DE102005001807A1

DE102005001807A1 - Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens und dafür geeignete Vorrichtung

Info

Publication number: DE102005001807A1
Application number: DE102005001807A
Authority: DE
Inventors: Horst KÖDER; Burkhard Müller
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-20
Also published as: EP1838995A1; JP2008527303A; US20080292999A1; DE602006003725D1; ATE414872T1; WO2006074877A1; EP1838995B1

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens durch pulsierende Verbrennung werden einem Brenner (3) gasförmige oder flüssige Reaktanten, umfassend ein Oxidationsmittel und Brennstoff zugeführt, wobei von mindestens einem der Reaktanten der aus dem Brennermund (7) austretende Volumenstrom zeitlich verändert wird. Um hiervon ausgehend ein Verfahren anzugeben, das eine einfache und flexible Veränderung der Strömung bei der pulsierenden Verbrennung ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die zeitliche Veränderung des Volumenstroms des Reaktanten erzeugt wird, indem in einem dem Brennermund (3) vorgeschalteten und dem Reaktanten zugänglichen Membranraum (13) mindestens eine Membran (14) durch elektrische Ansteuerung in Auslenkungen versetzt wird, welche Volumenänderungen des Membranraumes bewirken. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete, konstruktiv einfache und wartungsarme Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Einrichtung zur zeitlichen Variation des Volumenstroms mindestens eine Membran (14) umfasst, die in einem dem Brenner (3) vorgeschalteten und dem Reaktanten zugänglichen Membranraum (13) angeordnet ist und die mittels einer elektrischen Ansteuerung in Auslenkungen versetzbar ist, welche eine Volumenänderung des Membranraums (13) bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens durch pulsierende Verbrennung, indem einem Brenner gasförmige oder flüssige Reaktanten, umfassend ein Oxidationsmittel und Brennstoff zugeführt werden, wobei von mindestens einem der Reaktanten der aus dem Brennermund austretende Volumenstrom zeitlich verändert wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erhitzen eines Industrieofens durch pulsierende Verbrennung, mit einem Brenner, der Zufuhrleitungen für Ströme gasförmiger oder flüssiger Reaktanten zu einem Brennermund aufweist, und mit einer Einrichtung zur zeitlichen Variation des Volumenstroms von mindestens einem der Reaktanten.

Der Einsatz von Brennstoff-Sauerstoffbrennern in Industrieöfen zum Erhitzen von Metall- oder Glasschmelzen ist allgemein bekannt. Im Vergleich zu Schmelzverfahren, bei denen Luft als Oxidationsmittel eingesetzt wird, erhöht der Einsatz von Sauerstoff die Schmelzleistung des Ofens und reduziert den Energiebedarf. Die Einsparung an Brennstoff beruht im Wesentlichen darauf, dass der Stickstoffanteil der Luft nicht aufgeheizt werden muss. Die daraus resultierenden geringeren Abgasmengen reduzieren die Baugröße von Abgasreinigungsanlagen.

Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff und Brennstoff ohne Stickstoffanteil kann die NOx-Massenfracht erheblich reduziert werden. Bei der technischen Anwendung können aber sowohl der Sauerstoff als auch der Brennstoff geringe Mengen an Stickstoff enthalten. Diese geringen Mengen an Stickstoff führen in Verbindung mit der um ca. 900°C heißeren Verbrennung mit Sauerstoff gegenüber Luft zu einer erhöhten NOx-Massenfracht im Abgas.

Um dies zu vermeiden, wird in der DE 692 16 317 T2 , aus der ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt sind, vorgeschlagen, entweder die Strömungsmengen des Brennstoffes oder die des Oxidationsmittels unter Einsatz eines Magnetventils, das in der jeweiligen Zufuhrleitung angeordnet ist, zyklisch mit einer Frequenz unterhalb von 3 Hz zu variieren. Ein ähnliches Konzept unter Einsatz eines Magnetventils findet sich in der DE 693 02 060 T2 . In der SU 857 642 wird die periodische Unterbrechung des Gasstromes mit Hilfe eines Laufrades vorgeschlagen.

