DE2659170A1

DE2659170A1 - Verfahren und brenner zur teilverbrennung eines fluessigen oder gasfoermigen brennstoffes

Info

Publication number: DE2659170A1
Application number: DE19762659170
Authority: DE
Inventors: Pius Eugenius Mari Duijvestijn
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1975-12-30
Filing date: 1976-12-28
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS5284527A; NL7515165A; CA1063503A; SE7614605L; US4406610A; FR2337309A1

Description

Shell Internationale Research Maatschappij BoV= Den Haag, Niederlande

Verfahren und Brenner zur Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes

Beanspruchte Priorität;

30.Dezember 1975 Niederlande Nr. 7515165

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in einem mit feuerfester Verkleidung versehenen Reaktor, wobei Kraftstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas für die Verbrennung in den Reaktor über einen Brenner eingeführt werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auch auf einen Brenner für die Tei!verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes, mit einer Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas.

Die bei einem Verfahren der einleitend genannten Art freigesetzte Wärme erfordert die Verwendung einer feuerfesten Aus-

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kleidung in dem Reaktor, wobei allerdings diese Auskleidung wegen thermischer Beschädigung häufig erneuert werden muß.

In der Vergangenheit wurde vorgeschlagen, zum Schutz des Inneren eines Reaktors gegen einen unzulässigen Temperaturanstieg das.Einspritzen von Wasser oder Dampf oder eines kalten, inerten Gases vorzusehen. Bei dieser Art von Einspritzung traten häufig hohe örtliche Temperaturdifferenzen in der Auskleidung bzw. Verkleidung des Reaktors auf, die ebenfalls dazu führen konnten, daß der Reaktor vorzeitig ausfiel. Der Grund für diese örtlichen Temperaturdifferenzen besteht wahrscheinlich darin, daß eine nur unzureichende Mischung des Kühlmittels mit dem Reaktionsgas bewirkt wurde, so daß an einigen Stellen eine zu starke Kühlung, an anderen Stellen dagegen überhaupt kein Kühleffekt auftrat.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, hier eine Verbesserung zu schaffen und Maßnahmen zu finden, durch die eine gleichförmige Temperatur-Absenkung der Reaktorauskleidung erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der einleitend genannten Art dadurch gelöst, daß über den Brenner 'in den Reaktor auch ein zentraler Dampfstrahl eingespritzt wird, der divergiert und um seine Achse rotiert. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein wirksamer Kühleffekt erzielt, weil d$r Dampf sich von Anfang an richtig mit dem

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Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas vermischt.

Ein in Verbindung mit der Kühlung des Inneren eines Reaktors auftretendes Problem besteht für den Fall einer Teilverbrennung im allgemeinen darin, daß die Gefahr von Rußbildung häufig viel größer wird. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Maßnahmen kaum zu einem Ansteigen dieses Risikos führen. Dies kann vielleicht dadurch erklärt'werden, daß Rußbildung insbesondere dann zu erwarten ist, wenn zu große örtliche Temperaturdifferenzen in dem Reaktor auftreten, wobei die erfindungsgemäßen Maßnahmen bereits das Entstehen solcher Temperaturdifferenzen verhindern wegen der frühzeitigen und vollständigen Vermischung des Kühlmittels und der Brennstoff/Sauerstoff-Mischung.

Nach der Erfindung wird ein divergierender Dampfstrahl in den Reaktor über den Brenner eingespritzt. Da dieser Dampfstrahl den Brenner zentral verläßt und der Brennstoff wie das sauerstoffhaltige Gas auch in den Reaktor über denselben Brenner eingeführt v/erden, wird ein divergierender Dampfstrahl insbesondere mit dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas vom frühestmöglichen Zeitpunkt an undso vollständig wie möglich vermischt.

Die Wirksamkeit des divergierenden DampfStrahles ist teilweise abhängig von dem Divergierwinkel. Es zeigte sich, daß bei

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üblicherweise für die Teilverbrennung von Brennstoffen verwendeten Brennern die Anwendung eines Divergier-Winkels entsprechend einer Kegelfläche mit einem öffnungswinkel von 60° optimale Resultate lieferte. Es zeigt sich jedoch auch, daß die Verwendung eines öffnungswinkels im Bereich von etwa 30° bis hinauf zu etwa 90° durchaus möglich ist.

