DE102018008522A1

DE102018008522A1 - Regenerativer Brenner, Industrieofen und Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Gegenstandes

Info

Publication number: DE102018008522A1
Application number: DE102018008522.9A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Taniguchi; Takeshi Tokunaga
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-05-16
Also published as: JP2019086202A; JP7029277B2; CN109751599A; US11920786B2; US20190137099A1

Abstract

Ein Regenerativbrenner, umfassend: eine Brennkammer; eine Wärmeaustauschkammer und einen Verbindungsdurchgang zwischen der Brennkammer und der Wärmeaustauschkammer,wobei die Brennkammer eine Mündung einer Brennstoffdüse und eine Flammenausstoßöffnung umfasst und die Brennkammer so ausgebildet ist, dass aus der Brennstoffdüse in die Brennkammer eingebrachter Brennstoff unter Nutzung der über den Verbindungsdurchgang in die Brennkammer eingebachten Verbrennungsluft unter Ausstoß einer Flamme aus der Flammenausstoßöffnung in der Brennkammer verbrannt werden kann;wobei die Brennstoffdüse so ausgebildet ist, dass eine Gesamtmenge an in dem Regenerativbrenner verbranntem Brennstoff in die Brennkammer eingebracht wird; undwobei die Wärmeaustauschkammer umfasst: eine Luftöffnung und einen Wärmespeicher, der zwischen dem Verbindungsdurchgang und der Luftöffnung angeordnet ist, und die Wärmeaustauschkammer so ausgebildet ist, dass aus der Luftöffnung in die Wärmeaustauschkammer eingebrachte Verbrennungsluft einen mit dem Wärmespeicher gefüllten Raum durchqueren kann und dann durch den Verbindungsdurchgang in die Brennkammer eingebracht wird, und so, dass ein durch den Verbindungsdurchgang in die Wärmeaustauschkammer eingebrachtes Abgas den mit dem Wärmespeicher gefüllten Raum durchqueren kann und dann aus der Luftöffnung freigesetzt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen regenerativen Brenner (Regenerativbrenner). Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf einen Industrieofen, der einen Regenerativbrenner umfasst. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Gegenstandes unter Anwendung des Regenerativbrenners.
HINTERGRUNDTECHNIK
Ein Regenerativbrenner ist konventionell als ein Verbrennungsapparat zur Verwendung in einem Heizofen, einem Verbrennungsofen oder dergleichen bekannt. Funktionen eines Regenerativbrenners sind die Verbrennung von Kraftstoff sowie die Rückgewinnung von Wärme eines Verbrennungsabgases durch einen darin installierten Wärmespeicher. Der Regenerativbrenner wiederholt abwechselnd Verbrennung und Entlüftung, ermöglicht die Rückgewinnung von Abwärme durch den Brenner selbst und eine hocheffiziente Verbrennung. Daher wird der Regenerativbrenner in den verschiedensten Industrieöfen eingesetzt und verbreitet sich, da der Regenerativbrenner die Kraftstoffverbrennung des Verbrennungsapparates verringert und zur Energieeinsparung beiträgt.
Ein herkömmlicher Regenerativbrenner beinhaltet ein Verfahren, bei dem vorerhitzte Verbrennungsluft mit erhöhter Temperatur und ein Brenngas separat eingeblasen, diese außerhalb eines Brennersteins gemischt werden und eine langsame Verbrennung erfolgt, um so thermisches NOx zu reduzieren. Daher weist der herkömmliche Regenerativbrenner, wie in 2 der vorliegenden Anmeldung gezeigt, einen Aufbau auf, bei dem die Gesamtmenge an Kraftstoff mit Verbrennungsluft gemischt und außerhalb eines Brennersteins 215 verbrannt wird, da die Mündung einer Brennstoffdüse 212 und das vordere Ende eines Luftloches 218 am vorderen Ende eines Brenners 200 an der Ofeninnenseite vorgesehen sind (z. B. japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer H08-121712 A). Wie ferner in 3 der vorliegenden Anmeldung gezeigt, gibt es ebenso einen Regenerativbrenner 300, bei dem zwei Düsen, eine Hauptdüse 312a und eine Nebendüse 312b, als Kraftstoffdüsen vorgesehen sind und ein Teil des Kraftstoffs in einem Brennerstein 315 verbrannt wird (z. B. japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer H06-159613 A und japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2006-308249 A ).
ZITATENLISTE
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer H08-121712 A
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer H06-159613 A
Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2006-308249 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Da der herkömmliche Regenerativbrenner den oben beschriebenen Aufbau hat, verläuft bei dem herkömmlichen Regenerativbrenner die Flamme nicht gerade, sondern breitet sich beim Brennen nach oben, unten, rechts und links aus. Daher ist bei dem herkömmlichen Regenerativbrenner ein In-Furnace-Rühreffekt durch die Flamme geringer, so dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Ofen schwierig ist. Beispielsweise verursacht der herkömmliche Regenerativbrenner Defekte wie Schmelzdefekte, die in Werkstücken nahe der Flamme erzeugt werden, und einen überbrannten Zustand eines Teils der Werkstücke aufgrund der Konzentration eines Heizwertes in einem bestimmten Abschnitt in dem Ofen.
Bei dem Regenerativbrenner des in 2 gezeigten Typs ist eine metallische Kraftstoffdüse so installiert, dass sie in einen mit einem Wärmespeicher gefüllten Raum eindringt. Daher oxidiert die Kraftstoffdüse unter Entwicklung von Rost auf der Oberfläche, wenn sie circa ein Jahr lang genutzt wird. Der Rost löst sich, und der Rost wird in der Verbrennungsluft mitgeführt und in dem Ofen verstreut. Auf diese Weise erzeugt dieser Typ von Regenerativbrenner häufig derartige Defekte, dass ein gebrannter Gegenstand ausgebleichte Flecken auf der Oberfläche hat.
Die vorliegende Erfindung entstand im Hinblick auf die obigen Umstände. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Regenerativbrenners, bei dem die Flamme extrem gerade verläuft. Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Industrieofens, der einen solchen Regenerativbrenner umfasst. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines gebrannten Gegenstandes unter Nutzung eines solchen Regenerativbrenners.
Lösung für das Problem
Im Ergebnis umfassender Studien zur Lösung der obigen Probleme haben die betreffenden Erfinder festgestellt, dass die konventionelle Forschung und Entwicklung bezüglich des Regenerativbrenners zu sehr auf die Reduktion von thermischem NOx konzentriert ist. Mit anderen Worten, die betreffenden Erfinder haben festgestellt, dass die konventionelle Forschung und Entwicklung bezüglich des Regenerativbrenners einen negativen Aspekt der Gegenmaßnahme bezüglich thermischem NOx vernachlässigte, das heißt, das Problem der Verringerung der Produktausbeute. Daher haben die betreffenden Erfinder vom Standpunkt der Konzentration auf die Verbesserung der Ausbeute ihre Denkweise verändert und einen neuen Aufbau für den Regenerativbrenner besprochen, und im Ergebnis haben die betreffenden Erfinder festgestellt, dass das Einblasen der Gesamtmenge an Kraftstoff in einen Brennerstein, das Ausbrennen des Kraftstoffs in dem Brennerstein und das Ausstoßen einer Hochgeschwindigkeitsflamme aus einer Düse effektiv ist.
