DE3041177A1

DE3041177A1 - Brenner

Info

Publication number: DE3041177A1
Application number: DE19803041177
Authority: DE
Inventors: John William Cape Elizabeth Me. Bjerklie; Paul Guy LaHaye
Original assignee: Hague International Corp
Current assignee: Hague International Corp
Priority date: 1979-11-02
Filing date: 1980-10-31
Publication date: 1981-05-14
Also published as: CA1170562A; JPH0135246B2; GB2063454B; JPS5666606A; US4380429A; FR2468833A1; GB2063454A; BR8007049A

Description

Die Erfindung betrifft einen Umlaufbrenner, der vorzugsweise zur Verwendung in einem Energie-Sparprozess-Ofen der. Art verwendet wird, der einen Rekuperator zum Vorwärmen der Verbrennungsluft auf eine Temperatur auf 315,52⁰C bis 1215,42⁰C in einem Stahlschmiedeofen verwendet.

Bei einem Energie-Sparprozess-Ofen, der· einen Rekuperator und einen Umlaufbrenner gemäß der US-PS 4 060 379 der gleichen Anmelderin verwendet, arbeitet ein Umlaufbrenner in der genannten Kombination zufriedenstellend.Im folgenden soll jedoch ein verbesserter Umlaufbrenner beschrieben werden, der in dem System der genannten US-PS verwendet werden kann. Die Verbesserungen bei dem Umlaufbrenner werden im folgenden dargelegt.

530020/0850

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Brenner der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine verminderte Größe und insbesondere eine kürzere Längsabmessung aufweist. Diese verminderte Baugröße des Brenners soll ohne Verschlechterung der Arbeitsweise öder des Wirkungsgrades des Brenners erreicht werden. Die verminderte Bauweise ermöglicht eine einfachere Wartung des Brenners und gestattet ein Herausziehen des Brenners aus dem Ofen, ohne daß ein wesentliches Spiel zum Entfernen des Brenners erforderlich ist, wie dies bisher der. Fall gewesen ist.

Mit der Erfindung wird in vorteilhafter Weise eine verbesserte Einrichtung zur Regelung der Verbrennungsluftdosierung in dem Brenner geschaffen. In diesem Zusammenhang wird eine verbesserte Düsenanordnung beschrieben, die vorzugsweise einen Kegelschieber verwendet, der eine verbesserte lineare Einstellung der dem Brenner zugeführten Luft schafft. Die Verbesserung sorgt für eine verbesserte Verteilung über dem ringförmigen in den Brenner eintretenden Zuströmkanal und gestattet eine verbesserte lineare Beziehung zwischen der physikalischen Stellung des Ventils und der durch das Ventil strömenden Luftmenge, als auch eine geringere Leckagemenge, wenn das Ventil geschlossen ist. In diesem Zusammenhang soll bemerkt werden, daß in der US-PS 4 060 379 eine Düse beschrieben ist, um Verbrennungsluft zuzuführen, wobei jedoch keine Einrichtung zur Regelung mit der Düse verbunden ist.

Mit der Erfindung wird weiter in vorteilhafter Weise ein Umlaufbrenner geschaffen, der vorgewärmte

130020/0850

Verbr ennungs luft aufnimmt, "und der vorzugsweise, eine Flammenfront außerhalb des Brenners in dem Ofenraum beibehält, wodurch die Zurückführung der Rauchgase gesteigert und dadurch der Wirkungsgrad des Brenners gesteigert wird.

Mit der Erfindung wird weiter in vorteilhafter Weise ein verbesserter Umlaufbrenner geschaffen, dessen erforderlicher Energiebedarf zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur, wie bei der Verwendung in dem Ofen oder einer, ähnlichen Verwendung, vermindert wrrd.

In weiterer vorteilhafter Weise schafft die Erfindung eine ausgedehnte Mischung innerhalb des Ofenraums, um isolierte geschichtete Gastaschen zu verhindern, die eine ungleichförmige Erwärmung der die thermische Energie absorbierenden Oberfläche des Ofens bedingt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird mit der Erfindung ein Umlaufbrenner geschaffen, der bei einer relativ hohen Lufteintrittstemperatur arbeitet, wodurch beträchtliche Brennstoffersparnisse erreicht und der Verbrennungsprozess optimiert wird.

Weiter wird mit der vorliegenden Erfindung ein verbesserter intern umlaufender Brenner geschaffen, der mit einer niedrigen Laufmenge arbeitet und der entweder mit Umgebungsluft oder sehr hoch erwärmter Luft, d. h. bis zu Temperaturen in der Gegend bis ■zu 315,52°C bis 1315,42°C oder möglicherweise höher, arbeitet. Obwohl bevorzugterweise die

130020/0850

erhitzte Luft verwendet wird, hat man herausgefunden, daß ein verbesserter Ofenwirkungsgrad auch bei Verbrennungsluft mit Umgebungstemperatur erreicht wird.

Weiter wird mit der Erfindung in vorteilhafter Weise ein Brenner geschaffen, der bei oder in der Nähe des optimalen Brennstoff-Luftverhältnisses oder dem stöchiometrischen Verhältnis arbeitet, ohne daß übermäßige Mengen von Stickoxid und Teilchen (Rauch) gebildet werden.

Die Erfindung schafft weiter einen internen Umlaufbrenner, der die verschiedensten Brennstoffe, wie z. B. Erdgas und eine Mischung von 50% Kohle und 50% Rückstandsöl verbrennen kann.

Die Erfindung schafft weiter einen verbesserten Umlaufbrenner, der über einen weiten Bereich des Brennstoffs und Luftstroms unabhängig arbeitet, wobei die Flamme an einer einzigen geometrischen Einstellung der Düse und anderen Teilen beibehalten wird, wodurch eine weite Mindestdurchsatzmenge der von dem Brenner abgegebenen Energie und weite Veränderungen des Brennstoff-Luftverhältnisses geschaffen werden.

Weiter wird mit der vorliegenden Erfindung ein verbesserter intern umlaufender Brenner in Verbindung mit einem Ofensystem geschaffen, wobei der Brenner leicht durch andere Brenner ersetzt werden kann.

130020/0850

Mit der Erfindung wird weiter in vorteilhafter Weise die Verbrennung der verschiedensten fossilen Brennstoffe in dem Ofenraum so vollständig ermöglicht, daß der normalerweise von gewöhnlichen Brennern erzeugte "graue Dunst", der die Energieübertragung von der Flamme zu den wärmeabsorbierenden Oberflächen des Ofens mittels Strahlung stört, verhindert wird.

Weiter wird mit der vorliegenden Erfindung ein Brenner geschaffen, der sich einem "vollendeten Mischer" nähert. Bei einem derartigen Brenner reagieren die Brennstoff- und Luftmengen zur Bildung von vollständigen Verbrennungsprodukten, ohne daß unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder Überschuß sauer stoff (Überschußluft) übrig bleiben und ausgetragen werden, wodurch die mittels des Verbrennungsprozesses freigesetzte Energie verschwendet wird. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Annäherung an den vollständigen Mischer, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, wirksam Absorptionsmittel zum Absorbieren des Schwefels zu verwenden, der in dem Brennstoff vorhanden sein kann. Die Entfernung des Schwefels mittels derartiger Additive, die in der Flammzone zur Absorption des Schwefels in dem Brennstoff reagieren, ist seit langem das Ziel vieler Untersuchungen. Laborversuche haben die Wirtschaftlichkeit der Verwendung von Absorptionsmitteln direkt in dem Brennstoff gezeigt; in der Praxis erreichten derartige Verfahren jedoch nur eine Absorptionsmenge von 75 bis 80%, die nicht hingenommen werden kann. Weiter waren große Menge des Absorptionsmittel erforderlich, um diese Ergebnisse zu erreichen. In den meisten Fällen war die 3 bis 5-fache Menge des stöchiometrischen

130020/0850

Verhältnisses des Absorptionsmittel erforderlich, um eine Schwefelabsorption von 80% zu erreichen.

Mit der Erfindung wurden Versuche durchgeführt, bei denen ein Absorptionsmittel bei einer Konzentration von dem 1,5 bis 2-fachen der stöchiometrischen Menge verwendet wurde. Diese Versuche wurden mit einer Mischung aus 50% Kohle und 50% No. 6 öl durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche zeigten, daß 96% des in dem Brennstoff vorhandenen Schwefels in der Flammenzone mittels Verwendung des Absorptionsmittels mit dem erfindungsgemäßen Brenner entfernt werden konnte.

Zur Lösung der oben aufgezeigten Aufgabe wird ein verbesserter intern umlaufender Brenner geschaffen, der vorzugsweise in Verbindung mit einem Energie-Sparprozess-Ofen verwendet wird, obwohl der erfindungsgemäße Brenner ebenfalls bei irgend einem anderen Ofen verwendet werden kann, der allgemein eine gut definierte Verbrennungszone, wie z. B. die Verbrennungszone eines Dampfgenerators oder eines Aluminiumschmelzofens, aufweist. Der erfindungsgemäße Brenner wird gewöhnlich in einem Energie-Sparprozess-Ofen verwendet, der einen Rekuperator aufweist, der zur Rückgewinnung der Wärme aus dem Abgas dient,wie er beispielsweise bei einem Glasschmelzofen verwendet wird.

