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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Verbrennung im allgemeinen und insbesondere Brenner
und Verfahren zur Verwendung derselben, um einen Brennstoff mit
einem Sauerstoffträger
zu verbrennen, der eine Sauerstoffkonzentration hat, die höher als
diejenige von Luft ist.
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2. Stand der Technik
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In
der Brennertechnik, in der Sauerstoffträger mit einer Sauerstoffkonzentration
verwendet werden, die höher
als die Sauerstoffkonzentration von Luft ist, besteht, wenn solche
Brenner für
die Glasherstellung eingesetzt werden, eine Aufgabe darin, eine
leuchtende Flamme mit niedriger Temperatur zu erzeugen. Diese Flammen
haben oft niedrige Gasgeschwindigkeiten und eine sehr einfache Mischstrategie
(beispielsweise eine Rohr-in-Rohr-Konfiguration). Die Verwendung
von Brennerblöcken
mit zylindrischen Brennkammern ist bekannt, wobei der Hauptprozeß aus einem
von einem sauerstoffreichen Mantel im Inneren des zylindrischen Hohlraums
umgebenen brennstoffreichen Kern besteht. Ein Brennerblock in zylindrischer
Form (gelegentlich als ein Vorbrenner bezeichnet) hat ein L/D-Verhältnis (Länge/Durchmesser)
des zylindrischen Hohlraums, das zwischen 2 und 6 liegt. Im Bereich
dieses L/D-Verhältnisses
werden die Brennstoff- und Sauerstoffgeschwindigkeiten (weniger
als 208,8 m/Sek. (600 Fuß/Sek.))
für Brenntemperaturbereiche
von bis zu 5,858 MM W (20 MM Btu/h) gewählt. Hier besteht die Aufgabe
darin, eine lange, träge
und helleuchtende Sauerstoff-/Brennstoffflamme durch verzögertes Mischen
zu erzeugen. Die Erzeugung von Rußteilchen aufgrund thermischen Krackens
(im brennstoffreichen Kern) und die nachfolgende Verbrennung sorgen
für das
Leuchten der Flamme. Außerhalb
des obigen Bereichs des L/D- Verhältnisses
nimmt die Flamme ein sehr hohes "axiales" Momentum an und
wird sehr nichtleuchtend.
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Obwohl
solche Brenner für
zahlreiche Zwecke geeignet sind, weisen derartige Brenner Nachteile
auf. Der Hauptnachteil solcher Brennerblöcke besteht darin, daß die Flammenform,
insbesondere der maximale Flammendurchmesser und/oder die maximale
Flammenlänge,
immer vom Brennerblock-L/D-Verhältnis
und von den Brennstoff- und Sauerstoffträgergeschwindigkeiten bestimmt
werden. Die allgemeinen Flammenmerkmale sind eine lange, träge und helleuchtende
Flamme ohne irgendeine wesentliche Komponente für eine Konvektionserwärmung, eine
größere Flammenoberfläche für die erhöhte Chargenabdeckung
oder Berücksichtigungen
zur Reduzierung der Wirkung des Teilchen-"Einsaugungseffekts" in der Nähe der heißen Oberfläche des Brennerblocks (Rezirkulationszone).
Die Axialmomentumflamme solcher Brenner erzeugt aufgrund der Verbrennung
einen Niedrigdruckbereich.
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Die
Größe und Festigkeit
der obigen dreidimensionalen Rezirkulationszone hängen vom
Momentum der Axialflammenverbrennungsprodukte ab. Je höher das
Flammenmomentum ist, um so höher
sind der Einsaugungseffekt der Rezirkulationszone und die Größenordnung
des Niedrigdruckbereichs um die heiße Fläche des Brennerblocks.
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Der
Niedrigdruckbereich in der Nähe
der heißen
Brennerblockfläche
läßt es zu,
daß sich
verschiedene Prozeßteilchen
(beispielsweise Glasgemenge, flüchtige
Bestandteile, Kondensate und dergleichen) an der heißen Brennerblockfläche ablagern
oder manchmal sogar in den Brennerblockhohlraum hineingezogen werden
(wenn zwischen der Sauerstoffträgerströmung und
der Brennerblockinnenfläche
ein Leerraum vorhanden ist). Dies ist sehr üblich, wenn der Brennerblockhohlraum
nicht dafür
konstruiert ist, sich vollständig
mit Flammengasen zu füllen.
Die Aufgabe, einen dichten Brennerblock ohne irgendeinen Leerraum
zu konstruieren, wird sehr schwierig, wenn die Brenntemperatur des Brenners
(Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen) über einen
weiten Bereich variiert wird. Ein geringfügiger Spalt im Brennerblock
um die Flammenhülle
herum kann aufgrund des Vorhandenseins des Niedrigdruckbereichs
und der anschließenden
Pumpwirkung der Rezirkulationszone Verbrennungsprodukte in den Brennerblockhohlraum
einsaugen. Als Folge eines verstopften Brennerblocks kann sich eine
erhöhte
Wartungshäufigkeit
(in Form einer Brenner- und/oder Blockreinigung und/oder einer kürzeren Brenner-/Block-Lebensdauer) oder
ein katastrophaler Ausfall (Abschmelzen des Blocks/Brenners) aufgrund
eines direkten oder indirekten Aufprallens/Ablenkens der Hochtemperaturflamme ergeben.
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Ein
anderer Nachteil einer Brennerblockkonstruktion in einer Rohr-in-Rohr-Konfiguration ist
die Schwierigkeit, eine Flamme zu erzeugen, die sich in einer radialen
Richtung allgemein senkrecht zur Richtung der Brennstoff- und Sauerstoffträgergasströmungen ausdehnt;
hierin als eine "flache" Flamme bezeichnet.
Die Rohr-in-Rohr-Brenner mit zylindrischer Geometrie haben keinerlei
Vorkehrung, um zu bewirken, daß sich
das Ausdehnen der Flamme in der radialen Richtung entwickelt. Die
radiale, flache Flammenform ist in Luft-/Brennstoff-Brennern zur
Erwärmung
eines Ofeninneren mit konstantem Wärmefluß sehr üblich. Ein sehr einfaches Beispiel
ist ein Stahlnachwärmofen,
in dem Luft-/Brennstoff-Brenner am Ofendach (Krone) montiert sind,
die Wärme
an die darunter befindliche Stahlcharge (Blöcke, Platten) abstrahlen. Der
Vorteil einer sich radial ausdehnenden flachen Flamme (üblicherweise
Verwirbeln) besteht darin, daß nur
eine sehr geringe axiale Erwärmungskomponente
bereitgestellt wird und die meiste Wärme auf einer Abstrahlung von
der erwärmten
Wand beruht. Es hat sich gezeigt, daß sich die flache Flamme durch
einen Coanda-Effekt an die Wandoberfläche andrückt und eine Wärmequelle
erzeugt, um eine gleichmäßige Strahlung
zu bewirken. Luft-/Brennstoff- Brenner
in dieser Ausführung
sind in der Industrie unter dem Handelsnamen "Wall Hugger" bekannt. Die sich an die Wand andrückende Flamme
wird durch das Verwirbeln von Luft mit hoher Geschwindigkeit erzeugt.
Der gleiche Prozeß hat
sich jedoch noch nicht als für
Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner geeignet erwiesen.
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In
der
US 4,125,359 ist
eine Brennereinheit beschrieben, die einen feuerfesten Block mit
einer Bohrung umfaßt,
in der die Düse
des Brenners koaxial montiert ist. Das Erdgas entströmt der Düse durch
eine radial vorgesehene Öffnung,
die im Düsenkopf
ausgebildet ist.
