DE1960754A1 - Brenner fuer gasfoermige Brennstoffe - Google Patents

Description

betreffend
Brenner für gasförmige Brennstoffe

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für einen gasförmigen Brennstoff mit einem ein Kühlmittel aufnehmenden hohlen Körper, der mit einem ringförmigen Kanal versehen ist, welcher durch eine Trennwand in zwei konzentrische ringförmige Kanäle zum Zuführen des Brennstoffs bzw. eines Oxidationsmittels unterteilt ist. Solche Brenner werden in großem Umfang in industriellen Anlagen, z.B. in Stahlwerken, angewendet. Als Oxidationsmittel dient bei ihnen Sauerstoff oder Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft und als Brennstoff beispielsweise Erdgas oder ein gasförmiger Kohlenwasserstoff.

Bei Brennern dieser Art werden Maßnahmen getroffen, um eine stabile Verbrennung innerhalb eines bestimmten Betriebsbereichs zu gewährleisten, indem die heißen Verbrennungsgase veranlaßt worden, zur Stabilisierung dienende Wirbel zu bilden; dies wird auf unterschiedliche Weise erreicht, und zwar durch eine besondere Gestaltung der Brennerstirnfläche und/ oder eine auf besondere Weise ausgebildeten Flammenkammer bzw. einen in besonderer Weise ausgebildeten Heiz- oder Reaktionsraum, mit dem der Brenner verbunden ist.

009825/U69

BAD ORIGINAL

Der größte Nachteil, der sich bei solchen mit hoher Intensität arbeitenden Brennern für industrielle Zwecke ergibt, besteht darin, daß diese Brenner sehr starke Geräusche erzeugen, obwohl diese Geräusche in vielen Fällen teilweise durch eine Ofenkonstruktion gedämpft werden.

Mit der Erfindung soll nunmehr ein Brenner geschaffen werden, bei dem innerhalb eines großen Betriebsbereichs eine stabile Verbrennung gewährleistet ist, und bei dem die Geräuschentwicklung in einem erheblichen Ausmaß verringert ist.

Gemäß der Erfindung ist bei einem Brenner der eingangs genannten Bauart das austrittsseitige Ende der Trennwand mit einer Verdickung versehen, deren Stirnfläche gegenüber der Stirnfläche des Brenners zurückgesetzt ist, so daß jenseits der Verdickung der Trennwand noch innerhalb des Brenners ein gemeinsamer ringförmiger Austrittskanal für den Brennstoff und das Oxidationsmittel gebildet ist, der gegenüber den getrennten Kanälen eine plötzliche Erweiterung darstellt. Vorzugsweise hat die Verdickung eine ebene Stirnfläche.

Die Verdickung ergibt eine Vorstabilisierung der Flamme, da die Verdickung eine beträchtliche plätzliche Vergrößerung der Kanalbreite an den Austrittsenden der Kanäle ergibt, die das Gas und das Oxidationsmittel voneinander ·-' getrennt halten, bevor das Gemisch aus der Brennermündung austritt. Hierdurch wird eine Turbulenz hervorgerufen, die eine anfängliche Durchmiuchung des Gasstrom^ und des Oxidationsmittelstroms bewirkt und die Flamme an diesem Punktfesthält. Wenn eine solche Vorstabilisierungswirkung hervorgerufen wird, schreitet die Verbrennung der sich mischenden Ströme des Brennstoffs, d.h. des Gases, und des Oxidationsmittels vom Punkt des Zündens gleichmäßig fort, so daß die Flamme insgesamt einen Geräuschpegel aufweint,

— 3 —

0 0 9 8 2 5/1469 BAD ORIGINAL

der erheblich niedriger ist als der Geräuschpegel von Flammen bekannter Brenner, die eine sich plötzlich ausbildende F lammenfront aufweisen, welche in einem kleinen Abstand von der Brennermündung auftritt.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung geht die Verdickung aus der Trennwand hervor und ist als divergierender konischer Ring ausgebildet, der beide ringförmige Zuführungskanäle oder nur einen dieser Kanäle am Austrittsende im Durchtrittsquerschnitt verengt.

Durch diese Maßnahme wird das Entstehen von Turbulenz * noch gefördert. Auch bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten bleibt die Vorstnbilisierungswirkung erhalten, obwohl sich die einzelnen Ströme, d.h. der Gasstrom und der Oxidationsini ttel strom, mit im Bereich der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeiten durch "gedrosselte" Düsen bewegen. Bei dieser Betriebsweise geht die Stabilisierungswirkung aus der durch die Verdickung hervorgerufenen Turbulenz in eine Wechselwirkung zwischen zwei Stoßwellen über, die von den Kanten des mittleren Kegels jenseits der ebenen Stirnfläche der Verdickung ausgehen.

