DE102005005832A1

DE102005005832A1 - Rekuperatorbrenner und Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens unter Einsatz des Brenners

Info

Publication number: DE102005005832A1
Application number: DE102005005832A
Authority: DE
Inventors: Horst KÖDER; Mathias Brune
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-09
Also published as: DE102005005832B4

Abstract

Es wird ausgegangen von einem Rekuperatorbrenner, in dem mindestens ein Brennerrohr für die Zufuhr eines Brennstoffes und ein das Brennerrohr ungebender Ringraum für die Zufuhr eines rekuperativ erwärmten Oxidationsmittels und ein Abgasführungskanal, durch den Ofenabgase im Gegenstrom zum Oxidationsmittel unter der Wirkung einer Saugeinrichtung gefördert werden, verlaufen. Um hiervon ausgehend einen Rekuperatorbrenner bereitzustellen, der sich durch eine definierte und reproduzierbare Sauerstoffvorwärmung und durch einfache Konstruktion auszeichnet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Ringraum mit einer Zufuhr für Sauerstoff verbunden ist und in mehrere Sauerstoff-Zufuhrleitungen verzweigt, die am Brennermund als einzelne Sauerstoff-Düsen münden. Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz des Rekuperatorbrenners führt zu einer geringen thermischen NOx-Bildung und gleichzeitig zu einem hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Es zeichnet sich dadurch aus, dass als rekuperativ erwärmtes Oxidationsmittel Sauerstoff eingesetzt wird, der auf eine Temperatur im Bereich zwischen 500 DEG C und 1200 DEG C vorerwärmt wird, und der mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 70 und 732 m/s am Brennermund austritt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rekuperatorbrenner, aufweisend einen Brennermund und einen Brennerschaft, in dem mindestens ein Brennerrohr für die Zufuhr eines Brennstoffes und ein das Brennerrohr umgebender Ringraum für die Zufuhr eines rekuperativ erwärmten Oxidationsmittels und ein Abgasführungskanal verlaufen, wobei der Ringraum gebildet wird von einem inneren Rekuperatorrohr und einem äußeren Rekuperatorrohr, dessen Außenwandung mit dem Abgasführungskanal, durch den Ofenabgase im Gegenstrom zum Oxidationsmittel unter der Wirkung einer Saugeinrichtung gefördert werden, in Wärmetausch-Verbindung steht.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens unter Einsatz eines Rekuperatorbrenners, dem gasförmige oder flüssige Reaktanten, umfassend einen Brennstoff sowie ein mittels Ofenabgas rekuperativ erwärmtes Oxidationsmittel zugeführt werden, und die aus einem Brennermund austretend unter Bildung einer Reaktionszone miteinander reagieren.
Brenner für gasförmige und flüssige Brennstoffe mit rekuperativer Luftvorwärmung werden zur direkten und indirekten Beheizung von Ofenräumen industrieller Ofenanlagen, wie beispielsweise in Wärmebehandlungsanlagen, in Rollenherdöfen, in Banddurchlauföfen, in Pyrolyseöfen, in Schmelzöfen oder in Brennkammern, seit langem eingesetzt. Bei diesen Brennern wird die Wärme der Ofenabgase zur Verbrennungsluftvorwärmung genutzt.

Ein derartiger Brenner und ein Verfahren zur Beheizung von Industrieöfen mit rekuperativer Vorwärmung der Verbrennungsluft ist aus der Patentschrift DD 154 910 B bekannt. Der Brenner besteht aus einem zentrisch angeordneten, keramischen Brennerrohr, in das ein Rekuperatorrohr mündet, das auf der einen Seite von den Ofenabgasen und auf der anderen Seite im Gegenstrom von der zu er wärmenden Verbrennungsluft bestrichen wird. Innerhalb des Rekuperaturrohres ist ein Luftleitzylinder angeordnet, in den die zu erwärmende Verbrennungsluft eingeleitet wird, und der in Verbindung mit dem ihn umgebenden Rekuperatorrohr einen Ringraum ausbildet, in den die zu erwärmende Verbrennungsluft einströmt. An den Ringraum ist im Bereich des Brennermundes eine Ringdüse angeschlossen, aus der die Verbrennungsluft mit erhöhter Geschwindigkeit längs der Innenwandung des Brennerrohres als ringförmiger Strahl aus dem Brennermund ausströmt und mit dem Brenngas reagiert, das über das zentrale Brennerrohr geleitet wird.

Um die Leistung der Ofenanlage zu steigern, um Primärenergie einzusparen oder um das Volumens der Verbrennungsabgase zu reduzieren, ist es bekannt, die Verbrennungsluft ganz oder teilweise durch technisch reinen Sauerstoff als Oxidationsmittel zu ersetzen. Es hat sich aber gezeigt, dass die um mehrere 100 Grad Celsius höhere Flammentemperatur gegenüber einer Brennstoff/Luft-Verbrennung zu einer hohen thermischen NOx-Bildung führt.

Um dies zu vermeiden werden in der DE 44 00 831 A1 ein anderer Brennertyp in Form eines NOx-armen Stufenbrenner mit Abgasrezirkulation und ein anderes Verbrennungskonzept vorgeschlagen. Dabei wird durch konstruktive Maßnahmen eine impulsreiche Strömung des zu erwärmenden Sauerstoffstroms erzeugt, wodurch eine hohe Abgasrezirkulation erzielt wird, die auf die Reaktionszone einwirkt und zu einer Minderung der thermischen NOx-Bildung führt.

Der aus der DE 44 00 831 A1 bekannte NOx-arme Stufenbrenner mit Abgasrezirkulation umfasst einen Brennerschaft, in dem Zufuhrleitungen für die an der Verbrennungsreaktion beteiligten Reaktanten verlaufen, und die in einem Brennermund münden. Die Zufuhrleitungen für die Reaktanten bestehen aus einer zentralen Mitteldüse für die Zufuhr von Primärsauerstoff. Diese ist von einer Ringdüse für die Zufuhr von Erdgas und von einer Kühlwasserleitung umgeben. Außerdem sind Zufuhrleitungen von Sekundärsauerstoff vorgesehen. Der Sekundärsauerstoff wird auf eine Temperatur von mindestens 100 °C vorgewärmt. Hierzu verlaufen die Sekundärsauerstoff-Zufuhrleitungen entweder mit seitlichem Abstand zur Kühlwasserleitung am Außenumfang des Brennerschafts, so dass die Zufuhr leitung und der darin geführte Sekundärsauerstoff von der heißen Ofenatmosphäre erhitzt werden, oder der Sekundärsauerstoff wird in einer separaten Heizeinrichtung vor dem Einleiten in die Sekundärsauerstoff-Zufuhrleitung vorgewärmt. Die Geschwindigkeit des Sekundärsauerstoffstroms wird mit 310 m/s oder mehr angegeben.