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Es
sind verwirbelnde Sauerstoffträger-/Brennstoff-Brenner bekannt,
in denen der Sauerstoffträger eine
Sauerstoffkonzentration hat, die höher als die Konzentration in
der Luft ist. Der Brennerblock hat typischerweise einen zylindrischen
Hohlraum, wobei der Brenner innerhalb eines zylindrischen Hohlraums
mit einem Rücksprung
ausgebildet ist. Eine Brennstoffeinspritzung und -verwirbelung mit
hoher Geschwindigkeit und eine Sauerstoffeinspritzung mit geringer
Geschwindigkeit im ringförmigen
Raum sind vorgesehen. Eine wirbelstabilisierte Flamme wird innerhalb
eines zylindrischen Blockhohlraums mit einem konstanten Durchmesser
gebildet. Diese Konstruktion sieht keine Ausdehnung einer abgelenkten
Sauerstoffströmung
aufgrund der Bewegung des wirbelnden Sauerstoffs vor. Die sich ergebende
Flamme ist eine "enge" zylindrische Flamme
auf der Basis eines Ausgangsdurchmessers D. Die Rohrformbrennkammer,
gekoppelt mit einer engen Ausgangsgeometrie, sieht keinen ausreichenden
Raum vor, damit sich die Flamme in der radialen Richtung ausdehnen
oder sich in einer extremen Situation eine flache Flamme ausbilden
kann. Die Geometrie mit konstantem Durchmesser (Rohrform) beeinträchtigt die
Aufrechterhaltung einer Sauerstoffträgerverwirbelung aufgrund der
Wandreibung. Wenn sich eine wirbelnde Fluidströmung nicht in der radialen
Richtung ausdehnen kann, stirbt die Verwirbelungsintensität aufgrund
von Wandreibungseffekten rasch ab. Andererseits reagiert der wirbelnde
Sauerstoffträger
aufgrund der engen Nähe
in der Brennkammer auch schnell mit dem Brennstoff. Dieser Vorgang
erzeugt eine kurze intensive Flamme. Die Kühlung des Brennerblocks wird
aufgrund des schnellen Ausbrennens des wirbelnden Sauerstoffträgers in
einem Brennerblock mit relativ engem Durchmesser auch negativ beeinflußt.
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Des
weiteren wird der gesamte Brennerkörper (üblicherweise ein metallisches
Rohr) in den Brennerblock eingeführt,
bis die Brennerspitze (Brennstoffdüsenspitze) eine Distanz "L" von der heißen Fläche des Brennerblocks aufweist.
Der wirbelnde Sauerstoffträger
wird unmittelbar stromaufwärts
vor dem Düsenausgang
eingeleitet und der Sauerstoffträger überwiegend
durch einen metallischen Brennerkörper, ohne eine wesentliche
Brennerblocklänge
zu kühlen,
geleitet. Es hat den Anschein, daß mit der Verwendung eines
wirbelnden Sauerstoffträgers
bessere Mischbedingungen für
den Brennstoff als mit veränderten
Flammenmerkmalen in der radialen Richtung herbeigeführt werden
können.
Aufgrund der feststehenden Brennerblockgeometrie (zylindrische Form)
werden Flammenmerkmale, wie beispielsweise die Flammenformveränderung
in radialer Richtung, das Kühlen
der Brennerspitzen und des Blockinneren durch die Sauerstoffträgerströmung sowie
das Reinigen des Brennerblockinneren mit einer durchströmenden Sauerstoffträgerströmung, stark
eingeschränkt.
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In
den US-Patenten 4,313,789, 3,905,751 und 5,620,316 sind Brenner
beschrieben, deren Ausgänge mit
einer konischen Ausdehnungskammer in Verbindung stehen, die mit
einer zylindrischen oder torischen Brennkammer verbunden ist.
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Es
besteht somit in der Verbrennungstechnik ein Bedarf an einem Brenner,
der einige oder alle obigen Probleme, die im Zusammenhang mit bekannten
Brennern bestehen, löst.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden Brennervorrichtungen und Verfahren
zur Verwendung derselben bereitgestellt, mit denen viele der im
Zusammenhang mit bisherigen Konstruktionen auftretenden Probleme überwunden
werden können.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung ist eine Brennervorrichtung, die folgendes
umfaßt:
- a) einen Brennerblock mit einer Brennstoffleitung,
wobei die Brennstoffleitung einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei
sich der Auslaß der
Brennstoffleitung in eine im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer öffnet;
- b) den Brennerblock, der weiterhin einen im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang
hat, wobei die Brennstoffleitung innerhalb des im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgangs
positioniert ist;
- c) den im wesentlichen ringförmigen
Sauerstoffträgerdurchgang,
der ein Einlaßende
in der Nähe
des Brennstoffeinlasses und einen Auslaß in der Nähe des Brennstoffleitungsauslasses
hat, und in dem mindestens ein Verwirbeler positioniert ist, um
eine wirbelnde Sauerstoffträgerströmung zu
erzeugen;
- d) den im wesentlichen ringförmigen
Sauerstoffträgerdurchgang,
der an seinem Auslaßende
in Fluidverbindung mit der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
im Brennerblock steht, wobei die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer
einen Einlaßdurchmesser
Ds und einen solchen Auslaßdurchmesser
Dc hat, daß Dc
mindestens 110% von Ds entspricht;
- e) eine im wesentlichen zylindrische Brennkammer mit einem Durchmesser
Dc sowie mit einem Einlaß und einem
Auslaß,
wobei der Auslaß der
im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer in Fluidverbindung
mit dem Einlaß der
im wesentlichen zylindrischen Brennkammer positioniert ist und sich der
Auslaß der
im wesentlichen zylindrischen Brennkammer zu einer Ofenkammer hin öffnet; und
- f) den Auslaß der
Brennstoffleitung, der mit einem Rücksprung über eine Distanz Lr vom im
wesentlichen zylindrischen Brennkammerauslaß ausgebildet ist, wobei Lr
= Lc + Le, wobei Lc = Länge
in axialer Richtung der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer
und Le = Länge
in axialer Richtung der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer.
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Bevorzugte
Brennervorrichtungen gemäß diesem
Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen die im wesentlichen
konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer
einen von etwa 5° bis
etwa 60° reichenden Ausdehnungswinkel,
bevorzugter einen von etwa 10° bis
etwa 30° reichenden
Ausdehnungswinkel sowie besonders bevorzugt einen von etwa 15° bis etwa
25° reichenden
Ausdehnungswinkel aufweist. Weitere bevorzugte Brennervorrichtungen
in Übereinstimmung
mit dem ersten Aspekt der Erfindung sind diejenigen Brennervorrichtungen,
bei denen es sich bei dem mindestens einen Verwirbeler um mehrere
Schaufeln handelt, die jeweils einen von etwa 5° bis etwa 30° reichenden Schaufelwinkel und
bevorzugter einen von etwa 30° bis
etwa 60° reichenden
Schaufelwinkel aufweisen. Ebenfalls bevorzugt sind diejenigen Brennervorrichtungen
in Übereinstimmung
mit dem ersten Aspekt der Erfindung, bei denen Le etwa 10% bis etwa
50% von Lr beträgt.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Brennervorrichtung, die folgendes
umfaßt:
- a) einen Brennerblock mit einer Brennstoffleitung,
wobei die Brennstoffleitung einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei
sich der Auslaß der
Brennstoffleitung in eine im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer
hinein öffnet;
- b) den Brennerblock, der weiterhin einen im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang
hat, wobei die Brennstoffleitung innerhalb des im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgangs
positioniert ist;
- c) den im wesentlichen ringförmigen
Sauerstoffträgerdurchgang,
der ein Einlaßende
in der Nähe
des Brennstoffleitungseinlasses und einen Auslaß in der Nähe des Brennstoffleitungsauslasses
hat, und in dem mindestens ein Verwirbeler positioniert ist, um
eine wirbelnde Sauerstoffträgerströmung zu
erzeugen;
- d) den im wesentlichen ringförmigen
Sauerstoffträgerdurchgang,
der an seinem Auslaßende
in Fluidverbindung mit der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
im Brennerblock steht, wobei die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer
einen Einlaßdurchmesser
Ds und einen solchen Auslaßdurchmesser
Dc hat, daß Dc
mindestens 110 von Ds entspricht;
- e) den Auslaß der
im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer, der in
Fluidverbindung mit einer torischen Brennkammer positioniert ist,
die einen Einlaß und
einen Auslaß hat,
wobei sich der Auslaß der
torischen Brennkammer zu einer Ofenkammer hin öffnet, wobei die torische Brennkammer einen
Krümmungsradius
R hat;
- f) den Auslaß der
Brennstoffleitung, der mit einem Rücksprung über eine Distanz Lr vom Auslaß der torischen
Brennkammer ausgebildet ist, wobei Lr = Lt + Le, wobei Lt = Länge in axialer
Richtung der torischen Brennkammer und Le = Länge in axialer Richtung der
im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer.
