Verfahren zum Verbrennen von Brenngas mit Sauerstoffgas sowie zugehöriger Brenner

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Brenngas mit Sauerstoffgas insbesondere bei Niedrigdruck-Brenngasversorgung « 100 mbar) und unter Anwendung des Coanda-Effekts, d.h. daß einem Saug-Misch-Rohr über den gesamten Querschnitt bis auf einen Ringspalt benachbart zur Wand des Saug-Misch-Rohres Niederdruck-Brenngas zugeführt wird, während gleichzeitig über den Ringspalt Sauerstoffgas mit höherem Druck eingespeist wird und so eine zusätzliche Ansaugung von Brenngas entsteht.
Um ein solches Niederdruck-Verbrennungsverfahren zu verbessern, leistungsfähig, sicher und gut regelbar auszugestalten, wird vorgeschlagen, daß nur ein primärer Teil des zur Verbrennunng notwendigen Sauerstoffgases über den Coanda-Ringspalt (5') innerhalb des Saug-Misch-Rohres(2) zugeführt wird, während ein sekundärer Teil erst dem das Saug-Misch-Rohr verlassenden Gasgemisch zugeführt wird, wobei die Werte für

- Druck und Menge des primären Sauerstoffgases

- Druck und Menge des sekundären Sauerstoffgases

abhängig vom verfügbaren Brenngasdruck, der gewünschten Einstellung der Verbrennung und der Verbrennungsleistung sowie dem Anwendungszweck und sicherheitstechnischen Eckdaten eingestellt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Brenngas mit Sauerstoffgas insbesondere bei Niedrigdruck-Brenngasversorgung « 100 mbar) und unter Anwendung des Coanda-Effekts, d.h. daß einem Saug-Misch-Rohr über den gesamten Querschnitt bis auf einen Ringspalt benachbart zur Wand des Saug-Misch-Rohres Niederdruck-Brenngas zugeführt wird, während gleichzeitig über den Ringspalt Sauerstoffgas mit höherem Druck eingespeist wird und so eine zusätzliche Ansaugung von Brenngas entsteht.

[0002] Erfindungsgemäß relevante Brennstoffe sind dabei prinzipiell alle gasförmigen Brennstoffe, insbesondere betrifft die Erfindung jedoch Brenngase, die aus technischen Gründen häufiger nur mit Niederdruck verfügbar sind, wie z.B. Erdgas. Der Begriff Sauerstoffgas umfaßt erfindungsgemäß Luft, sauerstoffangereicherte Luft sowie vor allem reinen Sauerstoff.

[0003] In der Verbrennungs- und Feuerungstechnik ist im Gegensatz zur Autogentechnik vor allem die Erzeugung einer bestimmten Feuerungsleistung (MJ/sec = MW) das Ziel. Dabei kann die Problemstellung auftreten, daß mit einem nur niedrig vorgespannten Brenngas, d.h. mit Brenngasdrücken wesentlich niedriger als 100 mbar, gearbeitet werden muß. Infolgedessen entsteht unter Umständen das Problem, daß die für eine bestimmte Feuerungsleistung notwendige Menge an Brenngas nicht ohne weiteres aus der Brenngasversorgung verfügbar ist.

[0004] Für diesen Fall ist es denkbar, Treibdüsenbrenner einzusetzen. Treibdüsenbrenner sind vor allem aus der Autogentechnik bekannt. Die dort verwendeten Injektionsbrenner haben jedoch wesentlich die Zielsetzung eine gute Vermischung von Brenn-und Sauerstoffgas zu bewirken und werden auch aus sicherheitstechnischen Gründen dort bevorzugt angewendet. Ein wesentlicher Punkt bei Treibdüsenbrennern besteht eben jedoch auch darin, daß von den zweien, für eine Verbrennung notwendigen Medien, nämlich dem Brenngas und dem Sauerstoffgas, eines vom anderen mittels des bekannten Saugeffekts in erhöhtem Maße herangeführt werden kann. Prinzipiell sind dazu der ansaugende Effekt eines kompakten, zentral strömenden Strahls auf seine Umgebung sowie der Coanda-Effekt bekannt (siehe Lehrbuch "Industrieofen- und Brennerbau" J.H.Brunklaus, Vulkan Verlag Essen, 4.Auflage, Jan.1975, Seiten 101 bis 103, insbesondere Bilder 100 und 101).