Das Konzept der Erwärmung des Sauerstoffs unmittelbar am Brennerschaft im Ofen durch die Strahlung der Ofenwände und der Gasstrahlung der Ofenatmosphäre hat sich aufgrund der Abhängigkeit der Ausströmgeschwindigkeit des Sekundärsauerstoffs von der Ofenraumtemperatur in der Praxis nicht bewährt. Da die Abgastemperaturen mit dieser Anordnung nicht gesenkt werden, führt das Verfahren auch nicht zu einer Verbesserung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades. Die zukünftigen relevanten Grenzwerte für die NOx-Emission von Ofenanlagen sind mit dem bekannten Brenner nicht zu erfüllen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens anzugeben, das zu einer geringen thermischen NOx-Bildung führt und das sich gleichzeitig durch hohen feuerungstechnischem Wirkungsgrad auszeichnet.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen konstruktiv einfachen Rekuperatorbrenner zur Verfügung zu stellen, der sich für die Durchführung des Verfahrens eignet, und der auch bei einer Nachrüstung bestehender Ofenanlagen allenfalls geringe Umbaumaßnahmen erfordert, und der eine definierte und reproduzierbare Sauerstoffvorwämung ermöglicht.

Hinsichtlich des Rekuperatorbrenners wird diese Aufgabe ausgehend von einem Rekuperatorbrenner der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Ringraum mit einer Zufuhr für Sauerstoff verbunden ist und in mehrere Sauerstoff-Zufuhrleitungen verzweigt, die am Brennermund als einzelne Sauerstoff-Düsen münden.

Der erfindungsgemäße Rekuperatorbrenner ist für den Einsatz von technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel ausgelegt. Hierzu ist der Ringraum mit einer Sauerstoffquelle verbunden, so dass in den Ringraum Sauerstoff eingespeist und darin rekuperativ erwärmt wird. Insoweit sind mit dem erfindungsgemäß Rekuperatorbrenner die oben genannten Vorteile beim Einsatz von reinem Sauerstoff zu erreichen.

Andererseits wird der Sauerstoff nicht, wie im Stand der Technik vorgeschlagen, durch die Strahlung der Ofenwände und der Gasstrahlung der Ofenatmosphäre erwärmt, sondern rekuperativ, indem der Sauerstoffstrom mittels dem im Gegenstrom in einem Abgasführungskanal angesaugten heißen Ofengases rekuperativ erwärmt wird. Zu diesem Zweck ist ein Ringraum vorgesehen, der als Ringspalt zwischen dem äußeren Rekuperatorrohr und dem inneren Rekuperatorrohr gebildet wird, und der mindestens teilweise von einem Abgasführungskanal umgeben ist, welcher vom Brennermund ausgeht und durch den der weitaus größte Teil des Ofenabgases (in Regel mindestens 90%) mittels Saugzuggebläse oder Eduktor abgesaugt und so zum großen Teil zum Wärmetausch mit dem im Ringraum geführten Sauerstoff genutzt wird. Dieser effektive Wärmeaustausch ist wiederum eine Voraussetzung dafür, dass der Sauerstoffstrom innerhalb einer vergleichsweise kurzen, durch die Brennerschaft-Länge vorgegebenen Strecke, auf eine besonders hohe Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius erhitzt werden kann.

Dadurch werden zusätzlich die eingangs genannten Vorteile eines rekuperativen Verbrennungskonzeptes, insbesondere eine definierte, reproduzierbare und effiziente Sauerstoffvorwämung, und außerdem ein hoher feuerungstechnischer Wirkungsgrad erreicht.

Eine weitere wesentliche Modifikation des bekannten Rekuperatorbrenners besteht darin, dass der Ringraum in eine Anzahl von Sauerstoff-Zufuhrleitungen verzweigt, die am Brennermund als einzelne Sauerstoff-Düsen münden. Wegen des insgesamt geringeren Düsenquerschnitts der Einzeldüsen im Vergleich zu einem fiktiven Düsenquerschitt der Ringdüse ergibt sich eine höhere Austrittsgeschwindigkeit beim Austritt des vorgewärmten Sauerstoffes aus dem Brennermund. Dieser Effekt wird durch die hohe Temperatur des Sauerstoffstroms, durch die die Austrittsgeschwindigkeit – die bis zu Schallgeschwindigkeit reichen kann – und die Gasviskosität erhöht, noch verstärkt. Der hohe Austrittsimpuls des Sauer stoffstroms in Verbindung mit der hohen Viskosität des ausströmenden Gases bewirkt eine starke Einsaugung der Ofenatmosphäre in die Brennerflamme, eine intensive Vermischung der Gase und eine Verringerung der Sauerstoffkonzentration und damit eine Reduzierung und Vergleichmäßigung der Flammentemperatur, die zu einer geringeren NOx-Bildung beiträgt

Der Ringraum für die Zuleitung und Erwärmung des Sauerstoffs ist beiderseits von Rekuperatorrohren umschlossen. Die Außenseite des äußeren Rekuperatorrohres steht in direktem Kontakt zum heißen Abgasstrom, das im Gegenstrom zur Strömung des Sauerstoffstroms aus dem Ofenraum abgesaugt wird.

Der Ringraum umgibt ein Brennerrohr oder mehrere Brennerrohre für die Zufuhr von Brennstoff und – soweit gewünscht – für die Zufuhr anderer Reaktanten zum Brennermund.

Unter „Sauerstoff" wird hier und im Folgenden ein Oxidationsmittel mit höherem Sauerstoffgehalt als 21 Vol.-% verstanden. In der Regel handelt es sich um technisch reinen Sauerstoff mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 90 Vol.-%.

