CH694405A5 - Brenner zur Erzeugung von hohen Prozesstemperaturen durch Verbrennung eines fluiden oder fluidisierten Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Erzeugung von hohen Prozesstemperaturen durch Verbrennung eines fluiden oder fluidisierten Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. 



   Ein Brenner dieser Art ist beispielsweise aus der EP-B1-0 332 644 bekannt. In einem Gehäuse dieses Brenners ist ein Düsenkopf untergebracht, der eine zentrale Sauerstoffdüse sowie mehrere in einem radialen Abstand zu dieser angeordnete, periphere Sauerstoffdüsen für das sauerstoffhaltige Gas aufweist. In einem kleineren radialen Abstand zu der zentralen Sauerstoffdüse ist eine Anzahl von an eine Brennstoffleitung angeschlossenen Brennstoffdüsen angeordnet. Alle Düsen liegen parallel zueinander und zu der Längsachse des Brenners, und die Austrittsöffnungen aller Düsen befinden sich in einer zur Längsachse des Brenners rechtwinkligen Ebene. Somit ist auch die Flammenrichtung der am Austritt der Brennstoffdüsen durch den Sauerstoff erzeugten Brennflamme in der Längsrichtung des Brenners ausgerichtet. 



   Bei bestimmten Anwendungen von Brennern ist jedoch eine Umlenkung der Brennerflamme in einem gewissen Winkel zur Längs- bzw. Einbauachse des Brenners erforderlich. Zu diesem Zweck muss der mit dem Düsenkopf versehene vordere Bereich des Brenners - ähnlich wie bei Schweissbrennern - gegenüber dem zum Einbau vorgesehenen Teil abgewinkelt    werden. Dies bedeutet jedoch gerade bei den zur Erzeugung von hohen Prozesstemperaturen vorgesehenen Sauerstoffbrennern, die thermisch sehr hoch belastet sind und bei denen der Einbau in einen Kühlmantel unumgänglich ist, einen sehr grossen konstruktiven Aufwand. Zudem ist eine Demontage meist nicht möglich. 



   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Brenner der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine Umlenkung der Brennerflamme ermöglicht und dennoch in der Konstruktion, Montage und Wartung einfach und kostengünstig ist. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. 



   Bevorzugte Weiterausgestaltungen des erfindungsgemässen Brenners bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche. 



   Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. 



   Es zeigen: Fig. 1 im Längsschnitt einen vorderen Teil eines Brenners mit einem eingebauten Düsenkopf; Fig. 2 im Längsschnitt einen hinteren Teil des Brenners nach Fig. 1; Fig. 3 einen Düsenkopfkörper im Längsschnitt; und Fig. 4 den Düsenkopfkörper nach Fig. 2 in Pfeilrichtung P gesehen. 



   Gemäss Fig. 1 und 2 umfasst ein Brenner 1 einen lanzenförmigen Brennereinsatz 2 sowie einen sich über einen Teil der Brennereinsatz-Länge erstreckenden Kühlmantel 3. Der Brennereinsatz 2 ist von hinten in den Kühlmantel 3 einschiebbar und mit dem Letzteren in weiter unten beschriebener Weise verbindbar. Die Längsachse des Brenners 1 ist mit L bezeichnet. 



   Der Kühlmantel 3 weist eine Innenwand 4 sowie eine Aussenwand 5 auf, zwischen denen ein ringförmiger Hohlraum 6 vorhanden ist. Im vorderen Bereich des Brenners 1 ist die Innenwand 4 über eine vordere Wand 7 mit der Aussenwand 5 verbunden, sodass der Hohlraum 6 nach vorne abgeschlossen ist. Mit Vorteil wird der Kühlmantel 3 aus mehreren axial aneinander angeschlossenen und vorzugsweise zusammengeschweissten Rohrstücken zusammengesetzt, wobei zuvorderst ein doppelwandiges, die vordere Wand 7 aufweisendes Verbindungsstück 8 vorhanden ist. 



