DE2459974A1

DE2459974A1 - Gasbrenner und verfahren zum teilweisen verbrennen eines gasfoermigen brennstoffs mit dem gasbrenner

Info

Publication number: DE2459974A1
Application number: DE19742459974
Authority: DE
Inventors: Gernot Staudinger
Original assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-12-18
Publication date: 1975-07-03
Also published as: BE823491A; JPS5819934B2; CS198156B2; ES433040A1; AU7658374A; FR2255554B1; US3989444A; CA1022450A; NL171191C; NL7317443A; RO80850A; NL171191B; RO80850B; DE2459974C2; SE411586B; FR2255554A1; IT1030921B; SE7415954L; DD115529A5; JPS5095824A

Description

DIPL.-CHEM. DR. ELISABETH JUNG ⁸ S^^Bao

DIPL.-PHYS. DR. JÜRGEN SCHIRDEWAHN ■ telefon μ so e?-.

TELEGRAMM-ADRESSE: 1NVENT/MONCHEN PATENTANWÄLTE TuLEX 5-2aC3i> _o . £ _n

18. Dezember 1974

u.Z. : J 357 M (Ky/B/Kl.)
- RS PH/11 2

SHELL INTERNATIONALE RESEARCH IiAATSOHAPPIJ B. V-. Den Haag, Holland

Gasbrenner und Verfahren zum teilweisen Vorbrennen eines gasfür· migen Brennstoffs mit dem Gasbrenner

Priorität: 20. Dezember 1973/Holland
Anmelde-Nr.:

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner und ein Verfahren zum teilweisen Verbrennen eines gasförmigen Brennstoffs mit dem _; Gasbrenner sowie ein rußfreies, wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltiges Gasgemisch, das nach diesem Verfahren hergestellt ist.

Der Gasbrenner weist ein Brennerrohr, eine das Brennerrohr umgebende Lufticammer sowie eine- Verbrennungskammer auf, wobei die Luftkammer über eine ringförmige Brennkammeröffnung itv die Verbrennungskammer übergeht und das Brennerrohr eine zylindrische Trommel zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs zur Brennkammer durch die Brennkamnieröffnung aufweist und die Brennkamaier-öffnung eine konvergierende und eine divergierende Innenwand hat, die zu beiden Seiten einer außerhalb des Vorderendes des Zylinders des Brennerrohres angeordneten Verengung, liegen.

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Bei Gasbrennern dieser Art verläßt der gasförmige Brennstoff den Zylinder normalerweise durch einen darin vorgesehenen Schlitz, der radial, d.h. nach außen gerichtet ist. Der Zylinder ist meistens doppelwandig, so daß im Innern ein ZUndflammenbrenner wahlweise vorgesehen werden kann.

Ein Gasbrenner dieser Art kann z.B. zum teilweisen Yer- . brennen eines gasförmigen Sren/istoffs verwendet werden, bei dem das erhaltene Verbrennungsgas unter anderem Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Solche Gase können z.B. für die Methanoloder Ammoniaksynthsse verwendet-werden, sowie für die Reduktion von Schwefelverbindungen oder* zum Behandeln von Petroleumfraktionen.

Pur die obengenannten Verwendungszwecke ist der Brenner üblicherweise an einem Reaktionsgefäß vorgesehen, das mit feuerfesten Ziegeln ausgekleidet ist. Die Verbrennungsgase haben dabei eine gewisse Verweilzeit im Reaktionsgefäß, was zu einer volleren Umwandlung des Brennstoffs beiträgt und die Möglichkeit der Rußbildung verringert. Die Brennkammer des Gasbrenners steht direkt mit dem Reaktionsgefäß in Verbindung und dient dazu, die Verweilzeit des Gases und des Sauerstoffs zu verlängern. Das gute Vermischen dieser zwei zuletzt genannten Komponenten in der Brennkammer des Gasbrenners trägt nämlich zu einer Unterdrückung der Rußbildung bei und macht den Betrieb bei niedrigem Sauerstoff Brennstoff-Verhältnis möglich, so daß der Wasserstoff- und Kohlenmonoxidprozentsatz im Verbrennungsgas hoch und der Wasser- und Kohlendioxidprozentsatz darin niedrig ist.

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Es ist "bereits-vorgeschlagen worden, den Betrieb des Brenners dadurch zu verbessern, daß man Sauerstoff oder ein . sauerstoffhaltig^ Gas wie Luft tangential in die Luftkammer, einbläst, so daJ3 der Sauerstoff oder die Luft auf dein Weg zur Brennkamm eröffnung in einer schräubenlinienförniigen Bahn um den Zylinder des Brennerrohres heruaströmt. Die schraubenlinienförmige Bewegung setzt sich in der Brennkammer fort und trägt zu einem guten Vermischen des Sauerstoffs mit dem gasförmigen Brennstoff bei.

Durch kombinierte Verwendung der Brennkammer mit der oben beschriebenen Konstruktion des Brennerrohres wird sowohl der oben beschriebene schraubenlinienförmige Wirbel in der Brennkammer als auch eine schleifenförmig^ Rezirkulation der Reaktionsgase und ihrer Verbrennungsprodukte von der Flamme zur Brennkämmeröffnung erzielt, wodurch die Verweilzeit verlängert und infolgedessen die Rußbildung unterdrückt wirdf Es ist besonders die Gestaltung der Brennkammeröffnung und die Anordnung des Zylinders des Brennerrohres im Verhältnis zur Verengung der Brennkammeröffnung, die zur Erscheinung diener schleifenförmigen Rezirkulation beiträgt. Infolge der Gestalt der Brennkammeröffnung fließen Luft oder Sauerstoff und der gasförmige Brennstoff in fächerförmigem Strömungsmuster in die Brennkammer.'