Vorzugsweise mündet der Ringraum in eine Verteilungskammer, von der die Sauerstoff-Zufuhrleitungen in Richtung des Brennermundes abgehen.

In der Verteilungskammer findet eine Reduzierung der Sauerstoff-Strömungsgeschwindigkeit statt, so dass sich in den von dort zum Brennermund abgehenden Zufuhrleitungen für den Sauerstoff im Wesentlichen gleiche Druck- und Strömungsverhältnisse einstellen, sofern die Zufuhrleitungen gleiche Abmessungen aufweisen. Dadurch wird eine gleichmäßige Aufteilung des Sauerstoffstroms auf die einzelnen Zufuhrleitungen und damit eine gleichmäßige Verteilung des Gasaustritts-Impulses am Brennermund erreicht.

Die einzelnen Zufuhrleitungen enden am Brennermund. Abgesehen von den Einlass- und Auslassöffnungen für den Sauerstoffstrom bildet die Verteilungskammer einen abgeschlossenen ringförmigen Raum um das Brennerrohr.

Es hat sich bewährt, wenn maximal dreißig, vorzugsweise maximal acht Sauerstoff-Düsen vorgesehen sind, die auf einem Hüllkreis um eine Mitteldüse angeordnet sind.

Mit zunehmender Anzahl der Sauerstoff-Düsen steigt der konstruktive Aufwand für die Herstellung des Rekuperatorbrenners. Besonders wichtig ist aber, dass sich mit zunehmender Düsenzahl die Freistrahlen bei gleichem Gesamtaustrittsimpulsstrom gegenseitig nachteilig beeinflussen, derart, dass die Einsaugung von Ofenabgasen in die Reaktionszone verringert wird, was zu einer Erhöhung des Sauerstoff-Partialdruckes in der Reaktionszone, zu Temperaturspitzen und damit zu erhöhter NOx-Bildung führt.

In diesem Zusammenhang hat es sich besonders bewährt, wenn die Sauerstoff-Düsen einen Innendurchmesser „d" aufweisend gleichmäßig konzentrisch um die Mitteldüse verteilt sind, wobei der Abstand zwischen der Mittelachse zweier benachbarter Düsen entlang des Hüllkreises im Bereich zwischen 2d und 14d, vorzugsweise im Bereich zwischen 5d und 9d, und besonders bevorzugt um 7,2d beträgt.

Bei einer derartigen Verteilung wird bei gegebener Anzahl der Sauerstoff-Düsen ein optimaler Abstand der Freistrahlen voneinander erreicht.

Es wird eine Ausführungsform des Rekuperatorbrenners bevorzugt, bei der besagte Verteilungskammer mit einer metallischen Brennerfrontplatte versehen ist, von der die Sauerstoff-Zufuhrleitungen in Richtung des Brennermundes abgehen, und die zumindest teilweise mit einem keramischen Brennerstein bedeckt ist.

Die metallische Brennerfrontplatte dient zur Fixierung der Sauerstoff-Zufuhrleitungen. Sie ist der heißen Ofenatmosphäre und der Brennerflamme zugewandt und daher thermisch besonders stark belastet. Zum Schutz ist sie daher ganz oder teilweise mit einem Brennerstein aus keramischem Material bedeckt. Die Vorderseite des Brennersteins, in dem Öffnungen für die Zufuhrleitungen der Reaktanten vorgesehen sind, bildet den Brennermund.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Brennerstein zur Führung der Sauerstoff-Zufuhrleitungen mit Durchführungen versehen ist, deren Öff nungsweite im Bereich der Brennerfrontplatte größer ist als im Bereich des Brennermundes.

Die metallische Brennerfrontplatte erfährt beim Betrieb des Rekuperatorbrenners eine stärkere thermische Ausdehnung als das keramische Material des Brennersteins. Im Fall von der Brennerfrontplatte in Richtung Brennermund abgehender und durch die Durchführungen des Brennersteins verlaufender Zufuhrleitungen, kann der Unterschied der thermischen Ausdehnung in Richtung senkrecht zur Mittelachse des Rekuperatorbrenners zur Abscherung der an der Brennerfrontplatte fixierten Zufuhrleitungen führen. Um dies zu vermeiden, weisen die Brennerstein-Durchführungen im Bereich der Brennerfrontplatte eine etwas größere Öffnungsweite auf, so dass die Zufuhrleitungen Spiel in radialer Richtung (senkrecht zur Brenner-Längsachse) haben, wohingegen sie im Bereich des Brennermundes in den Durchführungen enger und damit genauer geführt werden.

Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abgasführungskanal als zum Brennermund offener Abgas-Ringspalt ausgebildet ist, dessen Innenwandung von dem äußeren Rekuperatorrohr und dessen Außenwandung von einem hohlzylindrischen Formteil aus keramischer Faser gebildet wird.

Das äußere Rekuperatorrohr ist hierbei unter Belassung eines Ringspalts von einem keramischen Formteil, vorzugsweise einem Vakuumformteil umgeben. Der Ringspalt bildet einen zum Brennermund hin offenen Ringraum, durch den das heiße Ofenabgas angesaugt wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Erwärmung des äußeren Rekuperaturrohres und somit des Sauerstoffs erreicht.

Als Werkstoff zur Ausbildung des keramischen Formteils hat sich eine Al₂O₃-Faser besonders bewährt. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch hohe Isolierwirkung gegen die Ofenwand, hohe Einsatztemperatur und gute Temperaturwechselbeständigkeit aus und ist daher für die Herstellung einer Führung für das heiße Ofenabgas besonders gut geeignet.

Im Fall des Einsatzes eines zylindrischen Brennersteins zum Schutz der metallischen Brennerfrontplatte, wird dieser vorzugsweise in Längsachse innerhalb des keramischen Formteils angeordnet.