   In den Hohlraum 6 ragt von hinten ein Zwischenrohr 10 hinein, das den Hohlraum 6 in zwei radial voneinander getrennte Strömungszonen 11, 12 unterteilt. Im vorderen Kühlmantelbereich sind die Strömungszonen 11, 12 über einen zwischen dem vorderen Zwischenrohrende und der vorderen Wand 7 vorhandenen Spalt miteinander verbunden. Zwischen dem Umfang des Zwischenrohres 10 und der Kühlmantel-Aussenwand 5, d.h. in der äusseren Strömungszone 11, ist ein schraubenlinienförmig verlaufender Distanzhalter 9 vorgesehen, der beispielsweise als ein um das Zwischenrohr 10 herum gewundener Kupferdraht ausgebildet ist.

   Im hinteren Bereich ist gemäss Fig. 4 das Zwischenrohr 10 in einer stirnseitigen Vertiefung 14 eines hülsenförmigen Abschlussstückes 13 eingesetzt, welches auf der Innenwand    4 des Kühlmantels 3 beispielsweise mittels Schweissens befestigt ist und den Hohlraum 6, d.h. sowohl die innere Strömungszone 12 als auch die äussere Strömungszone 11, von hinten verschliesst (d.h. auch die Aussenwand 5 ist stirnseitig mit dem Abschlussstück 13 verbunden).

   Eine in Pfeilrichtung E über einen Einlass 16 und eine radiale Einlassöffnung 17 in der Aussenwand 5 im hinteren Bereich des Kühlmantels 3 in die äussere Strömungszone 11 eingeleitete Kühlflüssigkeit strömt in Brennerlängsrichtung nach vorne, wobei die Strömung durch einen durch den Distanzhalter 9 gebildeten schraubenlinienförmigen Kanal erfolgt und für eine gute Durchmischung und Verwirbelung der Kühlflüssigkeit und dadurch für einen verstärkten Kühlungseffekt sorgt. Im vorderen Kühlmantelbereich, d.h. im Bereich der vorderen Wand 7, wird die Kühlflüssigkeit in Pfeilrichtung K in die innere Strömungszone 12 umgelenkt, in welcher sie dann wieder nach hinten zurückströmt.

   Ein durch das hülsenförmige Abschlussstück 13 umschlossener Ringraum 15, der eine axiale Fortsetzung der inneren Strömungszone 12 darstellt, ist über eine im Abschlussstück 13 vorgesehene radiale Auslassöffnung 18 mit einem Auslass 19 verbunden. Der Kühlflüssigkeitsaustritt ist in Fig. 4 mit Pfeil A angedeutet. 



   Der Brennereinsatz 2 umfasst ein von hinten in den zentralen Innenraum 24 des Kühlmantels 3 hineinragendes, lanzenförmiges Rohr 23, das gemäss Fig. 1 im vorderen Bereich des Brenners 1 über einen ringförmigen, an der Innenwand 4 des Kühlmantels 3 dichtend anliegenden Distanzhalter 27 in einem radialen Abstand von der Innenwand 4 gehalten wird. 



   Das lanzenförmige Rohr 23 umschliesst einen über eine Einlassöffnung 33 und einen Einlass 34 (Fig. 2) an eine nicht näher dargestellte Quelle von einem sauerstoffhaltigen Gas angeschlossenen Innenraum 32. Der Innenraum 32 ist von hinten durch ein Abschlussstück 43 abgeschlossen. 



   Im vorderen Bereich des lanzenförmigen Rohres 23 ist gemäss Fig. 1 ein Düsenkopf 20 befestigt (vorzugsweise mittels Schweissens), der als ein in Fig. 3 dargestellter zylindrischer Körper ausgebildet ist, dessen Längsachse mit der Längsachse L des Brenners 1 zusammenfällt, und der mit zwei parallelen, mit der Längsachse L einen Winkel  alpha einschliessenden Stirnflächen 21, 22 versehen ist. Beim in Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel  alpha 45 DEG . 