Die bekannten Verfahrensweisen erfordern für die pulsierende Verbrennung den Einsatz mechanischer, beweglicher Bauteile, wie Ventile, Regelklappen, Laufräder oder ähnlichem, sowie eine aufwändige Mess- und Regeltechnik. Hinzu kommt, dass die bisherigen Lösungen wenig flexibel sind, was die Frequenz- oder Amplitudenänderungen der Pulsation anbelangt. So ermöglicht die Regelung mittels Magnetventilen nur Ein- und Auszustände, jedoch keine Zwischenzustände. Auch die Änderung der Pulsationsfrequenz ist – zum Beispiel abhängig von der Schaltschnelligkeit der Magnetventile – nur in einem begrenzten Umfang möglich. Darüber hinaus ist die Lebensdauer von Magnetventilen auf etwa 10.000.000 Schaltstöße begrenzt, was beispielsweise bei einer Schaltfrequenz von 1 Hz einer Lebensdauer von etwa einem halben Jahr entspricht, was im praktischen Einsatz zu kaum akzeptablen, kurzen Wartungsintervallen führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine einfache und flexible Veränderung der Strömung bei der pulsierenden Verbrennung ermöglicht.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete, konstruktiv einfache und wartungsarme Vorrichtung bereitzustellen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zeitliche Veränderung der Volumenstrom des Reaktanten erzeugt wird, indem in einem dem Brennermund vorgeschalteten und dem Reaktanten zugänglichen Membranraum mindestens eine Membran durch elektrische Ansteuerung in Auslenkungen versetzt wird, welche Volumenänderungen des Membranraums bewirken.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Volumenstrom von mindestens einem der an der Verbrennungsreaktion beteiligten Reaktanten – also dem Brenngas oder dem Oxidationsmittel – durch Auslenkung mindestens einer Membran zeitlich verändert. Die Membran ist in einem Membranraum angeordnet, der mit der Zuführung des betreffenden Reaktanten zum Brenner fluidisch verbunden ist, und der daher für den Reaktanten zugänglich ist. Der Membranraum ermöglicht eine möglichst ungehinderte Auslenkung der darin angeordneten Membran. Der Membranraum und die darin angeordnete Membran werden im Folgenden auch als „Membranmodul" bezeichnet.

Im Membranraum wird die Membran in Gegenwart des betreffenden Reaktanten durch elektrische Ansteuerung ausgelenkt, und so die elektrische Leistung in Volumenänderungen – verbunden mit Druckänderungen – im Membranraum gewandelt, wie dies bei Lautsprechern allgemein bekannt ist.

Die für den Lautsprecherbau bekannten Konstruktionen und Wirkungsprinzipien von schwingender Membran und Anregungsmittel sind grundsätzlich auch für die Erzeugung der Volumenänderung im Reaktanten-Strom im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Als Beispiel seien elektrodynamische Lautsprecher, elektrostatische Lautsprecher, ferroelektrische Lautsprecher, magnetische Lautsprecher oder Ultraschall-Lautsprecher genannt. Auch Konstruktionen ohne eine mechanische Membran, wie dies bei Ionen- oder Plasmalautsprechern der Fall ist, bei denen die umgebende Atmosphäre durch modulierte Hochspannung angeregt wird, so dass die dadurch erzeugte lokale Ionisierung eine thermische Ausdehnung und damit Schalldruck verursacht, sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich geeignet.

Die Volumenänderungen des Membranraums bestimmt Frequenz, Amplitude und Verlauf der zeitlichen Veränderung des Volumenstroms des Reaktanten am Brennermund. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit durch die elektrische angeregte Auslenkung der Membran eine Veränderung der Strömung des Reaktanten, ohne dass hierfür – abgesehen von der Membran – bewegliche oder rotierende Bauteile erforderlich sind. Die Membran selbst unterliegt einem sehr geringen Verschleiß, so dass eine lange Lebensdauer und lange Wartungsintervalle erreichbar sind.

