammenprofilanfang als das Flammenprofilende 51B mit niedrigem Impuls. Zusätzlich ist das Flammenprofil 51 mit hohem Impuls viel größer im Querschnitt als das Flammenprofil 50 mit niedrigem Impuls. Das Flammenprofil 51 deckt die sekundären Sauerstoffträgerkanäle vollständig ab, was bei dem Flammenprofil 50 nicht der Fall ist.
In der Darstellung von Fig. 9 wird ein nicht symmetrisches Flammenprofil 52 für direktionale Flammenprofilanforderungen erzeugt. Es ist im Impuls mit dem Flammenprofil 50 mit niedrigem Impuls von Fig. 7 vergleichbar. In diesem Fall wurden die Sauerstoffträgerdurchsatzsteuerventile an der Oberseite 8 des Brennerblocks und an der linken Seite 11 des Brennerblocks so eingestellt, dass ein Großteil des gesamten Sauerstoffträgermassenstroms hindurchgeht, während die Sauerstoffträgerdurchsatzventile auf der rechten Seite 9 des Brennerblocks und auf der Unterseite 10 des Brennerblocks einen geringeren Teil des Sauerstoffträgers durchlassen. Diese unsymmetrische Einstellung führt das unsymmetrische Flammenprofilende 52B zwangsweise nach unten und zur rechten Seite des unsymmetrischen Flammenprofilanfangs 52A. Dieses Flammenprofil kann verkürzt werden, indem das gesamte Sauerstoffträgermoment wie in Fig. 8 erhöht wird, behält jedoch die unsymmetrischen Eigenschaften bei. Das Flammenprofil kann auch um die Mittellinie der Brennstoffleitung durch Einstellen der Verteilung des Sauerstoffträgergesamtstroms jeder Sauerstoffträgeranordnung gedreht werden.
Fig. 10 zeigt eine weitere mögliche Einstellung, bei der ein flaches breites Flammenprofil 53 erwünscht ist. Die beiden Sauerstoffträgeranordnungen 31 (oben) und 30 (unten) lassen den Großteil eines Sauerstoffträgerstroms hindurch, während die Sauerstoffträgeranordnungen auf der linken und rechten Seite einen kleineren Teil des Sauerstoffträgers hindurchlassen. Die Sauerstoffträgersteuerventile befinden sich in der Einstellung für niedrigen Impuls. Diese Strömungsanordnung führt den Brennstoff zwangsweise zwischen zwei kollidierende Sauerstoffträgerströme und erzeugt einen flachen breiten Flammenprofilanfang 53A und ein flaches breites Flammenprofilende 53B ähnlich wie in Fig. 7, jedoch mit einem flachen breiten Flammenprofil 53C auf der rechten Seite und einem flachen breiten Flammenprofil 53D auf der linkem Seite und einem großen Querschnittsdurchmesser. Dieses flache Flammenprofil ist von der Oberseite 53E bis zum Boden 53F viel dünner. Dieses flache Flammenprofil kann auch in gleicher Weise in jeder Ausrichtung um die Mittellinie 40 der Brennstoffleitung wieder erzeugt werden.

Claims

1. Brennervorrichtung für die Verbrennung eines Brennstoffs und eines Sauerstoffträgers in einer Verbrennungskammer, wobei die Brennervorrichtung

- einen Brennerblock (7)

-- mit einem Brennstoffauslasskanal (12), der mit einer Brennstoffleitung (2) verbunden ist,

-- mit primären Sauerstoffträgerauslasskanälen (13 bis 16), die um den Brennstoffauslasskanal (12) herum angeordnet sind und von denen jeder mit einer primären Sauerstoffträgerleitung (32, 34) verbunden ist, und

-- mit sekundären Sauerstoffträgerauslasskanälen (17 bis 20), die um den Brennstoffauslasskanal (12) herum angeordnet sind und einen Abstand von den primären Sauerstoffträgerauslasskanälen (13 bis 16) bezogen auf den Brennstoffauslasskanal (12) haben, und von denen jeder mit einer sekundären Sauerstoffleitung (33, 35) verbunden ist,

- Sauerstoffträgerzuführleitungen (3, '29), von denen jede mit einer primären Sauerstoffträgerleitung (32, 34) und mit einer sekundären Sauerstoffträgerleitung (33, 35) verbunden ist, und

- Sauerstoffträgersteuerventile (37, 39) aufweist, die in jeder sekundären Sauerstoffträgerleitung (33, 35) angeordnet sind

gekennzeichnet

- durch vier primäre Sauerstoffträgerkanäle (13 bis 16) und vier benachbarte beabstandete sekundäre Sauerstoffträgerkanäle (17 bis 20), wobei die Kanäle (13 bis 20) um 90º voneinander entfernt um den Brennstoffauslasskanal (12) positioniert sind und

- durch Sauerstoffträgerdurchflusssteuerventile (36, 38), die in jeder Sauerstoffträgerzuführleitung (3, 29) positioniert sind,

- wobei die primären Sauerstoffträgerkanäle (13 bis 16) und die sekundären Sauerstoffträgerkanäle (17 bis 20) in Richtung zu dem Brennstoffkanal (12) im Winkel angeordnet sind.

2. Brennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder primäre Sauerstoffträgerkanal (13 bis 16) von jedem benachbarten sekundären Sauerstoffträgerkanal (17 bis 20) in einem Abstand angeordnet ist, der zwischen einem direkten Kontakt und 100 Kanaldurchmessern liegt.

3. Brennervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder primäre Sauerstoffträgerkanal (13 bis 16) und jeder benachbarte sekundäre Sauerstoffträgerkanal (17 bis 20) insgesamt parallel zueinander verlaufen.