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der die Möglichkeit der Rußbildung beim teilweisen Verbrennen eines gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in einem

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Gasbrenner der obengenannten Art weiter verringerbar ist und der Brenner bei einem niedrigen Sauerstoff Brennstoff-Verhältnis und/ oder einer geringen Beschickung ohne jede Rußbildung betrieben ■werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist also ein Gasbrenner mit einem Brennerrohr, einer das Brennerrohr umgebenden Luftkammer und e^ner Brennkammer, wobei die L'uftkammer über eine ringförmige Öffnung in die Brennkammer übergeht und das Brennerrohr einen zylindrischen Mantel i/u-r Zufuhr eines gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zur Brennkammer durch die Brennkammeröffnung hat und die ringförmige Brennkammeröffnung eine konvergierende und eine divergierende Innenwand zu beiden Seiten einer Verengung aufweist, die außerhalb des Vorderendes des Zylinders des.Brennerrohres angeordnet ist, wobei radiale Ausströmdüsen unterschiedlichen Durchmessers im Gasbrenner in der Hähe der Brennkammeröffnung in der Seitenwand des Brennerrohres in der Uähe des geschlossenen vorderen Endes des Zylinders vorgesehen sind, die zur dosierten Abgabe des gasförmigen Brennstoffs in den durch die Brennkammeröffnung fließenden Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas dienen und regelmäßig oder im wesentlichen regelmäßig nach Größe um den Zylinder herum verteilt sind.

Unter regelmäßiger Verteilung nach Größe ist hier zu verstehen, daß zwei oder mehr Düsen mit dem gleichen Durchmesser

bzw. mit jeweils gleichen Abständen zueinander regelmäßig/im Brennerrohr vorgesehen sind. Bei dieser Verteilung sind*Abweichungen bis zu maximal ca. 10 % der theoretisch er-

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zielbaren geometrischen Regelmäßigkeit erlaubt.

Es hat sich gezeigt, daß die Anordnung radialer Ausströmdüse η mit unterschiedlichem Durchmesser zu einem sehr innigen. Vermischen der Luft bzw. des Sauerstoffs.mit dem gasförmigen Brennstoff insbesondere infolge der diskontinuierlichen Art der Einführung der betroffenen Gase in Richtung längs des Umfanges des Zylinders des Brennerrohrs gesehen führt. Durch diese Anordnung wird verhindert, daß der zentral zugeführte gasförmige Brennstoff von dem ihn umgebenden Luft- oder .Sauercto.Tfstrom von dor Wand der Brennkammeröffnung weggedrängt wird und als getrennter, unvermischter Strom in die Brennkammer einfließt.

Eine ausgezeichnete Mischung von Luft oder Sauerstoff und gasförmigem Brennstoff wird erzielt, wenn alle Ausströmdüsen in einer einzigen Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur Achse des Brennerrohres liegt.

Die Lage der Ausströmdüsen im Zylinder des Brennerrohres im Verhältnis zur Verengung der ringförmigen Brennkarameröffnung ist für die Erzielung eines funktioneilen Strömungsmusters von großer Wichtigkeit. Die richtige Lage dieser Ausströmdüsen trägt infolgedessen zum guten Mischen von Luft oder Sauerstoff mit dem gasförmigen Brennstoff bei.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zu diesem Zweck das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Verengung und dem Abstand zwischen der sich durch die Ausström-

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düsen erstreckenden Ebene und der sich durch die Verengung erstreckenden Ebene zwischen 1,5 und 1,7·

Ferner ist es wichtig, daß das Vorderende des Zylinders des Brennerrohres die Strömung nicht zu stark behindert,, d.h. daß der Abstand zwischen der Ebene durch die Ausströmdüsen und der Ebene durch das Vorderende des Zylinders des Brennerrohres klein gehalten werden sollte.

Gemäß der Erfindung ist infolgedessen vorzugsweise gewährleistet, daß das Verhältnis zwischen dem Abstand der Ebene durch das Vorderende des Zylinders von der Ebene durch die Ausströmdüsen und dem Durchmesser der Verengung zwischen 0,097 und 0,117 liegt.

Ferner ist vorzugsweise gewährleistet, daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Zylinders und dem Durchmesser der Verengung zwischen 0,60 und 0,67 liegt. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Ausströmdüsen und dem Durchmesser der Verengung liegt vorzugsweise zwischen 0,030 und 0,060.

Bei einem einfachen aber leistungsfähigen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei Gruppen von Ausströmdüsen vorgesehen, die jeweils einen anderen Düsendurchmesser haben. Es ist z.B. möglich, diese Ausströmdüsen abwechselnd und regelmäßig um den. Umfang des Zylinders des Brennerrohres herum zu verteilen.

Vorzugsweise ist eine Gruppe von mindestens sechs Aus-

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ströindUsen mit kleinerem Durchmesser und eine Gruppe, von mindestens sechs Ausströmdüsen mit größerem Durchmesser vorgesehen. Obgleich die Wirkung der Anordnung gemäß der Erfindung bereits bei einer kleineren Gesamtanzahl an Ausströmdüsen bemerkbar ist, zeigt sich diese Wirkung im allgemeinen am besten wenn zwölf oder mehr Ausströmdüsen insgesamt vorgesehen sind.