Die vorliegende Erfindung entstand basierend auf den obigen Erkenntnissen. In einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Regenerativbrenner, umfassend: eine Brennkammer; eine Wärmeaustauschkammer und einen Verbindungsdurchgang zwischen der Brennkammer und der Wärmeaustauschkammer,
wobei die Brennkammer eine Mündung einer Brennstoffdüse und eine Flammenausstoßöffnung umfasst und die Brennkammer so ausgebildet ist, dass aus der Brennstoffdüse in die Brennkammer eingebrachter Brennstoff unter Nutzung der über den Verbindungsdurchgang in die Brennkammer eingebachten Verbrennungsluft unter Ausstoß einer Flamme aus der Flammenausstoßöffnung in der Brennkammer verbrannt werden kann;
wobei die Brennstoffdüse so ausgebildet ist, dass eine Gesamtmenge an in dem Regenerativbrenner verbranntem Brennstoff in die Brennkammer eingebracht wird; und
wobei die Wärmeaustauschkammer umfasst: eine Luftöffnung und einen Wärmespeicher, der zwischen dem Verbindungsdurchgang und der Luftöffnung angeordnet ist, und die Wärmeaustauschkammer so ausgebildet ist, dass aus der Luftöffnung in die Wärmeaustauschkammer eingebrachte Verbrennungsluft einen mit dem Wärmespeicher gefüllten Raum durchqueren kann und dann durch den Verbindungsdurchgang in die Brennkammer eingebracht wird, und so, dass ein durch den Verbindungsdurchgang in die Wärmeaustauschkammer eingebrachtes Abgas den mit dem Wärmespeicher gefüllten Raum durchqueren kann und dann aus der Luftöffnung freigesetzt wird.
In einer anderen Ausführungsform des Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Mündung der Brennstoffdüse an einer Stelle gegenüber der Flammenausstoßöffnung angeordnet.
In noch einer anderen Ausführungsform des Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Regenerativbrenner so ausgebildet ist, dass ein Abgas aus mindestens einem anderen Regenerativbrenner als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft durch die Luftöffnung eingebracht werden kann.
In noch einer anderen Ausführungsform des Regenerativbrenners gemäß der Erfindung steht die Luftöffnung in Verbindung mit einem Verbrennungsluftgebläse zum Einspeisen der Verbrennungsluft, und ein Einlass des Verbrennungsluftgebläses steht in Verbindung mit einem Auslass eines Entlüfter zum Freisetzen des Abgases aus dem mindestens einen anderen Regenerativbrenner.
In einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Industrieofen, der mehrere Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
In einer Ausführungsform des Industrieofens gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens einer der mehreren Regenerativbrenner den Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung; und
jeder Regenerativbrenner ist so ausgebildet, dass ein Abgas aus mindestens einem anderen Regenerativbrenner als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft durch die Luftöffnung eingebracht werden kann.
In einer anderen Ausführungsform des Industrieofens gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Industrieofen ein industrieller Durchlaufofen, umfassend in dieser Reihenfolge: einen Einlass, eine Entbinderungszone, eine Brennzone, eine Kühlzone und einen Auslass, und ist er so ausgebildet, dass er mindestens einen keramischen Formgegenstand, der ein organisches Bindemittel enthält, brennt, während dieser vom Einlass zum Auslass transportiert wird;
sind mehrere Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung in der Brennzone angeordnet; und
umfasst der Industrieofen mindestens eine Rücklaufleitung, die ein In-Furnace-Gas in der Brennzone in die Entbinderungszone einspeisen kann.
In einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines gebrannten Gegenstandes unter Nutzung des Industrieofens gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren umfasst: Entfernen eines Bindemittels aus mindestens einem keramischen Formgegenstand, der ein organisches Bindemittel enthält, in der Entbinderungszone; Brennen des keramischen Formgegenstandes, nachdem das organische Bindemittel entfernt worden ist, in der Brennzone und Abkühlen des gebrannten keramischen Formgegenstandes in der Kühlzone.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die Nutzung des Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt dafür, dass die Flamme geradliniger ist. Die geradlinigere Flamme wird mit einer hohen Geschwindigkeit in den Ofen ausgestoßen, so dass der In-Furnace-Rühreffekt stärker ist, was zum Ausgleich der Temperaturverteilung im Ofen beiträgt. Dies kann ungeachtet der Ladestellen im Ofen zu einem industriell sehr vorteilhaften Effekt der Stabilisierung der Produktqualität und zu einer Verbesserung der Produktausbeute führen.
Ferner kann in einer bevorzugten Ausführungsform des Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung auch ein Effekt der Unterdrückung von thermischem NOx bei Verbesserung der Produktausbeute erzielt werden. Das heißt, gemäß der Ausführungsform kann bei niedrigeren Kosten sowohl die Produktionseffizienz des gebrannten Produktes verbessert als auch die Umweltbelastung verringert werden.
Figurenliste

1 zeigt ein Konstruktionsbeispiel eines Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Konstruktionsbeispiel eines herkömmlichen Regenerativbrenners.
3 zeigt ein anderes Konstruktionsbeispiel eines herkömmlichen Regenerativbrenners.
4 ist ein Konstruktionsbeispiel eines Industrieofens, der einen Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
5 zeigt eine Konstruktion eines Kanalofen-Industrieofens gemäß einer ersten Ausführungsform.
6 zeigt eine Konstruktion eines Kanalofen-Industrieofens gemäß Vergleichsbeispiel 1.
7 zeigt eine Konstruktion eines Kanalofen-Industrieofens gemäß Vergleichsbeispiel 2.
8 zeigt ein Gestaltungsbeispiel eines industriellen Durchlaufofens, der in dieser Reihenfolge mit einem Einlass; einer Entbinderungszone; eine Brennzone; einer Kühlzone und einem Auslass versehen ist und der zum Brennen keramischer Formgegenstände, die jeweils ein organisches Bindemittel enthalten, vorgesehen ist, während dieser vom Einlass zum Auslass befördert wird.
9 zeigt eine Temperaturverteilung in einem Ofen beim Betrieb des Industrieofens von Beispiel 1.
10 zeigt eine Temperaturverteilung in einem Ofen beim Betrieb des Industrieofens von Vergleichsbeispiel 1.
11 zeigt eine Temperaturverteilung in einem Ofen beim Betrieb des Industrieofens von Vergleichsbeispiel 2.
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration in der in einen Regenerativbrenner eingebrachten Verbrennungsluft und der NOx-Konzentration in einem Abgas zeigt.
13 ist ein Diagramm, das den Effekt der Reduktion von NOx in einem Abgas zeigt, wenn das Abgas aus einem Regenerativbrenner in eine Entbinderungszone eingeblasen wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Konfiguration des Regenerativbrenners>
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. 1 zeigt ein Konstruktionsbeispiel eines Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Regenerativbrenner 100 umfasst: eine Brennkammer 110; eine Wärmeaustauschkammer 120 und einen Verbindungsdurchgang 130 zwischen der Brennkammer 110 und der Wärmeaustauschkammer 120. Die Innenwand der Brennkammer 110 kann aus einem Brennerstein 115 gebildet werden.