Die Erfindung läßt sich nicht nur bei mit langer Flamme arbeitenden Brennern anwenden, sondern auch bei Brennern, ä die so konstruiert sind, daß sie eine kurze Weitwinkelflamme bzw. rchirmföriaige Flamme erzeugen. Um die gewünschte Wirkung ^u erzielen, ist gemäß der Erfindung der ringförmige Kanal an seinem Austrittsende konisch mit im wesentlichen konstanter Weite und divergiert in Richtung auf die Brennerr^tirnf lache, wobei die Verdickung im konischen Teil des Rir-f.kanals angeordnet ist.

Ferner kanndie Erfindung bei Verbrennungsvorrichtungen für einen fa.-förmigen Brennstoff, wie sie in der brit. Patentschrift 1 055 584 beschrieben sind, angewendet werden, bei denen der Brennstoff und das Oxidationsmittel dem Brenner getrennt zugeführt werden. Nach ihrer Vorstabili-

009825/U69

-4- 1 96075 A

sierung durch das Vorhandensein der Verdickung wird die Flamme nachfolgend durch die innere torusförmige Rückumwälzung der heißen Verbrennungsprodukte weiter stabilisiert.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in einem Teil eines Längsschnitts.

Fig. 2 zeigt in einem Teil eines Längsschnitts eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt in einem Teilschnitt eine Verbrennungsvorrichtung, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen ist.

Gemäß den Zeichnungen wird der hohle Körper von einem ringförmigen Hohlkörper 1 und einem zentral angeordneten hohlen zylindrischen Teil 2 gebildet, zwischen denen ein Ringkanal vorhanden ist, der durch eine Zwischenoder Trennwand 5 in einen äußeren Ringkanal 3 und einen inneren Ringkanal 4 unterteilt ist. An ihrem stromabwärts weisenden Ende ist die Trennwand 5 mit einer Verdickung

6 mit einer ebenen Stirnfläche 7 versehen. Diese Stirnfläche der Verdickung kann auch leicht konkav oder hohl- "' kegelförmig ausgebildet sein. Stromabwärts der gegenüber der Stirnfläche 8 des Brenners zurückgesetzten Stirnfläche

7 der Verdickung 6 enden die Kanäle 3 und 4 für die an der Reaktion teilnehmenden Stoffe, d.h. den Brennstoff und das Oxidationsmittel, in einem gemeinsamen Austrittskanal 9.

Der ringförmige hohle Brennerkörper kann durch Hindurchleiten eines Kühlmittels, z.B. von Wasser, gekühlt werden, das über einen Ringraum zwischen der inneren Wand des Bren-

009825/U69

nerkörperteils 1 und einem diese innere Wand in einem Abstand umgebenden Rohr 10 zugeführt wird. Das Kühlmittel wird gegen die Stirnwand 8 des hohlen Brennerkörperteils geleitet und über den Ringraum zwischen der Außenseite des Rohrs 10 und der Innenseite der äußeren Wand des Bauteils 1 zurückgeführt.

In dem zentral angeordneten hohlen zylindrischen Teil 2 ist ein Kühlmittelzuführungsrohr 11 angeordnet, das kurz vor der vorderen Stirnwand dieses Teils 2 mündet.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform erzeugt beim Betrieb des Brenners eine sich in der Längsrichtung erstreckende Flamme. Die beiden Zuführungskanäle, d.h. der Kanal 3 für das Oxidationsmittel und der Kanal 4 für den Brennstoff, haben über ihre ganze Länge einschließlich des Endabschnitts vor dem gemeinsamen Austrittskanal 9 einen konstanten Querschnitt, wenn der Umlenkkörper 6 vorhanden ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die eine "schirmförmige" Flamme erzeugt; um diese Wirkung zu erzielen, sind die Endabschnitte der Ringkanäle 3 und k in Richtung stromabwärts kegelförmig divergierend ausgebildet. Die Verdickung ist in diesem konischen Abschnitt angeordnet und gemäß Fig.2 als konischerRing ausgebildet, durch den der Endabschnitt des Kanals 3 für das Zuführen des Oxidationsmittels verengt ist. Der konische Raum innerhalb des Endabschnitts des zentral angeordneten hohlen T ils 2 kann mit nicht dargestellten ■.> Führungsrippen oder dergleichen versehen sein, um eine einwandfreie Zirkulation des Kühlmittels während des Betriebs zu gewährleisten.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Verbrennungsvorrichtung hat die Stirnfläche 8 des ringförmigen hohlen Bauteils 1 einen größeren Flächeninhalt und bildet zusammen mit der Stirnfläche des zentralen hohlen Teils 2 den Boden einer Flammenkammer 13, die an ihrem anderen Ende offen und durch

009825/U6 9

13 6 0 7 5 4 - β -

eine hohle Seitenwand 14 abgegrenzt ist, durch die ein,· Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann; zu diesem Zweck ist in der hohlen Seitenwand eine Trennwand 15 angeordnet, um den Hohlraum in zwei konzentrische Ringkanäle zu unterteilen, die am vorderen Ende der Seitenwand miteinander in Verbindung stehen.