Bei Anwendung von zwei Gruppen von Ausströmdüsen ist vorzugsweise gewährleistet, daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der größeren Ausströmdüsen und dein Durchmesser der Verengung zwischen 0,045 und.0,050 und das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der kleineren Ausströmdüsen und dem Durchmesser der Verengung zwischen 0,034 und 0,040 liegt.

Die Verhältnisse hinsichtlich des Düsendurchmessers und des Durchmessers der Verengung hängen in starkem Ausmaß vom Druck ab,, unter dem die Luft oder der Sauerstoff und der gasförmige Brennstoff zur Verfügung stehen sowie von den Geschwindigkeiten der Luft oder des Sauerstoffs und des gasförmigen Brennstoffs, die für ein gutes Mischen im Brenner nötig sind.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines rußfreien, wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Gasgemisches durch teilweises Verbrennen eines gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltlgen Gas mit Hilfe des oben beschriebenen Gasbrenners.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der.Gasbrenner • . 509827/0638

so "betrieben, daß das Verhältnis zwischen der Gasgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs in den Ausströmdüsen und der Geschwindigkeit des Sauerstoffs oder sauerstoffhaltigen Gases in der Verengung zwischen 3,5 C und 4,0 C liegt, wobei π -V /Dichte flee Sauerstoffs .oder sauerstoffhaltigen GaSSa₁ >

V \ "iVt ο Vi'!- rj r) α ei σιο·Ρη·ρηΐ cran S-fcnnc + nff'a ' '

wobei die Dichten in Beziehung stehen.zu den Bedingungen in demjenigen Teil des Gasbrenners vor der Brennkammer.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen!

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen Gasbrenner gemäß der Erfindung;

Pig. 2 ein Diagramm der Verteilung der Gaskonzentration in einem Gasbrenner längs einer Hittellinie durch die Verengung der Brennkammeröffnung , bei dem der Brenner einen Zylinder mit ringförmigem Schlitz hat;

Fig. 3 ein Diagramm der Verteilung der Gaskonzentration in einem Gasbrenner längs einer Mittellinie durch die Verengung der Srennkammeröffnung, bei dem der Gasbrenner fünfzehn Düsen mit einem Durchmesser von 3 mm hat;

Fig. 4 ein ähnliches Diagramm, bei dem der Gasbrenner sechs Düsen mit einem Durchmesser von 5 mm hat;

Fig. 5 ein ähnliches Diagramm, bei dem der Gasbrenner sechs Düsen mit einem Durchmesser von 5 mm und zwölf Düsen mit einem Durchmesser von 3 mm hat;

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BAD ORIGINAL

Pig. 6 ein ähnliches Diagramm, bei dem der Gasbrenner sechs Düsen mit einem Durchmesser von 5 ram und sechs Düsen mit einem Durchmesser von 3 nun hat;

Pig. 7 ein ähnliches Diagramm, bei dem der Gasbrenner sechs Düsen mit einem Durchmesser von 4,5 mm und sechs Düsen mit einem Durchmesser von 3 mm hat;

Pig. 8 ein ähnliches Diagramm, bei dem der Gasbrenner sechs Düsen mit einen Durchmesser von 4,5 am und sechs Düsen mit einem Durchmesser von 3,5 nun.hat; -

Pig. 9 ein Schema der Verteilung der Gaskonzentration für den Gasbrenner gemäß Pig. 8 in einem Abstand von 2 mm von der Innenwand der ringförmigen Brennkammerb'ffnung längs des Umfanges der Verengung;

Pig. 10 ein Schema der Verteilung der Gaskonzentration ähnlich wie .Pig. 3 für einen Gasbrenner mit vier Düsen mit eineai Durchmesser von 3sm und acht Düsen mit einem Durchmesser von 4 mm; ■

Pig. 11 ein Schema ähnlich Pig. 9 zur Darstellung der Verteilung der Gaskonzentration längs des Umfanges der Verengung bei einem Gasbrenner gemäß Pig. 10;

Pig. 12 ein-Diagramm der Rußbildung gegenüber dem Prozentsatz der Stöchiometrie bei einem Gasbrenner gemäß der Erfindung unter Verwendung von Erdgas oder Propan als gasförmigem Brennstoff bei 100 fa Beschickung.·.

Wie aus Pig. 1 hervorgeht, weist der Gasbrenner ein Brennerrohr 1 auf, das über einen Einlaß 22 mit einem nicht gezeigten Verdichter zur Zufuhr eines unter Druck stehenden gas-

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förmigen Brennstoffs verbunden ist. Das Brennerrohr 1 hat einen

in hohlen, doppelwandigen Mantel bzw. Zylinder 2, in dem Düsen 3/der Außenwand 4 in der ll'dhe des geschlossenen Vorderendes vorgesehen sind. Der gasförmige Brennstoff wird zwischen die Außenwand 4 und die Innenwand 5 des Zylinders eingeführt.

Der Gasbrenner umfaßt ferner eine Luftkammer 6 mit klingen- bzw. blattartigen Öffnungen 7, durch die die Luft tangential eingeführt wird. Luft strömt mit Hilfe eines nicht gezeigten Drucklufterzeugers in Richtung des Pfeiles 8 in die Luftkainmer 6. Innerhalb der Luftkammer strömt die Luft in schraubenlinienförmiger Bewegung mit einer axial vorwärts gerichteten Komponente um den Zylinder 2 des Brennerrohres.