In der Brennkammer 110 sind die Mündung einer Brennstoffdüse 112 und eine Flammenausstoßöffnung 114 installiert. Die Brennkammer 110 ist so ausgebildet, dass ein aus der Brennstoffdüse 112 in die Brennkammer 110 eingebrachter Brennstoff unter Nutzung der durch den Verbindungsdurchgang 130 in die Brennkammer 110 eingebrachten Verbrennungsluft unter Ausstoß einer Flamme aus der Flammenausstoßöffnung 114 in der Brennkammer 110 gebrannt werden kann. Mehrere Brennstoffdüsen 112 oder eine einzelne Brennstoffdüse 12 können in dem Regenerativbrenner 100 installiert sein, für gewöhnlich ist aber in Bezug auf die Kosten eine einzelne Brennstoffdüse 12 installiert. Die Brennstoffdüse 112 ist so ausgebildet, dass die Gesamtmenge an in dem Regenerativbrenner 100 zu verbrennendem Brennstoff in die Brennkammer 110 eingebracht wird, wodurch die in der Brennkammer erzeugte Verbrennungsenergie und auch die Geschwindigkeit der aus der Flammenausstoßöffnung 114 ausgestoßenen Flamme erhöht werden können. Beispielsweise kann die Flammengeschwindigkeit 60 m/s oder mehr an der Flammenausstoßöffnung 114 betragen, oder kann 80 m/s oder mehr und beispielsweise 60 bis 120 m/s und üblicherweise 80 bis 100 m/s betragen. In der vorliegenden Erfindung wird die Flammengeschwindigkeit an der Ausstoßöffnung mit der folgenden Gleichung berechnet: Flammengeschwindigkeit an der Ausstoßöffnung (m/s) = (Menge an Verbrennungsluft Nm³/s + Menge an Brennstoff Nm³/s) × ((In-Furnace-Temperatur K + 273) / 273) / Ausstoßöffnungsfläche m². Da der herkömmliche Regenerativbrenner den Brennstoff außerhalb der Ausstoßöffnung verbrennt, wird die Menge an Brennstoff null, und die Flammengeschwindigkeit an der Ausstoßöffnung wird tendenziell verringert. Ferner wird sich gemäß den Untersuchungsergebnissen der betreffenden Erfinder die Flammengeschwindigkeit der sehr geradlinigen Flamme selbst an einer von der Ausstoßöffnung des Brenners entfernten Stelle wahrscheinlich nicht verringern. Selbst wenn die Menge an Verbrennungsluft des herkömmlichen Regenerativbrenners so erhöht wird, dass sie im Wesentlichen dieselbe Flammengeschwindigkeit an der Ausstoßöffnung hat wie die des Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung, produziert daher letzterer, der eine sehr geradlinige Flamme erzeugt, einen stärkeren In-Furnace-Rühreffekt, was weiter zum Ausgleich der Temperaturverteilung in dem Ofen beiträgt.
Vorzugsweise ist die Brennstoffdüse 112 so installiert, dass sie so in die Innenwand der Brennkammer 110 eingebettet ist, dass sie nicht aus der Innenwand herausragt, um so eine Oxidation der Brennstoffdüse 112 zu verhindern. Ebenso ist vorzugsweise die Mündung der Brennstoffdüse 112 an einer Stelle gegenüber der Flammenausstoßöffnung durch die Brennkammer 110 (in der Ausführungsform von 1 an der innersten Wand 116 der Brennkammer 110) installiert, um so die Flammengeschwindigkeit zu erhöhen. Vorzugsweise ist eine Öffnung 131 des Verbindungsdurchgangs 130 auf der Seite der Brennkammer 110 an einer der Brennstoffdüse 112 möglichst naheliegenden Stelle installiert, um so die Flammengeschwindigkeit zu erhöhen.
Die Wärmeaustauschkammer 120 umfasst eine Luftöffnung 122 und einen Wärmespeicher 123, der zwischen dem Verbindungsdurchgang 130 und der Luftöffnung 122 angeordnet ist. Die Wärmeaustauschkammer 120 ist so ausgebildet, dass die aus der Luftöffnung 122 in die Wärmeaustauschkammer 120 eingebrachte Verbrennungsluft einen mit dem Wärmespeicher 123 gefüllten Raum durchqueren und dann über den Verbindungsdurchgang 130 in die Brennkammer 110 eingebracht werden kann. Die Wärmeaustauschkammer 120 ist so ausgebildet, dass das über den Verbindungsdurchgang 130 in die Wärmeaustauschkammer 120 eingebrachte Abgas den mit dem Wärmespeicher 123 gefüllten Raum durchqueren und dann aus der Luftöffnung 122 freigesetzt werden kann. Um zu verhindern, dass der Wärmespeicher 123 in die Luftöffnung 122 gelangt, sind die Luftöffnung 122 und der Wärmespeicher 123 vorzugsweise durch einen atmungsaktiven Separator 125 getrennt. Beispiele für den Separator 125, der verwendet werden kann, umfassen eine gitterartige Konstruktion und eine Stanzplatte, die aus Metall gefertigt sind (z. B. SUS). Um den Austausch des Wärmespeichers 123 zu erleichtern, kann die Wärmeaustauschkammer 120 mit einem Einlass/Auslass 129 für den Wärmespeicher 123 versehen sein.
Der Wärmespeicher 123 ist nicht besonders eingeschränkt, er kann in Form von Keramik- oder Metallkugeln, einer Wabe oder eines Gewebes vorgesehen sein. Vorzugsweise kann eine Keramikwabe mit guter Wärmebeständigkeit, die verringerten Druckabfall zeigt, verwendet werden, und ein optimales Material kann unter Berücksichtigung von Korrosionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit aus SiC-basierten Materialien, Cordierit, Mullit, Aluminiumtitanat und dergleichen ausgewählt werden.
Die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas aus dem Regenerativbrenner wird niedriger als die Sauerstoffkonzentration in der Luft vor der Verbrennung. Die Verwendung des Abgases mit verringerter Sauerstoffkonzentration als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft ermöglicht eine effektive Reduktion des thermischen NOx. Daher ist der Regenerativbrenner 100 gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise so ausgebildet, dass das Abgas aus mindestens einem anderen Regenerativbrenner als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft über die Luftöffnung 122 eingebracht werden kann. Die Sauerstoffkonzentration in der in den Regenerativbrenner eingebrachten Verbrennungsluft beträgt hinsichtlich der effektiven Reduktion des thermischen NOx vorzugsweise 19 Vol.-% oder weniger und stärker bevorzugt 17 Vol.-% oder weniger. Ist die Sauerstoffkonzentration in der in den Regenerativbrenner eingebrachten Verbrennungsluft zu niedrig, bewirkt dies eine unvollständige Verbrennung, die häufiger schwarzen Rauch erzeugt. Daher beträgt die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft vorzugsweise 14,5 Vol.-% oder mehr und stärker bevorzugt 15,5 Vol.-% oder mehr.