Der erfindungsgemäße Umlaufbrenner arbeitet mit Luft, die auf eine Temperatur im Bereich von 316°C bis 1297°C oder noch höher vorgewärmt ist. Der Brenner kann ebenfalls ohne Rekuperator und ohne vorgewärmte Verbrennungsluft in vorteilhafter

130020/0850

Weise verwendet werden.

Das Merkmal der Rückströmung schafft eine gewisse Vorwärmung der einströmenden Verbrennungsluft vor der Flammzone, wenn kein Rekuperator verwendet wird und eine gewisse Verdünnung in Folge der Diffusion und Vermischung der Luft und des rückgeführten RauchgasStroms in den Brenner. Auf diese Weise wird die Sauerstoffkonzentration in der Rauchgas-Luftmischung, die sich der Flamme nähert, optimal, wobei im Kern eine hohe Sauerstoffkonzentration vorherrscht. Die Sauerstoffkonzentration nimmt graduell mit steigendem radialem Abstand vom Kern ab, sodaß die Sauerstoffkonzentration am äußersten Teil der Strömung minimal ist. Die Verbrennungszone ist daher von einem Zylinder eingeschlossen, der aus rückgeführtem Rauchgas hoher Temperatur besteht. Die Wirkung der Ummantelung aus rückgeführtem Rauchgas hoher Temperatur, das reich an CO₂ ist, um die Flammzone (Kern), die weiter sauerstoffarm ist, besteht in der Schaffung einer in hohem Maße strahlenden sauber brennenden Flamme. Das CO₂ in der Mantelschicht ist bei hohen Temperaturen ein sehr wirksames Oxidationsmittel für die kohlenwasserstoffartigen,rauchbildenden, in dem Kern gebildeten Partikel. Das CO₂ dissoziiert zu CO, wobei ein atomarer Sauerstoff freigegeben wird, der an dem Verbrennungsprozess teilnimmt. Der so ausgebildete Brennstoff wird so nahe am Ende des Verbrennungsprozesses zu CO_ oxidiert. Die Teilnahme des CO₂ hoher Temperatur am Verbrennungsprozess gestattet eine saubere Verbrennung bei geringer Überschußluft.

130020/0850

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Brenner in seinen Längsabmessungen beträchtlich kürzer als der in der US-PS 4 060 379 beschriebene Brenner. Auf diese Weise ist der Arbeitsabstand zwischen der äußeren Ofenwand und dem nächsten Hindernis zur Entfernung des Brenners zum Zwecke der Wartung vermindert. Durch die erfindungsgemäße Rückführung können die freigegebenen und übertragenen Wärmemengen auf einfache Weise maximiert werden, da die Dynamik des Verbrennungsprozesses den "grauen Dunst" und die geschichteten Gastaschen in der Ofenzone verhindert. Die verbesserten Wärmeübertragungsmengen vermindern die erforderliche Zeit zur Erwärmung des Werkstücks, wie z. B. Schmiedestahl, was wiederum die gebildeten Oxidmengen auf dem Stahl vermindert, wodurch die Lebensdauer der Schmiedeformen verlängert und der Materialverlust in Folge der Oberflächenoxidation vermindert wird.

Im wesentlichen bestehen alle Teile des Brenners, die der Wärme des Ofens und der vorgewärmten Verbrennungsluft ausgesetzt sind,aus wärmebeständigem Material, das plötzlichen Temperaturveränderungen standhält,oder bestehen aus Metall, daß zum Schutz gegen die hohe Temperatur des Rauchgases und der vorgewärmten Luft mit Keramik beschichtet ist.

Der Brenner besteht im wesentlichen aus sechs Unterbaugruppen. Diese sind:

1. ein innen isolierter Rahmen aus Metall;

2. eine Verbrennungsluftdüse, bestehend aus einer Düsenplatte und einem Düsenkegel;

130020/0850

3. ein Brenner-Mantelrohr;

4. einem Zwischenrohr in Form einer Umlaufhülse mit Befestigungseinrichtungen;

5. ein mittleres Rohr;

6. eine Kernanordnung, bestehend aus der Brennstoffzuführung, dem Zündflammenschutz und Feinfühlern zur Bestimmung des Luftverhältnisses.

Der Brenner wird durch die Wand des Ofenraums eingesetzt, wobei der Brenner so ausgelegt ist, daß er für verschiedene Ofenwanddicken verwendet werden kann. Wenn er in der Ofenwand festgelegt ist, bestehen die Begrenzungen des Brenners aus dem Ofenraum, den Ofenwänden und dem äußeren Raum bzw. der äußeren Atmosphäre in dem der Ofen und der Brenner angeordnet sind.

Der Brenner ist mit gewissen Bedienungsvorrichtungen versehen, die je nach der Anwendung, den örtlichen Vorschriften und dem verbrannten Brennstoff unterschiedlich sind. Gewöhnlich bestehen diese Bedienungseinrichtungen in einer Brennstoffzuführung, wobei der Brennstoff den Brenner unter Druck als Flüssigkeit, gasförmig oder in fluidisiertem pulvrigem Zustand zugeführt werden kann, der Verbrennungsluft, der Kühlluft, der elektrischen Energie zur Zündung, einem Zündbrennstoff, der normalerweise gasförmig ist, einem elektrischen überwachungsschaltkreis zur Erfassung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins einer Flamme und einem elektrischen Abtastschaltkreis, zum Messen der Konzentration des Sauerstoffs im Ofenraum unmittelbar benachbart zum Brenner.

130020/0850

In dem Brennergehäuse ist ein zylindrisches, mittleres Rohr koaxial mittels Schrauben befestigt. Die Kernanordnung ist in dem mittleren Rohr koaxial befestigt und gewöhnlich mittels zwei Riegeln zum einfachen Festlegen und Lösen befestigt. Der mittlere Kern umfaßt all die Veränderungen, die notwendig sind, um von einem Brennstoff zu einem anderen umzuschalten. Wenn beispielsweise von Erdgas auf Heizöl umgeschaltet wird, umfaßt die Veränderung des Kerns nur die Maßnahme zur Bereitstellung des zu verbrennenden Brennstoffs. Die Brennstoffdüse, die den Brennstoff in die Mischzone einführt, liegt in der Mitte des Flammenhalters und steht ein wenig in den Ofenraum vor, sodaß der Brennstoff genau an der Stelle zugeführt wird, die zur Aufrechterhaltung einer stabilen Flamme erforderlich ist.

Ein zylindrisches Brennermantelrohr erstreckt sich von dem Gehäuse durch die Ofenwand. Das Mantelrohr wird an dem Gehäuse mittels Metallriegeln befestigt. Das Mantelrohr liefert eine Befestigungsfläche für die Verbrennungsluftdüsenplatte und das Zwischenrohr. Das Zwischenrohr, auch Rückführhülse genannt, liegt koaxial innerhalb des Mantelrohrs am ofenseitigen Ende des Brenners und die Düsenplatte am gegenüberliegenden Ende des Brenners. Zwischen dem Mantelrohr und dem Zwischenrohr und zwischen dem Zwischenrohr und dem mittleren Rohr sind Ringkanäle ausgebildet. Die unter Druck stehende Verbrennungsluft gelangt an dem Verbrennungslufteintrittsflansch des Gehäuses in den Brenner und strömt durch das Gehäuse zu der Verbrennungsluftduse. Auf dem mittleren Rohr ist ein Kegelschieber bewegbar gelagert, sodaß die Luft durch die Düsenplatte längs

130020/0850

der Oberfläche des mittleren Rohres strömen kann. Auf Grund des "Coanda Effekts"neigt die Verbrennungsluft dazu,der Oberfläche des mittleren Rohres zu folgen, bis die Strömung auf die Abweiseinrichtung am Ende des mittleren Rohres trifft. An diesem Punkt löst sich die Strömung von dem mittleren Rohr ab, wobei Wirbel ausgebildet werden, die die notwendigen Flammhaltebedingungen schaffen, sodaß an diesem Punkt der Brennstoff eingedüst werden kann. Der Druck der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft ist in einem weiten Bereich auf die kinetische Energie der Strömung abgestimmt, wenn die Luft durch die Düsenplatte strömt. Dies führt dazu, daß der Druck in der unmittelbaren Nachbarschaft des Düsenstrahls, der aus der Düsenplatte austritt unter den Druck absinkt, der in dem Ofenraum herrscht. Dabei wurden Drucksenken von 2,54mm H₃O bis 12,7mm H-O und höher an Punkten zwischen dem Zwischenrohr und den Düsenplatten gemesssen. Die Drucksenken bewirken, daß Rauchgas, bestehend aus den Verbrennungsprodukten durch den Ringkanal,zwischen der Brennerkrümmung und dem äußeren Durchmesser des Zwischenrohres strömt und sich mit dem eintretenden Strahl der Verbrennungsluft verbindet. Das Rauchgas wird mittels der Luft mitgerissen und fließt parallel zu der Luft, wobei es eine hülsenartige Grenzschicht hoher Temperatur ausbildet, die die Luft umgibt und koaxial zur Luft strömt. Das Mischen zwischen dem zurückgeführten Rauchgas und der Verbrennungsluft tritt bis zu einem gewissen Maß auf. In Folge der Temperaturunterschiede der zwei Gasströme ist die Mischung minimal, sodaß die Strömung in der Nähe des mittleren Rohres in hohem Maße aus Verbrennungsluft besteht, wobei Werte in der Größenordnung von 10 Vol.% bis zu 20 Vol.% Sauerstoff in

130020/0850

der Nähe der Oberfläche des mittleren Rohres gemessen wurden, wohingegen die Zusammensetzung der Strömung in der Nähe der Innenfläche' des Zwischenrohres beim Austritt aus dem Brenner im wesentlichen aus rückgeführtem Rauchgas besteht, das die gleiche Zusammensetzung wie das Rauchgas im Ofenraum hat.

