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Verbrennungsverfahren und Brenner für gasformige, flüssige oder pulverförmige Brennstoffe.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung gasförmiger, flüssiger oder pulverförmiger Brennstoffe, insbesondere zur Anwendung bei Zementbrennofen. Weiters bezieht sich die Erfindung auf einen Brenner zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Bei solchen Ofen, insbesondere bei Drehrohröfen, besteht das Bestreben, die Zone grösster Hitze in gewissen Abständen von den Ofenenden anzuordnen, um die Menge der abgeführten Wärme zu vermindern die durch den Klinker und die Abgase gebunden wird.
Anderseits sucht man, weil das zu brennende Material sich an der Oberfläche des rotierenden Zylinders befindet, eine sehr lange sich quer erstreckende Flamme zu erzielen, deren Maximaltemperatur am Umfang liegt. Weder die Spitze der Flamme noch ihr Mittelteil brauchen eine höhere Temperatur zu haben, da die in diesen Zonen erzeugten Kalorien für die Behandlung des zu brennenden Materials nicht in Frage kommen und in den Schornstein abgeführt werden. Anderseits muss die Flamme selbst nicht sehr lang sein, da die Zone der Maximaltemperatur sich nicht auf eine grosse Fläche des Ofenmantels erstrecken muss.
Um das oben angegebene Problem zu lösen, wird erfindungsgemäss nach folgendem Verfahren gearbeitet, das darin besteht, dass der Brennstoff oder das Brennstoffprimärluftgemisch in Form einer ringförmigen Hülle mit einem Druck in den Ofen eingeführt wird, der höher ist als der gebräuchliche Druck von 175-200mm Wassersäule. Dadurch wird bewirkt, dass der Brennstoff mit beträchtlicher Geschwindigkeit aus dem Brenner austritt. Die beiden aus dem Brenner austretenden Gemischhüllen bewegen sich in gleicher Richtung fort um eine Mischung unmittelbar nach dem Austritt aus dem Brenner zu verhindern. Ausserdem ist die Sekundärlufthülle unmittelbar in Berührung mit der Ofenatmosphäre, so dass sie, als Isoliermittel wirkend, die Entzündung der Mischung erst in einem bestimmten Abstand von der Brennerspitze gestattet.
Der Grund hiefür liegt darin, dass der Sekundärluftmantel erst nach genügender Vorwärmung die Entzündung gestattet. Da weiters das Primärluftgemisch in Form eines Strahles mit ringförmigem Querschnitt in den Ofen eintritt, hat die Flamme die Form eines Hohlkörpers ohne axiale Spitze und ihre Maximaltemperatur befindet sich an ihrem Umfang. Da die radiale Dicke des Strahles im Verhältnis zum Durchmesser ziemlich gering ist und die Berührungsfläche mit der Sekundärluft wesentlich grösser ist als bei einem vollen Strahl gleichen Volumens, vollzieht sich die Verbrennung mit grosser Geschwindigkeit, wodurch die Flamme kurz wird und eine grosse Intensität besitzt.
Es sind bereits Anordnungen bekannt, bei welchen die Primärluft und der Brennstoff aus einem Rohr in Form eines vollen Strahles austreten, während die Sekundräluft aus einem hiezu konzentrischen Rohr in Form eines Ringstrahles austritt, der den vollen Brennstoffstrahl umgibt und der seinerseits von einem brennbaren Gase umgeben ist. Eine solche Anordnung vermag die angegebene Aufgabe nicht zu lösen, da der verwendete Druck gleich dem bisher üblichen ist und demzufolge die Austrittsgesehwin- digkeit des Strahles nicht so gross ist, dass er seine Form auf eine gewisse Strecke nach dem Austritt aus dem Brenner beibehält. Ausserdem wird die Flamme infolge des vollen Strahles nur einen geringen Durchmesser jedoch eine grössere Länge aufweisen und ihre Maximaltemperatur nahe ihrer Spitze haben.
Schliesslich wird die Entzündung des Brennstoffluftgemisches unmittelbar nach dem Austritt aus dem Brenner stattfinden, weil die Sekundärluft von einer brennbaren Gashülle umgeben ist.