In einer Ausführungsform kann die Luftöffnung 122 in Verbindung stehen mit einem Verbrennungsluftgebläse zum Einspeisen von Verbrennungsluft, und ein Einlass des Verbrennungsluftgebläses kann in Verbindung stehen mit einem Auslass eines Entlüfters zum Freisetzen eines Abgases aus mindestens einem anderen Regenerativbrenner. Der „andere Regenerativbrenner“ kann der Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung oder ein anderer Regenerativbrenner als der der vorliegenden Erfindung sein, vorzugsweise ist er aber der Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher wird es die Verwendung des Abgases aus dem anderen Regenerativbrenner als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft ermöglichen, dass die Sauerstoffkonzentration in der in den Regenerativbrenner eingebrachten Verbrennungsluft verringert werden kann.
<Industrieofen>
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht einen Industrieofen vor, der den Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Art des Industrieofens ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise kann der Industrieofen ein Durchlaufofen wie ein Kanalofen, ein Rollenherdofen und ein Stoßofen sein oder kann ein Einkammerofen (Stapelofen) wie ein Kammerofen, ein Kapselbrennofen, ein Glockenofen und ein Hebetrockenofen sein. Ferner kann der Industrieofen, was die atmosphärischen Bedingungen betrifft, ein atmosphärischer Brennofen oder ein Reduktionsbrennofen sein. Der Reduktionsbrennofen ist ein Brennofen, in dem die Verbrennung derart erfolgt, dass ein Wert m (Verhältnis der tatsächlichen Menge an Verbrennungsluft zur theoretischen Luftmenge) kleiner ist als 1,0.
4 veranschaulicht ein Gestaltungsbeispiel eines Industrieofens 400, der mehrere Regenerativbrenner 100a, 100b umfasst. Mindestens einer der mehreren Regenerativbrenner 100a, 100b ist der oben beschriebene Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung, und vorzugsweise sind alle Regenerativbrenner Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dem Industrieofen 400 ist jeder Regenerativbrenner 100a, 100b so ausgebildet, dass das Abgas aus dem mindestens einen anderen Regenerativbrenner (üblicherweise ein anderer Regenerativbrenner) über jede Luftöffnung 122 als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft eingebracht werden kann.
Bei dem in 4 gezeigten Industrieofen 400 befindet sich ein Regenerativbrenner 100a im Verbrennungsmodus. Ein Ventil 124a, das in der Mitte einer Brennstoffleitung 168a installiert ist, die an den Regenerativbrenner 100a angeschlossen ist, wird geöffnet, und der Brennstoff wird über die Brennstoffleitung 168a in den Regenerativbrenner 100a gespeist. Ebenso befindet sich der andere Regenerativbrenner 100b im Wärmespeichermodus. Da ein Ventil 124b, das in der Mitte einer Brennstoffleitung 168b installiert ist, die an den Regenerativbrenner 100b angeschlossen ist, geöffnet wird, wird die Brennstoffzufuhr unterbrochen.
Das Abgas nach der Verbrennung, das in dem Ofenkörper 410 verbleibt, wird durch die Saugkraft des Entlüfters 144 in die Flammenausstoßöffnung 114 des Regenerativbrenners 100b gesaugt, der sich im Wärmespeichermodus befindet. Anschließend durchquert das Abgas die Wärmeaustauschkammer 120 und erwärmt den Wärmespeicher 123 und wird dann aus der Luftöffnung 122 freigesetzt. Das freigesetzte Abgas durchquert eine Abgasleitung 142 und wird aus dem Auslass des Entlüfters 144 freigesetzt. Sie ist so ausgebildet, dass ein Teil des aus dem Auslass des Entlüfters 144 freigesetzten Abgases eine Ringleitung 150 durchquert und in ein Verbrennungsluftgebläse 154 strömt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Ringleitung 150 an eine Luftleitung 152 auf der dem Verbrennungsluftgebläse 154 vorgelagerten Seite angeschlossen, so dass sich das aus dem Entlüfter 144 freigesetzte Abgas mit der durch die Luftleitung 152 strömenden Luft vereinigen und in das Verbrennungsluftgebläse 154 strömen kann.
Aus dem Auslass des Verbrennungsluftgebläses 154 wird ein Abgas oder ein gemischtes Gas aus dem Abgas und Luft freigesetzt. Da die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas niedriger ist als in der Luft, wird die Sauerstoffkonzentration des aus dem Auslass des Verbrennungsluftgebläses 154 freigesetzten Abgases niedriger sein als die normale Sauerstoffkonzentration von etwa 21 Vol.-% in der Luft. Die Einstellung des Öffnungsgrades des Ventils 126, das in der Mitte der Ringleitung 150 installiert ist, ermöglicht die Kontrolle des Mischungsverhältnisses des Abgases mit der Luft. Auch wenn das Mischungsverhältnis entsprechend eingestellt werden kann, kann das Mischungsverhältnis vorzugsweise so gewählt werden, dass die Sauerstoffkonzentration in dem gemischten Gas die oben erörterten Bedingungen erfüllt. Das aus dem Auslass des Verbrennungsluftgebläses 154 freigesetzte Gas durchquert eine Luftleitung 158 und wird als Verbrennungsluft über die Luftöffnung 122 in den Regenerativbrenner 100a gespeist, der sich im Verbrennungsmodus befindet.
Zwischen dem Regenerativbrenner im Verbrennungsmodus und dem Regenerativbrenner im Wärmespeichermodus wird in einem vorbestimmten Zeitzyklus umgeschaltet. Durch das Umschalten wird der Regenerativbrenner 100a im Verbrennungsmodus in den Wärmespeichermodus wechseln, und der Regenerativbrenner 100b im Wärmespeichermodus wird in den Verbrennungsmodus wechseln. Das Umschalten kann erfolgen, indem die Öffnen/Schließen-Zustände der Brennstoffventile 124a, 124b, Abschaltventile 128a, 128b für Abgas und der Abschaltventile 127a, 127b für Verbrennungsluft umgekehrt werden. Für die Abschaltventile 128a, 128b für Abgas und die Abschaltventile 127a, 127b für Verbrennungsluft können die Wege für das Abgas und die Verbrennungsluft unter Verwendung von Dreiwegeventilen umgeschaltet werden. Als die Ventile können elektrisch betriebene Ventile wie Magnetventile verwendet werden. Durch Wiederholen des Zyklus erfolgt die abwechselnde Verbrennung. Üblicherweise erfolgt die abwechselnde Verbrennung mit einem Paar von zwei Regenerativbrennern in einem Zyklus von mehreren zehn Sekunden.