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Bevorzugte
Brennervorrichtungen in Übereinstimmung
mit dem zweiten Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen
Le etwa 10% bis etwa 50% von Lr beträgt.
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Brennervorrichtungen
in Übereinstimmung
mit beiden Brennervorrichtungsaspekten sind diejenigen, bei denen
die Brennstoffleitung eine Brennstoffdüse mit einem Einlaßende und
einem Auslaßende
umfaßt,
wobei die Düse
in der Brennstoffleitung zwischen dem Verwirbeler und dem Auslaß der Brennstoffleitung
positioniert ist, wobei die Düse
einen größeren Außendurchmesser
an ihrem Einlaßende
als an ihrem Auslaßende hat.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennung eines
Brennstoffs, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
- a)
Einleiten eines Brennstoffs und eines Sauerstoffträgers in
einen Brennerblock, wobei der Brennerblock in Übereinstimmung mit dem ersten
Aspekt der Erfindung ist;
- b) Bilden eines wirbelnden Sauerstoffträgers bei seinem Durchgang durch
den Verwirbeler;
- c) Einströmen
des wirbelnden Sauerstoffträgers
und des Brennstoffs in die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer,
wobei der Brennstoff im wesentlichen in der Nähe des axialen Zentrums der
im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer strömt, wobei
der wirbelnde Sauerstoffträger
an einer Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
vorbeiströmt;
- d) Einströmen
des wirbelnden Sauerstoffträgers
und des Brennstoffs in die im wesentlichen zylindrische Brennkammer;
- e) Verbrennen des Brennstoffs und Sauerstoffträgers in
der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer, während der Sauerstoffträger an einer
Wand der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer vorbeiströmt; und
- f) Einströmen
der Verbrennungsprodukte aus der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer
in einen Ofen.
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Bevorzugte
Verfahren in Übereinstimmung
mit dem dritten Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen sich
der wirbelnde Sauerstoffträger
bei seinem Durchgang durch die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer
mit einer von einem Ausdehnungswinkel abhängigen Ausdehnungsrate ausdehnt,
wobei der Ausdehnungswinkel von etwa 5° bis etwa 60° reicht, der Ausdehnungswinkel
bevorzugter von etwa 10° bis
etwa 30° reicht
und der Ausdehnungswinkel besonders bevorzugt von etwa 15° bis etwa
25° reicht.
Bevorzugte Verfahren in Übereinstimmung
mit dem dritten Aspekt der Erfindung sind auch diejenigen, bei denen
der Brennstoff eine Geschwindigkeit hat, die geringer als 45,72
m/Sek. (150 Fuß/Sek.)
ist oder diesem Wert entspricht, und bei denen der Sauerstoffträger eine
Geschwindigkeit hat, die geringer als 91,44 m/Sek. (300 Fuß/Sek.)
ist oder diesem Wert entspricht.
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Ein
vierter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennung eines
Brennstoffs, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
- a)
Einleiten eines Brennstoffs und eines Sauerstoffträgers in
einen Brennerblock, wobei der Brennerblock in Übereinstimmung mit dem zweiten
Aspekt der Erfindung konstruiert ist;
- b) Bilden eines wirbelnden Sauerstoffträgers bei seinem Durchgang durch
den Verwirbeler;
- c) Einströmen
des wirbelnden Sauerstoffträgers
und des Brennstoffs in die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer,
wobei der Brennstoff im wesentlichen in der Nähe des axialen Zentrums der
im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer strömt, wobei
der wirbelnde Sauerstoffträger
an einer Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
vorbeiströmt;
- d) Einströmen
des wirbelnden Sauerstoffträgers
und des Brennstoffs in die im wesentlichen torische Brennkammer;
- e) Verbrennen des Brennstoffs und Sauerstoffträgers in
der im wesentlichen torischen Brennkammer, während der Sauerstoffträger an einer
Wand der im wesentlichen torischen Brennkammer vorbeiströmt; und
- f) Einströmen
der Verbrennungsprodukte aus der im wesentlichen torischen Brennkammer
in einen Ofen.
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Bevorzugte
Verfahren in Übereinstimmung
mit dem vierten Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen
sich der wirbelnde Sauerstoffträger
bei seinem Durchgang durch die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer
mit einer von einem Ausdehnungswinkel abhängigen Ausdehnungsrate ausdehnt,
wobei der Ausdehnungswinkel von etwa 5° bis etwa 60° reicht, diejenigen Verfahren,
bei denen der Brennstoff eine Geschwindigkeit hat, die geringer
als 30,48 m/Sek. (50 Fuß/Sek.)
ist oder diesem Wert entspricht, sowie diejenigen Verfahren, bei
denen der Sauerstoffträger
eine Geschwindigkeit hat, die geringer als 91,44 m/Sek. (300 Fuß/Sek.)
ist oder diesem Wert entspricht.
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Mit
dem hierin verwendeten Begriff "im
wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer" ist eine Kammer
mit einem Einlaß und
einem Auslaß gemeint,
wobei der Auslaß einen
größeren Durchmesser als
der Einlaß hat,
und wobei der Querschnitt der Kammer allgemein kreisförmig ist,
obwohl auch einige ovale und schlitzförmige Konfigurationen unter
diese Erfindung fallen.
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Mit
dem hierin verwendeten Begriff "im
wesentlichen ringförmiger
Sauerstoffträgerdurchgang" ist ein Bereich
mit einem Einlaß und
einem Auslaß gemeint,
wobei ein Längenmaß in der
axialen Richtung größer als der
durch einen Hohlraum im Brennerblock definierte Außendurchmesser
ist und ein Innendurchmesser durch die äußere Oberfläche der Brennstoffleitung definiert
ist. Obwohl der im wesentlichen ringförmige Sauerstoffträgerdurchgang,
im Querschnitt durch eine senkrecht zur axialen Strömungsrichtung
verlaufende Ebene betrachtet, vorzugsweise eine kreisförmige Form
hat, kann die Form auch nicht kreisförmig sein, wie allgemein durch
die Form des Eingangs in die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer
festgelegt.
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Mit
dem Begriff "Verwirbeler" ist ein Bauteil
gemeint, das, wenn es im Weg der Sauerstoffträgerströmung im im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang
plaziert ist, bewirkt, daß der
Sauerstoffträger
eine wesentliche radiale Strömungskomponente
hat, obwohl auch eine wesentliche axiale Sauerstoffträgerströmung dadurch
zugelassen wird. Als eine Folge davon ist mit dem Begriff "wirbelnde Sauerstoffträgerströmung" eine Sauerstoffträgerströmung sowohl
mit einer radialen Strömungskomponente
als auch mit einer axialen Strömungskomponente
gemeint.
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Mit
der Formulierung "im
wesentlichen zylindrische Brennkammer" ist eine Kammer gemeint, die es zuläßt, daß dadurch
Fluide ohne wesentliche Ausdehnung in der axialen Richtung strömen. Es
versteht sich, daß es
in der Kammer gewisse Unvollkommenheiten geben kann, beispielsweise
aufgrund von Herstellungsmethoden, die eine gewisse lokale Ausdehnung
von Gasen zulassen. Es versteht sich weiterhin, daß Brennkammern
mit kreisförmigen,
ovalen oder schlitzförmigen
Querschnitten unter den Begriff "im
wesentlichen zylindrisch" fallen
können.
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Mit
dem hierin verwendeten Begriff "im
wesentlichen torische Brennkammer" ist eine Kammer mit einem Einlaß und einem
Auslaß gemeint,
wobei der Auslaß einen
größeren Durchmesser
als der Einlaß hat,
der Querschnitt der Kammer allgemein kreisförmig ist und die Kammerwand
einen Krümmungsradius
hat, wie allgemein in 4 dieser Erfindung dargestellt.