Die Luftkammer 6 öffnet sich in eine Brennkammer 10, d.h. sie geht in diese über durch eine Brennkammernffnung 9. Die Brennkammer öffnung 9 bestellt aus einer konvergierenden Wand 11, einer divergierenden Wand 12 und einer zwischen diesen gebildeten Verengung 13. Die Brennkammeröffnung und die Brennkammer sind mit feuerfestem Material 14 ausgekleidet. Der Gasbrenner ist über seine Brennkammer mit einer hier nicht gezeigten Reaktionskammer verbunden.

Der in Pig. 1 gezeigte Gasbrenner arbeitet wie folgtü Gasförmiger Brennstoff wird durch den Einlaß 22 zwischen die Wände 4 und 5 des Brennrohres gepumpt. Der gasförmige Brennstoff verläßt das Brennerrohr 1 durch die Düsen 3 in Form einer Anzahl getrennter Gasstrome, deren Weg schematise!! angedeutet ist.

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BAD ORIGINAL

Die Gasströme treffen, auf einen in Richtung der Pfeile aus der Luftkaianier β durch, die Brennkammeröffnung 9 zur Brennkammer 1 O fließenden Luftstrom und "werden mit diesem vermischt. Hie Geschwindigkeit der Gasströme ist so gewählt, daß sie den Luftstrom durchdringen und in ausreichend starkem Maß mit ihm vermischt werden. Die Gasgeschwindigkeit ist mit Hilfe des Druckabfalls über das Brennerrohr hinweg variierbar. Es ist auchwichtig, daß das Gas über eine ziemlich große Anzahl Gasströme verteilt wird, um in Umfangsrichtung gesehen eine möglichst gleichmäßige Verteilung des zu mischenden Gase ¹^ ta\ erreichen. Dies hängt auch von der.Wahl der Anzahl Düsen im Zylinder des Brennerrohres ab.

Die Wirkung der Düsen wird unten anhand der Ergebnisse einer Reihe von Versuchen klar, die zur optimalen Gestaltung eines Gasbrenners unternommen¹ wurden.

Zur katalytischen Reduktion von Schwefeldioxid, zu der ein rußfreies, 00- und Hg-haltiges Reduktionsgas durch teilweise Verbrennung von Erdgas in einem Gasbrenner gemäß der Erfindung erzeugt werden.muß, sind Messungen anhand eines Luftmodells des in Pig. 1 gezeigten Brenners vorgenommen worden.

Der Zweck dieser Messungen besteht darin, zu untersuchen, welche Brennergestalt das beste Mischen von Gas und Verbrennungsluft ergibt, denn es wird vermutet, daß bei gutem Mischen die Rußbildung unterdrückt wird.

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BAD ORIGINAL

Ein Brenner der in Fig. 1 gezeigten irt, der jedoch als Ausströmöffnung für den gasförmigen Brennstoff im Zylinder des Brennerrohres einen ringförmigen Schlitz hat, ist für die teilweise Verbrennung nicht geeignet, wenn ein im wesentlichen rußfreies Verbrennungsgas erzielt werden soll. Bei diesem Brenner i-iit Schlitzöffnung ist das Mischen des Gases mit der Verbrennungsluft außerordentlich schlecht, was zu einer stabilen, rauchigen Flamme führt. Die Flamme hat verschiedene Gas:Luft-Verhältnisse, und zwar sowohl ein stöchiornetrlsches Verhältnis mit stabilisierender Wirkung als auch ein stark unters töchioniRtrisches Verhältnis mit rußbildender Wirkung.

Die Rußbildung beim teilweisen Verbrennen kann durch inniges Mischen von Gas und Luft unterbunden werden. Dann ist stets das gleiche Verhältnis zwischen Gas und Luft vorhanden, und solange dies durchschnittliche Verhältnis nicht bis unter die Rußgrenze abfällt, wobei es sich z.B. um ca. 64 % der Menge des stöchiometrisch für Propan benötigten Sauerstoffs handeln kann, wird kein Ruß gebildet. Diese unterstöchiometrische Flamme ist jedoch sehr unstabil und verlöscht leicht.

Das Verlöschen der Flamme kann verhindert werden, wenn man gewährleistet, daß das Zentrum der Flamme eine niedrigere Gaskonzentration hat. Das gewünschte Gaskonzentrationsprofil, welches über die Verengung der Brennkammeröffnung des Gasbrenners hinweg gemessen wird, ist eine gerade Linie mit geringfügigem .Abfall in. der Mitte. Die genannte Verengung ist die Stelle, an der die

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BAD ORiOiNAL

Verbrennung üblicherweise beginnt.

Bei dem Luftmodell dc-s Gasbrenners ist en mü glich," är.s -Mischen des Gases and der Verbrennungsluft zu simulieren und das Gas konzentrat ionsprofil zu bestimmen. Mit diesem Kodell sind Versuche unternommen worden; um die bestmögliche Gestalt und Lage bzw. Position der Ausströmdüsen des Brennerrohres so zu bestimmen, daß das ideale Gaskonzentrationsprofil so nahe Trie möglich erreicht wird. Bei den Versuche-η wurde .die Anzahl und der Durch-, messer.der Düsen ebenso wie das Zurücksetzen, d.h. der Abstand zwischen dem Vorderendo des Zylinders des■Brennerrohres und der durch die Verengung der ringförmigen -Brenalcarameröffnung verlaufenden Ebene variiert.

Beispiel 1

Bei dem Test mit dem Luftaodell wurde ein Gasbrenner der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet, bei dem der Vorderteil des Zylinders des Brennerrohres, der die Ausstründüsen enthielt, lösbar aufgeschraubt war und bei jedem Versuch durch ein angepaßtes Vorderteil nit unterschiedlichen Ausstrcndüsen ersetzt wurde.

