DE2243813A1

DE2243813A1 - Brenner zur erzeugung heisser flammen

Info

Publication number: DE2243813A1
Application number: DE2243813A
Authority: DE
Inventors: German Kurz; Joachim Von Dipl Ing Dr Linde; Robert Von Dipl Ing Linde
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-09-07
Filing date: 1972-09-07
Publication date: 1974-03-14
Also published as: JPS4961726A; BR7306794D0

Description

Brenner zur Erzeugung heißer Flammen Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen Brenner für Kohlenwasserstoffe mit sehr hoher Flammentemperatur zu schaffen. Bei stöchiometrischem Betrieb'von Hochleistungsbrennern, insbesondere von Rückführbrennern, werden Temperaturen erreicht, die der theoretischen Verbrennungstemperatur nahekommen, wenn man bei der Ermittlung der Dissoziation der Verbrennungsprodukte Rechnung frägt. Bei dimer Fahrweise sind jedoch die der Verbrennung zugewandten Brennertei le und auch die Verbrennungskammer thermisch so hoch beansprucht, daß eine weitere Steigerung der Temperatur der Verbrennung, z.B. durch einen höheren Sauerstoff-Anteil der Luft oder durch deren weitgehende Vorwärmung, aus Materialgründen nicht mehr möglich ist. Selbst hochlegierte Stahl legierungen würden schmelzen und für die Brennkammerauskleidung müßten sehr aufwendige keramische Materialien verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese Nachteile zu vermeiden und höhere Verbrennungstemperaturen zu erzielen, indem im ersten Teil des Brenners die Kohlenwasserstoffe unter erheblichem Sauerstoffmangel verbrannt werden, und daß erst nach Durchführung dieser Vorverbrennung der zur vollswndigen Verbrennung des Brennstoffs noch benötigte Sauerstoff in einer Weise zugeführt wird, die zu höheren Verbrennungstemperaturen als der Sauerstoff der kalten Luft führt Dies kann z,B, in der Weise erfolgen, daß wenigstens die zur vollstandigen Verbrennung noch fehlende Brennluft stark vorgewärmt wird,oder daß der Sauerstoffgehalt des Sauerstoffträgers über 21 % hinaus erhöht wird, oder daß der Sauerstoff in Form von Stickoxyden zugeführt wird.
Die Erfindung sieht vor, den restlichen Sauerstoff für die vollständige Verbrennung am Ende der Verbrennungskammer zuzuführen, in der die reduzierende Verbrennung erfolgt Die weitere Verbrennung findet dann im anschließenden Flammenraum oder in einer sich anschließenden weiteren Verbrennungskammer statt" Um eine gute Vermischung der heißen Verbrennungsgase aus der reduzierenden Verbrennung mit dem zur vollständigen Verbrennung beigegebenen Sauerstoff zu erzielen, wird vorgeschlagen, die Zugabe an oder hinter einer Einschnürung am Ende der ersten Verbrennungskammer vorzunehmen. An diese EinschnUrung kann sich dann als Erweiterung der nächste Brennraum für die vollständige Verbrennung anschließen, wenn die Verbrennung nicht in offener Flamme erfolgt.
Der Erfindungsgedanke sei an zwei Beispielen erläutert: Beispiel 1 Die theoretische Verbrennungstemperatur eines leichten Heizöles mit ca. 10000 kcal/kg liegt(unter Vernachlässigung der Dissoziation) bei stöchiometrischer Fahrweise bei ca. 2000 ° C. Eine Erhöhung der Verbrennungslufttemperatur auf z,B. 600 ° C würde die Verbrennungstemperatur der vollstandigan Verbrennung auf ca. 2600 ° C steigern, was jedoch nicht, mit RUcksicht auf die Metallteile des Brenners und das Brennkammermaterial, möglich ist. Verbrennt man dagegen in der ersten Stufe des Brenners, gemäß dem vorliegenden Vorschlag, unterstöchiometrisch mit Luft und einer Luftzahl von Xl = 0,7, so enthält das heiße Abgas dieser