EP2014981A2 - Method and device for thermal treatment of fluid or gaseous material - Google Patents

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EP2014981A2
EP2014981A2 EP08104500A EP08104500A EP2014981A2 EP 2014981 A2 EP2014981 A2 EP 2014981A2 EP 08104500 A EP08104500 A EP 08104500A EP 08104500 A EP08104500 A EP 08104500A EP 2014981 A2 EP2014981 A2 EP 2014981A2
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EP
European Patent Office
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oxygen
fuel
combustion chamber
burner
supply
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08104500A
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German (de)
French (fr)
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EP2014981A3 (en
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Martin William Adendorff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer Group GmbH
Original Assignee
Messer Group GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Messer Group GmbH filed Critical Messer Group GmbH
Publication of EP2014981A2 publication Critical patent/EP2014981A2/en
Publication of EP2014981A3 publication Critical patent/EP2014981A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air

Definitions

  • the invention relates to a method for treating liquid or gaseous substances in a combustion chamber, is entered in the fuel and an over-stoichiometric amount of oxygen in the combustion chamber. Furthermore, the invention relates to a burner assembly which is particularly suitable for carrying out such a method.
  • blow lances or burner arrangements are used for the thermal treatment of liquid or gaseous substances.
  • oxygen or another gas is introduced into the treatment room at high speed.
  • DE 100 59 440 A1 For example, a process for post-combustion of products with a fuel-oxygen lance is described in which fuel is burned with super-stoichometric amount of supplied oxygen and the combustion gas is introduced together with the unburned oxygen at supersonic velocity into the combustion chamber.
  • burners usually work only in a narrow flow range with a stable flame. This means that the burners must be operated with predetermined amounts of oxygen or fuel, regardless of the actual need, resulting in a considerable waste of energy and supplies.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method and a burner assembly for flexible and energy-saving thermal treatment of gases or liquids using oxygen in a combustion chamber.
  • the object of the invention is thus achieved by a method for treating liquid or gaseous substances in a combustion chamber, is entered in the fuel and an over-stoichiometric amount of oxygen in the combustion chamber, wherein the fuel with a first partial flow of oxygen to form a Flame in the combustion chamber reacts and a second partial flow of oxygen is introduced with a flame enveloping the flow in the combustion chamber.
  • the enveloping flow stabilizes the flame in a wide range of different fuel flow rates.
  • a swirl flow is impressed on the second partial stream of oxygen introduced into the combustion chamber.
  • the swirl flow causes a particularly intensive mixing of the registered oxygen with the gas in the combustion chamber and thereby favors the implementation of the desired reaction.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the first partial flow of oxygen contains only a fuel underöchimetrische amount of oxygen and thus a portion of the fuel is burned with oxygen from the second partial flow.
  • the part of the oxygen which is not used for combustion in the combustion chamber is particularly preferred for CO afterburning or for combustion or cracking used by longer-chain hydrocarbons, such as those resulting from the combustion of plastics.
  • the burner assembly according to the invention comprises a fuel-oxygen burner opening into a combustion chamber when used as intended with at least one feed for gaseous or liquid fuel and at least one feed for oxygen, the fuel-oxygen burner within an oxygen lance for introducing oxygen into the combustion chamber Combustion chamber is arranged.
  • the fuel-oxygen burner By the fuel-oxygen burner, the formation of a flame in the combustion chamber takes place. At the same time, oxygen is additionally introduced through the oxygen lance into the combustion chamber and can there react with substances to be treated in the combustion chamber. At the same time, the oxygen introduced by the oxygen lance stabilizes the flame of the fuel-oxygen burner. As a result, the burner arrangement can be operated in a wide range of different fuel flow rates with a stable flame.
  • a preferred embodiment of the burner assembly according to the invention provides that the fuel-oxygen burner comprises a supply of primary fuel for covering a combustion base load and at least one supply of secondary fuel for covering a full or peak load. In this way, the amount of supplied fuel can be adapted to the respective requirements.
  • the burner assembly is constructed such that the oxygen lance, the at least one oxygen supply and the secondary fuel supply are coaxial with each other and disposed about the centrally located primary fuel supply.
  • the oxygen lance is equipped with a device for swirl generation.
  • swirl-producing outlet nozzles which are tangential or with a tangential component to the main direction of the oxygen flow of the Oxygen lance run into the combustion chamber and in this way impose a swirl flow to the oxygen emerging from the oxygen lance.
  • This makes it possible to apply a large volume of oxygen in the combustion chamber and thus to achieve intensive mixing.
  • the twisted oxygen jet leads to a further stabilization of the flame of the fuel-oxygen burner.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the burner assembly according to the invention is integrated into an exhaust pipe.
  • the exhaust pipe is used in this case as a combustion chamber.
  • advantageous conditions can be made in the exhaust pipe for different treatments.
  • the burner can be used for CO afterburning.
  • Another application is the removal of organic contaminants from a treatment gas.
  • the burner according to the invention it is possible in a targeted manner to eliminate longer-chain hydrocarbons, such as may arise in the combustion of plastics, without attacking other constituents of the gas, such as CO.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a burner assembly according to the invention in longitudinal section.