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Mit
dem hierin verwendeten Begriff "Sauerstoffträger" ist eine Gasströmung gemeint,
die vorzugsweise eine Sauerstoffkonzentration hat, die größer als
die Sauerstoffkonzentration von Luft unter lokalen Bedingungen ist.
Luft kann als der Sauerstoffträger
verwendet werden. In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen
ist mit "Sauerstoffträger" ein Gas gemeint,
das eine Sauerstoffkonzentration von mehr als 50 Prozent hat und
in einigen Fällen
vorzugsweise mehr als 90 Prozent Sauerstoff enthält.
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Die
Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung stellen einen verbesserten
selbstkühlenden
Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner
zur Erzeugung der traditionellen (zylindrischen) Flamme und der
flachen Flamme in Abhängigkeit
von den Wärmeerfordernissen
der Charge bereit. Die neuartigen Merkmale des Brennerblocks beinhalten:
einen drei Kammern aufweisenden Brennerblock mit einer Verwirbelungskammer,
einer Ausdehnungskammer und einer Brennkammer. Die dimensionslosen
Schlüsselverhältnisse
sind:
- • Ls/Ds-Bereiche
von etwa 0,5 bis etwa 5,
- • Le/Ds-Bereiche
von etwa 0,25 bis etwa 3, wobei "s" die Verwirbelungskammer
angibt,
- • Ausdehnungswinkel-(Λ)-Bereiche
von etwa 5° bis
etwa 60°,
- • Lc/Dc-Bereiche
von 0 bis etwa 2 für
die zweite Brennerausführungsform
und Bereiche von etwa 1 bis etwa 3 für die erste Brennerausführungsform,
- • Rc/Dc1-Bereiche
von etwa 0,25 bis etwa 2 in der zweiten Brennerausführungsform
der Erfindung, wobei "c" den Durchmesser
der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer und "c1" den Durchmesser
der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer an ihrem
breitesten Punkt angeben,
- • Verwirbelungswinkel-(β)-Bereiche
von etwa 5° bis
etwa 30° für die erste
Brennerausführungsform
und von etwa 30° bis
etwa 60° für die zweite
Brennerausführungsform.
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Die
Brennstoffgeschwindigkeit beträgt
vorzugsweise weniger als 45,72 m/Sek. (150 Fuß/Sek.) für den Brenner und das Verfahren
des ersten und des dritten Aspekts der Erfindung und weniger als
30,48 m/Sek. (50 Fuß/Sek.)
für die
vom Brenner und nach dem Verfahren des zweiten und des vierten Aspekts
der Erfindung erzeugte flache Flamme. Die Sauerstoffträgergeschwindigkeiten
betragen, abhängig
von der axialen/tangentialen Verwirbelungskonfiguration, weniger
als 91,44 m/Sek. (300 Fuß/Sek.).
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Die
spezifische Strömungsgeometrie
für Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen in
den verschiedenen Aspekten der Erfindung sorgen für eine aktive
Kühlung
und Durchströmung
des Brennerblockinneren, um einen kühleren Betrieb zu erzielen
und das Einsaugen von Teilchen zu verhindern.
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Die
Brenner in Übereinstimmung
mit der Erfindung nutzen eine neuartige Ausführung der Spitze. Diese Ausführung ist
in zweierlei Hinsicht neuartig, wobei erstens eine aerodynamische
Form vorgesehen ist, die stromlinienförmige Mischbedingungen für die wirbelnde
Sauerstoffträgerströmung und
die mit niedriger Geschwindigkeit strömende Brennstoffströmung erzeugt,
die Brennerleistung verbessert und Heißstellen und Niedrigdruckbereiche
in der Nähe
der Düsenspitze
verhindert. Die Düsengeometrie
mit einer äußeren konischen
Ausbildung von 5° bis
7° und einem
geraden internen Brennstoffdurchgang sind wesentliche Teile dieser Form.
Zweitens wird eine thermisch wirksame Konstruktion durch eine dickere
Brennstoffdüse
und durch Konduktions-/Konvektionswärmeabstrahlungsmoden unter
Verwendung von Konduktionsrippen erzielt.
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Die
selbstkühlenden
Brennervorrichtungen der vorliegenden Erfindung werden für einen
Einsatz mit Sauerstoffträgern
bevorzugt, die eine Sauerstoffkonzentration haben, die größer als
diejenige von Luft ist. Die erfindungsgemäßen Brenner und Düsen können in
Hochtemperaturöfen
(1204 bis 1649°C)
(2200°F
bis 3000°F)
sowie in Öfen
mit einem hohen Teilchenanteil (oder mit einem hohen Anteil an flüchtigen
Prozeßbestandteilen/Kondensaten)
betrieben werden, ohne ihre metallische Brennerdüse und das feuerfeste Brennerblockinnere
durch Überhitzung
oder eine chemische Korrosion zu beschädigen. Durch die Verwendung
verschiedener Ausführungsformen
der Düsen- und Blockform kann
der Brenner, abhängig
von den Wärmeerfordernissen
der Charge, eine traditionelle zylindrische Flamme oder eine flache
Flamme bieten. Die neuen Merkmale dieses Brenners beinhalten eine
einzigartige Brennstoffdüsenausführung für das stromlinienförmige Mischen
der Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen,
eine gesteuerte Verwirbelungseingabe in die Sauerstoffträgerströmung für die gewünschten
Flammenmerkmale, eine gesteuerte Ausdehnung der Flammenhülle in der
radialen und der axialen Dimension sowie eine wirksame Durchströmung an
der inneren Brennerblockoberfläche
unter Verwendung des Sauerstoffträgers, um für eine Konvektionskühlung zu
sorgen und einen Aufbau von Prozeßteilchen zu vermeiden. Zusätzlich ermöglicht eine
eine relativ dicke Wand aufweisende metallische Düsenausführung mit
Konduktionsrippen eine wirksame Wärmeabstrahlung von der Düsenspitze
und sorgt für
einen wartungsfreien Brennerbetrieb.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsseitenansicht einer ersten Brennerausführungsform;
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2 ist
eine schematische Darstellung verschiedener Abmessungen der ersten
Brennerausführungsform;
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3 ist
eine teilweise schematische Querschnittsseitenansicht der ersten
Brennerausführungsform, aus
der der wirbelnde Sauerstoffträger
ersichtlich ist;
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4 ist
eine Querschnittsseitenansicht einer zweiten Brennerausführungsform
mit verschiedenen Abmessungen;
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit der Erfindung;
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6 ist
eine zweite schematische Darstellung der Düse der 5, aus der
die ausführungstypischen Wärmeübertragungseffekte
ersichtlich sind;
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7a und 7b zeigen
Daten eines Flammenformgebungsprogramms der ersten Brennerausführungsform
mit bzw. ohne wirbelnden Sauerstoffträger; und die
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8a und 8b zeigen
Daten eines Flammenformgebungsprogramms der zweiten Brennerausführungsform
mit bzw. ohne wirbelnden Sauerstoffträger.
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Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Es
gibt in jeder Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennerkonstruktionen
drei Schlüsselmerkmale,
die sich realisieren lassen, um den Betrieb in Öfen mit hohem Teilchenanteil
und in Hochtemperaturöfen zu
verbessern. Zu diesen drei Schlüsselmerkmalen
zählen:
- 1. Eine Brennerblockausführung mit drei Kammern zur
Erzeugung einer Sauerstoff-/Brennstoffflamme mit variabler Form
und mit entsprechenden Flammenmerkmalen, um die Flammen-/Chargen-Wärmeübertragung zu verbessern.
- 2. Eine spezifische Strömungsgeometrie
sowohl für
die Brennstoff- als auch für
die Sauerstoffträgerströmung, um
das Brennerblockinnere mechanisch zu durchströmen und einen Aufbau von Teilchen/flüchtigen Bestandteilen
im Brennerblockinneren und in den Brennerspitzen zu verhindern.
- 3. Eine neuartige Ausführung
und Konstruktion der Spitzen, um die Wärmeabstrahlung zu verbessern.