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein leistungsfähiges, sicheres und gut regelbares Verbrennungsverfahren für eine Niedrigdruck-Brenngasversorgung anzugeben.

[0006] Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Basis des Coanda-Effekts und basierend auf der Hochdruckverfügbarkeit des Sauerstoffgases gelöst, wobei jedoch nur ein primärer Teil der zur Verbrennunng notwendigen Menge an Sauerstoffgas zur Ausbildung des Coanda-Effekts über den Ringspalt innerhalb des Saug-Misch-Rohres zugeführt wird, während ein sekundärer Teil erst dem das Saug-Misch-Rohr verlassenden Gasgemisch zugeführt wird, wobei die Werte für

- Druck und Menge des primären Sauerstoffgases

- Druck und Menge des sekundären Sauerstoffgases

abhängig vom verfügbaren Brenngasdruck, der gewünschten Einstellung der Verbrennung und der Verbrennungsleistung sowie dem Anwendungszweck und sicherheitstechnischen Eckdaten eingestellt werden.

[0007] Mit dieser zweigeteilten Sauerstoffgaszufuhr unter Anwendung des Coanda-Effekts erhält man weitreichende Möglichkeiten zur Erzeugung einer leistungsstarken Verbrennung auch bei Niedrigdruck-Brenngasversorgung. Der Ablauf im einzelnen ist dabei wie folgt: Der über den Ringspalt (5') entstehende Ringstrom des primären Sauerstoffgases fließt an der Wand des Saug-Misch-Rohres entlang und haftet an dieser. Im Innern dieses Stromes entsteht dabei eine Drucksenke, die eine Ansaugung des zentral zugeführten Brenngases zur Folge hat. Je nach Druck bzw. Menge des Primär-Sauerstoffgases wird in dieser Situation mehr oder weniger Brenngas angesaugt. Der zu einer in der Regel stöchiometrisch auszulegenden Verbrennung fehlende Sauerstoff wird dann noch in Gestalt des sekundären Sauerstoffgases außerhalb des Saug-Misch-Rohres zugeführt. Durch diese Vorgehensweise ergeben sich folgende Effekte:

- Bereitstellung einer erhöhten Menge an Brenngas im Vergleich zur Menge ohne Coanda-Ringstrom

- weitreichende Möglichkeiten zur Regelung der Ansaugung und Verbrennung durch die Aufteilung in primäres, ansaugendes Sauerstoffgas und sekundäres Sauerstoffgas

- gute Vermischung von Sauerstoffgas und Brenngas bereits in der Ansaugphase.

[0008] Eine weitere Möglichkeiten schaffende Weiterbildung des erfindugsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß auch der für die Erzeugung des Coanda-Effekts notwendige Ringspalt in seiner Größe variiert wird. Dadurch ergibt sich neben den im Hauptanspruch genannten Parametern eine weitere Einflußgröße ein entsprechendes Verbrennungsverfahren zu optimieren.

[0009] In einer sicherheitstechnisch günstigen Ausgestaltung wird erfindugsgemäß höchstens soviel primäres Sauerstoffgas zugeführt, daß im Gasgemisch im Saug-Misch-Rohr maximal soviel Sauerstoff enthalten ist, daß die Zündgrenze unterschritten bleibt. Bei Erdgas bedeutet dies beispielsweise einen Sauerstoffanteil von maximal 40 %.