Weiterhin hat man gefunden, daß insbesondere ein divergierender und rotierender Dampfstrahl durch sehr einfache Einrichtungen erzeugt werden kann, da eine Rotation leicht zur Erzeugung einer Divergenz benutzt werden kann, insbesondere in Fällen, in denen ein hohler Dampfstrahl ausgespritzt wird. Es ist dann ausreichend, dafür zu sorgen, daß der hohle rotierende Dampfstrahl den Brenner durch eine sich erweiternde öffnung mit einer im wesentlichen konischen Gestaltung verläßt. Der hohle, rotierende Strahl wird dann automatisch divergieren.

Der Dampfstrahl kann zu einer Rotation um seine Achse dadurch gebracht werden, daß man den Dampf in den Brenner z.B. zu einer Ausspritzöffnung über Kanäle, Leitungen, Nuten o.a. hinführt, die in ihr tangential enden.

Die Erfindung ist in ganz besonderem Maße zur Anwendung in Fällen geeignet, wo ein gasförmiger Brennstoff verwendet wird, der selbst den Brenner in einem hohlen, divergierenden Strahl

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verläßt. Dies sichert eine wirkungsvolle Vermischung mit dem
sauerstoffhaltigen Gas und eine gute Verbrennung ohne Rußbildung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als
Brenner ein Brenner mit einer geraden Einspritzeinrichtung verwendet, .wobei das sauerstoffhaltige Gas aus dem Brenner austritt in Form eines Hüllmantels um die Einspritzeinrichtung
über einen Luft- bzw. Gasschieber, der dem sauerstoffhaltigen Gas nicht nur einen Axial- , sondern auch einen Tangentialimpuls vermittelt. Diese Maßnahme trägt auch zu einer vollständigen Vermischung der Einzelkomponenten bei, die in den Reaktor eingeführt werden sollen, und daher zu einem optimalen Kühleffekt des eingeführten Dampfes.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet für die Anwendung bei der Produktion von reduzierenden Gasen durch
Teilverbrennung, insbesondere bei der Produktion von reduzierenden Gasen, die für die Reduktion von Abgasen mit Schwefelverbindungen verwendet werden sollen.

Ein Beispiel für ein solches Abgas ist das Abgas einer Claus-Einheit (Claus-Ofen), die einige Schwefeldioxide, Schwefelwasserstoff und/oder Carbonylsulfid enthält. Die Schwefelverbindungen können von solchen Abgasen durch Vermischung mit
einem reduzierenden Gas entfernt werden, indem das Gasgemisch bei einer geeigneten Temperatur über einen Katalysator zur
Reduktion von Schwefelverbindungen(außer Schwefelwasserstoff )

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zu Schwefelwasserstoff und durch anschließende Ab- oder Adsorption des Schwefelwasserstoffes aus dem Gas geleitet werden. Die reduzierenden Gase, die für solche Abgasreinigung benötigt werden, enthalten vorzugsweise einen hohen Prozentsatz von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid.

Die Erfindung bezieht sich aber auch auf einen Brenner für die Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, der eine Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff und sauerstoff haltigem Gas aufweist. Der erfindungsgemäße Brenner ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ausspritzen eines zentralen DampfStroms, mittels derer dem Dampfstrom nicht nur ein Axial-, sondern auch ein Tangential-Impuls aufprägbar ist. Ein solcher Brenner ist besonders geeignet für die Verwendung bei.einem erfindungsgemäßen Verfahren, weil dabei ein zentraler Dampfstrom erhalten werden kann, der um seine Achse rotiert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners ist gekennzeichnet durch eine gerade Brenner-Einspritzeinrichtung, die ein doppelwandiges Rohr aufweist, in dem eine Einrichtung für das Ausspritzen von Brennstoff angeordnet ist, die zentral am vorderen Ende der Brenner-Einspritzeinrichtung befestigt ist. Eine solche Einrichtung zum Ausspritzen von Dampf kann sogar bei einigen bereits existierenden Brennertypen für Teilverbrennung eingebaut werden.