  • the burner assembly 1 has an externally mixing fuel-oxygen burner 3 received within an oxygen lance 2, which opens into a combustion chamber 4.
  • the combustion chamber 4 is, for example, a furnace chamber or an exhaust pipe.
  • the fuel-oxygen burner 3 comprises a primary fuel supply 6 arranged along a central axis 5 of the burner arrangement 1, which is accommodated axially displaceably in the fuel-oxygen burner 3.
  • the primary fuel supply 6 also serves as a pilot burner for the fuel-oxygen burner 3.
  • the amount of fuel which is introduced during operation of the burner 3 via the primary fuel supply 6 is hereinafter referred to as "base-load fuel”.
  • base-load fuel Radially on the outside of the primary fuel supply 6, a secondary fuel supply 8 closes is fed by means of the additional, hereinafter referred to as "full load fuel" fuel.
  • a burner oxygen supply 9 is provided to the secondary fuel supply 8, in turn radially outside.
  • secondary fuel supply 8 and burner oxygen supply 9 are formed as tubes arranged concentrically to one another.
  • it is within the scope of the invention also conceivable to provide a plurality of mutually parallel feeds for secondary fuel and / or oxygen, which are arranged around the primary fuel supply 6 around.
  • coolant such as water or hot steam.
  • the oxygen lance 2 comprises a feed channel 10 which is connected to an oxygen feed line 12 and extends radially on the outside of the burner oxygen feed 9 and is provided with discharge nozzles 11 in the region of the mouth opening of the burner assembly 1.
  • the outlet nozzles 11 extend tangentially or with a tangential component to the longitudinal extension 5 of the burner assembly 1 and ensure that a swirling flow is imposed on the exiting oxygen gas stream. It is also possible, in addition, to equip the fuel feeds 6, 8 and / or the burner oxygen feed 9 with suitable swirl generators, in order to influence the geometry of the flame.
  • ignition gas is introduced into the primary fuel supply 6 and ignited with an electric igniter, not shown here.
  • a starting gas is usually a small amount of provided for the burner assembly 1 fuel, such as propane used.
  • the base load fuel can also be ignited directly when it is introduced.
  • the fuel is introduced via a fuel supply line 14 from a source not shown here and introduced via the primary fuel supply 6 into the combustion chamber 4.
  • Full load fuel up to a multiple, for example, twenty times the amount of base load fuel is introduced from a fuel supply line 16 in the fuel supply 8.
  • the oxygen is partly introduced via the oxygen supply 9 and partly via the oxygen lance 2 into the combustion chamber 4.
  • oxygen is taken from a source in a superstoichiometric relation to the amount of fuel supplied from a source and supplied on the one hand connected to the oxygen supply 9 oxygen supply line 15 and on the other hand, the oxygen supply line 12 of the oxygen lance 2.
  • the amount of oxygen supplied through the oxygen feed line 15 corresponds at most to the amount stoichiometrically required for combustion of the fuel.
  • the combustion of the fuel with this oxygen leads to the formation of a flame in front of the orifice of the fuel-oxygen burner 3 in the combustion chamber 4.
  • the introduced via the oxygen lance 2 in the combustion chamber 4 with a swirl flow oxygen partially reacts with the unburned fuel. Due to the swirl flow, an intensive mixing of the unburned oxygen with the liquid or gaseous substance present in the combustion chamber 4, whereby the reaction desired there is favored.
  • the oxygen emerging from the oxygen lance 2 envelops the flame of the fuel-oxygen burner and stabilizes it even with small amounts of fuel, in particular even when supplying only base-load fuel.
  • the swirl intensity is variably adjustable, or the oxygen lance 2 is designed such that the oxygen exiting from the supply openings 12 exits at critical speeds in all operating modes, so that the swirl intensity is also at different oxygen mass flows not changed.
  • control valves are provided, which are connected to a control and regulating device, by means of the introduction of fuel or oxygen quantities through the feeders 6,8,9 and by the oxygen lance 2 can be adjusted through. Also advantageous is a regulation of the fuel or oxygen quantities to be supplied as a function of measured parameters, such as the temperature in the Combustion chamber 4 or the concentration of a component in the atmosphere of the treatment room.
  • the burner assembly 1 is particularly suitable for the thermal treatment of gases, in particular of exhaust gases.
  • the burner assembly 1 is arranged in the wall of an exhaust gas-carrying line in countercurrent to the exhaust gas.
  • the flame emerging from the oxygen-fuel burner 3 serves to heat the exhaust gas to a specific temperature at which the desired reaction of an exhaust gas constituent with the supplied oxygen is favored.
  • pollutants purposely contained in the exhaust gas such as longer-chain hydrocarbons, are burned or e.g. destroyed by cracking and can then be filtered out or otherwise removed.
  • the burner arrangement is particularly suitable in the cases in which the fuel-oxygen burner 3 is to be driven predominantly in base load, that is to say without the secondary fuel supply 6 being switched on.
  • the burner assembly 1 is also suitable for other applications, for example, for CO afterburning.
  • a burner assembly of the type shown will be used for the treatment of an exhaust gas.
  • the aim is the elimination of organic constituents in a CO-rich exhaust gas by reaction with the supplied oxygen at moderate temperatures of 200 ° to 600 ° C, wherein the CO contained in the exhaust gas is not burned, but an industrial utilization is to be supplied.
  • the burner is therefore designed for a continuous operation of 50kW, which is achieved by burning the base load fuel.
  • peak load periods such as in the heating mode
  • an energy of 1000 kW is required, which is provided by combustion of the full load fuel. Due to the large ratio of 1:20 between basic and full load, the stability of the flame at base load is problematic.
  • By supplying up to 300 Nm 3 / h of oxygen through the oxygen lance designed as a swirl lance however, the flame is stabilized even in base load operation and continuous operation is possible even at low energies or temperatures.