Darüber hinaus kann die Änderung des Volumenstroms des oder der Reaktanten außer dem Ein- und Auszustand auch beliebige Zwischenwerte der Maximalamplitude oder einen vorgegebenen zeitlichen Volumenstromverlauf beinhalten, wie zum Beispiel einen rechteckförmigen, sägezahnförmigen, sinusförmigen oder trapezförmigen Verlauf. Durch die Ausstattung der Versorgungsleitungen sowohl des Brennstoffs als auch des Oxidationsmittels mit derartigen Membranmodulen ist es ebenfalls leicht möglich, den Volumenstrom beider Reaktanten zu variieren, zum Beispiel zeitlich unabhängig voneinander oder zeitlich abhängig voneinander, wie etwa gleichphasig getaktet, gegenphasig oder phasenverschoben. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine exakte Einhaltung eines voreingestellten zeitlichen Profils, beispielsweise eines Rechteckprofils ohne merkliche Totzeiten und Verschleifungen.

Der zusätzliche konstruktive Aufwand für eine derartige Ausstattung eines Brenners ist gering; auch die Nachrüstung eines vorhandenen Brenners ist ohne großen Aufwand möglich, wobei ein entsprechendes Membranmodul mit Ansteuerung in die vorhandene Zufuhrleitung eingeschleift wird.

Es hat sich besonders bewährt, wenn die elektrische Ansteuerung mittels eines Elektromagneten erfolgt, indem dieser auf die Membran oder auf einen mit der Membran verbundenen ferromagnetischen Körper einwirkt.

Hierbei handelt es sich um ein einfaches Bauprinzip für das Membranmodul, wie es beispielsweise bei üblichen ferroelektrischen Lautsprechern bekannt ist. Die Amplitude und die Frequenz der Membranschwingung werden hierbei durch elektrische Impulse des Elektromagneten vorgegeben. Derartige Membranmadule zeichnen sich durch Robustheit und Betriebssicherheit aus.

Vorteilhafterweise umfasst die elektrische Ansteuerung der Membran eine Steuer- oder Regeleinheit.

Mittels der Steuer- oder Regeleinheit ist die zeitliche Volumenänderung der Gasströmung des betreffenden Reaktanten oder der Reaktanten besonders ein fach einstellbar und kontrollierbar. Vorgegebene Auslenkungszyklen können programmgesteuert abgefahren und erforderlichenfalls leicht geändert werden.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Rückströmung des Reaktanten aus dem Membranraum mittels einer in der Zuführung des Reaktanten vorgesehenen Begrenzungseinrichtung vermieden oder vermindert wird.

Die Begrenzungseinrichtung verhindert oder vermindert eine Rückströmung des Reaktanten. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass sich die im Membranraum erzeugten Volumenänderungen in Richtung des Brennermundes auswirken, und nicht oder wenig „nach hinten" in Richtung auf die Quelle des betreffenden Reaktanten. Diese Wirkung der Begrenzungseinrichtung ist umso effektiver, je näher sie am Membranraum erfolgt.

Als Begrenzungseinrichtung dienen Ventile, Klappen, Drosseln oder Blenden. Bewegliche mechanische Teile sind jedoch möglichst zu vermeiden, so dass die Begrenzungseinrichtung bevorzugt als Drossel oder Blende ausgebildet ist.

Die Drossel oder Blende wird dabei in die Zuleitung – möglichst dicht am Eingang zum Membranraum installiert. Dadurch ergibt sich ein Druckgefälle in Richtung Membranraum, das ein Zurückströmen des Reaktanten verhindert und eine effektive Volumenänderung in Richtung des Brennermundes begünstigt. Durch diese Maßnahme wird auf einfache Weise, schnell, ohne bewegliche Teile und besonders effektiv die Volumenänderung des Membranraums in eine Durchfluss- bzw. Geschwindigkeitsänderung des Reaktanten am Brennermund dämpfungsfrei umgesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen konstanten Volumenstrom des Reaktanten vor der Begrenzungseinrichtung.