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Eine vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners besteht darin, daß die Einrichtung zum Ausspritzen von Dampf eine Bohrung aufweist, die im wesentlichen konisch oder trichterförmig ausgebildet ist, sich von ihrem Boden zu ihrem oberen Ende, das am oberen Ende der Brenner-Einspritzeinrichtung angeordnet ist, erweitert, und in der nahe ihrem Boden die Auslässe tangential angeordneter Schlitze, Führungen, Nuten o.a. angeordnet sind, die mit einem zentralen Hohlraum in der Brenner-Einspritzeinrichtung in Verbindung stehen. Hierdurch läßt sich ein hohler, zentraler Dampfstrom erzielen, der divergiert und um seine Achse rotiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1. einen Axial schnitt eines Teiles eines erfindungsgemäßen

Brenners;
Fig. 2 einen Radialschnitt durch den Brenner aus Fig. 1 längs der Ebene II-Ii:.

In Fig. 1 ist das vordere Ende der Einspritzeinrichtung 1 eines Brenners für die teilweise Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffes dargestellt. Die Einspritzeinrichtung 1 ist in einem •Raum 3 untergebracht, der in· der feuerfesten Auskleidung 2 eines Reaktors offengelassen wurde. Zwischen dem Raum 3 und dem Reaktorraum 4 ist eine Einengung 5 vorgesehen. Durch eine

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" 46-kreisförmige öffnung in dieser Einengung 5 treten Kraftstoff, Verbrennungsluft und Dampf, die durch den Brenner eingespritzt werden, aus dem Raum 3 in den Reaktorraum 4 ein.

Die Verbrennungsluft wird in den Raum 3 über einen (nicht dargestellten) Luftschieber eingeführt, der am entfernt liegenden Ende des Raumes 3 um die Brenner-Einspritzeinrichtung 1 angeordnet ist. Die Verbrennungsluft strömt in einem Hohlstrahl, der um seine Achse rotiert, längs der Brenner-Einspritzeinrichtung 1 vorwärts und tritt in den Reaktorraum 4 über die Einengung 5 ein. Die Brenner-Einspritzeinrichtung 1 weist ein doppelwandiges Rohr auf, dessen innere Rohrwandung 6 und äußere Rohrwandung 7 einen kreisförmigen Schlitz bzw. Spalt 8 ausbilden, der an seinem vorderen Ende 9 geschlossen ist, wobei in einiger Entfernung von diesem vorderen Ende die Einspritzeinrichtung 1 mit kleinen Bohrungen 10 versehen ist, die in regelmäßigem Abstand ringsum am Umfang der äußeren Wandung 7 verteilt angeordnet sind.

Der gasförmige Brennstoff verläßt den kreisförmigen Spalt 8 durch die Löcher 10 und wird unter dem Einfluß des rotierenden Luftstroms umgeleitet in der Art, wie dies in Fig. 1 etwa durch den Verlauf der Linie 11 gekennzeichnet ist.

Die Brenner-Einspritzeinrichtung 1 weist weiterhin einen Deckel mit zwei voneinander getrennten Teilen 12 und 13 auf, der am

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vorderen Ende des doppelwandigen Rohres befestigt Ist. In dem äußeren Teil 12 dieses Deckels'.ist eine Ringnut 14 direkt an der Berührstelle zwischen den Teilen 12 und 13 vorgesehen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist» Diese Nut 14 ist mit dem Inneren 18 der Brenner-Einspritzeinrichtung 1 über eine Anzahl von öffnungen 15 verbunden, die in regelmäßigem Abstand längs des Umfangs der Nut 14 im Teil 13 angebracht sind. Weiterhin ist der Kanal 14 mit einer zentralen Auslaßöffnung 17 des Deckels über vier tangential angeordnete Schlitze 16 verbunden (vgl. Fig. 2). Die Schlitze 16 enden in der öffnung 17, und zwar direkt über deren Boden; die öffnung 17 ist an ihrem Boden durch den inneren Teil 13 des Deckels verschlossen. Der auslaßseitige Teil der öffnung 17 weitet sich nach außen in einer im wesentlichen kegelförmigen Ausbildung.

Der Dampf, der bei erhöhtem Druck über das Innere 18 der Brennereinsprit ζ einrichtung 1 zugeführt wird, gelangt in die Nut 14 über die öffnungen 15 und fließt von der Nut 14 über die Schlitze 16 in die öffnung 17 hinein. Der Dampf verläßt dann den Auslaß der öffnung 17 als ein divergierender Hohlstrahl 20, der um seine Achse rotiert.. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kegelfläche, längs der der Dampf den Deckel verläßt, -einen öffnungswinkel von etwa 60° auf. -

Bei dem gezeigten Brenner wurde gefunden, daß direkt hinter der Einschnürung 5 Dampf, Luft und Gas in dem Reaktorraum 4

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so durcheinandergemischt werden, daß sich ein optimaler Kühleffekt durch den Dampf einstellt.