Abstract

A burner for gas and liquid fuel has part of the oxygen feed mixed with the fuel and blown into the burner via an oxygen lance type feed, with a less than stoichiometric mixture to feed the flame. The additional oxygen is blown into the burn chamber in a rotational manner wrapped around the fuel/oxygen feed, with some of the oxygen feeding the burn, providing an excess stoichiometric fuel/oxygen ratio. Controlling the fuel/oxygen ratio ensures a CO post burn and cracking of long fuel molecules.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von flüssigen oder gasförmigen Stoffen in einem Brennraum, bei dem Brennstoff und eine zum Brennstoff überstöchiometrische Menge an Sauerstoff in den Brennraum eingetragen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brenneranordnung, die insbesondere zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignet ist.The invention relates to a method for treating liquid or gaseous substances in a combustion chamber, is entered in the fuel and an over-stoichiometric amount of oxygen in the combustion chamber. Furthermore, the invention relates to a burner assembly which is particularly suitable for carrying out such a method.

Zur thermischen Behandlung von flüssigen oder gasförmigen Stoffen, beispielsweise zur Behandlung von Metallschmelzen oder zur CO-Nachverbrennung, kommen Blaslanzen oder Brenneranordnungen zum Einsatz. Mittels Blaslanzen wird Sauerstoff oder ein anderes Gas mit hoher Geschwindigkeit in den Behandlungsraum eingetragen. In der DE 100 59 440 A1 wird beispielsweise ein Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten mit einer Brennstoff-SauerstoffLanze beschrieben, bei der Brennstoff mit in überstöchometrischer Menge zugeführtem Sauerstoff verbrannt und das Verbrennungsgas zusammen mit dem unverbrannten Sauerstoff mit Überschallgeschwindigkeit in den Brennraum eingetragen wird.For the thermal treatment of liquid or gaseous substances, for example for the treatment of metal melts or CO afterburning, blow lances or burner arrangements are used. By means of blow lances, oxygen or another gas is introduced into the treatment room at high speed. In the DE 100 59 440 A1 For example, a process for post-combustion of products with a fuel-oxygen lance is described in which fuel is burned with super-stoichometric amount of supplied oxygen and the combustion gas is introduced together with the unburned oxygen at supersonic velocity into the combustion chamber.

Problematisch bei derartigen Anordnungen ist, dass Brenner meist nur in einem engen Mengenstrombereich mit stabiler Flamme arbeiten. Dies führt dazu, dass die Brenner unabhängig vom tatsächlichen Bedarf mit vorgegebenen Sauerstoff- bzw. Brennstoffmengen betrieben werden müssen, wodurch es einer erheblichen Verschwendung von Energie und Betriebsstoffen kommt.The problem with such arrangements is that burners usually work only in a narrow flow range with a stable flame. This means that the burners must be operated with predetermined amounts of oxygen or fuel, regardless of the actual need, resulting in a considerable waste of energy and supplies.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Brenneranordnung zur flexiblen und energiesparenden thermischen Behandlung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Einsatz von Sauerstoff in einem Brennraum zu schaffen.Object of the present invention is therefore to provide a method and a burner assembly for flexible and energy-saving thermal treatment of gases or liquids using oxygen in a combustion chamber.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Brenneranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a burner assembly having the features of patent claim 5.

Die Aufgabe der Erfindung wird also durch ein Verfahren zum Behandeln von flüssigen oder gasförmigen Stoffen in einem Brennraum gelöst, bei dem Brennstoff und eine zum Brennstoff überstöchiometrische Menge an Sauerstoff in den Brennraum eingetragen wird, wobei der Brennstoff mit einem ersten Teilstrom des Sauerstoffs unter Ausbildung einer Flamme im Brennraum reagiert und ein zweiter Teilstrom des Sauerstoffs mit einer die Flamme einhüllenden Strömung in den Brennraum eingetragen wird. Die einhüllende Strömung stabilisiert die Flamme in einem weiten Bereich unterschiedlicher Brennstoff-Mengenströme. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Atmosphäre oder das zu behandelnde flüssige Material im Brennraum auf einen bestimmten Temperaturwert vorzuheizen, bei dem der gleichzeitig zugeführte Sauerstoff besonders wirkungsvoll mit Bestandteilen der Atmosphäre reagiert. Als Brennstoff kommt ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zum Einsatz, beispielsweise Propan, Erdgas oder Öl. Als "Sauerstoff" wird hier ein Gas mit einem Sauerstoffanteil von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 99%, bezeichnet.The object of the invention is thus achieved by a method for treating liquid or gaseous substances in a combustion chamber, is entered in the fuel and an over-stoichiometric amount of oxygen in the combustion chamber, wherein the fuel with a first partial flow of oxygen to form a Flame in the combustion chamber reacts and a second partial flow of oxygen is introduced with a flame enveloping the flow in the combustion chamber. The enveloping flow stabilizes the flame in a wide range of different fuel flow rates. By means of the method according to the invention, it is possible to preheat the atmosphere or the liquid material to be treated in the combustion chamber to a specific temperature value at which the simultaneously supplied oxygen reacts particularly effectively with constituents of the atmosphere. The fuel used is a liquid or gaseous fuel, for example propane, natural gas or oil. As "oxygen" here is a gas having an oxygen content of more than 90%, preferably more than 99%, referred to.