Der Brennerstein wird dabei in der Hohlzylinderbohrung des keramischen Formteils so integriert, so dass sich der Zylinderaußemmantel des Brennersteins an den Außendurchmesser des äußeren Rekuperatorrohres anschließt, und dass die der Brennerflamme zugewandte Frontseite des Brennersteins in etwa mit der Stirnseite des keramischen Formteils bündig abschließt. Dadurch wird ein durchgängiger offener Ringraum vom Brennermund bis zum äußeren Rekuperatorrohr gewährleistet, durch den das heiße Abgas ungehindert angesaugt werden kann.

Das innere Rekuperatorrohr begrenzt vorzugsweise einen geschlossenen Sicherheitsraum, der zwischen dem inneren Rekuperatorrohr und dem Brennerrohr vorgesehen ist.

Der Sicherheitsraum vermeidet eine Vermischung von Brennstoff mit Sauerstoff im Fall einer Leckage durch einen Riss im inneren Rekuperatorrohr, zum Beispiel infolge thermischer Spannungen, und erhöht somit die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenners. Der Sicherheitsraum ist von der Umgebung vollständig abgeschlossen, wobei zum Druckausgleich jedoch eine Öffnung in Richtung des Ofenraumes vorgesehen sein kann.

Weiterhin ergibt sich durch den Sicherheitsraum zwischen dem Brennerrohr und dem inneren Rekuperatorrohr ein gewisser Abstand, der zu einer thermischen Entlastung des Brennerrohres beiträgt, was einer Zersetzung des Brennstoffes, Rußbildung und Verstopfungsgefahr entgegenwirkt. Weiterhin wird ein größerer Durchmesser des äußeren Rekuperatorrohres ermöglicht, der eine größere Wärmeaustauschfläche für den Rekuperator, eine effektivere Wärmeübertragung oder kürzere Brennerausführung bewirkt.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn zwischen dem äußeren Rekuperatorrohr und dem inneren Rekuperatorrohr ein Abstand derart eingestellt ist, dass sich in dem Ringraum eine Geschwindigkeit des Sauerstoffstroms von mindestens 15 m/s ergibt.

Über das äußere Rekuperatorrohr findet der Wärmeaustausch zwischen dem heißen Ofenabgas und dem Sauerstoff statt. Je geringer der Abstand zwischen dem äußeren und inneren Rekuperatorrohr ist (je enger der Ringraum ist), desto besser erfolgt die konvektive Wärmeübertragung an den Sauerstoff. Eine geringere Spaltweite bei vorgegebenem Sauerstoffdurchsatz führt zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit, wodurch die konvektive Wärmeübertragung begünstigt wird. Sauerstoffdurchsatz und damit auch die Mindestweite des Ringraums hängen von der Brennerleistung ab. Wesentlich ist, das bei gegebener Brennerleistung und Sauerstoffdurchsatz die Weite des Ringraums so eingestellt ist, dass sich im Ringraum eine Geschwindigkeit des Sauerstoffstroms von mindestens 15 m/s ergibt. Dadurch wird ein so guter Wärmeübergang zum Sauerstoff erreicht, dass als äußeres Rekuperatorrohr ohne Weiteres ein Glattrohr auf der Sauerstoffseite eingesetzt werden kann.

Im Hinblick auf ein möglichst gleichmäßiges Einspeisen des Sauerstoffs in den Ringraum hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zufuhr für Sauerstoff in den Ringraum einen Zufuhrstutzen umfasst, der in eine mit dem Ringraum verbundene Verteilungskammer mündet.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenners zeichnet sich dadurch aus, dass das Brennerrohr in einer Brennstofflanze ausgebildet ist, die innerhalb des Brennerschafts in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.

Die Brennstofflanze umfasst mindestens ein Brennerrohr für die Brennstoffzufuhr und in der Regel mindestens ein weiteres Brennerrohr zur Zufuhr eines Oxidationsmittels. Die Ausbildung des Brennerrohres oder der Brennerrohre in einer Brennstofflanze und deren Verschiebbarkeit in axialer Richtung – in Richtung der Längsachse des Brennerschafts – gewährleistet ein ungehindertes Ausdehnen der Rekuperatorrohre und der metallischen Rekuperator-Brennerfrontplatte in axialer Richtung, ohne das dadurch das Brennerrohr oder die Brennerrohre unter Spannungen geraten. Zwecks Verschiebbarkeit der Brennstofflanze ist die oben erwähnte geschlossene Verteilungskammer für den Sauerstoff mit einer Durchführung versehen, durch die sich die Brennstofflanze erstreckt, wobei zwischen dem Außenmantel der Brennstofflanze und der Begrenzungswandung der Verteilungskammer-Durchführung ein Spalt verbleiben kann, durch den Leckagesauerstoff bei defektem Rekuperatorrohr ausströmen kann.

Es hat sich eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenners als besonders günstig erwiesen, bei der ein erstes, zentrisches Brennerrohr für die Zufuhr von Primärsauerstoff vorgesehen ist, das von einem zweiten Brennerrohr für die Zufuhr von Brennstoff koaxial umgeben ist.

Bei dieser Ausführungsform des Rekuperatorbrenners ist ein Brennerrohr für die Zufuhr von Primärsauerstoff vorgesehen. Durch die Zufuhr von Primärsauerstoff kann die Verbrennung stabilisiert werden, insbesondere beim Anfahren des Ofens.) Das äußere Rekuperatorrohr ist vorzugsweise als Glattrohr ausgebildet.

Abgasseitig hat das Glattrohr den Vorteil, dass im Abgasstrom enthaltene Verschmutzungen sich nur wenig ablagern und dadurch den Abgasführungskanal nicht verstopfen können. Zusätzlich wird der energetische Aufwand zur Erzeugung des notwendigen Unterdruckes zur Abgasabsaugung verringert. Sauerstoffseitig hat das Glattrohr den Vorteil, dass der Fertigungswand für das Rekuperatorrohr geringer ist.

Im Hinblick auf eine besonders effektive Vermischung der Reaktanten und eine besonders einfache konstruktive Ausbildung des erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenners hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das mindestens eine Brennerrohr, der Ringraum für die Zufuhr des rekuperativ erwärmten Sauerstoffs, die Sauerstoff-Zufuhrleitungen und der Abgasführungskanal im Bereich um den Brennermund achsenparallel zur Brenner-Längsachse verlaufen.

Dadurch verlaufen auch die entsprechenden Medienströme im Bereich des Brennermundes achsenparallel zur Brenner-Längsachse.