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Der Brenner, der gemäss der Erfindung die Durchführung des obigen Verfahrens ermöglicht, gehört jener Bauart an, bei welcher ein äusseres Rohr mit einem hiezu koaxialen inneren Rohr eine ringförmige Austrittsöffnung für das Primärluft-Brennstoffgemisch bildet, wobei das innere Ende des inneren Rohres geschlossen ist. Erfindungsgemäss erstreckt sich das innere Rohr im Ofeninnern vor die Austritts- öffnung des äusseren Rohres (Hülle), wobei der vorspringende Teil dieses inneren Rohres von einer konzentrischen Hülse umgeben ist, deren Durchmesser grösser ist als der innere Durchmesser der Austritts- öffnung des äusseren Rohres und durch welche die Sekundärluft zugeführt wird, die sieh über das aus dem inneren Rohr austretende Primärluft-Brennstoffgemisch ausbreitet.
In den Zeichnungen, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulichen, stellen dar : Fig. 1 eine Düse gemäss der Erfindung im Längsschnitt ; Fig. 2 eine Endansicht der Einrichtung gemäss Fig. 1 von A aus gesehen ; Fig. 3 einen, zur Längsachse der Düse senkrechten Querschnitt nach der Linie B-B der Fig. 1 ; Fig. 4 ein Ofenende, beispielsweise das eines Zementbrennofens im Schnitt, mit der Lagerung der Düse und dem Umriss der mit der Düse gemäss der Erfindung erhaltenen Flamme.
Fig. 5 zeigt den Gemischstrahl beim Austritt aus der Düse im Querschnitt nach der Linie 0-0 der Fig. 4, in grösserem Massstabe ; Fig. 6 stellt schematisch die Flamme dar, die mit den bisher üblichen Düsen erhalten wird, welche einen vollen Strahl erzeugen.
Gemäss dem in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der gesamte Brennstoff in eine zylindrische Leitung 1 eingeführt, welche die Düse mit einem nicht dargestellten, mit sehr hohem Druck arbeitenden Ventilator verbindet. Ein Schrägflansch 2 ermöglicht die Düse durch Drehung derselben auch schräg oder gleichachsig zur Ofenachse anzuordnen.
Der Ventilator bläst in die Leitung nur einen Teil der zur Verbrennung nötigen Luft, welche als Primärluft bezeichnet wird, ein, die überdies zur kräftigen Durchwirbelung des Brennstoffes und zur
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Die Düse weist einen zylindrischen, in der Fortsetzung der Ventilatorleitung gelegenen Teil 3 auf, welcher sich an einen kegelstumpfartigen Rohrkörper anschliesst, der sich bei 4 im Teil b, c erweitert, sodann bei 5, im Teil e, d zylindrisch verläuft, hierauf bei 6, im Teil d, e, sich konisch verjüngt und schliesslich in einen zylindrischen Teil e, s übergeht, der nur einige Zentimeter lang ist.
Innerhalb des Körpers 3, 4, 5,6 ist ein voller oder hohler, bei 7, im Teil f, g, konischer und bei 8 von g bis zur Düsenmündung h zylindrischer, durch Zwischenstreben 9 fixierter Kern angeordnet.
Der Brenner wird durch einen Zylinder 10 vervollständigt, welcher konzentrisch zum zylindrischen Teil 8 des mittleren Kernes liegt und sich bis !, d. i. bis zur Düsenmündung erstreckt und den kegelstumpfartigen Rohrteil 6 überdeckt, so dass zwischen dem letzteren und dem Ende K des Zylinders 10 ein Zwischenraum 11 vorhanden ist, der zum Einlass der Sekundärluft dient. Der Zylinder 10 läuft zweckmässig in ein trichterförmig erweitertes Rohr 12 aus, auf dessen Zweckbestimmung weiter unten eingegangen werden wird.
Die Düse wirkt wie folgt : Das Gemisch aus Brennstoff und Primärluft gelangt in den Zylinder 3 und wird durch den Kern bei f aus dem zylindrischen Rohrteil in einen Ringkanal übergeführt, dessen Querschnitt sich im Teil d, e, entsprechend dem konvergierenden Teil 6 der Düse, verjüngt. Beim Durch-
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luftgemisches zur Folge hat.
Die fortschreitende Verminderung des Durchgangsquerschnittes im Teil d, e bewirkt eine fortgesetzte Steigerung der Gemischgeschwindigkeit, welche bei e, beim Austritt aus dem Kegelstumpfrohr 6 den grössten Wert erreicht und die Bildung eines hohlen Zylinders sichert, welcher infolge der grossen Geschwindigkeit seine Form sogar nach dem Austritt aus der Düse über eine verhältnismässig weite Strecke hinaus beibehält.
Von s an strömt das Gemenge aus Brennstoff und Primärluft entlang der zylindrischen Wandung 8 in einer dünnen Schichte, ohne sich von der Wand 8 abzulösen entsprechend der Erscheinung beim Strömen von Flüssigkeiten entlang von Wandungen.