ersten Verbrennungsstufe 17,5 Vol % CO + H2, die in der zweiten Verbrennung bei weiterer Luftzufuhr verbrennen können. Diese unterstöchiometrische Vorverbrennung gibt mit kalter Luft eine Verbrennungstemperatur von ca. 1620 ° C; verwendet man nun heiße Luft von ca. 600 ° C, so erhöht sich die Verbrennungstemperatur in der Vorkammer auf 2000 0 also denselben Wert, wie er sich bei stöchiometrischer Verbrennung ergdbe und der fUr die Bauteile noch zulässig ist, Die Verbrennung der Abgase der unterstöchiometrischen Verbrennung, die noch 55 % des Heizwertes des Brennstoffs enthalten, mit restlicher Luft von 600 0 ^ ergibt eine Flammentemperatur von ca, 26500 C. Trotz dieser hohen Flammentemperatur werden die Mischteile des Brenners, seine Rückwände und auch die Wände der Vorkammer nicht höher belastet als bei einstufiger Verbrennung mit kalter Luft.
Beispiel 2 Würde, wie es die Erfindung gleichfalls vorschlägt, anstelle von heißer Luft kalter Sauerstoff verwendet, so könnte in der ersten Stufe das Öl z,B, mit 1l = 0,425 verbrennen, wobei im Abgas mit 85 Vol % CO + H2 eine Temperatur von etwa 2000 ° C entsteht. Die Temperaturen der Brennerteile entsprechen dabei etwa den Verhältnissen wie bei gewöhnlichen, einstufigen Hochleistungsbrennerns, Auch-bei dieser ersten Verbrennung, die in erster Linie der Aufbereitung flüssiger Brennstoffe dient, werden sehr hohe Verbrennungstemperaturen erreicht; in diesem Fall etwa 3500 ° C.
Diese Temperatur wUrde bei einstufiger Verbrennung Brennertei le und Brennkammer zerstören0 Auch die Figuren 1 und 2 sollen die vorliegende Erfindung noch näher erläutern.
In Figur 1 ist ein Brenner fur gasförmige Kohlenwasserstoffe im Längsse;hnitt schematisch dargestellt, Der bei 1 zugeführte gasförmige Kohlenwasserstoff, z,B. Butan, mischt sich mit dem bei 2 zugeführten Sauerstoffträger, dessen Sauerstoffgehalt, jedoch nur zur unvollständigen Verbrennung des Brennstoffes ausreicht, Gegenüber dem in reiner kalter Luft liegt der Sauerstoff in einer Form vor, die höhere Verbrennungstemperaturen ergibt, z,B, als erwärmte oder mit Sauerstoff mehr oder weniger angereicherte Luft, Gas- und Sauerstoffträger werden in einem Mischrohr 3 gründlich gemischt und in eine Verbrennungskammer 4 geführt. Die ZUndung erfolgt dort mittels Zündkerze 5. In der keramisch ausgekleideten Brennkammer 4 findet eine Vorverbrennung mit verhältnismäßig heißer Flamme statt, deren Abgase den noch unverbrannten Kohlenwasserstoff in Form von Kohlenoxyd und Wasserstoff bilden. In einer Einschnürung 6 wird die zur vollständigen Verbrennung des CO + H2 - Gemisches noch erforderliche Sauerstoffmenge durch Öffnungen 9 zugemischt, Diese erfindungsgemäß mit Sauerstoff oder Stickoxyden angereicherte oder stark erwärmte Verbrennungsluft tritt bei 7 in den Brenner ein und fließt durch einen Ringraum'8, der die Verbrennungskammer umgibt. Hierbei findet eine weitere Erwärmung des Sauerstoffträgers statt, ehe er sich bei 9 den heißen Verbrennungsgasen der Vorverbrennung zumischt. Die restliche Verbrennung erfolgt dann in der freien Brennerflamme oder in einem - nicht gezeichneten - nachgeschalteten Teil der Verbrennungskammer, die an die trichterförmige Erweiterung 10 hinter der Einschnürung anschließt. Die Hinterwand des Brenners, das Mischrohr und die Glühkerze werden bei der unterstöchiometrischen Vorverbrennung in Brennkammer 4 trotz Sauerstoffanreicherung oder Luftvorwärmung nicht stärker beansprucht, als bei stöchiometrischer Verbrennung des Brennstoffes mit kalter Luft, In Figur 2 ist