Erfindungsgemäß wird nicht etwa der Volumenstrom des Reaktanten bereits vor der Begrenzungseinrichtung zeitlich variiert, sondern der bis dahin konstanten Strömung wird eine Volumenänderung allein durch die Bewegung der Membran aufgezwungen, so dass sich eine zeitliche Veränderung der Ausströmgeschwindigkeit des Reaktanten am Brennermund ergibt. Ein konstanter Volumenstrom bis zur Begrenzungseinrichtung ist einfach zu realisieren; auf mechanische Bau teile zur Veränderung der Volumenstrom, wie Ventile oder dergleichen, kann somit verzichtet werden.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird ein Mindestwert des Volumenstroms des Reaktanten vorgegeben, der auch bei der Änderung des Volumenstroms zu keinem Zeitpunkt unterschritten wird.

Hierbei wird eine Grundlast als eine Teilmenge des Gesamt-Volumenstroms des entsprechenden Reaktanten vorgegeben, die auch bei Volumenstromänderung zu keinem Zeitpunkt unterschritten wird. Dies wird im einfachsten Fall durch einen Bypass parallel zum Membranraum erreicht.

In Folge der zeitlichen Variation des Volumenstroms der Reaktanten oder eines Reaktanten können Druckschwankungen im Ofenraum entstehen, die zu Falschlufteinfall und damit einhergehend zu einem Anstieg der NOx-Emission führen können. Dies wird verhindert, wenn die vorgegebene Grundlast des Reaktanten nicht unterschritten wird, oder wenn – im Idealfall – ein Druckabfall im Ofenraum vermieden wird.

Im Hinblick hierauf hat es sich besonders bewährt, wenn zum Erhitzen des Industrieofens mindestens zwei Brenner vorgesehen sind, wobei der Volumenstrom des Reaktanten bei dem einen Brenner in gegenphasigem Takt zum Volumenstrom des Reaktanten bei dem anderen Brenner geändert wird.

Infolge einer gegenphasig getakteten Veränderung der Volumenströme der beiden Brenner zueinander, die beispielsweise im Ofenraum gegenüberliegend und versetzt angeordnet sein können, wird im Ofenraum stets in etwa der gleiche Druck aufrecht erhalten, so dass ein Einfall von Falschluft nicht zu befürchten ist. Dieser Effekt ist auch bei einer gegenphasigen Veränderung der Volumenströme von mehreren Brennerpaaren erreichbar.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Membranräume beider Brenner benachbart zueinander angeordnet und durch eine gemeinsame Membran voneinander getrennt sind.

Dadurch, dass sich die Membranräume beider Brenner eine Membran teilen, wird eine exakt gegenphasige Taktung der Volumenströme des Reaktanten ohne separate Regelungs- oder Steuerungseinrichtung ermöglicht. Die Membran teilt die beiderseitigen Membranräume, so dass auch bei einem Defekt der Membran keine Leckage in die Umgebung entsteht, sondern lediglich die pulsierende Verbrennung gestört wird. Dadurch wird die Betriebssicherheit der Vorrichtung verbessert.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn der Volumenstrom des Brennstoffes am Brennermund verändert wird.

Der Volumenstrom des Oxidationsmittels wird dabei vorzugsweise konstant gehalten.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einrichtung zur zeitlichen Variation des Volumenstroms mindestens eine Membran umfasst, die in einem dem Brenner vorgeschalteten und dem Reaktanten zugänglichen Membranraum angeordnet ist, und die mittels einer elektrischen Ansteuerung in Auslenkungen versetzbar ist, welche eine Volumenänderung des Membranraums bewirken.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine auslenkungsfähige und schwingbar gelagerte Membran und eine elektrische Ansteuerung, mittels der die Membran mechanisch ausgelenkt werden kann. Mittels der Membran-Auslenkung wird die zeitliche Änderung des Volumenstroms von mindestens einem der an der Verbrennungsreaktion beteiligten Reaktanten – also dem Brenngas und/oder dem Oxidationsmittel – bewirkt. Hierfür ist ein Membranraum vorgesehen, der dem betreffenden Reaktanten zugänglich ist, und der im einfachsten Fall in der Zufuhrleitung des betreffenden Reaktanten in der Nähe des Brennermundes angeordnet ist.