Die zur Sicherung der Verbrennung des mit Primärluft vermischten Brennstoffes erforderliche Sekundärluft strömt bei 11 ein ; die hohe Strömungsgeschwindigkeit der bei s aus dem Rohrstück 6 austretenden Gasmasse sichert durch Mitreissen die selbsttätige Ansaugung der Sekundärluft. Die Erweiterung 12 am Ende des Zylinders 10 sichert den Eintritt der Sekundärluft, welche kalt oder warm sein kann. Es ist möglich, dieselbe durch Berührung mit heissen Körpern, beispielsweise in einem an den Ofen angeschlossenen Kühler zu erwärmen.
In den zylindrischen, durch den Kegel 7 abgeschlossenen Raum des hohlen Kernes kann durch das Rohr 13 kalte oder heisse Luft, z. B. durch einen Ventilator, eingeblasen werden.
Aus der beschriebenen Bauart erhellt, dass der am Ende h der Düse austretende Gaszylinder nicht gleichartig ist, sondern aus scharf voneinander getrennten drei verschiedenen Zonen (Fig. 4,5) besteht, u. zw. in der Mitte aus einem Luftzylinder 14, wenn Luft bei 13 eingelassen wird, längs des Umfanges des Zylinders 14 aus einer dünnen, aus Brennstoff und kalter Primärluft zusammengesetzten Schichte 15
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und einem Sekundärluftzylinder 16, der kalt oder heiss ist, gleichachsig mit der Düse verläuft und die
Aussenzone des durch die letztere eingeführten Gasstromes bildet.
Bei Verwendung einer derartigen Düse, welche sieh infolge ihrer Länge verhältnismässig tief in den Ofen erstreckt, erfolgt die Verbrennung in nachstehender Weise : der Luftzylinder 16 erwärmt sich infolge der Strahlung der Ofenwände und dehnt sich aus, sobald er in den eine erhöhte Temperatur aufweisenden Ofengürtel dringt, u. zw. um so mehr, je weiter der Strahl von der Düse sich entfernt ; es bildet sich auf diese Weise um den Zylinder 15, der aus einer Mischung von Brennstoff und kalter Primärluft besteht, eine Hülle des die Verbrennung unterhaltenden, sehr heissen Gases, welches demnach der Verbrennung des erwähnten Gemisches aus Brennstoff und Primärluft und zur Ausbreitung der Flamme nach aussen, senkrecht zur Längsachse der Düse, sehr förderlieh ist.
Ist die Luftsehichte 16 erhitzt, so erfährt der gasförmige, aus der Mischung des Brennstoffes mit der Primärluft bestehende Zylinder 15 seinerseits eine Erhitzung seines äusseren Teiles, welcher sich in einem gewissen Abstande von der Düse entzündet. Die Verbrennung pflanzt sich durch die Masse fort und teilt sich in kurzer Zeit der ganzen Mischung mit ; da die Dicke der gasförmigen Schichte gering ist und die Oberfläche, welche Wärme durch Strahlung aus der Umgebung empfängt, beträchtlich ist.
Die durch die Verbrennung des ursprünglichen Gemisches erzeugten Gase dehnen sich heftig aus bzw. suchen sich auszubreiten und ihre Verbrennung zu vervollständigen und finden gegen aussen zu eine hiefür sehr günstige Umgebung in der Heissluftzone 16.
Gegen innen zu hingegen behält der mittlere Luftzylinder 14 eine niedrigere Temperatur bei, bis zum Augenblick der vollständigen Verbrennung der Gasmasse ; da die Temperatur dieser Luft niedriger ist, so ist sie tatsächlich der Ausbreitung der Flamme nach innen nicht günstig ; anderseits wird durch die Ausdehnung dieser Luft bei Berührung mit den entzündeten Gasen die mit Brennstoff geladene Gasmasse und demnach die Verbrennungszone von der Düsenachse entfernt.
Man erhält eine ellipsoidartige Flamme ohne axialer Spitze und sehr hoher Temperatur, deren Verbrennungszone am Aussenteil am lebhaftesten ist, während bei einer bisher üblichen Misehdüse 18 mit vollem Strahl die Flamme die in Fig. 6 angedeutete Form mit drei Zonen aufweist, u. zw. eine innere Zone 19 ohne Flamme, in der eine nicht brennende Mischung von Luft und Brennstoff vorhanden ist, da die Wirkung der Strahlung nicht genügt, um sie derart zu erhitzen, dass sie entzündet wird ; eine Zone 20, in der die Verbrennung durch Wärmestrahlung, von aussen gegen die Flammenaehse zu fortschreitend, unvollkommen und langsam vor sich geht, sowie eine Zone 21 an der Spitze und in der Flammenachse, in der die Masse in einer eine hohe Temperatur aufweisenden Umgebung ihre Verbrennung vervollständigt.