<Verfahren zum Erwärmen eines Werkstückes>
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zur Erwärmung mindestens eines Werkstückes unter Anwendung des Industrieofens gemäß der vorliegenden Erfindung vor. Das Werkstück ist ein wärmebehandelter Gegenstand, umfassend, aber nicht beschränkt auf elektronische Teile wie Ferrit und Keramikkondensatoren; Halbleiterprodukte; Keramikprodukte; Steingut; Oxid-basierte Schamotte; Glasprodukte; Metallprodukte und Kohlenstoff-basierte Schamotte wie Aluminiumoxid-Graphit und Magnesiumoxid-Graphit. Ferner umfasst das Werkstück Ofenwerkzeuge. Der Industrieofen gemäß der vorliegenden Erfindung kann beim Erwärmen des/der Werkstück(e) bei 1.000 °C oder höher und üblicherweise 1.200 °C oder höher und noch üblicher 1.400 °C oder höher, beispielsweise 1.000 bis 2.000 °C, verwendet werden. Es sei angemerkt, dass der Begriff „Erwärmen“ „Brennen“ umfasst. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Ofen bei einer erhöhten Temperatur, wie einem Brennofen, kann zu einem besseren Energieeinspareffekt durch den Regenerativbrenner führen.
5 veranschaulicht die Konstruktion eines Kanalofen-Industrieofens 500, der mit mehreren Regenerativbrennern versehen ist. Der Industrieofen 500 ist so ausgebildet, dass sich Fahrgestelle 520, die jeweils ein Regal 514 tragen, die mit einer Vielzahl erhitzter Produkte 512 beladen sind, in einem Ofenkörper 510 bezogen auf die Seite, auf der 5 gezeigt ist, vor und zurück bewegen. Die erhitzten Produkte 512 werden wärmebehandelt, während sich die Fahrgestelles 520 in dem Ofenkörper 510 bewegen. An der rechten und der linken Innenwand des Ofenkörpers 510 sind ein Reihe von Regenerativbrennern 501, 502, 503, 504 installiert. Die Anzahl an Regenerativbrennern ist nicht besonders eingeschränkt, und sie kann nach Bedarf entsprechend der Größe und der Länge des Ofenkörpers 510 festgelegt werden. Da die abwechselnde Verbrennung in der Regel mit einem Paar von zwei Regenerativbrennern durchgeführt wird, kann die Anzahl der Regenerativbrenner vorzugsweise eine gerade Zahl sein. Auch können/kann teilweise (ein) andere(r) Regenerativbrenner als der Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Wenn auch nicht gezeigt, ist die erforderliche Anzahl gleicher Reihen von Regenerativbrennern vorne und hinten bezogen auf die Seite installiert.
Die erhitzten Produkte 512 werden zwischen einem oberen Brett 516, das die oberste Fläche des Regals 514 bildet, und einem unteren Brett 518, das die unterste Fläche des Regals 514 bildet, aufgeladen. Im oberen Abschnitt über dem oberen Brett 516 und im unteren Abschnitt unter dem unteren Brett 518 ist Raum vorgesehen, der Hochgeschwindigkeitsflammen aus den jeweiligen Regenerativbrennern 501, 502, 503, 504 ausgesetzt ist. Zwei rechte und zwei linke Regenerativbrenner wiederholen abwechselnd einen Verbrennungsmodus und einen Entlüftungsmodus. In 5 befinden sich zwei Regenerativbrenner 501, 504 im Verbrennungsmodus, und die anderen beiden Regenerativbrenner 502, 503 befinden sich im Wärmespeichermodus. Bei der Nutzung des Regenerativbrenners gemäß der vorliegenden Erfindung wird sich die Flamme wahrscheinlich nicht in alle Richtungen ausbreiten, weil die Flamme sehr geradlinig ist. Da ferner die Flamme mit einer hohen Geschwindigkeit ausgestoßen wird, ist der Rühreffekt des Gases in dem Ofen stärker, und die Temperaturverteilung im Ofen wird leicht ausgeglichen. Im Ergebnis können Probleme wie ein Schmelzdefekt in den Werkstücken nahe der Flamme und ein überbrannter Zustand eines Teils der Werkstücke aufgrund des konzentrierten Heizwertes in einem bestimmten Abschnitt in dem Ofen (speziell im zentralen Abschnitt in der Ofenbreitenrichtung) verhindert werden.
In einer Ausführungsform kann der Industrieofen ein industrieller Durchlaufofen sein, der, in dieser Reihenfolge, einen Einlass, eine Entbinderungszone, eine Brennzone, eine Kühlzone und einen Auslass umfasst, und mit dem keramische Formgegenstände, die alle ein organisches Bindemittel enthalten, während sie vom Einlass zum Auslass transportiert werden, gebrannt werden. In der Brennzone können mehrere Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung installiert sein und zum Brennen der keramischen Formgegenstände genutzt werden.
8 zeigt ein Gestaltungsbeispiel eines industriellen Durchlaufofens 800. Es wird beispielsweise ein keramischer Formgegenstand, der das organische Bindemittel enthält, auf das Regal auf einem Fahrgestell 810 geladen, dies gelangt durch einen Einlass 801 in den Ofen und fährt, bezogen auf die von 8 gezeigte Seite, weiter nach rechts. In einer Entbinderungszone 802 kann ein Schritt durchgeführt werden, in dem das organische Bindemittel aus dem keramischen Formgegenstand, der das organische Bindemittel enthält, entfernt wird. Der keramische Formgegenstand fährt dann weiter in eine Brennzone 804, wo ein Brennschritt unter Nutzung mehrerer Regenerativbrenner 100 durchgeführt wird. Der gebrannte keramische Formgegenstand fährt weiter in eine Kühlzone 806, wo er auf nahezu Raumtemperatur abgekühlt und aus einem Auslass 809 entfernt wird. Die Heiztemperaturen in der Entbinderungszone 802 und in der Brennzone 804 werden je nach Material des keramischen Formgegenstandes und der gewünschten Qualität entsprechend eingestellt. Hat der keramische Formgegenstand beispielsweise eine keramische Cordierit-Wabenstruktur und enthält Methylcellulose und/oder Polyvinylalkohol als das organische Bindemittel, erfolgt die Entfernung des Bindemittels bei etwa 200 °C und das Brennen bei 1.400 bis 1.500 °C.
Der industrielle Durchlaufofen 800 umfasst vorzugsweise Rücklaufleitungen 812, 814, durch die das In-Furnace-Gas in der Brennzone 804 in den Ofen in der Entbinderungszone gespeist werden kann. Dadurch wird die NOx-Konzentration des gesamten aus dem industriellen Durchlaufofen 800 freigesetzten Abgases gesenkt. Das heißt, die Rücklaufleitungen 812, 814 ermöglichen eine signifikante Reduktion der NOx-Konzentration in dem Abgas, das aus einem Schornstein 820 zum Sammeln verschiedenster Abgase aus dem industriellen Durchlaufofen 800 und zum Freisetzen dieser freigesetzt wurde.