Zur weiteren Darstellung der Erfindung wird nachfolgend ein Beispiel angegeben:

Beispiel

Mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Brenneranordnung wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt. Dabei betrug die

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Reaktorkapazität 0,16 m . Als Brennstoff wurde Naturgas bzw. Erdgas verwendet (86 -Vol.-% CH., Rest N₃) verwendet. Der Brenner war mit 13 Brennstofföffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 4,5 mm und mit 13 Brennstofföffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 3,5 mm versehen. Bei einem der Versuche wurde der Brenner mit einem Deckel der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art für die Einführung des Dampfes versehen. Bei den anderen Versuchen wurde flüssiges Wasser in Form eines zentral verlaufenden Strahles in den Brenner eingespritzt, wobei in.dem Brenner ein nicht der Erfindung entsprechender Deckel befestigt war. In all den Versuchen lag die Brennerbelastung bei etwa 70%.

Zuerst wurde Erdgas ohne Zusatz von Dampf oder Wasser bei einer Stöchiometrie (Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff) von 57,2%, 61,4%, 66,8% und 75,2% verbrannt. Die entsprechenden Flammentemperaturen, die mit Hilfe eines Pyrometers bestimmt wurden, waren 1310° C, 1360° C, 1385° C und 1440° C. Sodann wurde

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Erdgas bei einer Stöchiometrie von etwa 8 0° verbrannt mit einer bestimmten Menge von Dampf bzw. Wasser, wobei diese Mengen gleich der Menge des Gases (in Kilogramm/Stunde) gewählt waren. Die Flammentemperaturen betrugen nunmehr 1355° C bzw. 1400° C.

Ein Vergleich dieser Ergebnisse zeigt, daß die Flammentemperatur nicht nur von der Stöchiometrie beeinflußt wird, sondern auch von der Einspritzung von Wasser oder Dampf, und daß das Einspritzen von Dampf in der erfindungsgemäßen Weise einen relativ großen Temperaturabfall bewirkt.

Wenngleich die Erfindung auf die in den Fig. dargestellte Ausführungsform nicht beschränkt ist, verkörpert sie sich dennoch in ganz besonders vorteilhafter Weise in der den Fig. 1 und 2 entnehmbaren bzw. dort dargestellten Ausfuhrungsform.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in einem mit feuerfester Verkleidung versehenen Reaktor, wobei Kraftstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas für die Verbrennung in den Reaktor über einen Brenner eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß über den Brenner in den Reaktor auch ein zentraler Dampfstrahl eingespritzt wird, der divergiert und um seine Achse rotiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfstrahl längs einer kegelförmigen Fläche mit einem öffnungswinkel von etwa 60° divergiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Brenner ein hohler Dampfstrahl ausgespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Brenner ein divergierender Hohlstrahl gasförmigen Brennstoffes ausgespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Brenner ein Brenner mit einer geraden Einspritzeinrichtung verwendet wird und daß das sauerstoffhaitige Gas aus dem Brenner austritt in Form eines Hüllmantels um die Einspritzeinrichtung über einen Gasschieber, der ihm nicht nur einen Axial-,sondern auch einen Tangential-Impuls aufprägt.

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6. Brenner für die Teilverbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes, mit einer Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12 bis 17) zum Ausspritzen eines zentralen Dampfstromes (2 0), mittels derer dem Dampfstrom (20) nicht nur 'ein Axial-, sondern auch ein Tangential-Impuls aufprägbar ist.

7. Brenner nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine gerade Brenner-Einspritzeinrichtung, die ein doppelwandiges Rohr (6, 7) aufweist und an der zentral am vorderen Ende die Einrichtung (12 bis 17) zum Ausspritzen von Dampf (20) befestigt ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ausspritzen von Dampf eine Bohrung (17) aufweist, die im wesentlichen konisch oder trichterförmig ausgebildet ist, sich von ihrem Boden zu ihrem oberen Ende, das am oberen Ende der Brenner-Einspritzeinrichtung (7 bis 9) angeordnet ist, erweitert, und in der nahe ihrem Boden tangential angeordnete Schlitze (10) münden, die mit einem zentralen Hohlraum (18) in der Brenner-Einspritzeinrichtung in Verbindung stehen.

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