[0010] Prinzipiell ist aber auch eine Entzündung und Verbrennung im Saug-Misch-Rohr zulässig, solange der Gasstrahl im Saug-Misch-Rohr nicht bis ganz zu seinem Rand brennt, d.h. noch unbrennbare Teile des ursprünglichen Coanda-Rand-gasstroms als schützende Gasschicht für das Saug-Misch-Rohr wirken. Jedoch gilt für den Volumengasstrom v des primären Sauerstoffgasstromes, wenn dieser aus reinem Sauerstoff besteht, daß dieser der Gleichung

gehorchen muß, wobei vg der gesamte Gasvolumenstrom und Z die Zündgrenze in % sind, wenn die obengenannte Schutzfunktion noch vorhanden sein soll. Für sauerstoffangereicherte Luft ist die Gleichung entsprechend umzuinterpretieren.

[0011] Mit Vorteil wird in diesem Zusammenhang der Druck des primären Sauerstoffgases zwischen 0,3 und 15 bar, Vorzugsweise zwischen 0,5 und 4 bar eingestellt.

[0012] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem, die äußere Hülle bildenden Außenrohr (1), in dem ein zweites Rohr, das sogenannte Saug-Misch-Rohr, unter Freilassung eines Ringkanals angeordnet ist, welcher für die Zufuhr des sekundären Sauerstoffgases vorgesehen ist, und besitzt innerhalb dieses zweiten Rohres ebenfalls unter Freilassung eines weiteren Ringkanals ein Innenrohr, wobei dieses Innenrohr bereits weit vor den austrittsseitigen Enden von Außenrohr und dem etwa gleichlang sich erstreckenden zweiten Rohr endet und sich so eine Mischkammer im vorderen, austrittsseitigen Bereich des so gebildeten Brennerkopfes ergibt, in die das primäre Sauerstoffgas aus dem inneren Ringkanal und das Brenngas aus dem Zentralkanal unter Ausbildung des Coanda-Effekts eintreten und wobei Einrichtungen vorhanden sind, wodurch die druck- und mengenmäßige Einstellung des primären und des sekundären Sauerstoffgases möglich ist.

[0013] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei getrennte Zufuhrleitungen (11, 12) für die Zuleitung von primärem und sekundärem Sauerstoffgas zu den entsprechenden Ringkanälen vorgesehen und in diesen Zufuhrleitungen jeweils geeignete Druck-Einstellventile angeordnet.

[0014] In einer dazu alternativen Gestaltungsvariante ist nur eine Zufuhrleitung für das Sauerstoffgas mit darin angeordnetem Einstellventil vorgesehen ist, wobei mittels durchflußbestimmenden Einbauten in den Ringkanälen (5, 3) das Sauerstoffgas in zwei geeignete Fraktionen aufgeteilt wird.

[0015] Mit den beiden ebengenannten Vorrichtungsvarianten kann das erfindungsgemäße Verfahren jeweils erfolgreich betrieben werden, wobei die erste Variante die Möglichkeit liefert, die beiden wesentlichen Verfahrensparameter auch im laufenden Betrieb zu ändern, während bei der letzteren Variante nach einmaliger Installation geeigneter Einbauten, z.B. Stauringe in den Ringkanälen, sich eine feste Grundeinstellung bei einer Sauerstoffgaszufuhr auf einem bestimmten Druckniveau ergibt.

[0016] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Saug-Misch-Rohr (2) mehrteilig ausgebildet, nämlich aus einem vorderseitigen Diffusor, einem Verbindungsstück mit Gewindebereich und einem Basisrohr. Auch das Innenrohr (4) ist vorteilhaft zweiteilig aus einem Basisrohr mit aufgesetzter, außenseitig angeschrägter Düsenlippe zusammengesetzt.