Die Membran und das Anregungsmittel sind entsprechend den im Lautsprecherbau üblichen Konstruktionen nachgebildet. Diesbezüglich wird auf die obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht durch die elektrische Anregung der Membran nahezu jede beliebige, vorgegebene zeitliche Änderung des Volumenstroms des Reaktanten, ohne dass hierfür – abgesehen von der Membran – bewegliche Bauteile erforderlich sind. Die Membran selbst unterliegt einem sehr geringen Verschleiß, so dass eine lange Lebensdauer und lange Wartungsintervalle der Vorrichtung erreichbar sind.

Darüber hinaus kann die Änderung des Volumenstroms des oder der Reaktanten außer dem Ein- und Auszustand auch beliebige Zwischenwerte zwischen Null und der Maximalamplitude oder einen vorgegebenen zeitlichen Volumenstromverlauf beinhalten, wie zum Beispiel einen rechteckförmigen, sägezahnförmigen, sinusförmigen oder trapezförmigen Volumenstromverlauf. Durch die Ausstattung der Versorgungsleitungen von Brennstoff und Oxidationsmittel mit derartigen Membranmodulen ist auch möglich, die Volumenströme von Brennstoff und Oxidationsmittel unabhängig voneinander zu variieren, zum Beispiel gleichphasig, gegenphasig oder phasenverschoben zu takten.

