DK169795B1 - Brænder til reduktion af flammetemperaturen - Google Patents

Description

i DK 169795 B1

Den foreliggende opfindelse angår en brænder til at sænke brænderens flammetemperatur, hvilken brænder omfatter et centralt oxygenmundstykke, mindst et uden for oxygenmundstykket anbragt brændselmundstykke, og mindst et i større radial afstand fra det centrale oxygenmundstykke 5 end brændselmundstykket anbragt perifert oxygenmundstykke, hvorhos alle mundstykkerne i det mindste stort set er parallelle.

Ved anvendelse af brændere, som drives med et brændsel og rent oxygen, såkaldte oxy-fuel brændere, opnås en højere flammetemperatur og mindre 10 afgangsgasmængde end med brændere, som drives med et brændsel og luft eller oxygenberiget luft. Der tilstræbes høj flammetemperatur ved højtemperaturprocesser, for eksempel for smeltning af stål i lysbueovne eller for at opnå en høj varmeoverføring, det vil sige for at øge kapaciteten på grund af hurtigere opvarmning. Små afgangsgasmængder gi-15 ver små varmetab, eftersom disse er en funktion af afgangsgasmængden og afgangsgassens temperatur. En brænder, som drives med oxygen, giver en flammetemperatur på ca. 2.800°C og en afgangsgasmængde på ca. 3 Nm3/kg brændsel, medens en brænder, som drives med luft, giver en flammetemperatur på ca. 1.900°C og en afgangsgasmønde på ca. 12 Nm3/kg 20 brændsel med en fyringsolie som brændsel. Oxy-fuel brændere har således en høj termisk virkningsgrad.

Imidlertid kan det i visse anvendelsessituationer være svært at udnytte fordelen ved oxy-fuelbrænderes høje flammetemperatur, for eksempel 25 i opvarmningsovne, hvor den høje flammetemperatur kan afstedkomme u-jævnt opvarmede emner gennem en meget stærk lokal opvarmning.

I 0E-A-1-2056736 beskrives en brænder med 3 ringformede udløbsåbninger i samme plan. I brug forsynes den ydre ringformede udløbsåbning og den 30 indre ringformede udløbsåbning med oxygen, og udløbsåbningen mellem disse oxygenåbninger forsynes med en blanding af brændselsgas og oxygen. Mere end 75% af den til brænderen tilførte oxygen tilføres oxygenmundstykket i blanding med brændselsgassen. Det er oxygenstrålens formål at stabilisere den resulterende flamme, såvel som at 35 køle brænderens mundstykke for at undgå skældanne!se.

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at anvise en oxy-fuel-brænder, som, når den anvendes, har en lavere flammetemperatur end en standard oxy-fuelbrænder, uden at der derved fås en væsentlig forøg- 2 DK 169795 B1 else af den producerede gasmængde.

Brænderen ifølge den foreliggende opfindelse omfatter et centralt oxygenmundstykke, mindst et brændselmundstykke i radial afstand fra det 5 centrale oxygenmundstykke og mindst et periferisk oxygenmundstykke anbragt i større radial afstand fra det centrale oxygenmundstykke end brændselmundstykket, hvorhos samtlige mundstykker i det mindste stort set er parallelle, et brænderhyster samt organer for tilførsel af oxygenhol dig gas henholdsvis brændsel til mundstykkerne. Brænderen ifølge 10 opfindelsen er særpræget ved, at det periferiske oxygenmundstykke er udformet som en laval-dyse. I en brænder findes der fortrinsvis flere periferiske oxygenmundstykker, der alle er udformet som laval-dyser, og som fortrinsvis er anbragt symmetrisk i en ring. Dermed tilsigtes, at de periferiske oxygenmundstykkers midterakser befinder sig på en 15 ring, som omgiver det centrale oxygenmundstykke.

Planet gennem det ringformige periferiske oxygenmundstykkes udløbsåbning eller de i ring anbragte mundstykkers udløbsåbninger kan ligge i samme plan, som det plan, hvori det centrale oxygenmundstykkes udløbs-20 åbning ligger eller i et plan, der er parallel med dette. Planet for brændsel mundstykkets udløbsåbning eller brændselmundstykkernes udløbs-åbninger er almindeligvis sammenfaldende med planet for det centrale oxygenmundstykkes udløbsåbning.