Bei. all diesen Versuchen hatte das Brennerrohr einen Durchmesser von 60 inm, und der Durchmesser" der Verengung in der ringförmigen Ringkammeröffnung betrug inm;er 9^h- mm. Durch die Luftkammer 6 wurden mit Hilfe eines Kompressors 930 m /h Verbrennungsluft zugeführt. Der gasförmige "Brennstoff" wurde von Druckluft (80 m /h) simuliert, der 3,3 % Helium zugefügt worden

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BAD ORIGINAL

waren. Dieses Brennstoffgemisch wurde dem Brennerrohr 1 durch den 3InIaS 22 zugeführt. Wachfolgend steht der Ausdruck "Gas" immer für das Keliura-Luft-Gemisch, das aus dem Brennerrohr austritt. Bei den Versuchen wurde angenommen, daß das Strömungsmuster im Brenner bis zur Verengung in der Brennkammeröffnung durch die verbrennenden oder nicht verbrennenden ausströmenden Gase nicht beeinträchtigt wird.

Die Heliumkonzentration, die an einer Stelle in der Verengung der Breniikamnerö'finur.g gemessen wurde, ist infolgedessen ein Maß für das Mischen.von Gas und Verbrennungsluft. Diese Konzentration wurde mit einem Katharometer gemessen, mit dem die Leitfähigkeit des Gases bestimmt wurde. Dieser Wert ändert sich 3e nach der KeliuEkonzentration. Das Gas, dessen Heliumkonzentration zu bestimmen war, wurde durch eine Sonde und eine Saugleitung mit Hilfe einer Membranpumpe abgezogen. Die Gasgeschwindigkeit wurde jedes Mal mit einem zylindrischen Pitotrohr beistimmt. ' . "

Alle Konzentrationsmessungen wurden über die Verengung längs einer Linie durch die Mitte des Brenners vorgenommen. Mit Ausnahme des sechsten wurden alle Versuche mit einer durchschnittlichen "Gaskonzentration" von (80/(930 +■ 80)) χ 1 00 f_a = 7,9 % vorgenommen.

1 . Versuch
Das Gaskonzentrationsprofil des herkömmlichen Gasbrenners

mit einem ringförmigen Schlitz im Zylinder des Brennerrohres

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BAD ORIGINAL

wurde zuerst "bestimmt. Die Weite des Schlitzes betrug 2 iam und die Rücksetzung R (Abstand zwischen dem Yorderende des Zylinders und der Ebene durch die Verengung) betrug 30 mm bzw. 50 mn. Die Geschwindigkeit V des "Gases" betrug 59 m/s. Hie Ergebnisse der Gaskonzentrationsmessungen sind in der in Fig. 2 gezeigten Kurve eingetragen. In dieser graphischen Darstellung und den folgenden ist die G-askonzentration in "%" über dem Abstand vom Me'%unlr.t · bis zu einem festen Punkt der,Verengung der Brennkammeroffnung eingetragen. Die durchschnittliche Gaskonzentration von 7?9 %_t die auf einer geraden Linie bei inniger Mischung erzielt worden wäre, ist gleichfalls in diese Kurve und die folgenden eingetragen.

Die Kurve gemäß Pig. 2 zeigt, daß bei einem herkömmlichen Brenner das Mischen des Gases mit der Verbrennungsluft außerordentlich schlecht ist. In der Nähe des Randes der Verengung ist überhaupt kein Gas vorhanden, während das dae Stelle ist, an der die größte Menge Luft vorbeiströmt.

2. Versuch

Beim zweiten Versuch wurde ein Brennerrohr mit 15 getrennten Düsen mit einem Durchmesser von 3 mm und in einem Abstand von 10 mm vom vorderen Ende verwendet. Das Brennerrohr war im Gasbrenner mit einer Rücksetzung R von 20, 30, 40, 50, 60 bzw. 70 mm angeordnet. Die Geschwindigkeit V des Gases betrug in allen Fällen 210 m/s. Die Ergebnisse sind in der Kurve in Fig. 3 dargestellt.

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ÖAD ORfGlNAL

Die Verbesserung im Vergleich zu dem Schlitzbrenner, mit dem die Ergebnisse gemäß Pig. 2 erzielt wurden, ist offenkundig. Und doch dringen die Gasströrae nicht weit genug in die längs der Brennkammeröffnung strömende Luft ein, so daß die Gaskonzentration im Bereich in der Nähe der Innenwand der Brennkammeröffnung zu gering bleibt. Gemäß der Erfindung ist eine Lösung für dieses Problem in einem größeren Durchmesser der Düsen zu sehen. Pig. 3 zeigt auch die Auswirkung der Rücksetzung Rj aber das ist nicht wesentlich.

3. Versuch

Zusätzlich zu den obigen wurde ein dritter Versuch unter Verwendung eines Brennerrohres mit sechs Düsen mit einem Durchmesser von 5 mm vorgenommen. Die Rücksetzung R des Zylinders betrug 40, 50 bzw. 60 mm. Die Geschwindigkeit V des Gases war 189 m/s.

Die Meßergebnisse der Gaskonzentration sind in der Kurve gemäß Fig. 4 dargestellt und zeigen, daß die Gasströme zu weit in den die Brennkammeröffnung durchströmenden Luftstrom eindringen. Das läßt sich dadurch beheben, daß man die Gasgeschwindigkeit reduziert, wie sich aus dem nächsten Versuch ergibt.