Die Verbrennungsluft mit der hülsenförmigen Grenzschicht des rückgeführten Rauchgases tritt in die Flammzone ein, wobei das Strömungsgewicht des Rauchgases ungefähr gleich dem Strömungsgewicht der Luft ist, sodaß jede 0,454 kg einströmende Verbrennungsluft von 0,454 kg Rauchgas begleitet werden, das von dem Ofenraum zurückgeführt wurde. Das Verhältnis von rückgeführtem Rauchgas zur Verbrennungsluft wurde jedoch von 0,2 bis 2 verändert. Wenn der kombinierte Strom aus dem Brenner austritt, bewirkt der Flammhalter eine Trennung des Luftstroms, wodurch an dem Brennstoffeinspritzpunkt Turbulenzen ausgebildet werden. Die Lösung der Strömung schafft eine Flammhaltezone zur Zündung und Aufrechterhaltung des Verbrennungsprozesses.

Um eine saubere Verbrennung zu erhalten, die geringste Mengen an Partikeln oder Rauch liefert,und die geringste Mengen an Stickoxiden liefert, wird die Strömung soweit nicht unterbrochen, daß die hülsenförmige Grenzschicht des rückgeführten Rauchgases, die die Flammzone umgibt, zerstört wird. Durch Beibehalten dieser Grenzschicht kann eine hochleuchtende Flamme erzeugt werden. Der mittlere sauerstoff- , arme Kern brennt reich, wobei kleine kohleartige Partikel gebildet werden, die wirkungsvolle Wärmestrahlungsquellen sind. Dies gestattet eine wirkungsvolle Übertragung der von der Flamme abge-

130020/0850

gebenen Energie zu den Ofenwänden mittels Strahlung. Die hülsenförmige Grenzschicht hoher Temperatur des rückgeführten Rauchgases enthält CO_, das dissoziiert, wobei atomarer Sauerstoff geliefert wird, der'wirksam die Partikel zu CO und CO₂ oxidiert. Wenn die Flamme weiter in dem Ofenraum fortschreitet, wird das CO zu C0„ mittels des verbleibenden Sauerstoff oxidiert.

Der stufenweise beschriebene Verbrennungsprozess erzeugt die niedrigsten Mengen an Stickoxiden. Da in dem Hochtemperaturkern kein Überschußsauerstoff vorhanden ist, wird die Bindung von atmosphärischem Stickstoff unterdrückt. Der Brenner ist in dieser Hinsicht so wirkungsvoll, daß Mischungen aus Kohle und öl mit einem Luftüberschuß von weniger als 2,5% erfolgreich verbrennt worden sind, wobei im wesentlichen keine Kohle in das Abgas, mitgerissen wurde und die Stickoxidmengen weniger als die Hälfte der Mengen waren, die mit vergleichbaren gewöhnlichen Brennern beim identischen Einsatz erzeugt wurden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1: einen Querschnitt durch den Brenner; und Fig.2: ein Diagramm zur Darstellung der Arbeitsweise des Brenners.

In der Zeichnung ist ein Umlaufbrenner dargestellt, dessen Bestandteile überwiegend aus Keramik oder einem ähnlichen hochtemperaturbeständigen Material bestehen. Dieser Brenner kann allgemein von der Art

130020/0850

sein, der bei einer Energie-Sparprozess-Ofen verwendet wird, wie dies in der US-PS 4 060 379 beschrieben ist. Der Brenner wird von dem Ofen in der wesentlichen üblichen Weise gehalten, z. B. in ähnlicher Weise wie dies in der genannten US-PS gezeigt ist.

Der Brenner umfaßt einen mittleren Körper oder ein mittleres Rohr 10, das in einer im wesentlichen festgelegten Stellung relativ zu einem mittleren Rohrflansch, der an dem Rahmen 69 befestigt ist, liegt. Das vordere Ende des mittleren Rohres 10 bildet einen Flammhalter oder Abweiser 14 von ringförmiger Bauweise aus. Das mittlere Rohr 10 trägt Einrichtungen, die einen Kern 16 zur Zuführung eines BrennstoffStroms, eine Zündeinrichtung und eine Flammüberwachung der Verbrennungszone 18 umfassen. Die Kernanaordnung wird mittels zweier Riegel 71 festgelegt, die den Kern mit dem mittleren Rohrflansch 12 verbinden. Längs des Abschnitts des mittleren Rohres 10 in der Nähe des Ofens ist ein Mittelrohr 20 vorgesehen, das das hintere Rohr umgibt. Es wird darauf hingewiesen, daß das Zwischenrohr 20 kurz vor dem Flammhalter 14 endet und daß sein gegenüberliegendes Ende kurz vor der Berührung der Düsenplatte 34 endet. Das Zwischenrohr 20 wird von dem Brennermantelrohr 24 umgeben, das an seinem inneren Ende 25 mittels Klemmplatten, die an dem Brennerrahmen 27 angeschweißt sind, festgehalten wird. In der Zeichnung ist ebenfalls ein Einlaßkanal 28 gezeigt, durch welchen Verbrennungsluft in die Kammer 29 geleitet wird, von wo die Verbrennungsluft durch die Düse 30 strömt, wobei sie durch die öffnungen 38 der Düsenplatte 34 eintritt. Die Kammer 29 ist im allgemeinen ringförmig ausgebildet.

130020/0850

Die Düse umfaßt einen ringförmigen Düsenkegel 32, der für eine besondere Luftströmung einstellbar ist und eine ringförmige Düsenplatte 34 mit einem Verteilerring 36 an einer Seite der mehrere beabstandete Verteileröffnungen 38 aufweist. Der Düsenkegel 32 ist vorzugsweise mittels zwei Stellstangen 40 festgelegt/ die an dem Düsenkegel einander gegenüberliegend befestigt sind. Die äußeren, sich aus dem Brennerrahmen erstreckenden Enden der Stellstangen 40 können in üblicher Weise mit einem Einstellstab verbunden sein, der von Hand von der Bedienungsperson oder mittels anderer Einrichtungen, wie z. B. einem elektrischen Stellmotor, der von einer entfernten Stelle eingeschaltet wird, bewegt werden. Wenn die Luft die Kammer 29 verläßt, strömt sie durch die öffnungen 38 des Verteilerrings. Diese öffnungen haben eine offene Zone, die mittels Einstellen des Düsenkegels 32 relativ zu diesen Verteileröfffnungen reguliert wird, wobei diese Einstellungen ebenfalls die Relativbewegung zwischen dem Hülsenkegel und der Kegelplatte 34 und insbesondere der Spitze 32A und der Spitze 34A an den entsprechenden Düsenkegel 32 bzw. der Düsenplatte 34 liefert. Die durch die Düse 30 strömende Strömung folgt dem mittleren Rohr 10, wobei die Strömung im wesentlichen an dem Flammhalterende des mittleren Rohres endet. Da die Luft auf der Oberfläche des mittleren Rohres 10 fließt, tritt eine gewisse ,Mischung zwischen der Luft und dem neutralisierten Rauchgas ein. Der Mischungsbetrag ist ein wichtiger Punkt bei der Auslegung und den Betriebsbedingungen des Brenners. Die mit rückgeführtem Rauchgas vorgemischte Luft fließt über den Flammhalter 14 und mischt sich mit dem Brennstoff und den heißen Reaktionsgasen hinter dem Flammhalter,

130020/0850

durch/die eine stabile Flamme ausgebildet wird, die sich in die Verbrennungszone 18 erstreckt.

Der bei dem Brenner verwendete Brennstoff fließt durch ein Brennstoffrohr 44, das innerhalb des mittleren Rohrkernes 16 angeordnet ist, der konzentrisch innerhalb des Rohres 10 verläuft. Das Brennstoffrohr ist mit einer Brennstoffquelle verbunden, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Am Flammhalterende des mittleren Rohres wird der Brennstoff in die Zone 18 eingedüst. Vorzugsweise wird bei flüssigen Brennstoffen und bei Mischungen von flüssigem und festem (teilchenförmigem) Brennstoff zum Versprühen Luft verwendet. Es können verschiedene Einrichtungen zur Vorbereitung des Brennstoff verwendet werden, die in erster Linie alle innerhalb der Kernanordnung 16 enthalten sind.