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1,
auf die nunmehr Bezug genommen wird, zeigt in einer Querschnittsseitenansicht
die erste Brennerausführungsform 2 in Übereinstimmung
mit der Erfindung. In dieser Ausführungsform umfaßt die Brennervorrichtung
einen Brennerblock 4, vorzugsweise in feuerfester Ausführung, mit
einem Ende oder einer heißen
Fläche 6,
einem Ausgang 8 für
die Flammen- und heißen
Verbrennungsgase sowie mit einem kalten Ende 10. Eine Brennstoffleitung 12 und
eine Sauerstoffträgerleitung 14 stehen
in Fluidverbindung mit dem kalten Ende 10 des Brennerblocks 4.
Die Brennstoffleitung 12, vorzugsweise ein metallisches
Rohr, hat eine daran befestigte Düse 16, die in einer
Düsenspitze 18 endet.
Die Sauerstoffträgerleitung 14 speist
ein Sauerstoffträgerplenum 20,
das in Fluidverbindung mit dem kalten Ende 10 steht, so
daß Sauerstoffträger in einen
im wesentlichen ringförmigen
Sauerstoffträgerdurchgang 22 einströmen kann.
Auf seinem Weg zu einem oder mehreren Sauerstoffträgerverwirbelern 24 strömt der Sauerstoffträger durch
die Sauerstoffträgerleitung 14,
das Plenum 20 und durch den im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang 22,
der die Brennstoffleitung 12 umgibt. Der Sauerstoffträger erhält somit
eine radiale/tangentiale Strömungskomponente,
während
er axial durch eine Verwirbelungskammer 26 strömt, und
kann sich dann, während
noch eine Verwirbelung erfolgt, ausdehnen, während er axial durch eine im
wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28 strömt. Abschließend strömt der Sauerstoffträger, der
sich mit dem Brennstoff zu mischen beginnt, in einer wirbelnden
Bewegung axial durch einen allgemein zylindrischen Verbrennungshohlraum 30,
bevor er durch den Austritt 8 austritt. Der Grad der Ausdehnung
in dieser Ausführungsform
ist ausreichend, um in der axialen/tangentialen Richtung eine solche
Drehung zu bewirken, daß eine
traditionelle Flamme erhalten wird. Die Sauerstoffträgerverwirbeler 24 beeinflussen
auch den Grad der tangentialen Strömung. Eine überwiegend tangentiale Verwirbeleranordnung
wird verwendet, um eine flache Flamme zu erhalten.
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Die
Flamme wird dadurch gebildet, daß eine Brennstoffströmung mit
einer relativ geringen Geschwindigkeit (vorzugsweise im Bereich
von etwa 5 Fuß/Sek.
bis etwa 150 Fuß/Sek.)
und eine wirbelnde Sauerstoffträgerströmung mit
verschiedenen axialen/tangentialen Geschwindigkeiten (im Bereich
von etwa 50 Fuß/Sek. bis
etwa 300 Fuß/Sek.)
verwendet werden. Die Brennstoffgeschwindigkeit zur Bildung einer
traditionellen Flammenform wird bei etwa 100 Fuß/Sek. oder höher gehalten,
während
die Erzeugung einer flachen Flamme eine geringere Brennstoffgeschwindigkeit,
vorzugsweise im Bereich von etwa 5 Fuß/Sek. bis etwa 50 Fuß/Sek.,
erfordert. Die Sauerstoffträgerströmung entwickelt
sich zunächst
durch eine ausreichende Verwirbelungsstärke und -richtung (tangential/axial
oder tangential) im Inneren der Verwirbelungskammer 26 und kann
sich dann in der radialen Richtung unter Verwendung der im wesentlichen
konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28,
die eine vorbestimmte auseinandergehende Geometrie hat, ausdehnen.
Drittens kann sich der wirbelnde Sauerstoffträger wahlweise oder teilweise
mit der Brennstoffströmung
im Inneren des im wesentlichen zylindrischen Verbrennungshohlraums 30 mischen,
der spezifische Abmessungen für
eine Verbrennung und für
die Entwicklung einer wirbelnden Flamme mit traditioneller Form
oder für
die Entwicklung einer flachen Flamme unter Verwendung einer spezifischen
gekrümmten
Geometrie hat, wie hierin detailliert beschrieben. Die obigen Brennerblockbereiche
für die
Gesamtflammenbildung sind in den folgenden Abschnitten ausführlich beschrieben.
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Der
drei Kammern aufweisende Brennerblock des ersten Aspekts der Erfindung
ist in 2 schematisch dargestellt, um die verschiedenen
Abmessungen zu veranschaulichen. Jeder Bereich des Brennerblocks erfüllt hinsichtlich
der Erzeugung der optimalen Flammenmerkmale auf der Basis der Gesamtflammenbildung einen
spezifischen Zweck. Die Verwirbelungskammer 26 hat einen
Verwirbelungsbereich 32. Die Verwirbelungskammer 26 hat
vorzugsweise mehrere Führungsschaufeln
(in einer vorbestimmten Anzahl), die an der äußeren Oberfläche der
Brennstoffdüse 16 in
einem vorbestimmten Winkel installiert sind (alternativ können eine
oder mehrere Führungsschaufeln
in dem im wesentlichen ringförmigen
Sauerstoffträgerdurchgang 22 zwischen
der Brennstoffdüse 16 und
dem feuerfesten Brennerblock 4 vorgesehen sein). Die Anzahl
der Führungsschaufeln 24 variiert
vorzugsweise zwischen 4 und 16, abhängig vom
Gesamtdurchmesser der Verwirbelungskammer. Bei den Führungsschaufeln 24 handelt
es sich vorzugsweise um dünne
Rippen aus Metall, die an der äußeren Oberfläche der
Brennstoffdüse 16 angeschweißt sind.
Der Führungsschaufelwinkel β (zur Flammenaxialachse)
liegt im Bereich von 5° bis
30°, um
eine traditionelle (zylindrische) Flamme zu entwickeln. In sehr
kleinen Brennern oder Systemen, die für die Erzeugung einer brennstoffreichen
Flamme ausgelegt sind, können
die Führungsschaufeln
in einer Brennstoffdüse
mit einer relativ dicken Wand durch maschinelles Bearbeiten herausgearbeitet
werden. Der ringförmige
Bereich um die Brennstoffdüse
und stromabwärts
hinter den Führungsschaufeln
wird als die Verwirbelungskammer bezeichnet. Sie hat spezifische
Abmessungen zur Erzeugung eines wirbelnden Sauerstoffträgers mit
der erforderlichen Stärke
(Verwirbelungszahl) oder dem erforderlichen axialen/tangentialen
Momentum. Das erste dimensionslose Schlüsselverhältnis ist Ls/Ds, das vorzugsweise von etwa 0,5 bis etwa
5 reicht. Die Länge
Ls stellt eine Distanz bereit, in der sich
die durch den Sauerstoffträgerverwirbeler
erzeugte Verwirbelung in einem Bereich mit konstantem Durchmesser
vollständig
entwickelt. Dieser Bereich wird vorzugsweise nicht über das
Verhältnis
(Ls/Ds) = 5 hinaus
vergrößert; bei über 5 liegenden
Werten beginnt sich die bereits entwickelte Sauerstoffträgerverwirbelung
abzuschwächen
und ihre Stärke
in der tangentialen/axialen Richtung zu verlieren. Dies ist auf
die Wandreibung im Inneren der Verwirbelungskammer zurückzuführen.
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Das
zweite wichtige Merkmal, wie in 2 dargestellt,
ist die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28,
die einen Bereich einer sich ausdehnenden Sauerstoffträgerströmung 34 definiert.