Der Aufwand für eine derartige Ausrüstung eines Brenner ist gering und auch eine Nachrüstung eines vorhandenen Brenners durch Einschleifen einer geeigneten Membranmoduls verbunden mit einer elektrischen Ansteuerung in die vorhandene Gasleitung erfordert keinen großen konstruktiven Aufwand.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Patentzeichnung näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen:
1 eine Glasschmelzwanne mit mehreren in der Seitenwandung montierten Brennern für pulsierende Verbrennung in schematischer Darstellung in einer Draufsicht,
2 verschiedene zeitliche Änderungen von Volumenströmen eines Reaktanten für pulsierende Verbrennung,
3 Überlagerung von einem veränderlichen Volumenstrom mit einer konstanten Grundlast.
4 verschiedene zeitliche Änderungen der Volumenströme von Brennstoff und Oxidationsmittel,
5 phasenverschobene Änderung von Volumenströmen zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel, und
6 eine weitere Ausführungsform eines Membranmoduls zum Betrieb mit gegenphasiger Änderung des Volumenstroms eines Reaktanten zu zwei Brennern.
Die Draufsicht von 1 zeigt schematisch eine Glasschmelzwanne 1 mit mehreren baugleichen Erdgas/Sauerstoffbrennern 3, 3a, 3b, 3c, die paarweise versetzt zueinander, in den Ofenraum 18 zeigend, an den gegenüberliegenden Seitenwandungen 2 der Wanne 1 montiert sind.
Bei den Brennern 3, 3a, 3b, 3c handelt es sich um einfache Rohr-in-Rohr-Brenner mit einem Innenrohr 4 für die Zufuhr von Brennstoff, der unter Bildung eines Ringspalts 5 zur Führung von Sauerstoff koaxial von einem Außenrohr 6 umgeben ist. Die aus dem Brennermund 7 austretenden Reaktanten reagieren unter Bildung einer Brennerflamme 8 miteinander. Die Zufuhrstutzen für Erdgas und Sauerstoff sind mit den Bezugsziffern 9 und 10 bezeichnet.
Zur Erzeugung einer pulsierenden Verbrennung wird einem oder beiden Gasströmen (Sauerstoff und Erdgas) eine Volumenänderung aufgeprägt. Zu diesem Zweck sind zwischen Brenner und der Zufuhrleitungen 9 für Erdgas bzw. der Zufuhrleitung 10 für Sauerstoff, Membranmodule 11 bzw. 12 angeordnet.
Diese bestehen jeweils aus einem Membranraum 13, in dem zwei elektrodynamische Lautsprecher mit jeweils einer Membran 14 gegenüberliegend montiert sind. Die Membranen 14 bestehen jeweils aus einem gasdichten, dehnbaren Material und werden über einen Elektromagneten 15 im gleichen Takt zu Auslenkungen angeregt. Die dem Membranraum 13 abgewandte Seite der Membran 14 befindet sich in der offenen Atmosphäre.
Die Parameter für die Veränderung des Volumens innerhalb des Membranraums 13, wie Frequenz, Amplitude oder Phasenverschiebung zwischen den beiden Reaktanten desselben Brenners 3 oder eines anderen der Brenner 3a, 3b, 3c werden für beide Membranmodule 11 bzw. 12 von einem Steuermodul 16 vorgegeben. In Strömungsrichtung des jeweiligen Gases gesehen, ist unmittelbar vor dem jeweiligen Membranraum 13 eine Blende 17 in die Zufuhrleitung 9, 10 eingesetzt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand des in 1 schematisch dargestellten Rohr-in-Rohr-Brenners 3 in der Glasschmelzwanne 1 näher erläutert: Jeder der Brenner 3, 3a, 3b, 3c ist für eine Heizleistung von 200 kW ausgelegt. Im Normalbetrieb werden 20 m³/h Erdgas (CH₄) und 40 m³/h Sauerstoff eingespeist.
Die Veränderung des Volumenstroms des am Brennermund 7 ausströmenden Erdgases mittels des Membranmoduls 11 erfolgt dadurch, dass die Membran 14 mittels des Steuermoduls 16 zu Auslenkungen angeregt wird, die einen zeitlich veränderlichen Volumenstrom mit einer Frequenz von z. B. 1 Hz bewirken. Der zeitliche Verlauf der so erzeugten Volumenänderung zeigt ein exaktes Rechteckprofil. Die Volumenänderungen bewirken Durchflussänderungen, welche sich über den Membranraum 13 in das Innenrohr 4 bis zum Brennermund 7 fortsetzen und dadurch eine veränderliche Strömungsgeschwindigkeit des Erdgases am Brennermund 7 bewirken.
Größe und Hub der Membran 14 und das Volumen des Membranraums 13 sind so ausgelegt, dass der Erdgas-Volumenstroms von 40 m³/h mit einer Frequenz von 1 Hz vollständig zu- und ausgeschaltet wird, so dass sich ein gemittelter Volumenstrom von 20 Nm³/h ergibt. Die Blende 17 verhindert ein Zurückströmen des Erdgases in die Erdgas-Zufuhrleitung 9 und gewährleistet so, dass die von der Membran 14 erzeugte Volumenänderung vollständig als Erdgas-Volumenstromänderung am Brennermund 7 wirksam wird.