Somit ist zwischen dem mittleren Rohr 10 und dem Zwischenrohr 20 ein Zuführkanal 46 ausgebildet, durch den die Luft und das rückgeführte Rauchgas strömt. Ebenfalls ist zwischen dem Zwischenrohr 20 und dem Brennermantelrohr 24 ein Rückführkanal 48 angeordnet. Das rückgeführte Rauchgas wird in die Rückführzone mittels der Verbrennungsluft eingesaugt. Ein Austausch der Bewegungsgröße zwischen der eintretenden Verbrennungsluft und dem Rauchgas liefert die Bewegungsenergie um das Rauchgas zurückzuführen. Die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungszone 18 treten in den Brenner an dem Rückführ Zoneneintritt 49 ein und strömen zwischen dem Mantelrohr 24 und dem Zwischenrohr 20 durch die Zone 48 in Richtung der Düsenplatte 34. Am Ende 21 des Zwischenrohres 20 strömt das rückgeführte Rauchgas radial nach innen in das Zwischenrohr 20. Dies wird mittels der Pfeile in Fig.

130020/0850

dargestellt.

Innerhalb des mittleren keramischen Rohres 10 ist zusätzlich zu den Brennstoff- und Sprühluftleitungen eine Zündeinrichtung 50 vorgesehen. Ebenfalls kann eine Sichtöffnung 52 zur Beobachtung der Flamme vorgesehen sein. In der beschriebenen Ausführungsform wird das keramische mittlere Rohr 10 mittels eines metallischen Rohrvorsprungs und einem Flansch gehalten, der an dem Brennerrahmen angeschraubt ist, um die gesamte Anordnung konzentrisch in der Brenneranordnung zu halten. Die Zündeinrichtung kann von irgend einer der unterschiedlichsten Arten sein, und umfaßt zwei Zündelektroden (siehe Zündelektrode 54). Alternativ kann eine einzige Zündelektrode, eine Gasleitung mit einer Flämmenstabilisierung am Ende zusammen mit einer Zündeinrichtung oder ein Durchgang für eine von Hand betätigte Fackel

vorgesehen sein. Das mittlere Rohr wird vorzugsweise mittels einer relativ geringen Menge nicht erwärmter Luft gekühlt, die innerhalb des Rohres um die Kernteile strömt. Zur Verbindung der Kühlluft sind Eintritte 56 an der mittleren Kappe 58 vorgesehen.

In der Zeichnung ist ebenfalls eine Abdeckplatte 6 0 dargestellt, die die Brennerkammer 29 abschließt. Die Abdeckplatte 60 liefert ebenfalls die Lagerung für das mittlere Rohr und den Kern. Die Brennerkammer und die Abdeckplatte sind isoliert, um die Wärmeverluste von der vorgewärmten Verbrennungsluft zu verhindern, und um 'zu verhindern,daß die Brennerflamme die Sicherheitstemperatur für das Bedienungspersonal überschreitet. Ebenfalls ist eine Isolierung 62 zur Isolation der Kammerzone vorgesehen.

130020/0850

Der Flammhalter 14 hat die Form eines Ringflänsches am ofenseitigen Ende des mittleren Rohres 10, das sich radial in einer Höhe "X" erstreckt; "X" kann ungefähr 12,7 mm von der äußeren Fläche des mittleren Rohres betragen. Er ist auf diese Weise angeordnet, um einen Wirbel zum Vermischen der Luft, des Rauchgases und dem Brennstoff zu bewirken,und um die Flamme in einer Stellung an dem Brenner zu halten. Die Ebene des Flammhalters ist somit gewöhnlich etwas stromabwärts von dem Ende 23 des Zwischenrohres 20 angeordnet. Das stromabwärtige Ende 23 des Zwischenrohres ist gewöhnlich axial stromaufwärts von dem Flammenhalter angeordnet, und zwar in einem Abstand, der gleich oder größer als die radiale Höhe des Flammhalters ist, gemessen vom äußeren Durchmesser des Rohres zur Oberkante der Flammhalter lippe, d. h. , die Höhe "X". Diese Anordnung verhindert, daß die Strömungslinien durch die Rückführzone vom Flammhalter radial nach außen in Richtung des Zwischenrohres bewegt werden, bevor sie die Austrittsebene durchströmt haben. Eine vorzeitige radiale Bewegung dieser Strömungslinien stören die Regelung der Mischung.

Die Brennstoffrohrspitze ist ein wenig stromabwärts von dem Flammhalter 14 angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand, der ausreicht, um ein Auftreffen des flüssigen Sprühnebels auf den inneren Durchmesser des mittleren Rohres 10 zu verhindern, wenn flüssiger Brennstoff verwendet wird. Die Brennerrohrspitze hat vorzugsweise einen Sprühwinkel, der ausreicht, um den Sprühnebel in die Grenzflächenschicht zu sprühen, die mittels der Wirbelzone hinter dem Flammhalter in einem Abstand stromabwärts der Ebene des Flammhalters begrent wird, der nicht mehr als das 1 . bis 4-fache der radialen Höhe des Flammhalters beträgt, d. h.,

130020/0850

"X" bis 4 mal "X". Wenn statt einem flüssigen Brennstoff Gas verwendet wird, kann die gleiche Beziehung mit der Ausnahme verwendet werden, daß eine geringe Beeinflussung zwischen dem Brennstoffstrahl und dem inneren Durchmesser des mittleren Rohres toleriert wird.

Der Sprühwinkel der Spitze 17 liegt bei einem eingeschlossenen Winkel von 120°, wobei sich die Spitze etwa 3,175 mm über die Endfläche des Flammenhalters erstreckt. Wenn man einem gasförmigen Brennstoff verwendet, ist die Düse ebenfalls mit mehreren sich radial erstreckenden Düsenstrahlen versehen ( beispielsweise eine Reihe mit 8 Löchern) , die von einer Stelle außerhalb der Ebene des Flammhalters in einem mittleren Abstand von 3,175 mm bis 6,35 mm ausströmen, wobei keine Überschneidung der Düsenstrahlen mit der Ebene des Flammhalters auftritt.

Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vormischung zum Vormischen der Verbrennungsluft und des rückgeführten Rauchgases mit dem Brennstoff. In dieser Verbindung soll darauf hingewiesen werden, daß das mittlere Rohr 10 sich mit mehreren radial erstreckenden öffnungen 64 versehen ist. Statt sich radial zu erstrecken,können diese öffnungen ebenfalls geneigt sein. Die öffnungen sind vor dem Flammhalter in einem mittleren Abstand angeordnet, der das 1 bis 4-fache der radialen Höhe des Flammhalters beträgt. Diese öffnungen gestatten der Luft und' dem rückgeführtem Rauchgas von der Außenseite des mittleren Rohres zum Innern des mittleren Rohres zu fließen. Hierdurch findet eine gewisse Vormischung der die Verbrennung tragenden Gase und des Brennstoffs statt, bevor der Brennstoff tatsächlich die äußersten Kanten der Flammhalterzone erreicht, wo der Brennstofff vollständig mit den

I 30020/0850

die Verbrennung tragenden Gasen zusammentrifft. Durch diese Anordnung wird einmal die Stabilisierung der Flamme unterstützt und zum anderen die Flamme geformt. Man hat herausgefunden, daß die Flammenform mit den radialen Öffnungen 64 "buschig" ist, wohingegen die Flammenform mehr " düsensfcrahlähnlich" ist, wenn diese Löcher nicht verwendet werden. Es können sechs Löcher mit einem Durchmesser von 12,7 mm vorgesehen sein, die radial mit einem Abstand der Mittellinie von der vorderen Kante des Flammhalters von 44,45 mm angeordnet sind. Statt der sechs 12,7 mm Löcher können ebenfalls zwölf 3,175nm bis 6,35 mm Löcher vorgesehen sein, die axial durch den Flammhalterflansch verlaufen und rund um den Flammhalterflansch des mittleren Rohres axial ausgerichtet sind.

Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung kann durch genaue Ausrichtung der Teile des Brenners die Rückführung und Mischung geregelt werden. Die Eintrittsstellung und das Vorhandensein des Zwischenrohres in bezug auf die Ringdüse regelt die Rückführmenge und die Mischgeschwindigkeit der Verbrennungsluft (treibendes Fluid) und der Verbrennungsprodukte (Sekundärfluid). Vorzugsweise werden ungefähr gleiche Teile Verbrennungsprodukte pro Einheit Verbrennungsluft rückgeführt. Dies folgt daraus, daß man ein Verhältnis von Verbrennungsprodukt zu Verbrennungsluft zwischen 0,5 und 1,0 an der Lippe des Flammhalters haben möchte. In einer Auslegung herrscht an der Lippe des Flammhalters ein Verhältnis der Mischung von 1:1, da dies einen Zustand darstellt, der dem angenähert ist, der für eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit in der Flamme erforderlich sit. Die tatsächlichen Mischungen für maximale Reaktionsgeschwindigkeiten sind 3 oder 5:1 (VerbrennungsprodukterBrennungsluft) für eine adiabatische

130020/0850

Flamme. Für beträchtlich niedrigere Flammentemperaturen als die adiabatische (im Fall von Aufkochem und öfen, bei denen die Wärme direkt von der Flamme abgenommen wird) und bei der weiteren Bedingung, daß in der Flammhaltezone eine Mischung von 1 :1 vorhanden ist, ist es notwendig,zusätzlichen Brennstoff hinzuzufügen, wodurch höhere Temperaturen erreicht werden, um die tatsächliche maximale Reaktionsgeschwindigkeit und höchste Flammenstabilität zu erreichen. Dies tritt für irgend einen Flammhalter in der Grenzflächenschicht auf, die die Verbrennung tragenden Gase und die rückgeführten heißen Rauchgase hinter dem Flammhalter trennt. Die dem die Verbremung tragenden Gasen, die sich dem Flämmhalter nähern mittels Mischen mit heißen Rauchgasen übertragene Wärme steigert die Flammenstabilität.