   Der Düsenkopf 20 weist eine zur Längsachse L parallele Bohrung 36 auf, in welcher eine Brennstoffdüse 25 dichtend eingesetzt ist. Die Brennstoffdüse 25 weist ein mit einem Gewinde versehenes hinteres Endstück 26 auf, mit welchem sie in eine Brennstoffleitung 29 bzw. in ein mit dieser Brennstoffleitung 29 verbundenes Gegenstück 28 einschraubbar ist. Zwischen einem Zapfen 30 der Brennstoffdüse 25 und dem Gegenstück 28 ist stirnseitig ein Dichtungsring 31 angeordnet. Die sich in Längsrichtung des Brenners 1 erstreckende und den Innenraum 32 des Rohres 23 durchragende Brennstoffleitung 29 ist an eine nicht näher dargestellte Brennstoffquelle angeschlossen. 



   Der Düsenkopf 20 weist ferner mindestens eine Sauerstoffdüse 35 auf, wobei gegebenenfalls das Rohr 23 die Zufuhrleitung für das sauerstoffhaltige Gas zu der Sauerstoffdüse 35 bildet. Wie aus Fig. 4 ersichtlich kann der Düsenkopf 20 beispielsweise mit drei parallel zueinander angeordneten Sauerstofdüsen 35 versehen sein. Gegebenenfalls weisen die Sauerstofdüsen 35 einen konstanten Durchmesser auf. Sie könnten allerdings auch einen sich stetig verjüngenden Querschnitt oder die Form einer Lavaldüse aufweisen. Statt der drei nebeneinander verlaufenden Sauerstofdüsen 35 könnte auch eine einzige Sauerstoffdüse mit einem schlitzförmigen, bogenförmig ausgestalteten Querschnitt vorgesehen sein. 



   Die Sauerstoffdüsen 35 und die Brennstoffdüse 25 sind in einem Winkel beta  zueinander angeordnet. Beim dargestellten, herstellungstechnisch besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel verlaufen die Sauerstoffdüsen 35 rechtwinklig zu den Stirnflächen 21, 22 des Düsenkörpers 20, und der Winkel  beta  ist gleich gross wie der Winkel  alpha , nämlich 45 DEG . Die den Winkel  beta  einschliessenden Düsenaustrittsrichtungen der Brennstoffdüse 25 und der Sauerstoffdüse 35 sind in Fig. 1 mit B und S bezeichnet. 



   Parallel zu den Stirnflächen 21, 22 des Düsenkörpers 20 verläuft auch die vordere Wand 7 des Kühlmantels 3, die vordere Stirnfläche 38 des lanzenförmigen Rohres 23, die vordere Stirnfläche 39 des Zwischenrohres 10, und die Stirnflächen 40 des ringförmigen Distanzhalters 27. Dabei ist der Düsenkopf 20 mit seiner mit den Düsenaustrittsöffnungen versehenen Stirnfläche 21 gegenüber den Stirnflächen 37, 39 des Kühlmantels bzw. des Zwischenrohres 10 in Längsrichtung des Brenners 1 etwas zurückversetzt, damit eine optimale Kühlung des Düsenkopfes 20 gewährleistet ist. 



   Zur Befestigung des in den Kühlmantel 3 von hinten eingeschobenen Brennereinsatzes 2 im Letzteren ist gemäss    Fig. 2 die im Vergleich zur Aussenwand 5 sich weiter nach hinten erstreckende Innenwand 4 des Kühlmantels 3 mit einem ringförmigen Flansch 46 verbunden (vorzugsweise mittels Schweissens), an dem ein auf dem lanzenförmigen Rohr 23 vorzugsweise aufgeschweisster, ringförmiger Gegenflansch 47 zur Anlage kommt. Beide Flansche 46, 47 sind mit einer Anzahl von einander gegenüberliegenden Löchern 48 für in der Zeichnung nicht dargestellte Befestigungsschrauben versehen. 