Dies ist ein auseinandergehender Bereich, in dem sich die wirbelnde
Sauerstoffträgerströmung in
der radialen Richtung ausdehnen kann. Der Zweck besteht darin, die
Sauerstoffträgerströmung radial
auszudehnen und einen gesteuerten Mischungszustand mit der Brennstoffströmung aufrechtzuerhalten,
wie schematisch in 3 dargestellt. Wenn die Ausdehnung
nicht durchgeführt
wird, vermischt sich die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung (auf der Basis der Verwirbelungsstärke) innig
mit der Brennstoffströmung
und erzeugt ein gründlich
gemischtes Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoffträger. Die
Verbrennung eines solchen Gemisches erfolgt aufgrund der relativ
hohen Reaktionsraten unverzüglich
und erzeugt eine Flamme mit sehr hoher Temperatur, die die meisten
feuerfesten Brennerblöcke
zum Schmelzen bringen kann. Um das Mischvermögen der Sauerstoffträgerströmung zu
reduzieren, reicht der Ausdehnungswinkel Λ vorzugsweise von etwa 5° bis etwa 60°. Die axiale
Länge Le
der Ausdehnungskammer ist auf ein bestimmtes Le/Ds-Verhältnis festgelegt,
das von etwa 0,25 bis etwa 3 reicht. Eine größere Länge Le bewirkt,
daß sich
die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung (und
auch die Flamme 38) mehr in der radialen Richtung (abhängig vom
Ausdehnungswinkel Λ)
ausdehnt, bevor sie sich mit der Brennstoffströmung vermischt. Dies erfolgt
insbesondere (bei großen
Ausdehnungswinkeln), um eine flache Flamme zu entwickeln. Eine kleinere
Länge Le
läßt es sofort
zu, daß sich
die Sauerstoffträgerströmung mit
der Brennstoffströmung
vermischt, was nützlich
sein kann, um eine traditioneller geformte Flamme zu entwickeln.
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Der
im wesentlichen zylindrische Verbrennungshohlraum
30 erzeugt
einen Verbrennungsbereich
36 (
2). Dies
ist ein Endbereich, in dem Brennstoff und Sauerstoffträger für die Gesamtflammenbildung
in gesteuerter Weise vermischt werden. Der im wesentlichen zylindrische
Verbrennungshohlraum
30 ist so ausgeführt, daß darin das Vermischen des
Brennstoffs und des wirbelnden Sauerstoffträgers, das bereits in der im wesentlichen
konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
28 stattgefunden
hat, ergänzt
wird. Die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung kann
sich in der radialen Richtung in einem gewissen Ausmaß in der
im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
28 ausdehnen.
Der im wesentlichen zylindrische Verbrennungshohlraum
30 wird
verwendet, um den Ausdehnungsprozeß in der radialen Richtung
anzuhalten und im Bereich
36 auf der Basis der Mischbedingungen
eine Flamme
38 zu erzeugen. Das dimensionslose L
c/D
c-Verhältnis der
Brennkammer (siehe
2) ist auf der Basis der gewünschten
Flammenform gewählt.
In Tabelle I sind einige Flammengrundtypen auf der Basis des Flammenmomentums
und des ungefähren
Bereichs des L
c/D
c-Verhältnisses
aufgelistet. Diese Zahlen basieren auf kumulativen experimentellen
Daten und Berechnungsstudien bei verschiedenen Brenntemperaturen. Tabelle
I. Flammentypen
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung, auf den nunmehr Bezug genommen wird, ist die
Ausführung
der Brennkammer für
die Bildung einer flachen Flamme, verglichen mit der traditionellen
(zylindrischen) Flamme, etwas anders gestaltet. Die flache Flamme
wird aufgrund des "Coanda"-Effekts und unter
Verwendung einer gekrümmten
Geometrie im Brennkammerausgang gebildet, wie durch die Brennervorrichtung 50 in 4 veranschaulicht.
Hier erstreckt sich die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28 in
die Brennkammer hinein, wobei der Radius Rc tangential
zum auseinandergehenden Bereich der Ausdehnungskammer verläuft. Das
Rc/Dc1-Verhältnis reicht
von etwa 0,25 bis etwa 2. Ein kleineres Verhältnis für den Radius Rc wird
für kleinere
Brenner und ein größeres Verhältnis für größere Brenner
verwendet.
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Das
allmähliche
Auseinandergehen in der radialen Richtung in der in 4 dargestellten
Brennervorrichtung ist notwendig, um die Flammendrehung in der sich
ständig
ausdehnenden radialen Richtung zu unterstützen und eine Entwicklung der
Flamme in der flachen Formstruktur zu ermöglichen. Der Verwirbelerwinkel
(Führungsschaufelwinkel β im Verhältnis zur
Flammenachse) für
die Erzeugung einer flachen Flamme wird auch relativ hoch gehalten
und reicht vorzugsweise von etwa 30° bis etwa 60°. Es wurde festgestellt, daß sich die
flache Flamme an die Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
und anschließend
aufgrund des Coanda-Effekts an die Ofenwand andrückt. Die sich drehende Flamme
mit einem relativ großen
Durchmesser in der Nähe
der heißen
Fläche
des Brennerblocks sorgt für
den Strahlungswärmefluß zur Charge.
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Die
Ausführung
der Brennkammer und insbesondere verschiedene Abmessungen, dimensionslose Verhältnisse
und Winkel sind so gewählt,
daß immer
ein Film aus relativ kühlem
Sauerstoffträger
in der Nähe der
inneren Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer
und der stromabwärts dahinter
befindlichen Abschnitte der Brennervorrichtung vorhanden ist. Eine
Hauptaufgabe der Brennervorrichtungen und Verfahren der Erfindung
besteht darin, einen Film aus sich drehendem Sauerstoffträger aufrechtzuerhalten,
der über
den gesamten Flammenweg immer nahe an der inneren Wandoberfläche verbleibt. Dies
ist in 3 für
die erste Brennervorrichtung der Erfindung dargestellt.
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Für die Brennstoffströmung und
die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung wird
eine spezifische Strömungsgeometrie
vorgeschlagen, so daß das
Vermischen zwischen Brennstoff und Sauerstoffträger sorgfältig gesteuert wird, um ein
Brennerleistungsverhalten mit variabler Flammenform zu bieten. Eine
traditionelle zylindrische Flamme oder eine flache Flamme kann dadurch
erhalten werden, daß einfach
die Brennerspitzen und die innere Brennerblockgeometrie verändert werden.
In vielen Fällen
kann ein feuerfester Einsatz mit der erforderlichen internen Geometrie
in den vorhandenen Brennerblock eingesetzt werden, um die interne
Brennerblockgeometrie zu verändern.
Dies würde
eine lange Unterbrechung des Erwärmungsprozesses
verhindern. Die Gesamtaufgabe wird mit einem gleichmäßigen Wärmefluß zur Charge
und ohne übermäßige Flammentemperaturen
oder eine Überhitzung
von Brennerteilen erfüllt.
In Öfen,
die hohe Konzentrationen von Prozeßteilchen oder flüchtigen
Bestandteilen enthalten, ist dieses Konzept eines aktiven Durchströmens des Brennerblockinneren
sehr wichtig, weil sich ansonsten Material innerhalb des Brennerblocks
aufbauen könnte. Unter
einigen Strömungsbedingungen,
insbesondere bei hohen Brenntemperaturen, können sich Bereiche mit niedrigem
Druck oder Rezirkulationszonen entwickeln, und Teilchen aus der
Ofenatmosphäre
können
in das Innere der Brennkammer eindringen und dort Teilchenmaterial
ablagern. Wenn ein aktives Durchströmen nicht durchgeführt wird,
können
sich Teilchen ansammeln und einen negativen Einfluß auf die
Gesamtflammenfluiddynamik ausüben.
Es ist nicht unüblich,
daß die
Flamme abgelenkt wird, auf die feuerfeste innere Oberfläche des
Blocks aufprallt und dadurch einen katastrophalen Blockausfall bewirkt.
Die schematische Darstellung in 3 zeigt
die aktive Brennerblockkühlung
und den Teilchendurchströmungsprozeß.
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Die
Kondensation flüchtiger
Bestandteile an der Brennerdüsenspitze
kann auch unter gewissen Bedingungen ohne aktives Durchströmen des
Brennerblocks erfolgen. Kondensierte Salze können mit metallischen Düsenspitzen
reagieren. Im Falle einer chemischen Reaktion kann eine beschleunigte
Korrosion einen vorzeitigen Ausfall zur Folge haben. Die kondensierten
Salze können
sich auch in aufeinanderfolgenden Schichten an der Düsenspitze
aufbauen, was Strömungseinschränkungen
oder Flammenablenkungen bewirken kann. Es kann wiederum zu einem
katastrophalen Ausfall des Blocks kommen.