4. - Versuch

Bei diesem, dem vierten Versuch wurde eine zusätzliche Anzahl von 3 mm weiten Düsen in den Zylinder gebohrt, so daß bei

■7

einer Menge von 80 m /h Gas die Gasgeschwindigkeit aus den Düsen etwa 100 m/s betrug. Dieser vierte Versuch bezieht sich also .

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auf einen Zylinder mit sechs Düsen deren Durchmesser 5 Bim und zwölf Düsen deren Durchmesser 3 mm beträgt. Die Rücksetzung R ■war 30, 40 bzw. 50 mm, die Gasgeschwindigkeit 110 ia/s.

Die in der Brennkamineröffnung gemessenen Gaskonzentrationen sind in der Kurve gemäß Fig. 5 eingetragen. Diese Kurve zeigt, daß die Veränderung der Rücksetzung R die Mischung beeinträchtigt. Um die Spitzen in der Gaskonze-ntration bei einer Entfernung von 15 mm von der Mitte und auch die unregelmäßige Verteilung längs des Umfanges zu redur^ormi, wurde die Anzahl der 3 mm weiten Düsen verringert. .

5. Versuch

Der gleiche Versuch wurde nun mit einem Zylinder vorgenommen, der sechs Düsen mit einem Durchmesser von 5 ram und sechs Düsen mit einem Durchmesser von 3 mm hatte. Die Rücksetzung R war 30, 40 bzw. 50 mm und die Gasgeschwindigkeit 139 m/s. Die gemessenen Gaskonzentrationen sind 'in die Kurve gemäß Pig. β eingetragen, aus der hervorgeht, daß die Spitzen bei 15 mm Ent-' fernung von der Mitte tatsächlich verschwunden sind. Ferner ist die Wirkung, die das Indern der Rücksetzung R hat, vermindert worden.

Als Ergebnis der erhöhten Gasgeschwindigkeit dringen die aus den Düsen mit einem Durchmesser von 5 mm austretenden Gasströme zu weit ein, so daß sich in der Nähe der Wand der Brennkammeröffnung eine zu hohe Gaskonzentration entwickelt.

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6. Versuch

Beim sechsten Versuch wurden deshalb die sechs Düsen mit einem Durchmesser von 5 ram durch sechs Düsen mit einem Durchmesser von 4,5 mm ersetzt, so daß der Gasbrenner zwei Gruppen von sechs Düsen mit unterschiedlichem Durchmesser hatte. Ein Versuch wurde mit einer Gasgeschwindigkeit V von 139 m/s bei einer Rück-: Setzung R von 50 mm und von 40^mm durchgeführt. Außerdem wurde bei. einer Rücksetzung R = 50 mm ein Versuch bei einer Gasgeschwindigkeit V = 161 m/s und bei R =. 40 mm ein Versuch mit einer Gasgeschwindigkeit V= 121 m/s vorgenommen. Bei den obengenannten drei Fällen betrug die durchschnittliche (errechnete) Gaskonzentration bei V= 161 m/s.7,9 %> bei V= 139 m/s.6,8 % und bei V = 121 m/s. 6,1 f_a. ' '

Die gemessenen Gaskonzentrationen sind in die Kurve gemäß Pig. 7 eingetragen. Auch hier wurde ein Maximum in der Nähe der Wand der Brennkammeröffnung gemessen, während eine minimale Gaskonzentration sich 35 mm von der Mitte entfernt entwickelt hatte.

7. Versuch

Beim siebten Versuch waren die 3 mm weiten Dosen des Brenners aus dem vorherigen Versuch auf 3, 5 mm erweitert worden, da man davon ausging, daß die inneren Strahlen dann weiter eindringen und das obengenannte Minimum erhöhen würden. Wegen der verringerten ,Geschwindigkeit nimmt das Maximum an den Rändern ab. Der siebte Versuch wurde also mit einem Zylinder eines Gasbrenners mit 6 Düsen vorgenommen, die einen Durchmesser von 4,5 mm hatten, und

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6 Düsen, die einen Durchmesser von 3,5 mm hatten. Die Rücksetzung R betrug 50 mm und die Gasgeschwindigkeit V 145 m/s.

Die Gaskonzentration wurde unter diesen Bedingungen zwei Mal· gemessen, wobei die Stellung des Zylinders bei beiden Messungen dadurch verschieden wa"r, daß der Zylinder zwischen den Messungen in einem Winkel von 30° um seine Achse gedreht worden war.

Die in der Kurve gemäß Fig. 8 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß man das Konzentrationsprofil für diese Brennergestalt als vernünftig bezeichnen kann. Bei beiden Kurven ist rjedoch die Verteilung der Gaskonzentration in Richtung des Unifanges der Brennkammeröffnung gesehen nicht gleichmäßig. Um eine bessere Vorstellung von dieser Verteilung längs des Umfanges zu erhalten, wurden Messungen der Gaskonzentration in einem Abstand von 2 min von der Innenwand der Brennkammeröffnung vorgenommen, wobei der Zylinder des Brennerrohres jedesmal um 1 0° gedreht wurde.

Aus den Ergebnissen dieser Messungen, die in der Kurve gemäß Fig. 9 gezeigt sind, geht hervor, daß die Anzahl Strahlen, die die Randzonen mit Gas versorgen müssen, welches aus den 6 Düsen mit einem Durchmesser von 4,5 mm austritt, zu klein ist.