Tn dem hohlen Bauteil 1 können eine oder mehrere Rohrleitungen 12 zum Zuführen eines Kühlmittels angeordnet sein.

Bei allen beschrie benen Ausführungsformen sind am hinteren Ende der das Kühlmittel aufnehmenden Räume nicht dargestellte Anschlüsse zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Verdickung 6 durch einen konischen Endabschnitt der Trennwand 5 gebildet, der eine größere Wandstärke als die Trennwand auf v/eist.

Durch Verlagern des Bodens der Flammenkarmner 13 längs der Seitenwand 14 ist es möglich, die Form der Flamme nach Wunsch zu beeinflussen. Die wirksame Länge der Flammenkammer 13 soll vorzugsweise zwischen dem 0,1—fachen und dem 0,8-fachen des Durchmessers der Flammenkammer verstellbar sein.

Mit einem mit den normalen Abmessungen hergestellten , Brenner der in Fig. 2 dargestellten Art wurden Versuche durchgeführt.

Eine erhebliche Verringerung des Verbrennungsgeräusches ist das wesentliche Kennzeichen dieses Brenners mit vorstabilisierter Flamme. Ein zweites Merkmal dieses Brenners besteht darin, daß es bei der gleichenKonstruktion möglich ist, mit erheblich höheren Werten des Verhältnisses zwischen dem Oxidationsmittels und dem Brennstoff zu arbeiten, ohne daß

BADORIGtNAL _ 7 _ 009825/U69

die Flamme weggeblasen wird. Bei Brennern bekannter
Art würde eine normale torusförmige"Weitwinkel"-Flamme
bei Werten von A- = 1,5 bis 2,0 weggeblasen werden, wobei A das stöchiometrische Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis bezeichnet. Wenn mit der Erfindung eine vorstabilisierte Flamme erzeugt wird, kann mit Werten von A- =6,0 bis 7,0 gearbeitet v/erden, bevor die Flamme weggeblasen wird.
Dieses Merkmal erweist sich z.B. dann als sehr vorteilhaft, wenn der Brenner bei der Stahlerzeugung zum Frischen benutzt wird, d.h. wenn zur Durchführung des Frischens große Sauerstoffmengen benötigt werden und das Vorhandensein
einer Flamme zur Unterdrückung des Entstehens von Eisenoxiddämpfen erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung war es möglich, den ungedämpften
Gesnintgeräuschpegel von 125 dB auf 113 dB zu verringern, was einer Herabsetzung des Schalldruckpegels auf 1/4
seines Höchstwertes gleichwertig ist.

Die Versuche wurden mit einem Brenner durchgeführt,
der mit Erdgas und Sauerstoff betrieben wurde, und der so bemessen war, daß er im Durchschnitt 1000 m Erdgas verarbeiten konnte.

009825/1A69 Patentansprüche:

Claims (7)

Patentansprüche

1./ Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einem hohlen Brennerkörper zum Aufnehmen eines Kühlmittels und einen in diesem vorgesehenen Ringkanal, der durch eine Trennwand in zv/ei konzentrische Ringkanäle zum Zuführen des Brennfitoffs bzw. des Oxidationsmittels unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet , daß das austrittsseitige Ende der Trennwand ^c(5) eine Verdickung (6) besitzt, deren Stirnfläche (7) gegenüber der Stirnfläche (8) des Brennerkörpers (1,2) so zurückgesetzt ist, daß ein gemeinsamer ringförmiger Austrittskanal (9) für den Brennstoff und das Oxidationsmittel vorhanden ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß die Verdickung (6) eine ebene Stirnfläche (7) hat.

3. Brennernach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t , daß die Verdickung (6) ein aus der Trennwand (5) hervorgehender divergierender konischer Ring ist, der mindestens, einen der ringförmigen Zuführungskanäle (4,3) am Austrittsende verengt.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (3,4) an seinem Austrittsende konisch mit im v/esentlichen konstanter Weite ist und in Richtung auf die Stirnfläche (8) des Brenners divergiert, wobei die Verdickung (6) im konischen Teil des Ringkanals angeordnet ist.

009825/U69

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ,daß die Brennerstirnfläche (8) den Boden einer im wesentlichen zylindrischen Flammenkammer (13) bildet, die mit einem Heiz- oder Reaktionsraum in Verbindung stehen kann/

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand (14) der Flammenkammer (13) hohl ist und ein Kühlmittel aufnehmen kann.

7. Brenner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die axiale Länge der Flammenkammer (13) einstellbar ist.

00 982 5/U6 9