Da ein organisches Bindemittelgas, das in der Entbinderungszone 802 erzeugt wurde, auf der Oberfläche des keramischen Formgegenstandes verbrennt, erhöht sich die Temperatur des Außenumfangsabschnitts des keramischen Formgegenstandes, die Innentemperatur bleibt jedoch vergleichsweise niedrig, da jeder keramische Formgegenstand über eine gute Wärmedämmeigenschaft verfügt. Da die Innentemperatur stufenweise ansteigt, schreitet die Verbrennung des organischen Bindemittelgases in dem keramischen Formgegenstand fort, bis eine hohe Temperatur erreicht ist, die Temperatur des Außenumfangsabschnitts des keramischen Formgegenstands steigt jedoch kaum, da jeder keramische Formgegenstand über eine gute Wärmedämmeigenschaft verfügt. Aus diesen Gründen wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem inneren Abschnitt und dem Außenumfangsabschnitt im Entbinderungsschritt erzeugt, wodurch Risse aufgrund thermischer Beanspruchung erzeugt werden können.
Daher kann das Speisen des In-Furnace-Gases in der Brennzone 804 in den Ofen in der Entbinderungszone 802 dafür sorgen, dass die Erzeugung von Rissen in dem keramischen Formgegenstand im Entbinderungsschritt verhindert wird. Andererseits kann die Sauerstoffkonzentration des In-Furnace-Gases in der Brennzone 804 10 Vol.-% oder weniger, beispielsweise etwa 3 bis 7 Vol.-% betragen, auch wenn die Sauerstoffkonzentration je nach Bedingungen variiert. Daher wird, da die Sauerstoffkonzentration in der Entbinderungszone 802 durch das Einspeisen des In-Furnace-Gases in die Entbinderungszone 802 im Ofen verringert wird, die Verbrennung des organischen Bindemittels unterbunden, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen dem inneren Abschnitt und dem Umfangsabschnitt des keramischen Formgegenstandes verringert und die Erzeugung von Rissen unterbunden wird.
Demnach kann der industrielle Durchlaufofen 800 die Rücklaufleitung 814 zum Einblasen des In-Furnace-Gases in der Brennzone 804, das aus der Luftöffnung des Regenerativbrenners 100 freigesetzt wurde, in den Ofen in der Entbinderungszone 802 umfassen. Das in den Ofen in der Entbinderungszone 802 eingeblasene Gas kann als die Verbrennungsluft für den Brenner 829 in der Entbinderungszone 802 verwendet werden oder kann direkt in den Ofen eingeblasen werden, ohne dass es als die Verbrennungsluft für den Brenner 829 verwendet wird. In der Mitte der Rücklaufleitung 814 sind ein regenerativer Entlüfter 821 auf der der Brennzone 804 naheliegenden Seite und ein Entbinderungszonen-Nachbrennluftabzug 822 auf der der Entbinderungszone 802 naheliegenden Seite installiert, welche die in die Entbinderungszone 802 gespeiste Menge an Gas steuern können. Ferner kann der industrielle Durchlaufofen 800 eine Abgasleitung 813 umfassen, die das In-Furnace-Gas, das den regenerativen Entlüfter 821 verlassen hat, aus der Brennzone 804 abzweigt und es zum Schornstein 820 leitet.
Kühlluft wird mit Hilfe eines Kühlluftgebläses 832 über eine Kühlluftleitung 831 in die Kühlzone 806 eingeblasen. Die Kühlluft kann Umgebungsluft sein. Auch kann teilweise das In-Furnace-Gas aus der Kühlzone 806 verwendet werden. Der industrielle Durchlaufofen 800 kann die Rücklaufleitung 812 zum Extrahieren des In-Furnace-Gases in der Kühlzone 806 und Einblasen desselben in den Ofen in der Entbinderungszone 802 umfassen. In der Mitte der Rücklaufleitung 812 sind ein Kühlzonen-Entlüfter 823 und ein Entbinderungszonen-Verbrennungsluftgebläse 824 installiert, welche die in die Entbinderungszone 802 gespeiste Menge an Gas steuern können. Aus Gründen der Energieeinsparung kann das In-Furnace-Gas in der Kühlzone 806 auch als die Verbrennungsluft für den Brenner 829 verwendet werden, der in der Entbinderungszone 802 installiert ist. Ferner kann der industrielle Durchlaufofen 800 eine Abgasleitung 815 umfassen, die das In-Furnace-Gas, das den Kühlzonen-Entlüfter 823 verlässt, aus der Kühlzone 806 abzweigt und zum Schornstein 820 leitet. Das Abgas aus der Entbinderungszone 802 kann mit einem Entbinderungs-Entlüfter 826 abgesaugt und über eine Abgasleitung 828 zum Schornstein 820 geleitet werden.
Bei dem industriellen Durchlaufofen 800 wird die Verbrennungsluft, die für die Regenerativbrenner 100 verwendet wird, die in der Brennzone 804 installiert sind, unter Nutzung der Blaskraft eines Verbrennungsluftgebläses 825 durch eine Luftleitung 819 gespeist. Die Verbrennungsluft, die verwendet werden kann, umfasst Umgebungsluft, das In-Furnace-Gas aus der Brennzone 804, das den regenerativen Entlüfter 821 verlassen hat, und das In-Furnace-Gas aus der Kühlzone 806, das den Kühlzonen-Entlüfter 823 verlassen hat, oder ein gemischtes Gas aus zwei oder mehr von diesen. Daher kann der industrielle Durchlaufofen 800 eine Ringleitung 817 zum Leiten des In-Furnace-Gases aus der Brennzone 804, das den regenerativen Entlüfter 821 verlassen hat, zur Luftleitung 819 umfassen. Ferner kann der industrielle Durchlaufofen 800 eine Leitung 811 zum Leiten des In-Furnace-Gases aus der Kühlzone 806, das den Kühlzonen-Entlüfter 823 verlassen hat, zum Verbrennungsluftgebläse 825 umfassen. Der Energieeinspareffekt kann unter Verwendung von heißer Luft, die aus der Kühlzone als die Verbrennungsluft freigesetzt wird, erzielt werden.
Ist die Temperatur des In-Furnace-Gases in der Brennzone 804 und/oder der Kühlzone 806 zu hoch, um es in die Entbinderungszone 802 zu speisen, kann nach Bedarf ein Wärmeabführer 816 in den Rücklaufleitungen 812, 814 vorgesehen sein. Beispiele für den Wärmeabführer 816, der verwendet werden kann, umfassen Wärmetauscher.
BEISPIELE
Nachstehend wird ein Beispiel zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile zusammen mit den Vergleichsbeispielen veranschaulicht, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Beispiel beschränkt.