25 Yderligere særpræg og udførelsesformer fremgår af den efterfølgende detaljerede beskrivelse af nogle udførelsesformer, hvilken gives i forbindelse med den medfølgende tegning, hvor fig. 1 viser et skematisk længdesnit gennem en foretrukket udføre!-30 sesform for en brænder, fig. 2 et skematisk snit svarende til det i fig. 1 viste gennem en anden udførelsesform, fig. 3 et skematisk snit gennem en yderligere udførelsesform for en brænder, og 35 fig. 4 et skematisk billede af brænderen, set forfra, ifølge en y-derligere udføre!sesform.

Brænderen i fig. 1 har et centralt legeme 2 og uden for denne et oxygenkammer 3 med et cylindrisk hylster 4, der er koncentrisk med det 3 DK 169795 B1 centrale legeme 2. Det centrale legeme 2 omfatter et rørformet legeme 12, som i sin forreste ende går over i et endestykke 13. Foran endestykket findes der en rørformet forlængelse 14 med samme yderdiameter som det rørformede legeme 12 og endestykket 13. Endestykket 13 inde-5 holder en central oxygenkanal 15, der er forsynet med en indsnævring 16, og som udgør et første oxygenmundstykke. Endestykket 13 indeholder endvidere et antal, for eksempel 6, mundstykker 7 for brændsel, hvilke er arrangeret symmetrisk i en ring, som koncentrisk omgiver det første centrale oxygenmundstykke 15. Den rørformede forlængelse 14 har en så-10 dan inderdiameter, at den ligger radialt uden for brændselmundstykkerne 17. Brændsel mundstykkerne er via hver sin ledning 18 forbundet med et grenstykke 19, som på sin side er forbundet med en brændsel!edning 7. Brændsel!edni ngen forlader brænderen gennem en bagvæg 6 i brænderen.

15

Oxygenkammeret 3 begrænses af hylstret 4 tillige med en bagvæg 6 og en forvæg 5 med en central åbning 45, der forbinder hylstret 4 med det centrale legeme 2's cylindriske kappe, det vil sige den rørformede forlængelse 14, hvorved det centrale legeme udgør en del af oxygenkam-20 meret 3's forreste begrænsning. Den rørformede forlængelse 14 slutter på højde med brænderens forkant og kan tillige strække sig længere fremefter end væggen 5. Oxygen kammeret 3 er forsynet med et indløb 8 for oxygen. Hylstret 4's forreste del er udformet som en kølekappe 9 med et indløb 10 for kølevæske, der forlader kølekappen 9 gennem et 25 udløb 11. Oxygenkammerets forreste ringformede væg 5 er forsynet med åbninger 20, hvis centrum ligger symmetrisk i en ring, der er koncentrisk med oxygenkammeret 3's geometriske akse. Disse åbninger udgør brænderens periferiske oxygenmundstykker.

30 I brænderen 1 ifølge fig. 1 befinder de periferiske oxygenmundstykker 20's udløbsåbning sig i samme plan P2 som hylstrets forkant og væggen 5's forside. Det centrale oxygenmundstykke 15's og brændselmundstykket 17's udløbsåbning befinder sig i det centrale legeme 2's forside og ligger i et andet plan PI, der er parallel med P2.

35

Brænderen i fig. 2 ligner brænderen i fig. 1 og tilsvarende detaljer i de to brændere har fået samme henvisningsbetegnelser. Brænderen 21 adskiller sig hovedsageligt fra den i fig. 1 viste brænder 1 ved, at det centrale legeme 2 er forskudt fremefter i forhold til brænderens for- DK 169795 Bl 4 væg 5. Forvæggen 5 omgiver her på tætnende måde det centrale legeme 2's endestykke 13. Brænderen 21 er forsynet med et rørformet element 22, der er en forlængelse af hylstret 4 fremefter eller som er arrangeret i forvæggen 5. Elementet 22's inderdiameter er lige så stor som 5 oxygenkammerets diameter eller noget mindre. Brænderen 21 er forsynet med et ulige antal cylindriske oxygenmundstykker 20 i væggen 5. Det rørformede element 22 er forsynet med åbninger 24 umiddelbart foran og i radial retning i forhold til brænderens akse udenfor mundstykkerne 20. Elementet 22's forkant kan, således som vist i fig. 2, befinde sig 10 tilnærmelsesvis på højde med forlængelsen 14's forkant, være kortere eller længere.