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Bei
der traditionellen Brennerkonstruktion (in Rohr-in-Rohr-Ausführung) ist
die Erdgasdüse
typischerweise näher
zur heißen
Zone hin vorgesehen, um eine wesentliche Flammenbildung im Brennerblock
zu verhindern. Selbst bei Anwendungen mit einem geringen Teilchenanteil
kann diese Anordnung eine beschleunigte Korrosion der Düse hervorrufen.
Diese Korrosion kann selbst bei exotischen Materialien, beispielsweise
bei Inconel 600- und PM 2000-Legierungen, auftreten. Es wurden zwei
unterschiedliche Korrosionsmechanismen festgestellt. An der Innenseite
der Düse,
die dem Erdgas ausgesetzt ist, kann eine starke Metallstaubbildung auftreten,
insbesondere bei einer Inconel 600-Legierung. An der Außenseite
der Düse
kann es zu Lochfraß und
zu einer Chromabreicherung kommen. Um diesen Problemen entgegenzuwirken,
ist eine neuartige Düse mit
zwei verschiedenen Auslegungsmerkmalen konstruiert worden.
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a) Aerodynamische Form:
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Die
interne und externe Brennstoffdüsengeometrie
ist optimiert, um die Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen aerodynamisch
zu vermischen. Dies ist schematisch in 5 dargestellt.
Wie aus 5 ersichtlich, kann sich die
wirbelnde Sauerstoffträgerströmung (in
der axialen/tangentialen Richtung) mit der Brennstoffströmung allmählich und
in einer aerodynamischen Weise vermischen, ohne daß es zu
einem scharfen Schnittpunkt zwischen den beiden Fluidströmungen kommt.
Der externe Winkel der Brennstoffdüse, θ, ist auf einen Wert festgelegt,
der nur von etwa 5° bis
7° reicht.
Diese Ausführung
vermeidet eine Strömungstrennung
in der wirbelnden Sauerstoffträgerströmung. Die
Grenzschichttheorie für
einen turbulenten Strahl zeigt, daß bei Gasströmungswinkeln
von mehr als 7° die
Möglichkeit
einer Strömungstrennung
besteht. Eine getrennte Sauerstoffträgerströmung hat Rezirkulationsbereiche
und einen Niedrigdruckbereich im Staubereich (18a und 18b)
der Brennstoffdüse 16 zur
Folge. Turbulente Wirbel in den Rezirkulationsbereichen können bewirken,
daß die
Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen beschleunigt
vermischt werden und sich die Heißstelle bildet. In einigen
Fällen
können
diese Heißstellen
zur Rußbildung
führen
oder Prozeßteilchen
(d.h. von der gerade erwärmten
Charge) dazu anregen, sich aufgrund der Staubereiche 18a, 18b an
der Brennstoffdüsenspitze
abzulagern.
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b) Thermisch wirksame
Ausführung:
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Die
Brennstoffdüsenkonstruktion 16 ist
so beschaffen, daß sie
sowohl "konduktive" als auch "konvektive" Wärmeübertragungsmechanismen
vorteilhaft für
eine wirksame Wärmeabstrahlung
nutzen kann. Die Ausführung
mit hoher Wärmekonduktion
wird durch die Verwendung einer relativ dickeren Düsenkonstruktion erzielt.
Im allgemeinen Betrieb ist die durch die erfindungsgemäße Brennervorrichtung
und nach den Verfahren der Erfindung erzeugte Flamme an der Düsenspitze
verankert. Die Düsenspitze
sollte daher in der Lage sein, Wärme
vom konzentrierten Spitzenbereich abzuleiten und sie über eine
gewisse Distanz zu einer Stelle stromaufwärts vor der Brennstoffdüse (zur
Brennstoffzuführung
hin) zu übertragen.
Wie in 6 dargestellt, strömen die Brennstoffströmung "F" und die Sauerstoffträgerströmung "O" von stromaufwärts nach stromabwärts; von links
nach rechts, wie aus 6 ersichtlich. Die dickere Düse 16 läßt diesen "Axialkonduktions"-Modus zu, wie durch
die Pfeile 56 verdeutlicht. Die übertragene Wärme wird
dann von den strömenden
Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen (an
beiden Seiten der Düse) durch
Zwangskonvektionswärmeübertragung
aufgenommen, wie bei 54 dargestellt. Kurz gesagt: Die relativ
dickere Spitze läßt eine
wirksame Wärmeübertragung durch
eine Axialkonduktion 56 und anschließend durch eine wirksame Zwangskonvektion 54 zu.
Die Zwangskonvektionsmoden beruhen auf der strömenden Brennstoffströmung und
der strömenden
(wirbelnden) Sauerstoffträgerströmung. Zusätzlich wirken
die für
den wirbelnden Sauerstoffträger
verwendeten Führungsschaufeln 24 auch
als "Wärmekonduktionsrippen" und übertragen
die Wärme
(58) konduktiv ganz wirksam auf ringförmige wirbelnde Sauerstoffträgerströmungen.
Abhängig
von der Anzahl der Rippen (vorzugsweise etwa 4 bis etwa 16) können die
Wärmekonduktion
und anschließend
der Wirkungsgrad der Zwangskonvektionswärmeübertragung ganz wesentlich
verbessert werden. In den verschiedenen experimentellen Tests hat
sich gezeigt, daß die
Düsentemperatur
bei Verwendung der obigen Spitzenausführung bei gleicher Brenntemperatur
und Verwendung einer ähnlichen
Geometrie für
andere Brennerauslegungsparameter von 538°C auf 149°C (von 1000°F auf 300°F) reduziert wurde.
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Die
neuartigen Düsen
der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise mittels einer Standardgewindeverbindung
mit der Brennstoffleitung verbunden, um die Düse leicht ersetzen oder Düsen für unterschiedliche
Brenntemperatureinsätze ändern zu
können.
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Eine
numerische Simulation des in der ersten Ausführungsform beschriebenen Brenners
wurde unter Verwendung des für
fluiddynamische Berechnungen ausgelegten Computerprogramms FLUENT/UNS
durchgeführt.
Die verwendete Domäne
war ein 2D-achsensymmetrisches Feld mit Verwirbelung. Zu den eingesetzten
physikalischen Modellen zählen
das PDF-Modell für
die Verbrennung, das RNG-k-Epsilon-Modell für die Turbulenz und das P1-Modell
zur Berücksichtigung
der Wirkungen einer Strahlungswärmeübertragung.
Die berücksichtigte
Erdgasströmungsrate
betrug 96,93 Nm3/h (2.300 Standardkubikfuß/h), und
die Sauerstoffträgerströmungsrate
belief sich auf 206,5 Nm3/h (4.900 Standardkubikfuß/h). Die
virtuellen Wände
des Brennraums wurden als adiabatisch angenommen, und die konduktive
Wärmeübertragung
durch die Blockwand wurde berücksichtigt.
Zu Vergleichszwecken wurden zwei unterschiedliche Fälle untersucht:
der Basisfall ohne Verwirbelung sowie der zweite Fall mit einem
Verwirbelungswinkel θ von
20° nur
für die
Sauerstoffströmung.
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Die 7a und 7b zeigen
das Sauerstoffprofil in den beiden Fällen, 7a für die nicht
verwirbelte Strömung
und 7b für
die Strömung
mit Verwirbelung, für
einen in Übereinstimmung
mit 1 konstruierten Brenner. Die Ergebnisse zeigen,
daß die
Verwirbelung einen wichtigen Einfluß bei der radialen Einschränkung der
Sauerstoffstreuung hat, wobei sich der meiste Sauerstoff näher zur
Brennerachse hin konzentriert. Diese Muster werden den Differenzen
im Sauerstoffmomentum zugeschrieben, und die Folgen dieser Muster
für den
Brennerbetrieb werden unter Bezugnahme auf die 8a und 8b erörtert.