[0017] Diese mehrteilige Ausgestaltung des Saug-Misch-Rohres, insbesondere mit Gewindestück ermöglicht es, den Ringspalt, der das Treibsauerstoffgas austreten läßt, in seiner Weite zu variieren. Vorteilhafte Spaltbreiten liegen dabei zwischen 0.05 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0.1 und 1 mm.

[0018] Besonders günstig ist es darüber hinaus, wenn der Diffusor (2a) ausgangsseitig einen Öffnungswinkel zwischen 4 und 15 °, vozugsweise 6 und 9 °, besitzt und eine Länge L, die mit Vorzug der Gleichung

gehorcht, wobei d der Diffusordurchmesser an der engsten Stelle und x der Öffnungswinkel zur Achse hin ist. Mit diesen Spalt- und Diffusormaßgaben sind optimale Ergebnisse für eine Feuerung auf Niederdruck-Brenngas- Basis erreichbar.

[0019] Anhand der Figuren wird im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft näher erläutert.

[0020] Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Sauerstoff-Brenngasverbrennungseinrichtung mit Brenner und Gaseversorgung (schematisch)

Figur 2 einen erfindungsgemäßen Brennerkopf im Detail in einer Schnitt-Seitenansicht.

[0021] Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbrennungs- oder Feuerungseinrichtung mit einem Brenner B und eine Gaseversorgung G. In seiner prinzipiellen Ausgestaltung besteht der Brenner B aus einem Außenrohr 1, einem innerhalb diesem konzentrisch angeordneten, Saug-Misch-Rohr 2 und einem weiteren, ebenfalls konzentrisch angeordneten Innenrohr 4, wobei diese Rohre auf einem Fußteil 8 aufgebaut sind und zwischen den Rohren Ringkanäle 3, 5 gebildet sind. Diese Ringkanäle sind über Zuleitungen 11, 12 mit Sauerstoffgas versorgbar, während der Zentralkanal 7 über eine Zuleitung 13 mit einer Brenngasversorgung verbunden ist (in Figur 2 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet). In den Zuleitungen 11, 12 sind Einstellventile 15, 16 angeordnet, die über eine Einstelleinheit 17 justierbar sind. Gegebenenfalls können die den Brenner B bildenden Rohre in ihrer gegenseitigen Orientierung durch Abstandshalter 9 stabilisiert sein. Dadurch, daß das Innenrohr 4 kürzer ausgebildet ist als die beiden äußeren Rohre 1,2 ergibt sich auf der gasaustrittsseitigen Seite des Brenners B eine Innenkammer 6, in die das über den Ringkanal 5 einströmende, primäre Sauerstoffgas und das aus dem Zentralkanal 7 zufließende bzw. angesaugte Brenngas zunächst eintreten.

[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren läuft nun wie folgt ab:

Aus der Brenngaszuleitung 13 steht beispielsweise Erdgas mit einem Druck weit unterhalb 100 mbar, beispielsweise etwa 20 mbar, zur Verfügung. Als Sauerstoffgas ist z.B. reiner Sauerstoff mit Drucken bis zu 30 bar verfügbar. Größere Feuerungsleistungen, etwa über 0.5 MJ/sec, sind bei diesem Brenngasdruck und bei bei konventioneller Feuerungsgestaltung nicht ohne weiteres möglich. Führt man jedoch die Feuerung gemäß der vorliegenden Erfindung durch, d.h. führt man über den inneren Ringkanal 5 mit einer Kanalweite von etwa 0.5 mm Sauerstoff in einem Druckbereich von 0.5 bis 4 bar zu, so ergibt sich aufgrund des besagten Coanda-Effektes ein erhöhter Zustrom von Erdgas aus dem Zentralkanal 7, so daß höhere Feuerungsleistungen möglich sind. Dabei kann ein Mehrfaches, prinzipiell bis 40-faches, an Erdgas aus der Niederdruckversorgung entnommen werden, als vergleichsweise bei einer Erdgaszufuhr ohne zusätzlich angewandten Coanda-Effekt möglich wäre. Nach der Verbrennungsgleichung von Erdgas