gleichfalls im schematischen Längsschnitt ein Ölbrenner gezeigt, dem das Öl durch die Düse 11 zugeführt wird. Der Sauerstoffträger der unterstöchiometrischen Verbrennung, z,B, stark erwärmte Luft, tritt bei 12 in eine ringförmige Kammer ein und verläßt diese bei 13 durch einen Ringspalt, Infolge der hohen Geschwindigkeit in diesem Ringspalt wird im Mischrohr 20 ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, daß ein Teil der in der Brennkammer 4 gebildeten Abgase durch einen Ringraum 14 zur Öldüse 11 zurückströmt. Die heißen Abgase mischen sich zunächst mit dem verdUsten Brennstoff aus der Düse 11 und im weiteren Verlauf im Mischrohr 20 mit dem Sauerstoffträger und brennen hinter der Einmündung in die Brennkammer 4 mit großer Umsetzungsgeschwindigkeit, Würde man zur Steigerung der Flammentemperatur bei 12 die gesamte Luftmenge mit erhöhter Temperatur einführen, so wären die Stirnseite 21 und die Innenwandung der Verbrennungskammer 4 thermisch so stark belastet, daß sie zerstört wUrden. Trotz der Erwärmung der Luft oder der Sauerstoffanreicherung wird jedoch keine höhere Temperatur in der Verbrennungskammer 4 erreicht, weil nur ein Teil der zur vollständigen Verbrennung benötigten Sauerstoffmenge zugeführt wird, Der Rest an Sauerstoff zur Verbrennung der unvollständigen Verbrennungsprodukte, die aus der EinschnUrung 6 austreten, wird dem Brenner bei 17 zugeführt und den Abgasen durch Öffnungen 19 bzw. 19' beigemischt, Die vollständige Verbrennung findet dann im Anschluß an diese Sauerstoffzugabe in offener Flamme oder in einer Brennkammer statt, Hierbei werden sehr hohe Temperaturen erzielt, ohne daß die Wandung 15 der Brennkammer 4 bzw. die RUckwand 21 des Brenners höher belastet werden, als bei vollständiger Verbrennung mit kalter Luft.
Der Brenner dient in erster Linie zur Erzeugung sehr heißer Flammen, wie sie fUr viele Verwendungszwecke, z,B, beim Schmelzen von Metallen, gebraucht werden, Der Brenner ist aber auch geeignet, die Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsvorganges zu steigern, weil er eine weitgehende Lufterwärmung ermöglicht, die bei Hochleistungsbrennern mit flüssigen Brennstoffen bislang nicht möglich war. Der Brenner kann auch dazu verwendet werden, Stickoxyde, die ihm als Sauerstoffträger zugeführt werden, thermisch weitgehend abzubauen, - Patentansprüche -

Claims

PATENTANSPRÜCHE Einrichtung zur Erzeugung heißer Flammen durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß einem unterstöchiometrisch betriebenen Brenner an seinem Austritt der zur vollständigen Verbrennung benötigte Sauerstoff in einer Weise zugeführt wird, die höhere Verbrennungstemperaturen als der Sauerstoff der kalten Umgebungsluft ergibt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffzufuhr mittels O2 angereicherter Luft erfolgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß reiner Sauerstoff mindestens der zweiten Verbrennungsstufe zugeführt wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffzufuhr durch vorgewärmte Luft erfolgt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff wenigstens für die zweite Verbrennungsstufe in Form von Stickoxyden zugeführt wird.
6. Einrichtung noch einem der Anspruche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der restliche Sauerstoff am Ende der Brennkammer fUr die reduzierende Verbrennung zugegeben wird.

7, Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der restlichen Sauerstoffmenge an oder hinter einer Einschnürung der Brennkammer fur die reduzierende Verbrennung erfolgt.