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Die 8a und 8b zeigen
die Temperaturprofile für
den Fall ohne Verwirbelung (8a) bzw.
mit Verwirbelung (8b) wiederum für einen
in Übereinstimmung
mit 1 konstruierten Brenner. Die Temperaturprofile
zeigen, daß der
Fall mit Verwirbelung in 8b zu
einer längeren
Flamme führt,
die sich, verglichen mit der "trägeren" Flamme in dem Fall
ohne Verwirbelung (8a), wesentlich mehr zur Brennerachse hin
konzentriert. Die Flamme in dem Fall ohne Verwirbelung tendiert
dazu, radial zur Chargenoberfläche
(nach unten) und zu den Wandoberflächen (nach oben) hin zu streuen.
Die Differenz in der Temperaturverteilung ist für verschiedene industrielle
Anwendungen, beispielsweise für
die Glasherstellung, von großer
Bedeutung. Das Einführen
der Verwirbelung hat somit niedrigere Temperaturen sowohl an der
geschmolzenen Glasoberfläche als
auch an den Ofenwänden
zur Folge, wie aus den 8a und 8b erkennbar.
Dieses Muster führt zu
geringeren Emissionen aus dem geschmolzenen Glas, was ein sehr wichtiges
Merkmal für
den erfindungsgemäßen Brenner
ist, sowie zu einem geringeren Verschleiß an der Ofenkrone. Die aus
den 8a und 8b ersichtlichen
Temperaturverteilungen zeigen auch, daß die direktere Flamme der
verwirbelten Strömung
zu einem niedrigeren Temperaturprofil im Brennerblock führt. Dies
ist angesichts der in handelsüblichen Glasöfen anfallenden
hohen Temperaturen, die die Brennerlebensdauer drastisch verkürzen und
sich folglich auf den Ofenwirkungsgrad auswirken können, ein
anderer wichtiger Parameter der erfindungsgemäßen Brenner. Zusätzlich besitzt
die verwirbelte Strömung
ein höheres
Momentum für
die Sauerstoffströmung,
was zu einer verbesserten Konvektionskühlung der Brennerspitze und
des Brennerblocks führt,
wobei die durchschnittlichen Temperaturen im Vergleich zu der Strömung ohne
Verwirbelung niedriger sind. In den hier vorgestellten Fällen ist
das durchschnittliche Sauerstoffmomentum für die verwirbelte Strömung etwa
10% höher
als in dem Fall ohne Verwirbelung. Dieser Faktor, kombiniert mit
der durch die Gechwindigkeitstangentialkomponente bereitgestellten
Zentrifugalkraft, führt
zu einer verbesserten Strömung
in der Nähe
der Wände
des Brennerblocks und folglich zu einem höheren konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten.
Der Fall ohne Verwirbelung führt
somit zu einem höheren
Temperaturprofil im Brennerblockauslaß, mit Temperaturen, die bis
zu 43,3°C
(110°F)
höher als
in dem Fall mit Verwirbelung liegen.
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Die 7a, 7b, 8a und 8b zeigen
auch, daß eine
anfänglich
ausgedehnte Brennkammer mit nicht konstantem Durchmesser, gefolgt
von einer im wesentlichen zylindrischen Brennkammergeometrie, die
Aufrechterhaltung einer Sauerstoffträgerverwirbelung aufgrund einer
geringeren Wandreibung positiv beeinflußt. Wenn nicht zugelassen wird,
daß sich
eine wirbelnde Fluidströmung
in der Verwirbelungskammer entwickeln und sich dann in der radialen
Richtung ausdehnen kann, stirbt die Verwirbelungsintensität aufgrund der
Wandreibungswirkungen rasch ab. In einer Brennkammer mit konstantem
Durchmesser reagiert andererseits der wirbelnde Sauerstoffträger aufgrund
der engen Nähe
in der Brennkammer zu schnell mit dem Brennstoff, wodurch eine kurze,
intensive Flamme erzeugt wird. Die Kühlung des Brennerblocks wird
auch durch das Vorhandensein eines Ausdehnungsbereichs aufgrund
des langsameren Ausbrennens des wirbelnden Sauerstoffträgers in
einer Brennkammer mit einem relativ breiteren Durchmesser positiv
beeinflußt.
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Nach
mehreren Labortests mit einem in Übereinstimmung mit den 1 und 2 konstruierten Brenner
wurden zusätzliche
Tests in einem zur Herstellung von Borsilikatwolleisolierung (Glasfasern)
verwendeten Ofen durchgeführt.
Die Leistung des Ofens mit einer Schmelzfläche von 68,75 m2 (740
Quadratfuß)
betrug etwa 150 Tonnen/Tag, wobei 10 herkömmliche Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner
in Rohr-in-Rohr-Ausführung verwendet
wurden, die unter dem Handelsnamen ALGLASSTM von
Air Liquide America Corporation, Houston, Texas, vertrieben werden.
Die Brenntemperatur des Ofens betrug etwa 5.5651 MM W (19 MM Btu/h). Die
herkömmlichen
Brenner mußten,
da sich im Ofen hohe Anteile von Teilchen, Kondensaten und flüchtigen Bestandteilen
angesammelt hatten, wöchentlich
gereinigt werden. Die Brennerdüse
und die Brennerblöcke mußten regelmäßig gereinigt
werden. Der Kunde erklärte
sich mit einem begrenzten Feldversuch einverstanden, bei dem ein
verbesserter Brenner gemäß dieser
Erfindung mit einer Leistung von 500 kW bei Anordnung auf halber
Länge eingesetzt
wurde. Die Aufgaben bestanden darin, die Wartungs- und Reinigungserfordernisse
bei Verwendung des neuen Brenners zu verringern. Der herkömmliche
Brenner wurde herausgezogen, und der neue Brenner und Brennerblock
(wie schematisch in den
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1 und 2 dargestellt)
wurden installiert. Die Brenner- und Blockdaten sind wie folgt:
Geschwindigkeit
(Sauerstoffträger)
= 6,7 bis 26,1 m/Sek. (22 bis 75 Fuß/Sek.);
Geschwindigkeit
(Brennstoff) = 13,92 bis 39,62 m/Sek. (40 bis 130 Fuß/Sek.);
Lc/Dc
= 1,78;
Dc = 8,59·10-2 m (3,38 Zoll);
Le = 15% der Brennkammergesamtlänge Lt,
wobei Lt = Le + Lc;
Ds = 5,56·10-2 m
(2,2 Zoll);
Lc = 0,15 m (5,9 Zoll); Ls = 0,05 m (2 Zoll); Le
= 2,7·10-2 m (1,06 Zoll); und Verwirbelungswinkel θ = 10°.
-
Der
Brenner arbeitete mit einer durchschnittlichen Brenntemperatur von
673670 MW (2,3 MM Btu/h) und erzeugte eine durchschnittliche Flammenlänge von
8 Fuß sowie
eine Flammenbreite von etwa 0,51 m (20 Zoll). Die Flamme war sehr
leuchtend (mehr als bei dem unter dem Handelsnamen ALGLASSTM bekannten herkömmlichen Brenner) und viel
breiter. Die Temperaturen im Blockinneren (gemessen mit einem optischen Pyrometer)
waren aufgrund der Kühl-/Durchströmungswirkung
des Sauerstoffträgers
niedriger. Die Brennerdüse
war mit 93 bis 149°C
(200 bis 300°F
nach Langzeitbetrieb) sogar noch kühler. Nach einem mehrwöchigen kontinuierlichen
Betrieb wurde der erfindungsgemäße Brenner
zur Inspektion herausgezogen. Er erwies sich als sehr sauber und
erforderte keinerlei Reinigung. Der Brennerblockhohlraum war ebenfalls
sehr sauber. In Absprache mit dem Kunden wurde beschlossen, den
gesamten Ofen (10 Brenner) auf die erfindungsgemäßen Brenner umzurüsten. Nach
einem neunmonatigen kontinuierlichen Betrieb hatte sich gezeigt,
daß die
neuen Brenner keine regelmäßige Reinigung
erforderten.
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Die
verschiedenen Aspekte der Erfindung wurden mit Blick auf zahlreiche
Vorteile beschrieben, aber für
den Fachmann auf diesem Gebiet versteht es sich, daß an den
hierin beschriebenen Brennervorrichtungen und Verfahren kleinere
Variationen und Modifizierungen vorgenommen werden können, die
als unter den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallend
angesehen werden.