ist hierbei insgesamt ein CH₄ : 0₂-Verhältnis von etwa 1 : 2 einzuhalten. In diesem Gesamtrahmen, also dem Verbrennungsverhältnis, der notwendig anzusaugenden Menge von Erdgas für eine bestimmte Feuerungsleistung sowie sicherheitstechnisch bedingten Eckdaten - z.B. das Gemisch im Saug-Misch-Rohr sollte unterhalb seiner Zündgrenze bleiben - sind nun die erfindungsgemäß variablen Parameter, nämlich der Druck und die Menge des primären und sekundären Sauerstoffs einzustellen. Eine Verbrennung im Mischraum wird bei Erdgas als Brenngas dabei dadurch verhindert, daß im Mischraum maximal ein Sauerstoffgehalt von 40 % zugelassen wird.

[0023] Mit der erfindugsgemäßen Aufteilung des Sauerstoffs in zwei Fraktionen sowie den zugehörigen Einstellmöglichkeiten über die Einstellventile 15, 16
und über eine Ringspaltvariation läßt sich also einerseits die Erdgasansaugung leicht auf das Bedürfnis im jeweiligen Anwendungsfall einstellen, während andererseits der zur Verbrennung noch fehlende Sauerstoff problemlos zudosiert werden kann. Typische Aufteilungsverhältnisse zwischen primärem und sekundärem Sauerstoff liegen dabei zwischen Verhältnissen von 1 : 1 bis 1 : 5. Wegen den auftretenden Mengenverhältnissen, den zuzuführenden Mengen und bereitzustellenden Drucken und Feuerungsleistungen ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft mit reinem Sauerstoff als Sauerstoffgas durchzuführen.

[0024] In Figur 2 ist schließlich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes detailliert dargestellt.

[0025] Bei dem gezeigten Brennerkopf ist das Saug-Misch-Rohr und das Innenrohr 4 mehrteilig ausgebildet. Das Saug-Misch-Rohr setzt sich aus einem gasaustrittsseitigen Diffusor 2a, einem Verbindungsstück 2b mit Gewindebereich 10 und einem Basisrohr 2c zusammen, während das Innenrohr 4 aus einem Basisrohr 4a mit aufgesetzter, außenseitig angeschrägter Düsenlippe 4b gebildet ist. Die angeschrägte Außenseite der Düsenlippe 4b und das brennerinnenseitige Ende des Diffusors 2a, der sich zunächst im Querschnitt verjüngt und sich zur Austrittsseite hin wieder erweitert, bilden in dieser Ausgestaltung den erfindungswesentlichen Coanda-Ringspalt 5', der in dieser Brennerkonstruktion aufgrund des Gewindestücks 10 auf dem Verbindungsstück 2b und dem darin verschieden weit einschraubbaren Diffusor verstellbar ist. Mit dem auf diese Weise erhaltenen Variationsparameter kann ein zu gestaltendes Niederdruck-Verbrennungsverfahrens zusätzlich optimiert werden.

[0026] Insgesamt ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung also erweiterte Möglichkeiten zur Gestaltung von Verbrennungs- und Feuerungsverfahren, wobei das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung insbesondere auf Anwendungssituationen abzielt, in denen nur eine Brenngasversorgung auf niedrigem Druckniveau zur Verfügung steht.