Im Hinblick auf eine gleichmäßige Erwärmung des Sauerstoffs durch das abzusaugende Ofenabgas hat sich eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenners bewährt, bei der der Abgasführungskanal – in Strömungs richtung des Abgases gesehen – in einen der Saugeinrichtung vorgeordneten Abgassammelraum mündet.

In dem Zusammenhang hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn das äußere Rekuperatorrohr einen Innendurchmesser „D" sowie eine Länge „L" zwischen dem Brennermund und dem Abgassammelraum aufweist, mit der Maßgabe, dass das Verhältnis von L/D im Bereich zwischen 1 und 20 liegt.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als rekuperativ erwärmtes Oxidationsmittel Sauerstoff eingesetzt wird, der auf eine Temperatur im Bereich zwischen 500 °C und 1200 °C vorerwärmt wird, und der mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 70 und 732 m/s am Brennermund austritt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Sekundärsauerstoffstrom vor dem Austritt aus dem Brenner auf eine besonders hohe Temperatur im Bereich zwischen 500°C und 1200 °C vorerwärmt. Das Vorwärmen trägt zu einem stärkeren Wärmeeintrag in die Reaktionszone der Flamme bei, woraus wiederum nach bisheriger Ansicht eine höhere NOx-Bildung resultieren sollte, weshalb die rekuperative Erwärmung von Sauerstoff als nicht erforderlich oder sogar als schädlich angesehen werden könnte. Überraschenderweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren aber das Gegenteil, nämlich eine verringerte NOx-Bildung, beobachtet. Dies kann man wie folgt erklären: Je höher die Temperatur des Sauerstoffstroms ist, desto höher ist die Viskosität und die temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit. Die hohe Temperatur des Sauerstoffstroms ermöglicht daher eine hohe Austrittsgeschwindigkeit aus den Sauerstoff-Düsen bis maximal zur Schallgeschwindigkeit. Der hohe Austrittsimpuls in Verbindung mit der hohen Viskosität des Sauerstoffs bewirkt eine verstärkte Einsaugung der Ofenatmosphäre in den Sauerstoffstrom, die zu einer intensiven Vermischung, einer Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Brennerflamme, zu geringeren Temperaturspitzen und somit zu einer wesentlich niedrigeren thermischen NOx-Bildung führt.

Weiterhin hat es sich gezeigt, dass sich durch die Vorwärmung des Sauerstoffstroms der damit verbundenen Abkühlung der Ofenabgase der feuerungstechnische Wirkungsgrad deutlich verbessert.

Im Hinblick hierauf hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Sauerstoff beim Austritt aus dem Brennermund eine Viskosität im Bereich von 41,4 bis zu 61,6 × 10^–6 Pa·s aufweist.

Die hohe Viskosität des Sauerstoffstroms in Verbindung mit einer hohen Geschwindigkeit und Impulsstrom beim Austritt aus dem Brennermund bewirkt eine starke Einsaugung der Ofenatmosphäre in den Sauerstoffstrahl und führt somit zu einer intensiven Mischung zwischen den eingesaugten Gasen und dem Sauerstoff. Das Mischgas vorwiegend bestehend aus H₂O, CO₂ und O₂ reagiert mit dem aus dem Brennermund austretendem Erdgas.

Im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten, vergleichsweise geringen Vorwärmung des Sauerstoffstroms, die zu einer vergleichsweise niedrigen Austrittsgeschwindigkeit von ca. 320 m/s, verbunden mit einer geringen Abgaszirkulation und damit einhergehend relativ hohen NOx-Konzentrationen führt, werden bei einer Verbrennung mit dem vorgeschlagenen Verbrennungskonzept sowohl geringe NOx-Gehalte als auch ein höherer feuerungstechnischer Wirkungsgrad erzielt.

Im Hinblick auf einen hohen Austrittsimpuls des Sauerstoffstroms hat es sich als günstig erwiesen, wenn der rekuperativ zu erwärmende Sauerstoff über eine Wärmetauscherfläche des äußeren Rekuperatorrohres geleitet wird, wobei der auf die Wärmetauscherfläche bezogene Sauerstoff-Volumenstrom auf einen Wert zwischen 15 und 600 Nm³ pro h/m², vorzugsweise mindestens 300 Nm³ pro h/m², eingestellt wird.

Vorteilhafterweise wird im Bereich der Reaktionszone eine Sauerstoffkonzentration unterhalb von 16 Vol.-% (trocken ) eingestellt.

Dadurch wird die Flammentemperatur auf eine Temperatur reduziert, die maximal 200°C höher ist als die maximale Temperatur der Ofenatmosphäre außerhalb der unmittelbaren Reaktionszone. Temperaturspitzen und die damit einhergehende NOx-Bildung werden so vermieden.

Vorzugsweise werden mindestens 90 Vol.-% des Ofenabgases mittels der Absaugeinrichtung aus dem Ofenraum abgesaugt und für die rekuperative Erwärmung des Sauerstoffes eingesetzt.

Dadurch wird der Sauerstoffstrom wirksam erwärmt und es ergibt sich ein besonders hoher feuerungstechnischer Wirkungsgrad.

Zur Überwachung eines ordnungsgemäßen Brennverhaltens wird vorteilhafterweise eine UV-Messeinrichtung eingesetzt.

Mittels der UV-Messeinrichtung wird festgestellt, ob die Reaktionszone im Bereich des Brennermundes den Anforderungen entspricht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich durch den Einsatz von technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel und durch die intensive Vermischung mit den Ofenabgasen im Bereich der Reaktionszone ein deutliches und stabiles UV-Signal, das zur Überwachung der Flamme und zur Auswertung der Stabilität des Verbrennungsprozesses herangezogen wird.

Vorteilhafterweise beträgt bei maximaler Leistung des Rekuperatorbrenners der Druckabfall auf der Abgasseite maximal 20 mbar.