Durch Versuche hat man herausgefunden, daß ein zu hohes Verhältnis der Verbrennungsprodukte in dem sich annähernden Gas tatsächlich die Flamme destabilisiert, da, wie man annimmt, zu viel Brennstoff vorhanden ist. Es gibt also eine optimale Mischung,und das Verhältnis von 1:1 ist ungefähr für Aufkocher und öfen mit Kammertemperaturen in dem Bereich von 1093⁰C bis 1409⁰C richtig.

Das Zumischen der Rauchgase zu der Verbrennungsluft hat eine weitere wichtige Wirkung. D. h., es kann bei diesem Verfahren die Raucherzeugung bis auf eine niedrige Menge vermindert werden. Bei Gastemperaturen über 982⁰C, die in irgendeiner vollentwickelten Flamme auftreten, ist Kohlendioxid ebenso wirksam wie Luft bei gasung von festem Kohlenstoff. In irgendeiner sichtbaren gelben oder weißen Flamme befinden sich Kohlenstoffpartikel in Folge der unvollständigen Verbrennung oder

130020/0850

dem thermischen Kracken von Brennstoff. Dies tritt insbesondere in sauerstoffarmen Zonen auf. Bei dem hier beschriebenen Brenner ist der Kern sauerstoffarm , da der Brennstoff an der Mittellinie zugeführt wird und praktisch die gesamte Luft den Kern umgebend zugeführt wird; dies wird im vorliegenden Fall mittels der Grenzschicht dargestellt/ die an dem Flammhalter ausgebildet ist. Innerhalb der Grenzschicht kann der Brennstoff leicht thermisch gekrackt werden, um KohlenstoffteiIchen zu bilden. Wenn eine unter diesen Bedingungen geschaffene Flamme schnell abgekühlt wird, kann der Kohlenstoff vergasen, wobei Teilchen (Rauch) durch die Umhüllung der Flamme strömen. Diese Teilchen werden als Rauch in die Atmosphäre abgegeben.

Normalerweise reagiert Sauerstoff mit Kohlenstoff zur Bildung von CO oder CO₃. Bei hohen Temperaturen reagiert das CO₂ mit Kohlenstoff zur Bildung von CO. In jedem Fall kann das CO-Produkt später in der Flamme ohne Raucherzeugung verbrennen. Die Menge des "vergasten Stoffes" die pro Volumeneinheit zur Verfügung steht bestimmt, wie gut der Kohlenstoff vergast wird.

Die zur Verfügung stehende Menge von vergasendem Stoff wird sowohl mittels der Luft als auch mittels dem CO₂ dargestellt. Nimmt man an, daß CO₂ mittels einer vollständigen Verbrennung entsteht und dann in die Flammhaltezone zurückgeführt wird, so ist die volumetrische Menge des pro Brennstoffeinheit zur Verfügung stehende volumetrische Menge des zu vergasenden Stoffes 3n + 1 + ny, wobei in dem ersten Ausdruck η das Sauerstorfvolumen und in dem zweiten Ausdruck ny das CO₂ Volumen darstellt. Der Ausdruck ist das

130Ö20/0850

volumetrische Verhältnis von pro Volumeneinheit Verbrennungsluft rückgeführtan Rauchgas. Somit ist für eine einzige Brennstoffeinheit (C H₂ +2 wird hier angenommen), das Verhältnis des gesamten zu vergasenden Stoffes zu dem ohne Rückführung verfügbaren:

³n	⁺	1	+ ny
	2
³n	⁺	1

Dies ist doppelt soviel wie für Luft alleine für y > 1. Dies hat den Vorteil bei Reaktionen bei Temperaturen höher als 982⁰C, daß es zum Ausschalten von Kohlenstoffteilchen in der Flamme doppelt so wirksam wie Luft alleine ist. Somit kann ein Brenner praktisch mit Null Luftüberschuß betrieben werden und arbeitet dennoch sehr wirkungsvoll als ein sauberes Verbrennungssystem. Die Auslegung des erfindungsgemäßen Brenners gestattet die Wahl des CO₂ zu Oj Verhältnisses, das in der Primärverbrennungszone zur Verfügung steht, die von der Grenzschicht hinter dem Falmmhalter begrenzt wird.

Zur Regelung des CO₂ zu O₂ Verhältnisses an der Flammhalterlippe ist der Schlüsselparameter die Mischung des rückgeführten Produkts zur frischen Verbrennungsluft. Die Mischung wird mittels der Gesetze der Strömungsdynamik der Mischung geregelt. Für den in Rede stehenden Brenner wird die Strömungsdynamik grundsätzlich durch die Abmessungen der Ringdüse 30, die das mittlere Rohr 10 umgibt in bezug auf das Austrittsende des Zwischenrohres 20 bestimmt. Der halb angereicherte Strahl der Mischung für Ringdüsen tritt

130020/0850

von der Lippe der Ringdüse aus und erstreckt sich in einem Winkel von 5,4° nach -.außen. Dieser Winkel wurde durch Versuche bestimmt, in dem man sowohl die Temperatur als auch die O₂~Konzentration bestimmte, die sich aus der Mischung eines freien Ringstrahls von Verbrennungsgas ergab. Der halb angereicherte Strahl wird als der Ort der Punkte definiert, die radial von der Mittellinie des Strahls gemessen werden, der die Anreicherung irgendeines Wertes,verglichen zu seiner Mittellinienanreicherung,aufweist. Der Winkel hängt etwas von der Gaszusammensetzung ab, jedoch ist für den vorliegenden Zweck die bei dieser Vorrichtung durchgeführte Messung zufriedenstellend, wobei die gemischten Teile Rauchgas und Luft sind. Die vollständige Definition der Komponentenverteilung radial durch die Sprühzone des Ringstrahls kann analytisch bestimmt werden, wenn man beachtet, daß dies grundsätzlich eineGauß¹ sehe Kurve ist, ähnlich der, die sich bei der Verteilung irgend eines gasförmigen Strahls ergibt. Die Beeinflussung des sich spreizenden Strahls durch die ihn schneidenden Wände, in diesem Fall die Innenseite des Zwischenrohres, wird grundsätzlich als eine Reflektion der ungestörten Zusammensetzungskurvenform von der Wand zurück zu dem mittleren Rohr beschrieben. Die absoluten Konzentrationswerte werden bestimmt, in dem man die anfänglichen Werte und die reflektierten Werte der Gau3'sehen Kurve addiert. D. h., daß der halb angereicherte, von der Wand reflektierte Strahl,an der Wand durch Hinzufügen der ersten und zweiten Werte zu der vollen Anreicherung ergänzt wird. Der tatsächliche Wert des Verhältnisses von Luft zu Rauchgas an der Wand gleicht daher den tatsächlichen Wert an der Wand des Mittelrohres aus, wenn man annimmt, daß es keine sekundäre Reflektion der ersten Zusainnen-

1 30020/08 50

setzungskurve von dem mittleren Rohr nach ihrer ersten Reflektion von dem Zwischenrohr auftritt.

Der Mittelrohrwandwert wird leicht bestimmt, wenn man die Zerfallsgeschwindigkeit der anfänglichen Konzentration des Gases von dem Ringstrahl kennt. Dies ist wiederum ähnlich zu dem, was man in der Literatur in bezug auf die Strahlspreizung findet. Die Stelle der Wand am Austritt des Zwischenrohres in bezug auf den halb angereicherten Strahl kann ausgewählt werden, um entweder die höchste Rauchgaskonzentration an der Wand oder eine vollständige Mischung, die 50% beträgt, zu erreichen, indem man einfach die radiale Stellung des gemessenen Strahls halber Anreicherung von der inneren Lippe des Zwischnrohres radial nach innen einstellt. Es gibt hier keinen theoretischen Wert, soweit dies die Konzentration betrifft, und auf der Grundlage freier Strahlmischungsraessungen fand man bei der Verwendung eines Zwischenrohres, das länger ist als es mittels der halb angereicherten Linien, die das Rohr genau an der Lippe schneiden, zulässig gewesen wäre, daß dies die vollständige Mischung an der Wand darstellt. Andererseits stellt das Zwischenrohr eine Begrenzung des Strahls dar, sodaß die tatsächliche Mischgeschwindigkeit langsamer als für einen freien Strahl ist, wie oben beschrieben. Dies würde eine ein wenig längere Hülse erfordern, als dies der Fall bei Verwendung der freien:. Strahlmessungen wäre. Irgend eine zusätzliche Länge wird einen kleinen zusätzlichen Grad an Gleichförmigkeit der Mischung quer über die Austrittsebene ergeben. Eine zusätzliche Menge ist erforderlich, um eine vollständige Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit bei einem üblichen Ausstoßrohr zu erreichen, da sich die Geschwindigkeiten langsamer

130020/0850

als Massen oder Wärme mischen.