Der zeitliche Verlauf des gezielt veränderten Erdgas-Volumenstroms zeigt im Idealfall ein Rechteckprofil, wie dies schematisch in 2a) dargestellt ist.
Um Druckschwankungen innerhalb der Glasschmelzwanne 1 und Falschlufteinfall zu minimieren arbeiten die Membranmodule 11 eines Brennerpaares jeweils gegenphasig. Der Druckverlauf beim Brenner 3 (und beim Brenner 3a) ist gegenphasig zum Druckverlauf beim Brenner 3c (und beim Brenner 3b). Im Vergleich zum Normalbetrieb ergibt sich bei einer derartigen pulsierenden Verbrennung eine Abnahme der NOx-Emission um 30%, wobei die Strahlungseigenschaften der Flamme nicht negativ beeinflusst werden. Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn die Membranmodule zweier benachbarter Brenner 3, 3a gegenphasig getaktet werden. In den 2 bis 5 sind weitere geeignete Verfahrensweisen für eine pulsierende Verbrennung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
2 zeigt eine rechteckförmige (a), sägezahnförmige (b), sinusförmige (c), trapezförmige (d) und eine frei wählbaren oder statistische (d) Volumenstromänderung. Alle dargestellten Durchflüsse befinden sich im positiven Bereich, das heißt, der resultierende Volumenstrom ist zu jedem Zeitpunkt größer als eine vorgegebene Mindestgrundlast.
Bei der Volumenstromänderung gemäß 3a ist ein konstanter Anteil der Gasströmung vorgesehen (Grundlast 31), der von einem weiteren gezielt veränderten Anteil der Gasströmung 32 überlagert wird. Der resultierende Volumenstrom 33 (3b) nimmt keinen negativen Wert an, da dies zu einem unerwünschten Zurückschlagen der Flamme führen würde. Aus Sicherheitsgründen muss der minimale resultierende Volumenstrom immer positiv sein und darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten.
Infolge der Ausstattung der Versorgungsleitungen sowohl des Erdgases als auch des Sauerstoffs mit Membranmodulen 11 oder 12 ist es auch möglich, die Volumenströme beider Reaktanten zu variieren, zum Beispiel zeitlich unabhängig voneinander oder zeitlich abhängig voneinander, wie etwa gleichphasig; gegenphasig oder phasenverschoben.
4a) zeigt ein geeignetes zeitliches Volumenstromprofil für den Fall, dass sowohl der Erdgasstrom, als auch der Sauerstoffstrom variiert werden. Die Volumenstromänderung 41 für den Sauerstoffstrom hat im Ausführungsbeispiel die doppelte Frequenz und Amplitude wie die Volumenstromänderung 42 für den Erdgasstrom. 4b) zeigt schematisch eine Verfahrensvariante, bei der der Sauerstoffstrom zeitlich konstant gehalten wird.
In der Darstellung von 5a) sind die zeitlichen Volumenstromänderungen von Sauerstoff 51 und Erdgas 52 phasengleich, nur die Amplituden sind unterschiedlich: In der Darstellung von 5b) sind die Modulationsprofile von Sauerstoff 51 und Erdgas 52 phasenverschoben.
Mittels der Steuereinheit 16 sind auch solche Volumenstromänderungen leicht generierbar, die keine feste sich wiederholende Periode haben.
Die in 6 dargestellte Ausführungsform eines Membranmoduls 60 ist insbesondere für einen Betrieb mit gegenphasiger Taktung der Zufuhr eines Reaktanten zu zwei (in der Zeichnung nicht dargestellten) separaten Brennern geeignet. Die beiden Brenner teilen sich hierbei das Membranmodul 60. Die Membran 61 teilt die beiden gleich großen Membranräume 62 und 63. Der Elektromagnet 64 ist im Membranraum 62 vorgesehen. Der Gaseinlass und der Gasauslass des Membranraums 62 für den einen Brenner sind durch Stutzen 65 und der Gaseinlass und der Gasauslass des Membranraums 63 für den anderen Brenner sind durch Stutzen 66 gekennzeichnet.
Die beiden maximalen Auslenkung der Membran 61 in die jeweiligen Membranräume 62 und 63 ist durch gestrichelte Linien 67 dargestellt. Die durch die Auslenkung in den einen Membranraum 62 bewirkte Volumenverkleinerung bewirkt bei dem anderen Membranraum 63 taktgleich eine gleich große Volumenvergrößerung. Dadurch ist eine exakt gegenphasige Taktung der Volumenströme für das Erdgas beider Brenner gewährleistet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Auslenkung der Membran mit einer Volumenvergrößerung und Verkleinerung des Membranraumes verbunden. Die Volumenänderungen bewirken einen Stofftransport ohne dass dadurch eine Schallwelle entsteht. Allerdings ist das erfindungsgemäße Verfahren darauf nicht beschränkt. Es ist auch möglich, unter Einsatz einer sich bewegenden Membran Druckwellen – ohne Stofftransport – zu erzeugen, die eine pulsierende Verbrennung ermöglichen. Die Auslenkungsrichtung der Membran entspricht dabei der Hauptausbreitungsrichtung der Brennerflamme.