Die vorteilhafte Ausbildung des äußeren Rekuperatorrohres als Glattrohr ohne Rippen bewirkt einen geringen Druckverlust. Aus diesem Grund kann die Saugeinrichtung mit sehr geringem energetischem Aufwand betrieben werden. Vorteilhafterweise wird für die Antriebsenergie für die Absaugeinrichtung eine Druckdifferenz genutzt, die sich zwischen einem Sauerstoffreservoir für den zu erwärmenden Sauerstoff und dem Brenner ausbildet.

Die Energie zum Antrieb der Saugeinrichtung, zum Beispiel eines Saugzuggebläses oder eines Eduktors, kann problemlos aus der Druckdifferenz zwischen einem Reservoir für den Sauerstoff, beispielsweise einem Sauerstofftank, und dem Brenner über eine Sauerstoff-angetriebene Turbine ohne zusätzliche elektrische Energie erzeugt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenners im Schnitt,
2 eine Draufsicht in Richtung A auf den Brennermund des Rekuperatorbrenners von 1, und
3 eine Übersicht zur NOx-Bildung in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur bei unterschiedlichen Verbrennungssystemen mit vorgewärmtem Oxidationsmittel.
Der in 1 dargestellte Rekuperatorbrenner umfasst einen Brennerschaft 25, einem Brennermund 2, Zuführungsstutzen für Brennstoff 6, Primärsauerstoff 7 und für Sekundärsauerstoff 5 sowie ein Abgasführungsrohr 4. Die im Brennerschaft 25 verlaufenden Zufuhrleitungen 14, 15, 16, 17 für die an der Verbrennungsreaktion beteiligten Reaktanten münden an einem Brennermund 2 und treten dort unter Bildung einer Brennerflamme über die Düsen 20, 21 und 22 in den Verbrennungsraum ein.
Bei den Zufuhrleitungen handelt es sich im Einzelnen um eine zentrale Leitung 15, welche in eine Düse 22 für die Zufuhr von Primärsauerstoff mündet, eine die zentrale Leitung 15 konzentrisch umschließende Leitung 14, welche in die Ringspaltdüse 21 für die Zufuhr von Erdgas mündet und um die Zuleitungen 16 und 17, welche einen Ringraum 18 bilden, der über eine Verteilungskammer 13 und sich daran anschließenden Zuführungsleitungen 19 in die Düsen 20 für den Sekundärsauerstoff münden. Die Zuführungsstutzen für Primärsauerstoff, Erdgas und Sekundärsauerstoff sind – in der genannten Reihenfolge – mit 7, 6 und 5 bezeichnet.
Die Mitteldüse 22 und die Ringspaltdüse 21 befinden sich am dem Ofen zugewandten Ende einer gemeinsamen Erdgaslanze 3, die Bestandteil des Rekuperatorbrenners 1 ist und die innerhalb dessen in Richtung der Brenner-Längsachse verschiebbar gelagert ist.
Die Sekundärsauerstoff Zufuhr umfasst einen Zuführungsstutzen 5, eine Verteilungskammer 11, die Rohre 16 und 17 welche einen Ringraum 18 umschließen, die Verteilungskammer 13 und acht Zufuhrleitungen 19, die sich von der Verteilungskammer 13 zum Brennermund 2 erstrecken und an den Düsen 20 enden. Die insgesamt acht Düsen 20 sind auf einem Hüllkreis gleichmäßig konzentrisch um die Erdgas-Ringspaltdüse 21 verteilt. Der Abstand zwischen der Mittelachse zweier benachbarter Düsen 20 entlang des Teilkreisbogens beträgt 7,2d, wobei „d" der Innendurchmesser der Sekundärsauerstoff-Düsen 20 ist.
Der Ringraum 18 wird von einem äußeren Rekuperatorrohr 17 und einem inneren Rekuperatorrohr 16 gebildet und ist über fast seine gesamte Länge von einem Abgasführungsrohr 4 umgeben. Das innere Rekuperatorrohr 16 und das äußere Rekuperatorrohr 17 ist ein Glattrohr aus dem hitzebeständigen Edelstahl oder einer ODS-Legierung. Die Spaltweite des Ringraums 18 beträgt ca. 2 mm, wodurch sich bei dem gegebenen Sauerstoffdurchsatz eine Strömungsgeschwindigkeit im Ringraum von 20 m/s ergibt.
Die Abgase gelangen vom Brennermund 2 über den Ringraum 28 zwischen Abgasführungsrohr 4 und dem äußeren Rekuperatorrohr 17 zu einem Abgassammelraum 12 und anschließend zum Abgasstutzen 8 welcher an einen Eduktor oder Saugzuggebläse angeschlossen ist. Etwa 90 % des gesamten Abgases werden über den Abgasstutzen 8 angesaugt und so zum Wärmeaustausch mit dem im Ringraum 18 geführten Sauerstoff genutzt.
Das innere Rekuperatorrohr 16 und das Erdgasrohr 14 begrenzen einen zwischenliegenden, gegenüber der Ofen-Außenumgebung abgeschlossenen Sicherheitsraum 10.
Die acht Zufuhrleitungen 19, die ebenfalls aus einem hitzebeständigem Edelstahl oder einer ODS-Legierung bestehen, sind an einer Brennerfrontplatte 27 angebracht, die die Verteilungskammer 13 in Richtung Brennermund 2 abschließt.
Die Brennerfrontplatte 27 ist mittels eines vorgelagerten zylindrischen Brennersteins 26 aus vorwiegend Al₂O₃ thermisch gegenüber der heißen Ofenatmosphäre geschützt. Der Brennerstein 26 weist Durchführungen für die Erdgaslanze 3 und für die acht Zufuhrleitungen 19 auf, wobei die Öffnungsweite der Durchführungen im Bereich der Brennerfrontplatte größer ist als im Bereich des Brennermundes 2, so dass die Zufuhrleitungen 19 ein gewisses Spiel in radialer Richtung (senkrecht zur Brenner-Längsachse) haben. Zur Halterung des Brennersteins 26 ist dessen Zylindermantelfläche mit einer umlaufenden Nut 23 versehen, in die ein Winkelhaken aus einer hitzebeständigem ODS-Legierung eingreift, der am äußeren Rekuperatorrohr 17 befestigt ist.
Der Abgas-Absaugkanal 28 ist als zum Brennermund 2 offener Ringraum ausgebildet, dessen Innenwandung von dem äußeren Rekuperatorrohr 17 und dessen Außenwandung von einem Abgasführungsrohr 4, das aus einem Vakuumformteil aus keramischen Al₂O₃-Fasern besteht, das hohe Isolierwirkung, Einsatztemperatur und Temperaturwechselbeständigkeit besitzt. Dabei ist der Brennerstein 26 innerhalb des Abgasführungsrohres 4 so angeordnet, dass sein Zylinderaußemmantel an den Außendurchmesser des äußeren Rekuperatorrohres 17 unmittelbar anschließt, und der Brennerstein 26 somit den Abgas-Absaugkanal 28 bis zum Brennermund 2 fortsetzt. Die Frontseite des Brennersteins 26 schließt mit der Stirnseite der Abgasführungsrohres 4 ab. Das Abgasführungsrohr 4 ist Bestandteil des Brenners 1 und wird in einem metallischen Zylinder 24 mit Flansch durch Stiften fixiert und über einen weiteren Flansch am Brenner befestigt. Der mit der Bezugsziffer 25 gekennzeichnete Teil des Brennerschafts befindet sich in der Ofenwand. Der Brennermund 2 schließt dabei bündig mit der Ofeninnenwand ab.
Die Erdgaslanze 3, die Sekundärsauerstoff-Zuleitungen 19 und der Abgas-Absaugkanal 28 verlaufen im Bereich um den Brennermund 2 parallel zur Brenner-Längsachse und sind konzentrisch zueinander angeordnet und schließen im Normalbetrieb bündig am Brennermund 2 ab.
Zur Überwachung der Brennerflamme ist eine UV-Sonde 9 vorgesehen, wobei der UV-Strahlengang ausgehend von der Flamme durch die Primärsauerstoff-Zufuhrleitung 15 zur Sonde 9 gelangt, welche an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist.
2 zeigt eine Vorderansicht auf den Brennermund des Rekuperatorbrenners und die Anordnung der Düsen 20, 21, 22, sowie des Abgas-Absaugkanals 28.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand des in den 1 und 2 dargestellten Rekuperatorbrenners 1 näher erläutert:
Zum Zünden und Anfahren des Rekuperatorbrenners 1 beträgt der Anteil des Primärsauerstoffes etwa 3–10 Vol.-% der stöchiometrisch benötigten Menge an Sauerstoff. Nach dem Zündvorgang und Anfahren des Ofens bildet sich eine stabile Flamme auch ohne Primärsauerstoff, die ein ausreichendes Signal für die UV-Sonde 9 abgibt. Im angegebenen Beispiel werden über die Stutzen 6, 7, 5 dem Brenner Reaktanten wie folgt zugeführt:

Erdgas: 25 Nm³/h

Primärsauerstoff: 3 Nm³/h

Sekundärsauerstoff 47 Nm³/h
Der Saugzug des Eduktors ist so eingestellt, das auf der Abgasseite des Rekuperators ein Druckverlust von max. 20 mbar entsteht bei einer Absaugleistung von etwa 90% des entstehenden Abgases, welches mit 1480°C in den Rekuperator eintritt und nach dem Wärmeaustausch am äußeren Rekuperatorrohr 17 mit einer Temperatur von ca. 930°C den Stutzen 8 verläßt.
Unter den genannten Bedingungen ergibt sich eine Vorwärmung des Sekundärsauerstoffs von 20°C auf ca. 850°C, wobei der Sekundärsauerstoffstrom eine Viskosität von 53 × 10^–6 Pa·s annimmt. Der aus dem Brennermund mit hoher Viskosität ausströmende Sekundärsauerstoff hat dabei eine Geschwindigkeit von 640 m/s und erzeugt dabei einen Impuls von 1,49 N je Düse 20.
Dies bewirkt eine starke Einsaugung der Ofenatmosphäre in den Sauerstoffstrahl und führt somit zu einer intensiven Mischung zwischen den eingesaugten Gasen und dem Sauerstoff. Das Mischgas bestehend aus Wasserdampf, Kohlendioxid und Sauerstoff reagiert mit dem aus vorzugsweise einer Düse austretendem Erdgas.
Die Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgebiet ist kleiner 16 Vol.-% trocken. Dadurch wird die Flammentemperatur auf eine Temperatur reduziert, die maximal 200°C über der Ofenraumtemperatur liegt. Dabei entsteht ein homogenes Reakti onsgebiet mit nahezu unsichtbarer Flamme. Bei maximaler Leistung des Rekuperatorbrenners 1 ergibt sich ein Druckabfall auf der Abgasseite von max. 20 mbar.
Die Verfahrensweise führt zu einer NOx-armen Verbrennung. Die maximalen NOx-Konzentrationen im Ofenabgas betragen unter den genannten Bedingungen 30 Vol.-ppm trocken.
Dieser Wert ist im Vergleich zu anderen Verbrennungskonzepten mit vorgewärmtem Oxidationsmittel besonders niedrig und liegt deutlich unterhalb des von der TA-Luft vorgegebenen Grenzwertes, wie die Übersicht von 3 zeigt. Hier ist auf der y-Achse die NOx-Konzentration in mg pro m³ Abgas (bezogen auf eine Sauerstoffkonzentration von 5% trocken) gegen die Prozesstemperatur in Grad Celsius aufgetragen. Dabei wird unter der Prozesstemperatur die Ofenraumtemperatur verstanden. Daraus ist ersichtlich, dass die NOx-Bildung bei dem hier vorgeschlagenen Verbrennungskonzept des „Sauerstoff-Rekuperatorbrenners" mit Eindüsen des vorerwärmten Sauerstoffs mit hoher Geschwindigkeit und hohem Impuls auch bei hohen Ofenraumtemperaturen zu niedrigen NOx-Werten führt.