"■·""■ · 8. Versuch ^: '

. Um diesen Nachteil auszuschalten', = wurde beim nächsten Versuch die, Anzahl·großer Düsen-im Zylinder des Brennerrohres erhöht. Dieser achte Versuch wurde;, also mit einem Zylinder vör-genömmen,

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der 4 Düsen mit einen Durchmesser von 3 mm und 8 Düsen mit einem Durchmesser von 4 mm hatte. Die Sücksetzung R -war. in allen Fällen 50 mm und die Gasgeschwindigkeit 7 174 m/s. Die ersten zwei Ke5-serien, die in Pig. 10 eingearbeitet sind, bezogen sich auf zwei Stellungen des Zylinders des Brennerrohres mit. einer Drehung um ; 40° im Verhältnis zueinander. Die dritte Meßserie sah Messungen der Gaskonzentration in einem .Abstand von 2 mm von der »fand der Brennkammeröffnung vor, wobei 4er Zylinder jedesmal um einen Winkel von 10° um seine Achse gedreht wurde. Die Ergebnisse dieser: Messungen sind in Fig. 11 eingearbeitet. . ;

Fig. 10 zeigt, daß die' Verteilung der Gaskonzentration bei . dieser Brennergestalt vernünftig ist. Fig. 11 beweist darüber hinaus, daß die Verteilung der Gaskonzentration im Umfang im Vergleich zu Fig. 9 verbessert ist, da die Spitzen weniger hoch sind und die allgemeine Gaskonzentration im Verhältnis zur durchschnittlichen Konzentration günstiger ist.

Beispiel 2

Ein Gasbrenner der in- Fig. 1 gezeigten Art mit einem ^: Brennerrohr, dessen Durchmesser 60 mm betrug und der zwei Gruppen von 13 Düsen mit unterschiedlichen Durchmesser hatte, wurde zur ; teilweisen Verbrennung von Erdgas mit Luft verwendet. Die Düsen der einen Gruppe hatten einen Durchmesser von 4,5 mm, während die Düsen der anderen Gruppe einen Durchmesser von 3,5 mm hatten. Die Düsen lagen in einem Abstand von 10' mm vom geschlossenen Vorderende des Zylinders. Die Kücksetzung R des Zylinders des Brenner- _; rohres betrug 50 mm und der Durchmesser der Verengung in der

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ringförmigen Brennkainmeröffnung 94 mm.

Der Gasbrenner hatte folgende Charakteristiken: Durchmesser__der.Jfexeji£un& _ _nh __ ^

ibs-tand zwischen Ebene durch Düsen und 60 Ebene durch Verengung

Abstand der Düsen vom Zylindervorderende = JJ) = 0,1 06

94 Durchmesser der Verengung

Zylinderdurchmesser · =60 ~ 0 64

Verengungsdurchmesser S¹'

groß = 4,Jj. = 0,o48

Düs endurchmes s er ' 94

Verengungsdurchmesser klein = 3 5 = 0,037

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Bei diesem Brenner wurde Erdgas zu einem Gemisch verbrannt, das _: Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser alsVsrbrennungsprodukte ■ aufwies. Es wurden verschiedene Erdgas:Luft-Verhältnisse dadurch angewandt, daß entweder die Erdgasströraung und/oder die Luftströmung variiert wurde. Die angewandte Luftströmung wurde als '■■ Prozentsatz des stöchiometrischen Verhältnisses ausgedrückt, wobei 100 % die zum völligen Verbrennen des Erdgases benötigte Luftmenge ausmachte. Der Brenner wurde mit verschiedenen Reduzierungs-·

gen bzw. Beverhältnissen bzw.verschiedener Reduzierbarkait oder Beaufschlagun-, Schickungen betrieben. Bei 100 ^iger Beaufschlagung wurden 100 kg/n ,Erdgas verbrannt. Im nassen Verbrennungsgas wurde die Menge 'des erzeugten Rußes für die verschiedenen angewandten Heduzierungs- und stöchiometrischen Verhältnisse bestimmt.

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Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. In Fig. 12 ist der Rußgehalt für eine 100 ^ige Beschickung graphisch dargestellt. Aus den Ergebnissen geht hervor, daß der Gasbrenner gemäß der Erfindung ausgezeichnete Leistung bei" hohen Reduzierungsverhältnissen und niedrigen stöchiometrischen Prozentsätzen zeigt, wobei jenseits der festgestellten
Rußbildungsgrenzen kein Ruß gebildet wird (gestrichelte Linie;
Rußkonzentration auf der vertikalen Achse).

Beispiel 3 ·

Beim Gasbrenner gemäß Beispiel 2 wurde das Brennerrohr
durch ein Rohr mit einem Zylinderdurchmesser von 60 mm ersetzt, in dem 8 Düsen mit 4,5 mm Durchmesser und 8 Düsen rält 3,5 mm
Durchmesser vorgesehen waren. Der Abstand der Düsen vom geschlossenen Vorderende des Zylinders betrug 10 mm und die Rücksetzung R 50 mm. Dieser Gasbrenner wurde zum teilweisen Verbrennen von Propan mit Luft eingesetzt. Bei einer Beschickung von 100 % wurde 1 00 kg/h Brennstoff verbrannt. Der Rußgehalt des Verbrennungsgases wurde für verschiedene Prozentsätze des stöchiometrischen Verhältnisses bestimmt. Die Ergebnisse sind in der
nachfolgenden Tabelle angegeben und in Fig. 12 graphisch dargestellt (durchgehende Linie; Rußkonzentration auf der vertikalen Achse).