Ansprüche

1. Verfahren zum Verbrennen von Brenngas mit Sauerstoffgas insbesondere bei Niedrigdruck-Brenngasversorgung « 100 mbar) unter Anwendung des Coanda- Effekts, d.h. daß einem Saug-Misch-Rohr (2) über den gesamten Querschnitt bis auf einen Ringspalt benachbart zur Wand des Rohres Niederdruck-Brenngas zugeführt wird, während gleichzeitig über den Ringspalt Sauerstoffgas mit höherem Druck mit dem Effekt einer Erhöhung der Brenngaszufuhr eingespeist wird,
dadurch gekennzeichnet, daß nur ein primärer Teil des zur Verbrennunng notwendigen Sauerstoffgases über den Coanda-Ringspalt (5') innerhalb des Saug-Misch-Rohr (2) zugeführt wird, während ein sekundärer Teil erst dem das Saug-Misch-Rohr verlassenden Gasgemisch zugeführt wird, wobei die Werte für

- Druck und Menge des primären Sauerstoffgases

- Druck und Menge des sekundären Sauerstoffgases

abhängig vom verfügbaren Brenngasdruck, der gewünschten Einstellung der Verbrennung und der Verbrennungsleistung sowie dem Anwendungszweck und sicherheitstechnischen Eckdaten eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Coanda-Ringspalt in seiner Größe variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß maximal soviel primäres Sauerstoffgas zugeführt wird, daß im im Saug-Misch-Rohr sich bildenden Gasgemisch höchstens soviel Sauerstoff enthalten ist, daß die Zündgrenze unterschritten bleibt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des primären Sauerstoffgases zwischen 0,3 und 15 bar, vorzugsweise zwischen 0,5 und 4 bar eingestellt. wird.

5. Sauerstoff-Brenngas-Verbrennungsvorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche mit mehreren ineinander angeordneten rohrartigen Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem die äußere Hülle bildenden Außenrohr (1) ein zweites Rohr, nämlich ein Saug-Misch-Rohr (2), unter Freilassung eines Ringkanals (3) angeordnet ist, welcher für die Zufuhr des sekundären Sauerstoffgases vorgesehen ist, und innerhalb des Saug-Misch-Rohres ein Innenrohr (4) ebenfalls unter Bildung eines Ringkanals (5) und eines diesen Kanal abschließenden Coanda-Ringspalts (5') installiert ist, wobei dieses Innenrohr bereits erheblich vor den austrittsseitigen Enden des Außenrohres (1) und des etwa gleich langen Saug-Misch-Rohres endet und so eine Innenkammer (6) im vorderen Bereich des so gebildeten Brennerkopfes gebildet ist, in die das über den inneren Ringkanal (5) zugeführte primäre Sauerstoffgas und das Brenngas aus dem Zentralkanal (7) unter Ausbildung des Coanda-Effekts eintreten und wobei Einrichtungen vorhanden sind, die die getrennte druck- und mengenmäßige Einstellung des primären und des sekundären Sauerstoffgases bewirken oder ermöglichen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Zufuhrleitungen (11, 12) für die Zuleitung von primärem und sekundärem Sauerstoffgas zu den entsprechenden Ringkanälen (5, 3) vorgesehen sind und in diesen Zufuhrleitungen Einstellventile (15, 16) angeordnet sind

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Zufuhrleitung für Sauerstoffgas mit darin angeordnetem Einstellventil vorgesehen ist und mittels durchflußbestimmender Einbauten in den Ringkanälen (5, 3) das Sauerstoffgas in zwei geeignete Fraktionen aufgeteilt wird.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Saug-Misch-Rohr (2) aus einen vorderseitigen Diffusor (2a), einem Verbindungsstück (2b) mit Gewindebereich(10) und einem Basisrohr (2c) sowie daß das Innenrohr (4) aus einem Basisrohr (4a) mit aufgesetzter, außenseitig angeschrägter Düsenlippe (4b) zusammengesetzt ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Coanda-Ringspaltes (5') 0.05 bis 5 mm, vorzugsweise 0.1 bis 1 mmm, beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor ausgangsseitig einen Öffnuhgswinkel x zwischen 4 und 15 °, vozugsweise 6 und 9 °, aufweist und eine Länge L, die der Gleichung

wobei d der Diffusordurchmesser an der engsten Stelle und x der Öffnungswinkel zur Achse hin ist.

Zeichnung