Brænderen i fig. 3 fremviser et central legeme 102 og uden for dette 15 et oxygenkammer 103 med et cylindrisk hylster 104, der er koncentrisk med det centrale legeme 102. Det centrale legeme 102 indeholder en central oxygenkanal 115, der er forsynet med en indsnævring 116, og som udgør et første oxygenmundstykke. Det centrale legeme 102 indeholder endvidere et antal, for eksempel 6, mundstykker 117 for brændsel, 20 hvilke er arrangeret symmetrisk i en ring, som koncentrisk omgiver det første centrale oxygenmundstykke 115. Bagved det centrale legeme 102, (til venstre i fig. 3), findes et brændsel kammer 119 til fordeling af brændsel til brændsel mundstykkerne 117. Brændsel kammeret 119 er forbundet med en ledning 107, som går gennem oxygenkammeret 103, og som 25 forlader brænderen gennem en bageste begrænsningsvæg 106. En oxygenledning 151 er også ført gennem den bageste begrænsningsvæg 106. Oxygenledningen går også gennem brændsel kammeret 119 og er forbundet med det centrale oxygenmundstykke 115.

30 Oxygenkammeret 103 begrænses af hylstret 104 og tillige af bagvæggen 106 og en forvæg 105, der forbinder hylstret 104 med det centrale legeme 102's cylindriske kappe, hvorved det centrale legeme udgør en del af oxygenkammeret 103's forreste begrænsning. Oxygenkammeret 103 er forsynet med et indløb 108 for oxygen. Hylstret 104's forreste del er 35 udformet med en kølekappe 109 med et indløb 110 for kølevæske, som forlader kølekappen 109 gennem et udløb 111. Oxygenkammerets forreste ringformede væg 105 er forsynet med åbninger 120, hvis centre ligger symmetrisk på en ring, der er koncentrisk med oxygenkammeret 103's geometriske akse. Disse åbninger udgør brænderens periferiske oxygenmundstykker. Det centrale legeme 102's stilling langs brænderens læng- 5 DK 169795 B1 102 kan være forskudt fremefter eller bagud i brænderaksens retning.

Ledningen 151 for oxygenholdig gas kan være forbundet med samme gaskilde som indløbet 108 til oxygenkammeret. I dette tilfælde anvendes 5 indsnævringen 116 for at regulere gasmængden gennem det centrale oxygenmundstykke 115. Såfremt ledningen 115 og ledningen 108 er forbundet med separate kilder for oxygenholdig gas, er indsnævringen 116 ikke nødvendig. Strømmen gennem mundstykket 115 reguleres da på en anden for fagmanden kendt måde.

10

Ifølge en yderligere udførelsesform fremviser det centrale legeme 102 en hylsterformet forlængelse i retning mod oxygenkammeret 103, således som angivet ved 12 i fig. 1. I dette tilfælde er ledningen 151 for oxygenholdig gas fjernet. Ledningen 107 for brændsel kan da være for-15 synet med et fordelingsmundstykke (19 i fig. 1), som via grenledninger (18 i fig. 1) er forbundet med brændselmundstykkerne 117. Oxygenholdig gas fra kammeret 103 fordeler sig da mellem de periferiske oxygenmundstykker 120 og det med indsnævringen 116 forsynede centrale oxygen-mundstykke 115.

20 I fig. 4 vises en brænder ifølge en fjerde udførelsesform, således som set forfra, hvorhos indløbene 8,10 og udløbet 11 ikke er vist. I det centrale legeme 2 findes det centrale oxygenmundstykke 15 og uden for dette findes et spalteformet, ringformet mundstykke 25 for brændsel.