Gewöhnlich ist das Zwischenrohr in Richtung der Austrittsebene nach außen geneigt, um die mittlere Veränderung bei der Gasdichtenänderung vom vorderen Ende zum hinteren Ende des Zwischenrohres auszugleichen. Das vordere Ende des Zwischenrohres muß jedoch mindestens eine ausreichende Fläche aufweisen, um den erforderlichen Primärverbrennungsluftstrahl und die parallele konzentrische Bewegung des rückgeführten Rauchgases aufzunehmen. Gewöhnlich ist die rückgeführte Rauchgasmenge die gleiche Strömungsmasse wie die Verbrennungsluft. Somit entspricht die erforderliche Fläche für das rückgeführte Rauchgas am Eintritt des Zwischenrohres einer Strömungsmasse, die der Strömungsmasse der Verbrennungsluft gleich ist, wobei die Temperatur gleich der Verbrennungskammertemperatur ist, und die Geschwindigkeit dem verfügbaren Druckverlust in Folge der Ansaugwirkung des Primärstrahls entspricht. Gewöhnlich hat die Rückführzone an der vorderen Lippe des Zwischenrohres einen Differenzdruck von ungefähr 5,08 mm H_?O für einen kleinen Brenner. Dies entspricht einer radialen nach innen gerichteten Geschwindigkeit von 15,24 m/s bis 18,288 m/s.

Eine gleiche oder größere Fläche ist für eine radiale nach innen gerichtete Strömung am vorderen Ende der Lippe des Zwischenrohres durch den Spalt zwischen dem Zwischenrohr und der Düsenplatte vorgesehen. Diese Strömung findet durch eine Zone statt, die mittels der imaginären Zylinderfläche begrenzt wird, die einen Durchmesser der vorderen Mitte des Zwischenrohres 20 aufweist und sich zwischen der Lippe und der Düsenplatte 34 erstreckt, die den hinteren Teil der Rückführzone 48 bildet. Eine ähnliche oder größere Zone

130020/0850

muß ebenfalls in einer Ringzone zwischen dem Zwischenrohr 20 und der Innenseite des Brennermantelrohres vorgesehen sein.

Die Düse 30 ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung und ist in Form eines Luftschiebers zur Steuerung der Strömung durch die Ringdüse ausgebildet. Diese Anordnung umfaßt einen Düsenkegel 32, der eine Ringdüsenöffnung 31 ausbildet,und einen hinteren Abschnitt aufweist, der sich über mehrere öffnungen oder Löcher in dem Verteilerring 36 schiebt. Der Durchmesser der runden öffnungen in dem Verteilerring und die Hubbewegung des Düsenkegels sind so aufeinander abgestimmt, daß die öffnungen vollständig geschlossen sind, wenn der Kegel genau die Ringdüse ausfüllt und sie vollständig geöffnet sind, wenn der Kegel keinen Widerstand in der Ringdüse darstellt, wenn er zurückgezogen ist. Bei mittleren Stellungen des Düsenkegels 32 verändert sich die offene Fläche der Ringdüse linear mit der axialen Stellung des Düsenkegels und die offene Fläche durch die Verteilungsöffnungen 38 ist gleich der Fläche eines Segmentes eines Kreises, wo die vordere Kante des zylindrischen Abschnitts des Düsenkegels eine Sehne quer über die Verteileröffnungen 38 bildet. In der geschlossenen Stellung paßt der konische Abschnitt 32A des Kegels in die Ringdüse in ausgerichteter Weise. Der zylindrische Abschnitt des Kegels paßt radial innerhalb von 0,127 mm an der vorderen Kante der Verteileröffnungen. Wenn der Düsenkegel 32 in Richtung der offenen Stellung bewegt wird, d. h., er wird zurückgezogen, so kann das radiale Spiel innerhalb des Verteilerrings 36 1,27 mm betragen, wodurch die Herstellung der Teile aus Keramik leichter wird. Fig. 2 zeigt die Luftströmung

130020/0850

in dieser Anordnung. Bei einem festgelegten Zuführdruck der Luftversorgung stellt man fest, daß die Strömung zwischen einer Öffnung von 10% bis 90% sich im wesentlichen linear mit der Stellung des Düsenkegels 32 ändert. Dieses Merkmal ist ein wesentlicher Vorteil zur Regelung der Luftströmung mittels einer einfachen Einrichtung. Der Düsenkegel 32 wird durch Betätigung eines Joches 41, das mit den Stellstangen 40 verbunden ist, die wiederum innen mit dem Düsenkegel 32 verbunden sind und mittels Stiften 68 festgelegt sind, bewegt. Das Joch 41 kann auf irgend eine Art und Weise bewegt werden, wie z. B. durch eine lineare Betätigungseinrichtung, eine Rotationsbetätigungseinrichtung oder von Hand.

Ein radialer Dichtungsring aus einem geeigneten Material, wie z. B. eine Asbestschnur,ist zwischen dem Kegel 32 und dem mittleren Rohr 10 vorgesehen, um eine Luftleckage aus der Karaiaer 29 unterhalb des Kegels 32 zu verhindern, die sich der Luft beimengen könnte, die normalerweise mittels der Strömung zwischen dem Kegel 32 und der Düsenplatte 36 zugeführt wird. Eine derartige Luftleckage würde den Arbeitsbereich um das optimale Brenner-Brennstoff-Luftverhältnis vermindern.

Der Eintritt zu der Verbrennungsluftkammer 29 von dem Heißluftzuführkanal 28 sollte eine Fläche haben, die ungefähr das 3-fache der Fläche der Verteilerlöcher in der voll geöffneten Stellung beträgt. -

Der Brennstoff wird durch das Rohr 44 zu der Brennstoffeinspritzung am ofenseitigen Ende des mittleren Rohres geführt. Flüssige Brennstoffe können unter einem Druck

130020/0850

bis zu 341,5 kg/cm oder irgend einem anderen Wert zugeführt werden, der den Eigenschaften der Brennstoffeinspritzung entspricht. Der Wert hängt von den Betriebsbedingungen ab, unter denen der Brenner arbeitet. Gewöhnliche Brenner, die No. 2 oder No. 6 Heizöl verwenden, verwenden gewöhnlich Luft oder Dampfversprühung, um den Brennstoff für eine gute Verbrennung mittels Formen von Tröpfchen in der Größenordnung von 20 bis 60μ vorzubereiten. Die Luft oder der Dampf kann bei irgend einem Druck zwischen

2 2

1,406 kg/cm und 7,03 kg/cm zugeführt werden. Der Brennstoff wird in einer konzentrischen oder parallelen Leitung längs des mittleren Rohres, das zu der Einspritzung führt, bei Drücken zwischen

2 2

1,406 kg/cm und 7,0 kg/cm , zugeführt. Die Brennstoff düsenspitze 17 kann von irgend einer im Eandel
erhältlichen Form, wie z. B. der Delavan "Wirbelluft"
Düse, sein. Es können ebenfalls Drucksprühdüsen für .
No. 2 Heizöl verwendet werden. In diesem Fall wird
das Heizöl bei einem niedrigen Druck von etwa 1,406 kg/cm

bei einer minimalen Strömung bis zu einem Druck·-von

2 2

28,1 kg/cm bis 35,2 kg/cm bei maximaler Strömung

zugeführt. Es ist nicht notwendig ein zweites Sprüh- '

fluid zu verwenden, wenn eine Druckversprühung ange- >

wendet wird.

Hochdrucksprühsysteme, wie z. B. das HI Superkriti- .

sehe Brennstoffsystem gemäß der US-PS 3 876 363 j

können ebenfalls bei diesem Brenner verwendet werden. j

Gewöhnlich werden der Brennstoff und das Sprühmedium, ;'

wenn verwendet, der Brennstoffeinspritzung durch den j

Kern in konzentrischen Rohren zugeführt, wobei das I

Sprühmedium gewöhnlich außerhalb der Brennstoffleitung j

130020/0850

fließt. Diese können sich durch die das mittlere Rohr abdeckende Platte des Brenners erstrecken, an der eine Verbindung vorgesehen werden kann, um die Wartung zu vereinfachen, oder können sich zu einem Verteiler erstrecken, der ebenfalls für andere für den Brenner erforderliche Fluide dient, und der mit äußeren Bedienungsgeräten auf irgend eine Art und Weise verbunden werden kann. Gasförmige Brennstoffe werden im wesentlichen in der gleichen Weise zugeführt, mit der Ausnahme, daß ein getrenntes Sprühfluid nicht erforderlich ist.