In der Düse gemäss der Erfindung ist der Durchmesser der Flamme in der zur Düsenachse senkrechten Ebene regelbar. Die Flamme kann nämlich verkürzt und im Durchmesser erweitert werden, u. zw. um so mehr, je grösser die Menge der bei. ! jf anlangenden Sekundärluft und je höher ihre Temperatur ist.
Diese Regelung wird insbesondere durch den Kegelstumpf 12 ermöglicht, durch dessen Verstellung der Einlassquerschnitt 11 regelbar ist. Es leuchtet demnach ein, dass es möglich ist, die Flammen zu regeln, derart, dass eine hohe thermische Leistung, einerseits durch Bestrahlung der Masse, und anderseits durch unmittelbare Berührung der Flamme mit dem zu erhitzenden Gute erzielt wird.
Die Erfindung ist bei beliebigen Düsen oder Brennern anwendbar.
Zur Vorwärmung der Sekundärluft kann jede beliebige Rekuperativeinrichtung für heisse Gase und heisse Luft entweder unmittelbar, durch die Saugwirkung der Düse, oder mittelbar zur Anwendung gelangen.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für drehbare Öfen der metallurgischen, zementverarbeitenden und chemischen Betriebe. Bei solchen zylindrischen oder zylindrisch-konischen Öfen ermöglicht die obbeschriebene Düse das Bestreichen der Ofenwände mit der Flamme und die Berührung der letzteren mit dem zu erhitzenden Gut und der Ofenwand.
Erfordert bei solchen Öfen die Behandlung des betreffenden Gutes im Anschluss an eine Zone der höchsten Temperatur eine Zone, in der das Gut abgekühlt wird, wie etwa die Zone m-n in Fig. 4, so ermöglicht die Düse die Wiedergewinnung eines Teiles der Kalorien, welche durch das Gut mitgeführt wurden, unter Vermittlung der Sekundärluft, die vor ihrer Ansaugung in die Düse um dieses Gut beim Kühlen streicht. Bei einem drehbaren Zementbrennofen, in dem als Brennstoff feingepulverte Kohle verwendet wird, gestattet die Düse, den, die zur Verbrennung unbedingt erforderliche Luftmenge überschreitenden Luftüberschuss zu verhüten.
Bei solchen Öfen nämlich, welche einen Kühler aufweisen, in dem durch einen oder mehrere Gänge 21 das im Ofen im Sinne des Pfeiles f wandernde Gut fällt, wird eine beträchtliche Luftmenge durch den Kühler und diese Gänge 21 eingelassen, welche nach Aufnahme der durch den Klinker bei seiner Abkühlung abgegebenen Kalorien in den Ofenkopf eindringt und durch Berührung mit dem von der Backzone zum Kühler wandernden Klinker eine fortschreitende Temperaturerhöhung erfährt. Diese vorgewärmte Luft gelangt sodann in die Zone der Düse und hierauf in die der Flamme selbst.
Bei der bisher üblichen Düse streicht die Luft zum Grossteil um die Flamme zwischen der Aussenwand der Düse und dem feuerbeständigen Ofenbelag, da die durch eine derartige Düse erzeugte Flamme einen kleinen Durchmesser und eine beträchtliche Länge im Sinne der Düsenachse aufweist und sich demnach in einem gewissen Abstande von der Ofenwandung befindet.
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Die Düse gemäss der Erfindung weist nachstehende Vorteile auf : Sie verteilt den grössten Teil der durch Wiedergewinnung vorgewärmten Luft durch selbsttätige Düsenansaugung um die Brennstoffund Primärluftmischung und erleichtert die vollständige Verbrennung der Elemente ; ferner erzeugt sie eine Flamme grossen Durchmessers, deren Volumen beinahe den ganzen Ofenquerschnitt bis zur Wandung in Anspruch nimmt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verbrennungsverfahren für gasförmige, flüssige oder pulverförmige Brennstoffe, insbesondere für Zementbrennöfen mit rotierenden Trommeln, bei welchen die Verbrennungsluft in Form einer ringförmigen Hülle die den Brennstoffluftstrahl umgibt in den Ofen eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff oder das Brennstoffprimärluftgemisch in Form einer ringförmigen Hülle mit einem Druck in den Ofen eingeführt wird, der höher ist als der gebräuchliche Druck von 175 bis 200 mm Wassersäule.