<Beispiel 1>
Unter Verwendung eines Kanalofen-Brennofens mit der in 5 gezeigten Konstruktion und Anordnung der Regenerativbrenner wurden Cordierit-Wabenformgegenstände in der in 5 gezeigten Anordnung auf ein Regal geladen, und es wurde eine Brandprüfung durchgeführt. In diesem Fall erfolgte das Mischen des Abgases aus den Regenerativbrennem mit der Verbrennungsluft unter Nutzung der Ringleitung 817 (AGR: Abgasrückführung), das In-Furnace-Gas in der Brennzone 804, das aus den Luftöffnungen der Regenerativbrenner freigesetzt wurde, wurde jedoch nicht über die Rücklaufleitung 814 in die Entbinderungszone 802 eingeblasen. Bei allen genutzten Regenerativbrennern war jede Brennstoffdüse so ausgebildet, dass der Brennstoff nur in die Brennkammer eingebracht wurde, und sie waren Regenerativbrenner mit jeweils der in 1 gezeigten Konstruktion, die eine Hochgeschwindigkeitsflamme ausstoßen, die gerade verläuft, und die abwechselnde Verbrennung wurde abwechselnd unter Verwendung der rechten und linken Brenner durchgeführt. Temperaturmessungschips (REFERTHERMO) wurden ausgehend vom Boden des Regals, das in 5 mit der gepunkteten Linie umrandet ist, auf die erste Stufe geladen, und die Temperaturverteilungsmessung wurde unter den normalen Brennbedingungen einer Massenproduktion durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 9 gezeigt (Einheit: °C). Es ist erkennbar, dass die Differenz zwischen der Höchsttemperatur und der Mindesttemperatur nur 2 °C beträgt, und es wird eine sehr einheitliche Temperaturverteilung in der Ofenbreitenrichtung und der Ofenhöhenrichtung erzielt. Das liegt an der sehr geradlinigen Flamme.
<Vergleichsbeispiel 1>
Unter Anwendung eines Kanalofen-Brennofens mit der in 6 gezeigten Konstruktion und Anordnung der Regenerativbrenner wurden Cordierit-Wabenformgegenstände in der in 6 gezeigten Anordnung auf ein Regal geladen, und es wurde eine Brandprüfung durchgeführt. Die in 6 gezeigten Bezugsziffern kennzeichnen dieselben Komponenten wie jene in 5. In dem Brennofen von Vergleichsbeispiel 1 wurden jedoch die in 2 gezeigten langsam verbrennenden Regenerativbrenner als die Regenerativbrenner genutzt. Die anderen Ausgestaltungen waren dieselben wie jene in Beispiel 1. Der Brennofen von Vergleichsbeispiel 1 wurde zur Analyse der Ofentemperaturverteilung der Brennzone in demselben Verfahren wie jenem in Beispiel 1 der Erwärmungsprüfung unter denselben Betriebsbedingungen wie jenen in Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisse sind in 10 gezeigt. Es war zu beobachten, dass die Flamme zur Ausbreitung in alle Richtungen neigte und sich eine Region mit erhöhter Temperatur im zentralen Teil in der Ofenbreite konzentrierte, da die langsame Verbrennung außerhalb des Brennersteins erfolgte. Die Differenz zwischen der Höchsttemperatur und der Mindesttemperatur war auf 5 °C erhöht. In Vergleichsbeispiel 1 waren ebenfalls Schmelzdefekte bei den Produkten zu beobachten, da die Flamme aus den Spalten im Regal hervorschoss.
<Vergleichsbeispiel 2>
Unter Anwendung eines Kanalofen-Brennofens mit der in 7 gezeigten Konstruktion und Anordnung der Regenerativbrenner wurden Cordierit-Wabenformgegenstände in der in 7 gezeigten Anordnung auf ein Regal geladen, und es wurde eine Brandprüfung durchgeführt. Die in 7 gezeigten Bezugsziffern kennzeichnen dieselben Komponenten wie jene in 5. In dem Brennofen von Vergleichsbeispiel 2 wurden jedoch die in 2 gezeigten langsam verbrennenden Regenerativbrenner als die Regenerativbrenner genutzt. Ferner war in dem Brennofen von Vergleichsbeispiel 2 eine Flammenschutzplatte 531, eine sogenannte „Verbrauchsplatte“, unter dem ersten Regalbrett ausgehend vom Boden installiert, und ein Wärmedämmmaterial 532 wurde auf den zentralen Teil der Verbrauchsplatte gelegt, wo sich der Heizwert konzentrierte, damit Schmelzdefekte aufgrund des Flammenhervorschießens und Qualitätsschwankungen bei den gebrannten Gegenständen aufgrund einer schlechten Temperaturverteilung am zentralen Abschnitt in der Ofenbreitenrichtung verhindert werden konnten. Die anderen Ausgestaltungen waren dieselben wie jene in Vergleichsbeispiel 1. Der Brennofen von Vergleichsbeispiel 2 wurde zur Analyse der Ofentemperaturverteilung der Brennzone in demselben Verfahren wie jenem in Beispiel 1 der Erwärmungsprüfung unter denselben Betriebsbedingungen wie jenen in Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisse sind in 11 gezeigt. Auch wenn ein Teil mit einer hohen Temperatur zu beobachten war, sorgte die Installation der Verbrauchsplatte und des Wärmedämmmaterials für eine bessere Temperaturverteilung, die bei der Massenproduktion anwendbar war. In Vergleichsbeispiel 2 mussten jedoch Ofenwerkzeuge (Verbrauchsartikel) wie die Verbrauchsplatte und das Wärmedämmmaterial verwendet werden. Daher ist Beispiel 1 praktikabler als Vergleichsbeispiel 2.
<Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft und der NOx-Konzentration im Abgas>
In dem in Beispiel 1 genutzten Brennofen erfolgte ein Nachweis des Effekts der NOx-Reduktion durch AGR. Es wurde ein Paar von zwei Regenerativbrennern mit der in 4 gezeigten Ringleitungskonstruktion genutzt. In diesem Fall wurde die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft durch Steuerung der Menge des die Ringleitung durchquerenden Abgases verändert, und es war eine Veränderung der NOx-Konzentration in dem Abgas während der abwechselnden Verbrennung der Regenerativbrenner zu beobachten. Nachdem der Vorgang gestartet und die Ofentemperatur stabil geworden war, wurde die NOx-Konzentration in dem aus dem Schornstein freigesetzten Abgas gemessen. Die Ergebnisse sind in 12 gezeigt. Es war zu beobachten, dass die NOx-Konzentration, die 500 bis 550 Volumen-ppm betrug, für die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft von 21 Vol.-% sank, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft sank, und die NOx-Konzentration für die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft von 16 Vol.-% auf etwa 220 Vol.-ppm sank. In 12 steht jede NOx-Konzentration für einen Wert, der durch Umwandeln der Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft auf 15 Vol.-% erhalten wurde.
<Effekt der NOx-Reduktion durch Einblasen von Abgas in die Entbinderungszone>
In dem in Beispiel 1 genutzten Brennofen wurde eine Rücklaufrate (etwa 28 Vol.-% des Abgases) automatisch so gesteuert, dass ein Teil der Abgase aus den Regenerativbrennern unter Nutzung der Ringleitung mit der Verbrennungsluft gemischt wurde, um so die Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft bei etwa 16 Vol.-% zu steuern. Überdies wurden ungefähr 50 bis 70 Vol.-% der Abgase aus den Regenerativbrennern unter Nutzung der Rücklaufleitung 814 in die Entbinderungszone eingeblasen. Die NOx-Konzentrationen in den aus dem Schornstein freigesetzten Abgasen wurden basierend auf dem Einblasen oder Nicht-Einlasen in die Entbinderungszone verglichen. Die NOx-Konzentration wurde für jede Betriebsbedingung gemessen, nachdem der Betrieb gestartet und die Ofentemperatur stabil geworden war. Die Ergebnisse sind in 13 gezeigt. Wie aus 13 ersichtlich ist, sank die NOx-Konzentration um 10 % oder mehr, indem ein Teil der Abgase aus den Regenerativbrennern in die Entbinderungszone eingeblasen wurden.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Regenerativbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise effektiv in industriellen Bereichen genutzt werden, die Industrieöfen einsetzen, die mit einer hohen Temperatur über 1.000 °C betrieben werden, wie beispielsweise der Töpfereiindustrie, der Industrie zur Herstellung elektronischer Teile, der Keramik herstellenden Industrie, der Glas herstellenden Industrie, der Schamotte herstellenden Industrie und der Stahlindustrie.