   Als sauerstoffhaltiges Gas kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff verwendet werden. Zum Erzeugen einer besonders hohen Flammentemperatur (bei kleiner Abgasmenge) wird vorzugsweise reiner Sauerstoff verwendet. Durch die erfindungsgemässe Anordnung der Sauerstoffdüsen 35 in einem Winkel  beta , der zwischen 10 DEG und 75 DEG  variieren kann und vorzugsweise 45 DEG  beträgt, wird die am Austritt der Düsen 25, 35 erzeugte Flamme in Richtung des Sauerstoffstrahles, d.h. in Düsenaustrittsrichtung S umgelenkt. Durch eine Expansion des Sauerstoffstrahles am Austritt der Sauerstoffdüse 35 und die Brennstoffinjektion an dieser Stelle wird die notwendige Zerstäubung des Brennstoffes erreicht. 



   Die erfindungsgemässe Umlenkung der Flamme in einer bestimmten Richtung gegenüber der Längsrichtung des Brenners ist insbesondere bei so genannten Impuls-Brennern von Vorteil, mit denen die zu verbrennende Masse in Bewegung gesetzt wird. So werden beispielsweise lanzenförmige Brenner in eine Ofenwand eines Schmelzofens eingebaut, in welchem ein Schmelzbad bzw. ein Schlackenbad durch eine tangentiale Eindüsung in Rotation versetzt wird. Auch die oberhalb des Bades vorhandenen, CO-haltigen    Abgase können durch in Ofenwand eingebaute Impuls-Brenner nachverbrannt werden. Die erfindungsgemässe Flammenumlenkung gegenüber der Brenner-Längsachse L, bei der keine Abwinkelung des Brennereinsatzes notwendig ist, erleichtert den Einbau des Brenners in die Ofenwand.

   Beim erfindungsgemässen Brenner 1 kann der gesamte Brennereinsatz 2 in einfacher Weise - ohne Demontage des Kühlmantels 3 - demontiert und gewartet oder ersetzt werden. Auch kann die Brennstoffdüse 25 an sich problemlos ausgewechselt oder gewartet werden. 



   Für eine bestimmte Verwendung kann der notwendige Umlenkwinkel, d.h. der Winkel  beta , optimal gewählt werden. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, kann durch eine Gelenklagerung 50 des Brenners 1 bzw. des den Brennereinsatz 2 aufnehmenden Kühlmantels 3 in einer Ofenwand 49 auch noch der Brenner 1 bzw. seine Längsachse L in einem bestimmten Winkelbereich gegenüber der Ofenwand 49 verschwenkt und mittels einer Justiervorrichtung 51 in gewünschter Lage fixiert werden, wodurch die Flammenrichtung noch zusätzlich eingestellt werden kann. Der Kühlmantel 3 ist an seinem Aussenumfang mit einem einen Teil der Gelenklagerung 50 bildenden kugelförmigen Lagerkörper 52 versehen, der mit einer ofenwandfesten hohlkugelförmigen Pfanne 54 wirkverbunden ist.

   Die Justiervorrichtung 51 umfasst einen am Umfang des Kühlmantels 3 angeordneten, mit dem Lagerkörper 52 verbundenen und mit Justierschrauben 55 ausgestatteten Flansch 53. Mittels der an der Ofenwand 49 abstützbaren Justierschrauben 55 kann die Winkeleinstellung des Flansches 53 bzw. des Kühlmantels 3 gegenüber der Ofenwand fixiert werden.

Claims (13)

1. Brenner zur Erzeugung von hohen Prozesstemperaturen durch Verbrennung eines fluiden oder fluidisierten Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas, mit einem im vorderem Bereich des Brenners (1) angeordneten Düsenkopf (20), der mit einer an eine Brennstoffleitung (29) angeschlossenen Brennstoffdüse (25) sowie mit mindestens einer mit einer Zufuhrleitung (23) für das sauerstoffhaltige Gas verbundenen Sauerstoffdüse (35) versehen ist, wobei die Brennstoffleitung (29) und die Gas-Zufuhrleitung (23) in Längsrichtung des Brenners (1) verlaufen und über einen Teil ihrer Länge von einem Kühlmantel (3) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsrichtungen (S, B) der Sauerstoffdüse (35) und der Brennstoffdüse (25) einen Winkel ( beta ) bilden, wodurch die erzeugte Flamme durch den Sauerstoffstrahl umgelenkt wird.