Bevorzugt wird dem in den Brennraum eingetragenen zweiten Teilstrom des Sauerstoffs eine Drallströmung aufgeprägt. Durch die Drallströmung wird eine besonders intensive Durchmischung des eingetragenen Sauerstoffs mit dem Gas im Brennraum bewirkt und dadurch die Durchführung der gewünschten Reaktion begünstigt.Preferably, a swirl flow is impressed on the second partial stream of oxygen introduced into the combustion chamber. The swirl flow causes a particularly intensive mixing of the registered oxygen with the gas in the combustion chamber and thereby favors the implementation of the desired reaction.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Teilstrom des Sauerstoffs lediglich eine zum Brennstoff unterstöchimetrische Menge an Sauerstoff enthält und somit ein Teil des Brennstoffs mit Sauerstoff aus dem zweiten Teilstrom verbrannt wird. Je größer der Mengenanteil des zweiten, äußeren Teilstroms ist, desto kürzer ist die sich am Brenner ausbildende Flamme. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von Gasen in relativ eng dimensionierten Abgasleitungen eingesetzt wird.An advantageous embodiment of the invention provides that the first partial flow of oxygen contains only a fuel unteröchimetrische amount of oxygen and thus a portion of the fuel is burned with oxygen from the second partial flow. The greater the proportion of the second, outer partial flow, the shorter the flame forming at the burner. This is particularly advantageous if the method according to the invention is used for the treatment of gases in relatively narrow exhaust pipes.

Besonders bevorzugt wird der nicht zur Verbrennung genutzte Teil des Sauerstoffs im Brennraum zur CO-Nachverbrennung oder zur Verbrennung oder zum Kracken von längerkettigen Kohlenwasserstoffen eingesetzt, wie sie beispielsweise bei der Verbrennung von Kunststoffen entstehen.The part of the oxygen which is not used for combustion in the combustion chamber is particularly preferred for CO afterburning or for combustion or cracking used by longer-chain hydrocarbons, such as those resulting from the combustion of plastics.

Die erfindungsgemäße Brenneranordnung umfasst einen bei seinem bestimmungsgemäßen Einsatz in einen Brennraum einmündenden Brennstoff-Sauerstoff-Brenner mit wenigstens einer Zuführung für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff sowie wenigstens einer Zuführung für Sauerstoff, wobei der Brennstoff-Sauerstoff-Brenner innerhalb einer Sauerstofflanze zum Einleiten von Sauerstoff in den Brennraum angeordnet ist.The burner assembly according to the invention comprises a fuel-oxygen burner opening into a combustion chamber when used as intended with at least one feed for gaseous or liquid fuel and at least one feed for oxygen, the fuel-oxygen burner within an oxygen lance for introducing oxygen into the combustion chamber Combustion chamber is arranged.

Durch den Brennstoff-Sauerstoff-Brenner erfolgt die Ausbildung einer Flamme im Brennraum. Zugleich wird zusätzlich Sauerstoff durch die Sauerstofflanze in den Brennraum eingetragen und kann dort mit zu behandelnden Stoffen in Brennraum reagieren. Gleichzeitig sorgt der durch die Sauerstofflanze eingetragene Sauerstoff für eine Stabilisierung der Flamme des Brennstoff-Sauerstoff-Brenners. Dadurch kann die Brenneranordnung in einem weiten Bereich unterschiedlicher Brennstoff-Mengenströme mit stabiler Flamme betreiben werden.By the fuel-oxygen burner, the formation of a flame in the combustion chamber takes place. At the same time, oxygen is additionally introduced through the oxygen lance into the combustion chamber and can there react with substances to be treated in the combustion chamber. At the same time, the oxygen introduced by the oxygen lance stabilizes the flame of the fuel-oxygen burner. As a result, the burner arrangement can be operated in a wide range of different fuel flow rates with a stable flame.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung sieht vor, dass der Brennstoff-Sauerstoff-Brenner eine Zuführung von primärem Brennstoff zum Abdecken einer Verbrennungs-Grundlast sowie wenigstens eine Zuführung für sekundären Brennstoff zum Abdecken einer Voll- oder Spitzenlast umfasst. Auf diese Weise kann die Menge an zugeführtem Brennstoff den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.A preferred embodiment of the burner assembly according to the invention provides that the fuel-oxygen burner comprises a supply of primary fuel for covering a combustion base load and at least one supply of secondary fuel for covering a full or peak load. In this way, the amount of supplied fuel can be adapted to the respective requirements.