25 Radialt uden for det centrale legeme er der i forvæggen 5 arrangeret seks ydre oxygenmundstykker 26, som hver fortrinsvis er udformet som en laval-dyse. Kølekappen 9's ydre og indre begrænsning er betegnet 29 henholdsvis 28. Mellem hver to nærliggende oxygenmundstykker 26 findes en skillevæg 27, som udgår fra væggen 5, og som fortrinsvis har en 30 rektangulær form. Skillevæggen 27 forløber fra forvæggen 5's centrale åbning til hylstret 4 og i påkommende tilfælde mellem det centrale legeme 2 og det rørformede element 22.

Ved anvendelse af brænderen i fig. 1 tilføres brændsel, (der kan være 35 fast, flydende eller gasformig) gennem ledningen 7 og fordeles i grenstykket 19 til ledningerne 18, og derfra transporteres det til og gennem mundstykkerne 17, og efter det har forladt mundstykkerne 17 spreder det sig i en ringformet stråle. Når brændslet er fast, transporteres det ved hjælp af en gas. Det oxygen, som gennem indløbet 8 føres 6 DK 169795 B1 til oxygenkammeret 3, opdeles i to strømme. Den ene del strøm indfører i den bageste del af det centrale legeme 2, det rørformede legeme 12 og strømmer forbi grenstykket 19 og kommer via indsnævringen ind i mundstykket 15. Oxygenet forlader mundstykket 15 som en stråle, der er 5 koncentrisk omgivet af den ringformede brændsel stråle fra mundstykkerne 17. Den anden del strøm af oxygenet strømmer ind i det ringformede rum, som afgrænses af det centrale legeme 2 og hylstret 4, forlader oxygenkammeret 3 gennem mundstykkerne 20 i væggen 5 og danner derefter en ringformet stråle parallel med brænderens længdeakse. Ved tilpas-10 ning af indsnævringen 16's størrelse og de periferiske oxygenmundstykker 20's størrelse er det muligt at regulere forholdet mellem de to oxygenstrømmes størrelse. Hastigheden gennem mundstykkerne afhænger stort set af mundstykkernes udformning, eftersom trykket ved mundstykkernes opstrømsside er stort. Ved at bibringe oxygenet, der forlader 15 de periferiske mundstykker 20, en stor hastighed, vil den uden for brænderen tilvejebragte og i forhold til flammen kolde atmosfæriske luft med lavt oxygenindhold, med tændt brænder, suges ind i den ydre oxygenstrøm og derved sænke oxygenindholdet og temperaturen i den periferiske anden oxygenstrøm. Idet den periferiske oxygenstrøm har en 20 meget stor hastighed, der ofte er større end lydens hastighed i oxygen, opnås en større opblanding af omgivende atmosfæreluft i denne delstrøm, samtidig med at der opnås en mere parallel, det vil sige mindre divergerende oxygenstråle. Også afstanden fra planet P2, (det vil sige det plan, hvori de periferiske oxygenmundstykker er place-25 ret), til området for blanding af brændsel strål en og den periferiske oxygenstråle øges med forøget hastighed for den periferiske oxygenstråle.

Ved at forlænge den i fig. 1 viste del 14, således at den forløber 30 fremefter i forhold til planet P2, er det muligt yderligere at forskyde reaktionen mellem det periferiske oxygen og brændslet fra planet P2, eftersom man da kan undertrykke brændsel strålens divergens, og man har en skillevæg mellem de ovenfor omtalte stråler.

35 Såfremt det rørformede legeme 12, der er vist i fig. 1, forlænges, således at det forløber gennem bagvæggen 6, kan man forbinde det centrale oxygenmundstykke med en oxygenkilde med et andet tryk end det, som hersker i oxygenkammeret 3. Herved er det yderiigre muligt, inden for bestemte grænser, at variere hastigheden for de to oxygenstrømme, der DK 169795 B1 7 for!ader brænderen.

Ved anvendelse af brænderen ifølge fig. 2, suges brænderens omgivende atmosfære!uft ind i åbningen 20 af oxygenstrømmen, som strømmer mellem 5 det centrale legeme 2 og det hylsterformede element 22. Derved opnås et blandingsområde, hvor oxygenet fra de periferiske mundstykker og den ansugede atmosfæreluft kan blandes, inden blandingen kan komme i kontakt med brændselsstrålen og reagere med denne.