2.

Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ( beta ) zwischen 10 DEG und 75 DEG , vorzugsweise 45 DEG beträgt.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen lanzenförmigen, in den Kühlmantel (3) von hinten einschiebbaren und mit dem Kühlmantel lösbar verbindbaren Brennereinsatz (2), in welchem der Düsenkopf (20) sowie die Brennstoffleitung (29) und die Gas-Zufuhrleitung (23) untergebracht sind.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinsatz (3) ein die Gas-Zufuhrleitung bildendes, lanzenförmiges Rohr (23) umfasst, in dessen vorderem Bereich der Düsenkopf (20) befestigt ist, und durch welchen die Brennstoffleitung (29) verläuft.

5.

Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (20) als ein zylindrischer Körper ausgebildet ist, der eine zu seiner Längsachse (L) parallele Bohrung (36) für die Brennstoffdüse (25) aufweist und mit zwei mit der Längsachse (L) einen Winkel ( alpha ) einschliessenden, parallelen Stirnflächen (21; 22) versehen ist, wobei die Sauerstoffdüse (35) rechtwinklig zu den Stirnflächen (21; 22) angeordnet ist.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (20) mit mehreren parallel nebeneinander angeordneten Sauerstoffdüsen (35) versehen ist.

7. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffdüse im Querschnitt als ein bogenförmiger Schlitz ausgebildet ist.

8.

Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (25) einen in die Bohrung (24) des Düsenkörpers dichtend einsetzbaren Teil (30) sowie ein in die Brennstoffleitung (29) einschraubbares Endstück (26) aufweist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (3) eine rohrförmige Innenwand (4) sowie eine rohrförmige Aussenwand (5) aufweist, zwischen denen ein ringförmiger Hohlraum (6) vorhanden ist und die im vorderen Bereich über eine den Hohlraum (6) nach vorne abschliessende vordere Wand (7) verbunden sind, wobei in den Hohlraum (6) von hinten ein Zwischenrohr (10) hineinragt, durch welches der Hohlraum (6) in zwei radial voneinander getrennte, nur im vorderen Bereich miteinander verbundene Strömungszonen (11, 12) unterteilt ist, von denen die eine Strömungszone (11)

mit einem Kühlflüssigkeit-Einlass (16) und die andere Strömungszone (12) mit einem Kühlflüssigkeit-Auslass (19) verbunden ist.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenrohr (10) und der Aussenwand (5) des Kühlmantels (3) ein schraubenlinienförmig verlaufender Distanzhalter (9) vorzugsweise aus Kupferdraht angeordnet ist.

11. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Wand (7) des Kühlmantels (3) sowie die vordere Stirnfläche (39) des Zwischenrohres (10) den gleichen Winkel ( alpha ) mit der Längsachse (L) des Kühlmantels (3) bzw. des Brenners (1) einschliessen wie die Stirnflächen (21, 22) des Düsenkopfes (20) mit seiner Längsachse.

12.

Brenner nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinsatz (2) mit einem ringförmigen Flansch (47) versehen ist, der beim im Kühlmantel (3) untergebrachten Brenner-einsatz (2) an einem ringförmigen Flansch (46) des Kühlmantels (3) anliegt und mit diesem lösbar verbunden ist.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (3) an seinem Aussenumfang mit einem Lagerkörper (52) versehen ist, der einen Teil einer Gelenklagerung (50) bildet, mittels welcher der Kühlmantel (3) in einer Ofenwand (49) in einem Winkelbereich gegen-über der Ofenwand (49) verschwenkbar ist, wobei eine Justiervorrichtung (51) zur Fixierung des Kühlmantels (3) in einer bestimmten Stellung vorgesehen ist.