Vorzugsweise ist die Brenneranordnung derart aufgebaut, dass die Sauerstofflanze, die wenigstens eine Sauerstoff-Zuführung und die Zuführung für sekundären Brennstoff koaxial zueinander und um die zentral angeordnete Zuführung für primären Brennstoff angeordnet sind.Preferably, the burner assembly is constructed such that the oxygen lance, the at least one oxygen supply and the secondary fuel supply are coaxial with each other and disposed about the centrally located primary fuel supply.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Sauerstofflanze mit einer Einrichtung zur Drallerzeugung ausgerüstet. Als besonders zweckmäßig erweisen sich dabei drallerzeugende Austrittsdüsen, die tangential bzw. mit einer tangentialen Komponente zur Hauptrichtung der Sauerstoffströmung von der Sauerstofflanze in den Brennraum hinein verlaufen und auf diese Weise dem aus der Sauerstofflanze austretenden Sauerstoff eine Drallströmung aufzwingen. Dadurch ist es möglich, im Brennraum ein großes Volumen mit Sauerstoff zu beaufschlagen und somit eine intensive Durchmischung zu erzielen. Zugleich führt der verdrallte Sauerstoffstrahl zu einer weiteren Stabilisierung der Flamme des Brennstoff-Sauerstoff-Brenners.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the oxygen lance is equipped with a device for swirl generation. In this case, swirl-producing outlet nozzles which are tangential or with a tangential component to the main direction of the oxygen flow of the Oxygen lance run into the combustion chamber and in this way impose a swirl flow to the oxygen emerging from the oxygen lance. This makes it possible to apply a large volume of oxygen in the combustion chamber and thus to achieve intensive mixing. At the same time, the twisted oxygen jet leads to a further stabilization of the flame of the fuel-oxygen burner.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erfindungsgemäße Brenneranordnung in eine Abgasleitung integriert ist. Die Abgasleitung dient in diesem Falle also als Brennraum. Durch die die Kombination aus Heizwirkung und Sauerstoffeintrag können für unterschiedliche Behandlungen vorteilhafte Bedingungen in der Abgasleitung hergestellt werden. So kann der Brenner beispielsweise zur CO-Nachverbrennung eingesetzt werden. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die Beseitigung organischer Verunreinigungen aus einem Behandlungsgas. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Brenner zielgenau möglich, längerkettige Kohlenwasserstoffe, wie sie bei der Verbrennung von Kunststoff entstehen können, zu beseitigen, ohne andere Bestandteile des Gases, wie etwa CO, anzugreifen.A preferred embodiment of the invention provides that the burner assembly according to the invention is integrated into an exhaust pipe. The exhaust pipe is used in this case as a combustion chamber. By the combination of heating effect and oxygen input advantageous conditions can be made in the exhaust pipe for different treatments. For example, the burner can be used for CO afterburning. Another application is the removal of organic contaminants from a treatment gas. In particular, with the burner according to the invention, it is possible in a targeted manner to eliminate longer-chain hydrocarbons, such as may arise in the combustion of plastics, without attacking other constituents of the gas, such as CO.

Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (Fig. 1) zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung im Längsschnitt.Reference to the drawing, an embodiment of the invention will be explained in more detail below. The only drawing ( Fig. 1 ) shows schematically the structure of a burner assembly according to the invention in longitudinal section.

Die Brenneranordnung 1 weist einen innerhalb einer Sauerstofflanze 2 aufgenommenen außenmischenden Brennstoff-Sauerstoffbrenner 3 auf, der in einen Brennraum 4 einmündet. Beim Brennraum 4 handelt es sich beispielsweise um einen Ofenraum oder um eine Abgasleitung. Der Brennstoff-Sauerstoff-Brenner 3 umfasst eine entlang einer Mittelachse 5 der Brenneranordnung 1 angeordnete primäre Brennstoffzuführung 6, die axial verschiebbar im Brennstoff-Sauerstoff-Brenner 3 aufgenommen ist. Die primäre Brennstoffzuführung 6 dient zugleich als Zündbrenner für den Brennstoff-Sauerstoffbrenner 3. Die Menge an Brennstoff, die beim Betrieb des Brenners 3 über die primäre Brennstoffzuführung 6 eingeleitet wird, wird im Folgenden als "Grundlast-Brennstoff" bezeichnet. Radial außenseitig an der primären Brennstoffzuführung 6 schließt sich eine sekundäre Brennstoffzuführung 8 an, mittels der zusätzlicher, im Folgenden als "Volllast-Brennstoff" bezeichneter Brennstoff zugeführt wird. An die sekundäre Brennstoffzuführung 8 ist, wiederum radial außenseitig, eine Brenner-Sauerstoffzuführung 9 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel sind sekundäre Brennstoffzuführung 8 und Brenner-Sauerstoffzuführung 9 als konzentrisch zueinander angeordnete Rohre ausgebildet. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch denkbar, jeweils mehrere parallel zueinander verlaufende Zuführungen für sekundären Brennstoff und/oder Sauerstoff vorzusehen, die um die primäre Brennstoffzuführung 6 herum angeordnet sind. Nicht in der Zeichnung dargestellt sind Leitungen für Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder Heißdampf.The burner assembly 1 has an externally mixing fuel-oxygen burner 3 received within an oxygen lance 2, which opens into a combustion chamber 4. The combustion chamber 4 is, for example, a furnace chamber or an exhaust pipe. The fuel-oxygen burner 3 comprises a primary fuel supply 6 arranged along a central axis 5 of the burner arrangement 1, which is accommodated axially displaceably in the fuel-oxygen burner 3. The primary fuel supply 6 also serves as a pilot burner for the fuel-oxygen burner 3. The amount of fuel which is introduced during operation of the burner 3 via the primary fuel supply 6 is hereinafter referred to as "base-load fuel". Radially on the outside of the primary fuel supply 6, a secondary fuel supply 8 closes is fed by means of the additional, hereinafter referred to as "full load fuel" fuel. To the secondary fuel supply 8, in turn radially outside, a burner oxygen supply 9 is provided. In the exemplary embodiment, secondary fuel supply 8 and burner oxygen supply 9 are formed as tubes arranged concentrically to one another. However, it is within the scope of the invention also conceivable to provide a plurality of mutually parallel feeds for secondary fuel and / or oxygen, which are arranged around the primary fuel supply 6 around. Not shown in the drawing are lines for coolant, such as water or hot steam.