Das mittlere Rohr 10 kann ebenfalls mit Sicherheitseinrichtungen und Zündeinrichtungen versehen sein, die sich von der das mittlere Rohr abdeckenden Platte nach innen zur Brennerspitze erstrecken. Gewöhnlich umfassen diese eine Zündelektrode 54 zur Zündung des Brennstoffs direkt oder zur Zündung eines Zündbrennstoffes, wenn dieser verwendet wird. Der Zündbrennstoff wird in einer getrennten Leitung, die parallel zum mittleren Rohrkern 44 längs der Zündelektroden, der Sprühluft und Brennstoffleitungen läuft, zugeführt. Das Zündgas endet etwa 25,4 bis 50,8 mm von der Mittelrohr spitze und wird, je nach Wunsch, mittels eines elektrischen Funken gezündet. Das Zündgas liefert eine Flamme oder Fackel, die wiederum den Hauptbrennstoff Sprühstrahl oder Strahl zündet. Das Zündgas wird gewöhnlich bei schwereren Brennstoffen, wie z. B. No. 6 Heizöl und Mischungen, wei z. B. von Kohle und ölschlamm zur Sicherstellung der Zündung verwendet.

Ein Raum zur Beobachtung durch das Mittelrohr kann ebenfalls zum überwachen der Flamme mit einem Flammfühler vorgesehen sein, der auf der das Mittelrohr

130020/0850

abdeckenden Platte vorgesehen ist. Der Flammfühler, der im Handel erhältlich ist, wird nach Sicht in Richtung der Spitze des Mittelrohres geführt. Das Vorhandensein der Flamme erzeugt einen Strom in dem Flammfühler, der von einem geeigneten elektrischen Schaltkreis, der als Flammwächter entsprechend den Sicherheitsrichtlinien dient, erfaßt. Ebenfalls kann die Flamme durch eine Sichtglasöffnung beobachtet werden, mit der die Mittelrohrspitze beobachtet werden kann. Das ;Sichtglas ist ebenfalls in der das Mittelrohr abdeckenden Platte befestigt.

Da der Brenner vorzugsweise für die Verwendung von hocherhitzter Verbrennungsluft ausgelegt ist, und ein Teil des Brenners den Verbrennungsprodukten ausgesetzt und direkt mit der Verbrennungskammer verbunden ist, würde das äußere Gehäuse sehr heiß, wenn es nicht thermisch mittels einer Isolierung geschützt wäre. Die Isolierung 62 zur Isolierung der Verbrennungskammer hält die Außenhaut des Brenners auf einer Temperatur von 149°C oder darunter. Gewöhnlich wird dies mit einer Aluminium-Siliziumfaser von 25,4 mm bis 38,1 mm Dicke erreicht, die an der inneren Fläche befestigt ist.

Der Befestigungsflansch 27 des Brenners liegt ungefähr in der Ebene der Düsenplatte 34, die ebenfalls die Trennebene zwischen der Verbrennungsluft und des rückgeführten Rauchgases darstellt. Somit sind die Rauchgase nur den Wänden des Ofens ausgesetzt, durch die sich das Brennermantelrohr 24 erstreckt, und auf denen der Brennerflansch festgelegt ist.Die thermische Isolierung 70 trennt den Brennerrahmen 69 von dem Mantelrohr 24.

130020/0850

30A1177

Es wurden verschiedene Brenner mit verschiedenen Brennstoffen untersucht: Erdgas, Propan, No.2 Heizöl, No. 6 Heizöl und Kohle +No. 6 Heizölmischungen. Die Versuche mit No. 2 und No. 6 Heizöl wurden bei einem Aufkocherbetrieb durchgeführt. Die No. 2 Heizöl und Kohle +No. 6 Heizölmischungen wurden beim Ofenbetrieb untersucht. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse hinsichtlich der Überschußluft,des NO , der

unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Rauchs. Die Ergebnisse werden mit anderen Brennern verglichen. Es kann festgestellt werden, daß sehr geringe Rauchmengen bei sehr wenig Überschußluft mit diesem Brenner erreicht werden. Der NO -Gehalt ist nicht so hoch, wie er für eine gegebene Flammentemperatur, Brennstoffströmung und Kammergröße erwartet würde. Die Betriebsbedingung dieses Brenners erscheint mindestens über einen 4:1 maximal:minimal Strömungsbereich zufriedenstellend.

Die bevorzugte Ausführungsform des in der Zeichnung dargestellten Brenners weist eine Anzahl von Merkmalen auf, die gegenüber bekannten Konstruktionen Verbesserungen darstellen. Der verbesserte Betrieb wird insbesondere durch die Anordnung der Brennstoffdüse in bezug auf die Stellung des Zwischenrohres 20, der Luftdüse und der zugeordneten Ringluftdüse erreicht. Eine weitere Verbesserung besteht in der Düsenanordnung oder dem Luftschieber, welcher eine aufeinander abgestimmte Konstruktion des Verteilerrings, der Ringdüse und dem Düsenkegel zur wirksamen Steuerung der Öffnung an irgend einer axialen Stellung umfaßt, um die Strömungskennwerte zu erreichen, die mit dem Öffnungsabstand linear sind.

30020/0850

Es wird ein Brenner mit intern rückgeführtem Rauchgas beschrieben, der mit einer geringen Menge Überschußluft arbeitet, ohne unzulässige Mengen von Teilchen (Rauch) und .'Stickoxiden zu.erzeugen,, wobei er Umgebungsluft oder hocherhitzte atmosphärische Luft als Oxydationsmittel verwendet. Der Brenner arbeitet mit einer Flammenfront außerhalb des Brenners in der Verbrennungskammer mit Rückführung von Rauchgas, das mittels der geometrischen Form des Brenners und der von der eintretenden Verbrennungsluft gelieferten Energie zugeführt wird. Zur Regelung der Verbrennungs luf strömung wird eine Düse beschrieben, die konzentrisch zu dem Brennermittelelement verläuft. Die Düse umfaßt eine feste keramische Düsenplatte mit ringförmig angeordneten Verteileröffnungen und einen Düsenkegel, vorzugsweise ebenfalls aus Keramik,der zum öffnen und Schließen des ringförmigen Strömungskanals zwischen der Düse und dem mittleren Rohr des Brenners als auch der ringförmigen Stromungsverteilungsöffnungen angeordnet ist. Die durch die Düsen ausgegebene Luft fließt längs der Oberfläche des mittleren Rohres, wobei ein Druckabfall am Austrittspunkt geschaffen wird, durch den das Rauchgas von der Ofenkammer zu dem Kanal fließt, der von dem Brennermantelrohr und dem äußeren Durchmesser des Zwischenrohres gebildet wird. Das rückgeführte Rauchgas verbindet sich mit der eintretenden Verbrennungsluft und fließt parallel zu der Verbrennungsluft durch den Ringkanal , der von dem Innendurchmesser des Zwischenrohres und dem Außendurchmesser des mittleren Rohres gebildet wrid. Eine gewisse Mischung der Verbrennungsluft und des rückgeführten Rauchgases tritt innerhalb des Zwischenrohres auf. Ein Flammehalter, der einen Teil des

130020/0850

mittleren Rohres am Austrittsende des Brenners bildet, erzeugt Wirbel und schafft eine Flammhaltezone, in die der Brennstoff eingespritzt und die Flamme gehalten wird. Die so ausgebildete Flamme erstreckt sich in die Strömungszone bis zu einem Punkt, an dem die Verbrennungsreaktion beendet ist.

130020/0850

Tabelle 1
Emissionen des Transjet-Brenners

Anwen- Brenn- Brenndung stoff stoffströmung kg/h

Kammertemperatur ⁰C

Ver- Überbren- echuß nungs-C>2 % lufttemp. ⁰C

Rauch (Bacharach)

NO χ

ppm

CO ppm

Brennstoff %

Ofen No.2 50,12

73,07

56,12 8,5 „07 94,25 98,13

Äufko- No.6
eher

68,48 68,48 68,48 ,07 66,01 74,13

1297 1353

1242 1353 1267 1297

1297-1409 1297-1409 1297-1409 1297-1409 1297-1409 1297-1409

538 538·

538 538 21,1 21,1

21 ,1 21,1 21 ,Γ 21 ,1 21,1 21,1

1 1 -

1 -

2 -

ο,ι

0,2 0,4 0,6 0,8 2,0

η ic lit
nichtliar in stabilem Zustand

115-140

105-140

80-105 68-86 60-64 49-56

165 170 195 185 195 220

17-33 50-60

5-15

60-63 45-75

0,08 0,1

0,1-0,12 0,2

0,1-0,12 0,12-0,17

Ofen

Emissionen des Transjet-Brenners für Null Rückführung

No.2 55,42 1242

538

1-2

84	,01	1297	538	1	1	- 2
88	,25	1242	21,	1	2	- 4
90	,01	1242	21,	2	- 4

nicht 105-145 sichtbar in stabi- 125-150 lern Zu- 8-12 stand 58-70

0,1-0,12 0,12-0,15

eerse

it

Claims

Hague International, South Portland, Maine/USA

Brenner

PATENTANSPRÜCHE

1.) Mit Verbrennungsluft

arbeitender Brenner, die dem Brenner mit einer Temperatur von 316⁰C bis 1297⁰C zugeführt wird, gekennz eichnet durch

- ein mittleres Rohr (10), das einen sich nach vorne erstreckenden hochtemperaturbeständigen, keramischen Rohrabschnitt mit einem am vorderen Ende des Brenners angeordneten Flammenhalter (14) aufweist,