Claims

Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens durch pulsierende Verbrennung, indem einem Brenner (3) gasförmige oder flüssige Reaktanten, umfassend ein Oxidationsmittel und Brennstoff zugeführt werden, wobei von mindestens einem der Reaktanten der aus dem Brennermund (7) austretende Volumenstrom zeitlich verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Veränderung des Volumenstroms des Reaktanten erzeugt wird, indem in einem dem Brennermund (3) vorgeschalteten und dem Reaktanten zugänglichen Membranraum (13) mindestens eine Membran (14) durch elektrische Ansteuerung in Auslenkungen versetzt wird, welche Volumenänderungen des Membranraumes bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung mittels eines Elektromagneten (15) erfolgt, indem dieser auf die Membran (14) oder auf einen mit der Membran verbundenen ferromagnetischen Körper einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung der Membran (14) eine Steuer- oder Regeleinheit (16) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückströmung des Reaktanten aus dem Membranraum mittels einer in der Zuführung des Reaktanten vorgesehenen Begrenzungseinrichtung vermieden oder vermindert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung als Drossel oder als Blende ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Reaktanten vor der Begrenzungseinrichtung konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mindestwert des Volumenstroms des Reaktanten vorgegeben wird, der auch bei der Änderung des Volumenstroms zu keinem Zeitpunkt unterschritten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhitzen des Industrieofens (1) mindestens zwei Brenner (3; 3a, 3b, 3c) vorgesehen sind, wobei der Volumenstrom des Reaktanten bei dem einen Brenner (3, 3b) in gegenphasigem Takt zum Volumenstrom des Reaktanten bei dem anderen Brenner (3a, 3c) geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranräume beider Brenner benachbart zueinander angeordnet und durch eine gemeinsame Membran voneinander getrennt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Brennstoffes am Brennermund (7) verändert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Brenner (3), der Zufuhrleitungen (9, 10) für Ströme gasförmiger oder flüssiger Reaktanten zu einem Brennermund (7) aufweist, und mit einer Einrichtung zur zeitlichen Variation des Volumenstroms von mindestens einem der Reaktanten, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur zeitlichen Variation des Volumenstroms mindestens eine Membran (14) umfasst, die in einem dem Brenner (3) vorgeschalteten und dem Reaktanten zugänglichen Membranraum (13) angeordnet ist, und die mittels einer elektrischen Ansteuerung in Auslenkungen versetzbar ist, welche eine Volumenänderung des Membranraumes (13) bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung einen Elektromagneten (15) umfasst, der auf die Membran (14) oder auf einen mit der Membran verbundenen ferromagnetischen Körper einwirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (9, 10) des Reaktanten zum Membranraum (13) mit einer Begrenzungseinrichtung (17) zur Vermeidung oder zur Verminderung einer Rückströmung des Reaktanten versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung als Drossel (17) oder als Blende ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhitzen des Industrieofens (1) mindestens zwei Brenner (3, 3a, 3b, 3c) vorgesehen sind, wobei der Volumenstrom des Reaktanten bei dem einen Brenner (3, 3b) in gegenphasigem Takt zum Volumenstrom des Reaktanten bei dem anderen Brenner (3a, 3c) veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranräume beider Brenner benachbart zueinander angeordnet und durch eine gemeinsame Membran voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranraum (13) in der Zufuhrleitung (9, 10) des Reaktanten zum Brenner (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranraum (13) in der Zufuhrleitung (9) für den Brennstoff vorgesehen ist.