Die Sauerstofflanze 2 umfasst einen mit einer Sauerstoffzuleitung 12 verbundenen Zuleitungskanal 10, der sich radial außenseitig an der Brenner - Sauerstoffzuführung 9 erstreckt und im Bereich der Mündungsöffnung der Brenneranordnung 1 mit Austrittsdüsen 11 versehen ist. Die Austrittsdüsen 11 verlaufen tangential oder mit einer tangentialen Komponente zur Längserstreckung 5 der Brenneranordnung 1 und sorgen dafür, dass dem austretenden Sauerstoffgasstrom eine Drallströmung auferlegt wird. Es ist im übrigen auch möglich, ergänzend die Brennstoffzuführungen 6,8 und/oder der Brenner-Sauerstoffzuführung 9 mit geeigneten Drallerzeugern auszurüsten, um die Geometrie der Flamme zu beeinflussen.The oxygen lance 2 comprises a feed channel 10 which is connected to an oxygen feed line 12 and extends radially on the outside of the burner oxygen feed 9 and is provided with discharge nozzles 11 in the region of the mouth opening of the burner assembly 1. The outlet nozzles 11 extend tangentially or with a tangential component to the longitudinal extension 5 of the burner assembly 1 and ensure that a swirling flow is imposed on the exiting oxygen gas stream. It is also possible, in addition, to equip the fuel feeds 6, 8 and / or the burner oxygen feed 9 with suitable swirl generators, in order to influence the geometry of the flame.

Beim Betrieb der Brenneranordnung 1 wird Zündgas in die primäre Brennstoffzuführung 6 eingeleitet und mit einem hier nicht gezeigten elektrischen Zünder gezündet. Als Zündgas wird üblicherweise eine geringe Menge des für die Brenneranordnung 1 vorgesehenen Brennstoffs, beispielsweise Propan, verwendet. Je nach Auslegung der Brenneranordnung 1 kann auch direkt der Grundlast-Brennstoff beim Einleiten gezündet werden. Der Brennstoff wird über eine Brennstoffzuleitung 14 aus einer hier nicht gezeigten Quelle herangeführt und über die primäre Brennstoffzuführung 6 in den Brennraum 4 eingeleitet. Volllast-Brennstoff, bis zur vielfachen, beispielsweise zwanzigfachen Menge des Grundlast-Brennstoffs, wird aus einer Brennstoff-Zuleitung 16 in die Brennstoff-Zuführung 8 eingeleitet.During operation of the burner assembly 1 ignition gas is introduced into the primary fuel supply 6 and ignited with an electric igniter, not shown here. As a starting gas is usually a small amount of provided for the burner assembly 1 fuel, such as propane used. Depending on the design of the burner assembly 1, the base load fuel can also be ignited directly when it is introduced. The fuel is introduced via a fuel supply line 14 from a source not shown here and introduced via the primary fuel supply 6 into the combustion chamber 4. Full load fuel, up to a multiple, for example, twenty times the amount of base load fuel is introduced from a fuel supply line 16 in the fuel supply 8.

Der Sauerstoff wird teilweise über die Sauerstoffzuführung 9 und teilweise über die Sauerstofflanze 2 in den Brennraum 4 eingetragen. Dazu wird Sauerstoff in einem gegenüber der zugeführten Brennstoffmenge überstöchimetrischen Verhältnis aus einer Quelle entnommen und einerseits einer mit der Sauerstoffzuführung 9 verbundenen Sauerstoffzuleitung 15 und andererseits der Sauerstoffzuleitung 12 der Sauerstofflanze 2 zugeführt. Dabei entspricht die Menge des durch die Sauerstoffzuleitung 15 zugeführten Sauerstoffs maximal der zur Verbrennung des Brennstoffs stöchiometisch erforderlichen Menge. Die Verbrennung des Brennstoffs mit diesem Sauerstoff führt zur Ausbildung einer Flamme vor der Mündungsöffnung des Brennstoff-Sauerstoffbrenners 3 im Brennraum 4.The oxygen is partly introduced via the oxygen supply 9 and partly via the oxygen lance 2 into the combustion chamber 4. For this purpose, oxygen is taken from a source in a superstoichiometric relation to the amount of fuel supplied from a source and supplied on the one hand connected to the oxygen supply 9 oxygen supply line 15 and on the other hand, the oxygen supply line 12 of the oxygen lance 2. The amount of oxygen supplied through the oxygen feed line 15 corresponds at most to the amount stoichiometrically required for combustion of the fuel. The combustion of the fuel with this oxygen leads to the formation of a flame in front of the orifice of the fuel-oxygen burner 3 in the combustion chamber 4.

Der über die Sauerstofflanze 2 in den Brennraum 4 mit einer Drallströmung eingetragene Sauerstoff reagiert teilweise mit dem unverbrannten Brennstoff. Aufgrund der Drallströmung erfolgt eine intensive Durchmischung des unverbrannten Sauerstoffs mit dem im Brennraum 4 vorliegenden flüssigen oder gasförmigen Stoff, wodurch die dort gewünschte Reaktion begünstigt wird.The introduced via the oxygen lance 2 in the combustion chamber 4 with a swirl flow oxygen partially reacts with the unburned fuel. Due to the swirl flow, an intensive mixing of the unburned oxygen with the liquid or gaseous substance present in the combustion chamber 4, whereby the reaction desired there is favored.