Claims

Rekuperatorbrenner, aufweisend einen Brennermund (2) und einen Brennerschaft (25), in dem mindestens ein Brennerrohr (14; 15) für die Zufuhr eines Brennstoffes und ein das Brennerrohr (14; 15) umgebender Ringraum (18) für die Zufuhr eines rekuperativ erwärmten Oxidationsmittels und ein Abgasführungskanal (28) verlaufen, wobei der Ringraum (18) gebildet wird von einem inneren Rekuperatorrohr (16) und einem äußeren Rekuperatorrohr (17), dessen Außenwandung mit dem Abgasführungskanal (28), durch den Ofenabgase im Gegenstrom zum Oxidationsmittel unter der Wirkung einer Saugeinrichtung gefördert werden, in Wärmetausch-Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (18) mit einer Zufuhr (5; 11) für Sauerstoff verbunden ist und in mehrere Sauerstoff-Zufuhrleitungen (19) verzweigt, die am Brennermund (2) als einzelne Sauerstoff-Düsen (20) münden.
Rekuperatorbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (18) in eine Verteilungskammer (13) mündet, von der die Sauerstoff-Zufuhrleitungen (19) in Richtung des Brennermundes (2) abgehen.
Rekuperatorbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass maximal dreißig, vorzugsweise maximal acht Sauerstoff-Düsen (20) vorgesehen sind, die auf einem Hüllkreis um eine Mitteldüse (22) angeordnet sind.
Rekuperatorbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Düsen (20) einen Innendurchmesser „d" aufweisend gleichmäßig konzentrisch um die Mitteldüse (21) verteilt sind, wobei der Abstand zwischen der Mittelachse zweier benachbarter Düsen (20) entlang des Hüllkreises im Bereich zwischen 2d und 14d, vorzugsweise im Bereich zwischen 5d und 9d, und besonders bevorzugt um 7,2d beträgt.
Rekuperatorbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungskammer (13) mit einer metallischen Brennerfrontplatte (27) versehen ist, von der die Sauerstoff-Zufuhrleitungen (19) in Richtung des Brennermundes (2) abgehen, und die zumindest teilweise mit einem keramischen Brennerstein (26) bedeckt ist
Rekuperatorbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerstein (26) zur Führung der Sauerstoff-Zufuhrleitungen (19) mit Durchführungen versehen ist, deren Öffnungsweite im Bereich der Brennerfrontplatte (27) größer ist als im Bereich des Brennermundes (2).
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasführungskanal (28) als zum Brennermund (2) offener Abgas-Ringspalt ausgebildet ist, dessen Innenwandung von dem äußeren Rekuperatorrohr (17) und dessen Außenwandung von der Innenseite einem hohlzylindrischen Formteil (4) aus keramischer Faser gebildet ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der Ansprüche 8 oder 9 und einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerstein (26) innerhalb des keramischen Formteils (4) angeordnet ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Rekuperatorrohr (16) und dem Brennerrohr (14; 15) ein geschlossener Sicherheitsraum (10) vorgesehen ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem äußeren Rekuperatorrohr (17) und dem inneren Rekuperatorrohr (16) ein Abstand derart eingestellt ist, dass sich in dem Ringraum (18) eine Geschwindigkeit des Sauerstoffstroms von mindestens 15 m/s ergibt.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr für Sauerstoff in den Ringraum (18) einen Zufuhrstutzen (5) umfasst, der in eine mit dem Ringraum (18) verbundene Verteilungskammer (11) mündet.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerrohr (14; 15) in einer Brennstofflanze (3) ausgebildet ist, die innerhalb des Brennerschafts (25) in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes, zentrisches Brennerrohr (15) für die Zufuhr von Primärsauerstoff vorgesehen ist, das von einem zweiten Brennerrohr für die Zufuhr von Brennstoff koaxial umgeben ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rekuperatorrohr (17) als Glattrohr ausgebildet ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Brennerrohr (14; 15), der Ringraum (18) für die Zufuhr des rekuperativ erwärmten Sauerstoffs, die Sauerstoff-Zufuhrleitungen (19) und der Abgasführungskanal (28) im Bereich um den Brennermund (2) achsenparallel zur Brenner-Längsachse verlaufen.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasführungskanal – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – in eine der Saugeinrichtung vorgeordnete Abgassammelraum (12) mündet.
Rekuperatorbrenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rekuperatorrohr (17) einen Innendurchmesser „D" sowie eine Länge „L" zwischen dem Brennermund (2) und dem Abgassammelraum (12) aufweist, wobei das Verhältnis von L/D im Bereich zwischen 1 und 20 liegt.
Verfahren zum Erhitzen eines Industrieofens unter Einsatz eines Rekuperatorbrenners, dem gasförmige oder flüssige Reaktanten, umfassend einen Brennstoff sowie ein mittels Ofenabgas rekuperativ erwärmtes Oxidationsmittel zugeführt werden, und diese aus einem Brennermund austretend unter Bildung einer Reaktionszone miteinander reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass als rekuperativ erwärmtes Oxidationsmittel Sauerstoff eingesetzt wird, der auf eine Temperatur im Bereich zwischen 500°C und 1200 °C vorerwärmt wird, und der mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 70 und 732 m/s am Brennermund austritt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff beim Austritt aus dem Brennermund (3) eine Viskosität im Bereich von 41,4 bis zu 61,6 × 10^–6 Pa·s aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der rekuperativ zu erwärmende Sauerstoff über eine Wärmetauscherfläche eines äußeren Rekuperatorrohres (17) geleitet wird, wobei der auf die Wärmetauscherfläche bezogene Sauerstoffvolumenstrom auf einen Wert zwischen 15 und 600 Nm³ pro h/m², vorzugsweise mindestens 300 Nm³ pro h/m², eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rekuperatorrohr (17) ein inneres Rekuperatorrohr (16) unter Bildung eines Ringraums (18) umgibt, in dem der zu erwärmende Sauerstoffstrom mit einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffkonzentration im Bereich der Reaktionszone kleiner als 16 Vol.-% (trocken) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 90 Vol.-% des Ofenabgases mittels einer Absaugeinrichtung aus dem Ofenraum abgesaugt und für die rekuperative Erwärmung des Sauerstoffes eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Brennverhaltens mittels einer UV-Messeinrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximaler Leistung des Rekuperatorbrenners der Druckabfall auf der Abgasseite maximal 20 mbar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsenergie für die Absaugeinrichtung eine Druckdifferenz genutzt wird, die sich zwischen einem Sauerstoffreservoir für den zu erwärmenden Sauerstoff und dem Rekuperatorbrenner ausbildet.