Bezugszeichenliste

100 (100a, 100b): Regenerativbrenner
110: Brennkammer
112: Brennstoffdüse
114: Flammenausstoßöffnung
115: Brennerstein
116: innerste Wand
120: Wärmeaustauschkammer
122: Luftöffnung
123: Wärmespeicher
124a, 124b: Ventil
125: Separator
126: Ventil
127a, 127b: Sperrventil für Verbrennungsluft
128a, 128b: Sperrventil für Abgas
129: Einlass/Auslass
130: Verbindungsdurchgang
131: Öffnung auf der Seite der Brennkammer
132: Öffnung auf der Seite der Wärmeaustauschkammer
142: Abgasleitung
144: Entlüfter
150: Ringleitung
152: Luftleitung
154: Verbrennungsluftgebläse
158: Luftleitung
168a, 168b: Brennstoffleitung
200: Regenerativbrenner
212: Brennstoffdüse
214: Wärmespeicher
215: Brennerstein
218: Luftloch
220: Wärmeaustauschkammer
222: Luftöffnung
324: Wärmespeicher
300: Regenerativbrenner
310: Brennkammer
312a, 312b: Brennstoffdüse
314: Flammenausstoßöffnung
315: Brennerstein
320: Wärmeaustauschkammer
322: Luftöffnung
324: Wärmespeicher
400: Industrieofen
410: Ofenkörper
500: Industrieofen
512: erhitztes Produkt
514: Regal
516: oberes Brett
518: unteres Brett
501, 502, 503, 504: Regenerativbrenner
531: Flammenschutzplatte
532: Wärmedämmmaterial
800: Industrieofen
801: Einlass
802: Entbinderungszone
804: Brennzone
806: Kühlzone
809: Auslass
810: Fahrgestell
811: Leitung
812, 814: Rücklaufleitung
815: Abgasleitung
816: Wärmeabführer
817: Ringleitung
819: Luftleitung
820: Schornstein
821: regenerativer Entlüfter
822: Entbinderungszonen-Nachbrenngebläse
823: Kühlzonen-Entlüfter
824: Entbinderungszonen-Verbrennungsluftgebläse
825: Verbrennungsluftgebläse
826: Entbinderungsentlüfter
828: Abgasleitung
829: Brenner
831: Kühlluftleitung
832: Kühlluftgebläse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H06159613 A [0003]
JP 2006308249 A [0003]
JP H08121712 A [0003]

Claims

Regenerativbrenner, umfassend: eine Brennkammer; eine Wärmeaustauschkammer und einen Verbindungsdurchgang zwischen der Brennkammer und der Wärmeaustauschkammer, wobei die Brennkammer eine Mündung einer Brennstoffdüse und eine Flammenausstoßöffnung umfasst und die Brennkammer so ausgebildet ist, dass aus der Brennstoffdüse in die Brennkammer eingebrachter Brennstoff unter Nutzung der über den Verbindungsdurchgang in die Brennkammer eingebachten Verbrennungsluft unter Ausstoß einer Flamme aus der Flammenausstoßöffnung in der Brennkammer verbrannt werden kann; wobei die Brennstoffdüse so ausgebildet ist, dass eine Gesamtmenge an in dem Regenerativbrenner verbranntem Brennstoff in die Brennkammer eingebracht wird; und wobei die Wärmeaustauschkammer umfasst: eine Luftöffnung und einen Wärmespeicher, der zwischen dem Verbindungsdurchgang und der Luftöffnung angeordnet ist, und die Wärmeaustauschkammer so ausgebildet ist, dass aus der Luftöffnung in die Wärmeaustauschkammer eingebrachte Verbrennungsluft einen mit dem Wärmespeicher gefüllten Raum durchqueren kann und dann durch den Verbindungsdurchgang in die Brennkammer eingebracht wird, und so, dass ein durch den Verbindungsdurchgang in die Wärmeaustauschkammer eingebrachtes Abgas den mit dem Wärmespeicher gefüllten Raum durchqueren kann und dann aus der Luftöffnung freigesetzt wird.
Regenerativbrenner nach Anspruch 1, wobei die Mündung der Brennstoffdüse an einer Stelle gegenüber der Flammenausstoßöffnung angeordnet ist.
Regenerativbrenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regenerativbrenner so ausgebildet ist, dass ein Abgas aus mindestens einem anderen Regenerativbrenner als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft durch die Luftöffnung eingebracht werden kann.
Regenerativbrenner nach Anspruch 3, wobei die Luftöffnung in Verbindung steht mit einem Verbrennungsluftgebläse zum Einspeisen der Verbrennungsluft, und ein Einlass des Verbrennungsluftgebläses in Verbindung steht mit einem Auslass eines Entlüfters zum Freisetzen des Abgases aus dem mindestens einen anderen Regenerativbrenner.
Industrieofen, umfassend mehrere Regenerativbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Industrieofen nach Anspruch 5, wobei mindestens einer der mehreren Regenerativbrenner den Regenerativbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst; und wobei jeder der Regenerativbrenner so ausgebildet ist, dass ein Abgas aus mindestens einem anderen Regenerativbrenner als ein Teil der Verbrennungsluft oder die gesamte Verbrennungsluft durch die Luftöffnung eingebracht werden kann.
Industrieofen nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Industrieofen ein industrieller Durchlaufofen ist, umfassend in dieser Reihenfolge: einen Einlass; eine Entbinderungszone; eine Brennzone; eine Kühlzone und einen Auslass, und der so ausgebildet ist, dass er mindestens einen keramischen Formgegenstand, der ein organisches Bindemittel enthält, brennt, während dieser vom Einlass zum Auslass transportiert wird; wobei mehrere Regenerativbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in der Brennzone angeordnet sind; und wobei der Industrieofen mindestens eine Rücklaufleitung umfasst, die ein In-Furnace-Gas in der Brennzone in die Entbinderungszone einspeisen kann.
Verfahren zur Herstellung mindestens eines gebrannten Gegenstandes unter Nutzung des Industrieofens nach Anspruch 7, wobei das Verfahren umfasst: Entfernern eines Bindemittels aus mindestens einem keramischen Formgegenstand, der ein organisches Bindemittel enthält, in der Entbinderungszone; Brennen des keramischen Formgegenstandes, nachdem das organische Bindemittel entfernt worden ist, in der Brennzone; und Abkühlen des gebrannten keramischen Formgegenstandes in der Kühlzone.