Zugleich hüllt der aus der Sauerstofflanze 2 austretende Sauerstoff die Flamme des Brennstoff-Sauerstoff-Brenners ein und stabilisiert diese auch bei geringen Brennstoffmengen, insbesondere auch bei der Zuführung lediglich von Grundlast-Brennstoff. Um die Verhältnisse den jeweils unterschiedlichen Brennstoffmengen anzupassen, ist entweder die Drallstärke variabel einstellbar, oder die Sauerstofflanze 2 ist derart konzipiert, dass der aus den Zuführöffnungen 12 austretende Sauerstoff in allen Betriebsarten mit kritischer Geschwindigkeit austritt, sodass sich die Drallstärke auch bei unterschiedlichen Sauerstoff-Massenströmen nicht verändert.At the same time, the oxygen emerging from the oxygen lance 2 envelops the flame of the fuel-oxygen burner and stabilizes it even with small amounts of fuel, in particular even when supplying only base-load fuel. In order to adapt the conditions to the respective different quantities of fuel, either the swirl intensity is variably adjustable, or the oxygen lance 2 is designed such that the oxygen exiting from the supply openings 12 exits at critical speeds in all operating modes, so that the swirl intensity is also at different oxygen mass flows not changed.

In den Zuleitungen 12,14,15,16 sind hier nicht gezeigte Regelventile vorgesehen, die mit einer Steuer- und Regeleinrichtung in Verbindung stehen, mittels der die Einleitung von Brennstoff- bzw. Sauerstoffmengen durch die Zuführungen 6,8,9 sowie durch die Sauerstofflanze 2 hindurch eingestellt werden kann. Vorteilhaft ist auch eine Regelung der zuzuführenden Brennstoff- bzw. Sauerstoffmengen in Abhängigkeit gemessener Parameter wie beispielsweise der Temperatur im Brennraum 4 oder der Konzentration eines Bestandteils in der Atmosphäre des Behandlungsraums.In the supply lines 12,14,15,16 not shown here control valves are provided, which are connected to a control and regulating device, by means of the introduction of fuel or oxygen quantities through the feeders 6,8,9 and by the oxygen lance 2 can be adjusted through. Also advantageous is a regulation of the fuel or oxygen quantities to be supplied as a function of measured parameters, such as the temperature in the Combustion chamber 4 or the concentration of a component in the atmosphere of the treatment room.

Die Brenneranordnung 1 eignet sich insbesondere zur thermischen Behandlung von Gasen, insbesondere von Abgasen. Beispielsweise wird die Brenneranordnung 1 in der Wand einer abgasführenden Leitung im Gegenstrom zum Abgas angeordnet. Die aus dem Sauerstoff-Brennstoff-Brenner 3 austretende Flamme dient zur Aufheizung des Abgases auf eine bestimmte Temperatur, bei der die gewünschte Reaktion eines Abgasbestandteils mit dem zugeführten Sauerstoff begünstigt wird. So werden zielgerichtet im Abgas enthaltene Schadstoffe, wie beispielsweise längerkettige Kohlenwasserstoffe, verbrannt oder z.B. durch Kracken zerstört und können anschließend ausgefiltert oder in sonstiger Weise entfernt werden. Die Brenneranordnung ist besonders geeignet in den Fällen, in denen der Brennstoff-Sauerstoff-Brenner 3 überwiegend in Grundlast, also ohne Zuschaltung der sekundären Brennstoffzuführung 6 gefahren werden soll. Die Brenneranordnung 1 ist jedoch auch für andere Anwendungen geeignet, beispielsweise für die CO-Nachverbrennung.The burner assembly 1 is particularly suitable for the thermal treatment of gases, in particular of exhaust gases. For example, the burner assembly 1 is arranged in the wall of an exhaust gas-carrying line in countercurrent to the exhaust gas. The flame emerging from the oxygen-fuel burner 3 serves to heat the exhaust gas to a specific temperature at which the desired reaction of an exhaust gas constituent with the supplied oxygen is favored. Thus, pollutants purposely contained in the exhaust gas, such as longer-chain hydrocarbons, are burned or e.g. destroyed by cracking and can then be filtered out or otherwise removed. The burner arrangement is particularly suitable in the cases in which the fuel-oxygen burner 3 is to be driven predominantly in base load, that is to say without the secondary fuel supply 6 being switched on. However, the burner assembly 1 is also suitable for other applications, for example, for CO afterburning.

Beispiel:Example:

Eine Brenneranordnung der dargestellten Art werde für die Behandlung eines Abgases eingesetzt. Ziel ist dabei die Beseitigung von organischen Bestandteilen in einem CO-reichen Abgas durch Reaktion mit dem zugeführten Sauerstoff bei moderaten Temperaturen von 200° bis 600°C, wobei das im Abgas enthaltende CO nicht verbrannt, sondern einer industriellen Verwertung zugeführt werden soll. Der Brenner ist daher für einen Dauerbetrieb von 50kW konzipiert, die durch Verbrennung des Grundlast-Brennstoffs erreicht wird. In Spitzenlastphasen, beispielsweise im Aufheizbetrieb, wird dagegen eine Energie von 1000 kW benötigt, die durch Verbrennung des Volllast-Brennstoffs bereitgestellt wird. Aufgrund des großen Verhältnisses von 1:20 zwischen Grund- und Volllast ist die Stabilität der Flamme bei Grundlast problematisch. Durch Zuführung von bis zu 300 Nm3/h Sauerstoff durch die als Dralllanze konzipierte Sauerstofflanze wird die Flamme jedoch auch im Grundlastbetrieb stabilisiert und ein Dauerbetrieb ist auch bei niedrigen Energien bzw. Temperaturen möglich.A burner assembly of the type shown will be used for the treatment of an exhaust gas. The aim is the elimination of organic constituents in a CO-rich exhaust gas by reaction with the supplied oxygen at moderate temperatures of 200 ° to 600 ° C, wherein the CO contained in the exhaust gas is not burned, but an industrial utilization is to be supplied. The burner is therefore designed for a continuous operation of 50kW, which is achieved by burning the base load fuel. In peak load periods, such as in the heating mode, on the other hand, an energy of 1000 kW is required, which is provided by combustion of the full load fuel. Due to the large ratio of 1:20 between basic and full load, the stability of the flame at base load is problematic. By supplying up to 300 Nm 3 / h of oxygen through the oxygen lance designed as a swirl lance, however, the flame is stabilized even in base load operation and continuous operation is possible even at low energies or temperatures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1.1.
Brenneranordnungburner arrangement
2.Second
Sauerstofflanzeoxygen lance
3.Third
Brennstoff-SauerstoffbrennerFuel-oxygen burners
4.4th
Brennraumcombustion chamber
5.5th
Mittelachsecentral axis
6.6th
Zuführung für primären BrennstoffFeeder for primary fuel
7.7th
--
8.8th.
Sekundäre BrennstoffzuführungSecondary fuel supply
9.9th
Brenner-SauerstoffzuführungBrenner oxygen supply
10.10th
Zuleitungskanalsupply channel
11.11th
Dralldüsenswirl
12.12th
Sauerstoffzuleitungoxygen supply
13.13th
--
14.14th
Brennstoffzuleitungfuel supply line
15.15th
Sauerstoffzuleitungoxygen supply
16.16th
Brennstoffzuleitungfuel supply line