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Brennstoff	Beschickung %	*	-	70	Stöchiometrie %	Ruß mg/lfe³
Erdgas	100			64,5	0
				63,0	0
■		50	61 ,0	• '■ -2 ^: ■■■■■
			59,0 •	' . 5 ■ ■
	30	•■58,0	5
		57,4	10,5
	20	57,0	19 -
	100 -	52,5	90
		67,0	O
		62,0 ■	3
		57,5	13,5
	60,0	2,5
	53,5	110
	61,0	3,5
	57,5	44
	59,0 _:	30
Propan	■ 60,5	0
	65,0	O
	60,0	40 ■
	56,0	111

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Bel den Beispielen 2 und 3 wurde der Rußgehalt im Verbrennungsgas nach folgender Methode' bestimmt. '

Das "Verbrennungsgas wurde am Auslaß'"der Beäktionskammsr des Gasbrenners über ein ungekühltes' Quarzröhr abgesaugt, lach dem Durchlaufen eines Kühlers wurde das Gas in eine Mit Quarzwolle gefüllte Filterkammer eingeführt, wo der Ruß, soweit vorhanden, niedergeschlagen wurde. Nach dem Trocknen wurde das' Verbrennungsgas durch eine Vakuumpumpe, einen Gasmesser und einen

Rotalurchflußmesser geleitet. Vor dem Einsetzen eines sauberen Quarzwollefilters erfolgte ein Trocknen und Wiegen zusammen mit dem Kühler. Nach dem Versuch wurden Filter und Kühler bei 90° 0 im Vakuum getrocknet und erneut zusammen gewogen.

Es sei noch einmal erwähnt, daß die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen .eines rußfreien, wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltige-)! Gasgemisches durch teilweises Verbrennen eines gasförmigen, kohlenstoffhaltigen'Brennstoffs mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas mit Hilfe eines Gasbrenners der hier gegebenen Beschreibung, sowie ein rußfreies, wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltiges Gasgemisch betrifft, das nach diesem Verfahren hergestellt wird.·

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Claims

Ansprüche

1 .-/ Gasbrenner, dadurch g g k e η η- ζ e i c Ii η e t , daß er ein Brennerrohr ■ (1 ), eine das Brennerrohr umgc-bende Luftkarnmcr (6) und eine Brennkammer (10) aufweist, daß die Luftkarr.mer sich über eine ringförmige Brennkammeröffnung (9) ic die Brennkammer öffnet, daß das Brennerrohr (1) einen Zylindermantel (2) zur Zufuhr, eines gasförmigen Brennstoffs* in die Brennkammer durch die Brennkamineröffnung hat_;und daß die ringförmige Brennkammeröffnung eine konvergierende (11) und eine divergierende (12) Innenwand hat, die zu beiden Seiten einer Verengung (13) angeordnet sind, ■welche außerhalb des 'Vorderendes des Zylinders (2) des Brennerrohres (1) liegt, daß radiale Ausströmungsdüsen (3) von unterschiedlichem Durchmesser in der liähe der Brennkarnmeröffnung in der Seitenwand (4) des Brennerrohres in der Nähe des geschlossenen Vorderendes des Zylinders vorgesehen sind, die zur dosierten Abgäbe des gasförmigen Brennstoffs in den durch die Brennkammeröffnung strömenden Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas dienen und regelmäßig oder im wesentlichen regelmäßig nach Größe um den Zylinder herum verteilt sind.

2, Gasbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß alle Ausströmdiisen (3) in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Achse des Brenners verläuft,

3* Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser

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der Verengung (13) und dom Abstand der Ebene durch die Ausströmdüsen von der Ebene durch die Verengung zwischen 1,5 und 1,7 beträgt. ·

4. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältais zwischen dem Abstand der Ebene durch das Vorderende des Zylinders von der Ebene durch die Ausströmdüseη und dem"Durchmesser der Verengung zwischen 0,097 und 0,117 beträgt.

5. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Zylinders und dem Durchmesser der Verengung zwischen 0,60 und 0,67 beträgt.

6. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Ausströmdüse!! und dem Durehmesser der Verengung zwischen 0,030 und 0,060 beträgt.

7. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Gruppen von Auströmdüsen mit unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen sind, wobei Jede Dlise einer Gruppe denselben Düsendurchmesser hat.

8. Gasbrenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Gruppe mindestens sechs Ausström-

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düseRr- mit. einem kleineren Durchmesser und eine Gruppe mindestens sechs Ausströmd.üsen mit einem größeren Durchmesser als die 3*e-Ifeils andere Gruppe hat»

9, Gasbrenner nach .Anspruch 8, dadurch g e k e' η h ζ e i e h η e % .,, daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der größeren Aüsströmdüsen und,, dem Durchmesser der Verengung ,zwischen 0^045 und 0,050 liegty und daß das Verhältnis zwischen dem Durehmesser der kleineren Ausströmdüsen und dem Durchmesser der Verengung zwischen 0,034 und 0,040 liegt.

Iq-. ■ Verfahren zum Herstellen eines rußfreien, wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen_: Gasgemisches .durch teilweisas Verbrennen' eines .gasförmigen,.kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigeη Gas mit einem Gasbrenner gemäß einem der Ansprüche 1-9, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das Verhältnis zwischen der Gasgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs in den Ausströmdüsen und der Geschwindigkeit des Sauerstoffs, oder sauerstoffhaltigen Gases in der Verengung zwischen 3,5 0 und_; 4_} OC liegt^ wobei ' ;

π ^-W/Dlchte des Sauerstoffs oder sauerstoffha-ltlS-eQ, Gases λ \ ~ Y^ Dichte des gasförmigen Brennstoffs ' >

wobei die'Dichten sich auf die Bedingungen in demjenigen'Teil

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üoß Gasbrenners vor der Breünlrammer fecfeiehen.

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as .

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