10 Den gas, som strømmer gennem oxygenmundstykkerne, behøver naturligvis ikke at bestå af 100% oxygen, idet den også kan bestå af oxygenberiget luft med ned til 50% oxygen.

Brændselmundstykkerne og de periferiske oxygenmundstykker kan være parallelle med brænderens længdeakse og det centrale oxygenmundstykke, 15 men kan naturligvis også være udformet, således at brændslet og det periferisk strømmende oxygen får en i forhold til brænderens længdeakse skrueformet bevægelsesretning.

Med betegnelserne oxygenmundstykke og oxygenkammer menes et mundstykke 20 henholdsvis et kammer for oxygenholdig gas, som kræves for forbrænding af brændsel.

25 30 35

Claims (7)

1. 8 DK 169795 B1 PATENTKRAV.
2. 1. Brænder med et centralt oxygenmundstykke (15,115), mindst et brændselmundstykke (17,117) i radial afstand fra det centrale oxygenmund- 5 stykke (15,115) og mindst et periferisk oxygenmundstykke (20,120) i større radial afstand fra det centrale oxygenmundstykke (15,115) end brændselmundstykket (17,117), hvorhos samtlige mundstykker (15,115, 17.117.20.120) i det mindste stort set er parallelle, et hylster (4, 104) der omgiver mundstykkerne, og hvis forreste ende ligger i et plan 10 (P2) vinkelret på brænderens længdeakse, og hvis bageste del afgrænser et oxygenkammer, og organer (8,108,151,7,107) for tilførsel af henholdsvis oxygenhol di g gas og brændsel til mundstykkerne, kendetegnet ved, at det periferiske oxygenmundstykke (20,120) er udformet som en laval-dyse. 15
3. 2. Brænder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hylstrets (4, 104) forreste del er udformet som en kølekappe (9,109).
4. 3. Brænder ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at alle 20 mundstykkernes (115,117,120) udløbsåbninger ligger i et plan (PI) vinkelret på brænderens akse og parallel med det andet plan (P2), hvorved hylstret (104) er fremspringende foran mundstykkerne ( 115, 117.120) udløbsåbninger.
5. 4. Brænder ifølge krav 3, kendetegnet ved, at afstanden mel lem planet (PI) og planet (P2) maksimalt er 2d, hvor d er hylstrets inderdiameter. 1 Brænder ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at det 30 centrale oxygenmundstykke (15) og brændsel mundstykket (17) er arrangeret i et centralt legeme (2), at det periferiske oxygenmundstykke (20) er arrangeret i en væg (5) radialt uden for det centrale legeme (2) eller en hylsterformet forlængelse deraf, og at mundstykkernes (15,17) i det centrale legemes (2) tilvejebragte udløbsåbninger ligger 35 i et første plan (PI) vinkelret på brænderens længdeakse og parallel med det andet plan (P2), der forløber gennem det periferiske oxygenmundstykkes (20) udløbsåbning, og at afstanden mellem planerne (PI) og (P2) er højst 2D, hvor D er det centrale legemes yderdiameter. DK 169795 B1 9
6. 6. Brænder ifølge krav 5, hvor væggen (5) omgiver det centrale legeme (2), kendetegnet ved, at det centrale legemes (2) forreste ende er dannet som en periferisk forlængelse (14), der er fremsprin- 5 gende foran og udover mundstykkernes (15,17,) udløbsåbninger i det centrale legeme (2).
7. 7. Brænder ifølge krav 5 eller 6, kendetegnet ved, at brænderen omfatter et med det centrale legeme (2) koncentrisk hylsterfor- 10 met organ (22) med en større diameter end det centrale legeme (2), hvilket organ (22) er forbundet med den forreste væg (5) eller er en fremefterrettet forlængelse af hylstret (4), at det periferiske oxygenmundstykke (20) udmunder i det af det ringformede organ (22) afgrænsende cylindriske rum eller i det af det ringformede organ (22) og 15 det centrale legeme (2) afgrænsende skålformede rum, og at det hylsterformede organ (22) nærliggende den forreste væg (5) er forsynet med mindst en åbning (24). 20 25 30 35