Claims (10)

Verfahren zum Behandeln von flüssigen oder gasförmigen Stoffen in einem Brennraum (4), bei dem Brennstoff und eine zum Brennstoff überstöchiometrische Menge an Sauerstoff in den Brennraum (4) eingetragen wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennstoff mit einem ersten Teilstrom des Sauerstoffs unter Ausbildung einer Flamme im Brennraum (4) reagiert und ein zweiter Teilstrom des Sauerstoffs mit einer die Flamme einhüllenden Strömung in den Brennraum (4) eingetragen wird.Method for treating liquid or gaseous substances in a combustion chamber (4), in which fuel and an amount of oxygen which is more than stoichiometric in amount of oxygen is introduced into the combustion chamber (4),
characterized,
that the fuel reacts with a first partial flow of the oxygen to form a flame in the combustion chamber (4) and a second partial stream of the oxygen with a flow enveloping the flame in the combustion chamber (4) is entered. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem in den Brennraum (4) eingetragenen zweiten Teilstrom des Sauerstoffs eine Drallströmung aufgeprägt wird.A method according to claim 1, characterized in that in the combustion chamber (4) registered second partial flow of oxygen, a swirl flow is impressed. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom eine zum Brennstoff unterstöchimetrische Menge an Sauerstoff enthält und ein Tei des Brennstoffs mit dem Sauerstoff des zweiten Teilstroms verbrannt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the first part-stream contains a fuel unteröchimetrische amount of oxygen and a Tei of the fuel is burned with the oxygen of the second partial stream. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff im Brennraum (4) zur CO-Nachverbrennung und/oder zum Verbrennen oder Kracken von langkettigen Kohlenwasserstoffen im Behandlungsgas eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the oxygen in the combustion chamber (4) for CO afterburning and / or burning or cracking of long-chain hydrocarbons in the treatment gas is used. Brenneranordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem bei seinem Einsatz in einen Brennraum (4) einmündenden Brennstoff-Sauerstoff Brenner (3), der wenigstens eine Zuführung (6,8) für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff sowie wenigstens eine Zuführung (9) für Sauerstoff umfasst und innerhalb einer Sauerstofflanze (2) zum Einleiten von Sauerstoff in den Brennraum (4) angeordnet ist.Burner arrangement, in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, with a fuel-oxygen burner (3) opening into a combustion space (4) when used, which has at least one supply (6, 8) for gaseous or liquid fuel and at least one Includes supply (9) for oxygen and within an oxygen lance (2) for introducing oxygen into the combustion chamber (4) is arranged. Brenneranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff-Sauerstoff-Brenner (3) eine Zuführung (6) von primärem Brennstoff zum Abdecken einer Verbrennungs-Grundlast sowie wenigstens eine Zuführung (8) für sekundärem Brennstoff zum Abdecken einer Voll- oder Spitzenlast umfasst.Burner assembly according to claim 5, characterized in that the fuel-oxygen burner (3) comprises a supply (6) of primary fuel for covering a basic combustion load and at least one secondary fuel supply (8) for covering a full or peak load , Brenneranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstofflanze (2), die wenigstens eine Sauerstoff-Zuführung und die Zuführung (8) für sekundären Brennstoff koaxial zueinander und um die zentral angeordnete Zuführung (6) für primären Brennstoff angeordnet sind.Burner assembly according to claim 6, characterized in that the oxygen lance (2), the at least one oxygen feed and the secondary fuel feed (8) are arranged coaxially with each other and around the centrally located primary fuel feeder (6). Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstofflanze (2) mit einer Einrichtung zur Drallerzeugung ausgerüstet ist.Burner arrangement according to one of claims 5 to 7, characterized in that the oxygen lance (2) is equipped with a device for swirl generation. Brenneranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drallerzeugung tangential oder mit einer tangentialen Komponente zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Austrittsdüsen (12) umfasst.Burner arrangement according to claim 8, characterized in that the means for generating swirl tangentially or with a tangential component to the main flow direction extending outlet nozzles (12). Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennraum (4) eine Abgasleitung vorgesehen ist.Burner arrangement according to one of claims 5 to 9, characterized in that the combustion chamber (4) is provided an exhaust pipe.
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