- ein das keramische Rohr (10) umgebendes hochtemperaturbeständiges Mantelrohr (24),

- ein sich um das keramische Rohr (10) zwischen dem Mantelrohr (24) und dem keramischen Rohr (10)

13QÖ2Ö/O8S0

erstreckendes, hochtemperaturbeständiges Zwischenrohr (20), das einen Umlaufgaskanal ausbildet/ sodaß Rauch vom vorderen Ende des Brenners zwischen dem Mantelrohr (24) und dem Zwischenrohr (20) zu einer hinteren Kammer (22) des Brenners und von dort zwischen dem mittleren Rohr (10) und dem Zwischenrohr (20) zum vorderen Ende des Brenners geführt wird, wobei die das mittlere Rohr (20) umgebende Kammer (22) teilweise mittels einer hochtemperaturbeständigen Wand (34) begrenzt wird,

- Verbrennungslufteinrichtungen zum Zuführen eines Verbrennungsluftstroms axial zum mittleren Rohr (10) zwischen dem mittleren Rohr (10) und dem Zwischenrohr (20), die eine hochtemperaturbeständige, ausgekleidete keramische Kammer (22) und einen hochtemperaturbeständigen, keramischen Kammerkegel (32), einen Einlaßkanal (30) zum Zuführen heißer Verbrennungsluft zu der Kammer (23) und Einrichtungen (40, 41) zur Festlegung des Kegels (32) an einer vorbestimmten Stelle zur Einstellung der Größe des Einlaßkanals (31) und somit zur Einstellung des Verbrennungsluftstroms zum Auslaßkanal, aufweist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Kegel (32) begrenzende öffnungen (38) zur Verteilung der Verbrennungsluft zur Kammer (22) im wesentlichen gleichförmig um das mittlere Rohr (10) vorgesehen sind.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (40,41) zum Hin- und Herbewegen des Kegels (32) vorgesehen sind, sodaß ein bestimmtes Volumen Verbrennungsluft zur

13ÖÖ2Ö/OÖ50

Kammer (22) zugeführt wird, wobei der Kegel als Ventil wirkt.

Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel (32) einen relativ zu einer mit der Kammer (22) verbundenen Düsenplatte (34) bewegbaren Düsenkegel umfaßt.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichent, daß der Düsenkegel (32) und die Düsenplatte (34) ringförmig ausgebildet sind, wobei der Düsenkegel (32) ein konisches Ende (32A) und ein zylindrisches. Ende,die Düsenplatte (34) ein mit dem konischen Ende des Düsenkegels (32) zusammenwirkendes Ende (34A) und ein einen Verteilerring (36) ausbildendes Ende aufweist, das mit dem zylindrischen Ende des Düsenkegels (32) zusammenwirkt.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennz ei chent, daß ein Joch X 41) zur Bedienung des Düsenkegels (32) vorgesehen ist.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flammenhalter (14) mittels eines ringförmigen Flansches ausgebildet wird, der sich von dem mittleren Rohr (10) nach außen erstreckt.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Mischöffnung (64) durch das mittlere Rohr (20) im Abstand, jedoch benachbart zum Flammenhalter (14) führt.

130020/0850

9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekehnzeichent, daß das mittlere Rohr (10) sich um einen größeren Betrag als das Zwischenrohr (20) nach außen erstreckt.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenrohr (20) sich um einen Betrag nach außen erstreckt, der gleich oder größer als der Betrag des sich nach außen erstreckenden Mantelrohres (24) ist.

11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die Verbrennungslufteinrichtung eine feste Düsenplatte (34), die teilweise die Kammer (22) ausbildet, eine zwischen dem inneren Ende des Zwischenrohres (20) im Abstand von der Düsenplatte (34) vorgesehene Mischzone und die Düsenplatte (34) selbst umfaßt.

12. Brenner, gekennz eichnet durch,

- einen mittleren Körper, bestehend aus einem hochtemperaturbeständigen Rohr (10) mit einem am vorderen Ende angeordneten Flammenhalter (14),

- ein hochtemperaturbeständiges, das mittlere Rohr (10) umgebendes Brennermantelrohr (24),

- Einrichtungen zur konzentrischen Festlegung des mittleren Rohres (10) und des Brennermantelrohres

(24),

- ein hochtemperaturbeständiges, sich zwischen dem mittleren Rohr (10) und dem Brennermantelrohr(24) erstreckendes, das mittlere Rohr (10) umgebendes Zwischenrohr (20), wodurch ein Umlaufgaskanal (48) ausgebildet wird, sodaß Rauchgas vom vorderen Ende des Brenners zwischen dem Mantelrohr (10) und dem

130Q20/08S0

Zwischenrohr (20) zu einer hinteren Mischkammer .{22) des Brenners und dann zwischen dem mittleren Rohr(10) und dem Zwischenrohr (20) nach vorne zum Brenner unter Vermischung mit der Verbrennungsluft geführt wird,

- Verbrennungslufteinrichtungen (32A_f34A), bestehend aus einem Einlaßkanal (38) zum Zuführen von Verbrennungsluft, einer hochtemperaturbeständigen Kammer (22), zu der der Einlaßkanal (38) führt, und der Kammer zugeordnete Einrichtungen zwischen dem Einlaßkanal (38) und der Kammermischzone zur Regelung der Verbrennungsluftströmung zur Mischzone zwischen dem mittleren Rohr (10) und dem Zwischenrohr (20).

13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichent, daß das mittlere Rohr (10), das Mantelrohr (24) und das Zwischenrohr (22) aus hochtemperaturbeständigem Keramik bestehen, das Temperaturen von mindestens in der Größenordnung von 1353°C oder weniger standhält.

14. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenhalter (14) mittels eines Ringflansches begrenzt wird, der sich von dem mittleren Rohr (10) nach außen erstreckt.

15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichent, daß das Zwischenrohr (20) sich zu seinem hinteren. Ende hin zu einem kleineren Durchmesser neigt.

16. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichent, daß das mittlere Rohr (20) ein vorderes Ende aufweist, das kurz vor dem

130020/0850

Flammenhalter (14) endet und ein hinteres Ende aufweist, das kurz vor der Verbrennungsluftregeleinrichtung endet.

1 7. Brenner nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichent, daß das mittlere Rohr (10) ein vorderes Ende aufweist/ das kurz vor dem mittleren Rohr (2 0) endet und ein hinteres Ende aufweist/ das eine Lagerung für mindestens einen Teil der Verbrennungs luf teindüs einrichtung ausbildet.

1 8. Brenner nach Anspruch 12,

gekennzeichnet durch einen Kegel (32) und eine Einrichtung (40,41) zur Festlegung des Kegels (32) in einer einstellbaren Stellung, zur Einstellung der Größe des Kanals(38) durch die Verbrennungslufteindüsregeleinrichtung, wodurch der Kanal (38) der Verbrennungsluft zur Zone um das mittlere Rohr (10) einstellbar ist.

19. Brenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet/daß der Düsenkegel (32) ein konisches Vorderende (32A) und ein zylindrisches hinteres Ende aufweist, das mit den öffnungen in dem Verteilerring (36) zusammenwirkt.

20. Verfahren zum Betreiben eines Umlaufbrenners mit einem Umlaufkanal von der Verbrennungszone zu der hinteren Kammer (22)und von dort zurück zur Verbrennungszone durch einen isolierten Kanal, dadurch gekennzeichnet, daß

- man Verbrennungsluft zur Kammer (22) hinzufügt, die vom Rauchgasstrom von der Verbrennungs zone aufgenommen und der Verbrennungszone zugeführt wird,

130020/0880

- man die Verbrennungsluft in Abhängikeit einer öffnung veränderlichen Querschnitts, die durch einen bewegbaren keramischen Ring (36) geschaffen wird, und

- man den keramischen Ring (36) zur Schaffung eines größeren oder kleineren Kanals für die dem Umlaufbrenner zugeführte Verbrennungsluft bewegt.

21. Umlaufbrenner mit einem

inneren Körper, einem Umlaufrohr und einem äußeren Mantelrohr zur Ausbildung eines inneren Umlaufkanals, eines äußeren Umlaufkanals, eine die zwei Kanäle verbindende Kammer an einenvon der Verbrennungszone entfernten Ende des Brenners, gekennzeichnet durch

- eine bewegbare keramische Düse (32A,34A), die an die Kammer (32) angrenzt und einen Düsenkegel (32) und einen dadurch zur Kammer verlaufenden Kanal aufweist,wodurch der Kammer (22) von einer Kammer (29) hinter der Düse Verbrennungsluft zuführbar ist,und

- Einrichtungen (40,41) zur Bewegung des Düsenkegels

(32) in bezug auf das Düsenelement zur Schaffung eines Kanals veränderlichen Querschnitts zur Kammer (22), der im wesentlichen auf einer Kreisbahn liegt, um eine gleichförmige Mischung der Verbrennungsluft mit in den Brenner zurückgeführtem Rauchgas zu erhalten, wobei die Mischung mittels der Bewegung, durch die die Menge der zugeführt en Verbrennungsluft bestimmt wird, verändert werden kann.

130020/0850