DE1940900A1 - Gasbrenner - Google Patents

Description

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JOHN MOHR & SONS

East 96th Street
Chicago, Illinois, USA 0. August 1909

Gasbrenner

Sie Erfindung betrifft einen Brenner und insbesondere einen Brenner zur Verwedjnung in Verbindung mit Gasen, die einen geringen Heizwert haben.

Brenner zum Verbrennen von Gasen mit einem geringen Heizwert sind im allgemeinen mit einer Einrichtung zum Anreichern des Brennstoffs vorgesehen, um eine wirkungsvolle Punktion zu erreichen. Bestehende Anlagen arbeiten normalerweise nach dem Prinzip eines Turbulenz-Diffusionsbrenners, bei dem Luft und Gas im Verbrennungsbereich gemischt werden. Solche Anlagen haben insofern jedoch Nachteile, als während der Verbrennung der Brenner nur einen begrenzten Betriebsbereich hat und der

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Wirkungsgrad der Verbrennung im allgemeinen schlecht ist, selbst bei optimalen Betriebsbdeingen, und zwar wegen des unvollständigen Vermischens des Brennstoffs mit Luft vor der Verbrennung.

Bei Verbrennungseinrichtungen für Speicheröfen ist es zweckmäßig, Einrichtungen vorzusehen, die für eine wirkungsvolle Leistung auch mit einem Brennstoff mit geringem Heizwert zu sorgen und die einen großen Abfallbereich bei stabiler Funktion haben. Insbesondere ist es zweckmäßig, Gas vom Hochofen selbst zu verwenden, weil dieses Gas in großen Mengen zur Verfügung steht. Gas vom Hochofen, wie man es ohne Anreicherung oft antrifft, hat einen Heizwert von etwa 710 bis 800 kcal/m⁵, enthält etwa 2756 GO und hat eine theoretische adiabatische Flammentemeperatur von ca. 1515^OC.

Neuere Entwicklungen in der Flammentechnologie und im Verständnis von Verbrennungsgrößen haben keine allgemeine nutzbringende Anwendung in der Konstruktion von Verbrennungseinrichtungen zur Verwendung in der Stahlherstellung gefunden, beispielsweise bei Speicherofen. Es ist jedoch anerkannt, daß man durch ein verbessertes Verbrennungeverhalten den thermischen Wirkungsgrad bestehender Anlagen und die Wirtschaftlichkeit der Leistung der Gesamtanlage ändern kann.

Bas läßt sich aufgrund der Tatsache nachweisen, daß üblicherweise für Speicherofen verwendete Brenner große Verbrennungsräume erfordern, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen, und zwar infolge einer schlechten Vermischung am Brenner. Bei gutea Vermischen läßt sich das Volumen der Verbrennungskammer reduzieren, um damit mehr Platz für das Gitterwerk zu schaffen, was die Leistung des Speicherofens erhöht.

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Einige bekannte Konstruktionen für Verbrennungseinrichtungen, die zum Verbrennen von Hochofengasen -vorgesehen sind, machen von einem Diffusionsflammprinzip Gebrauch» bei dem Brennstoff und Luft in eine Wechselwirkung an der Obergangsfläche der Mischzone im Brenner gebracht werden, las führt allgemein zu einer nicht ausreichenden Vermischung und verringert die Temperaturgleichfönnigkeit, führt zu Betriebsbedingungen, bei denen schwerwiegende Gefälle in unmittelbarer Nähe des Mauerwerks des Speicherofens erfolgen, führt zu einem örtlichen Ausbrennen des Mauerwerks wegen örtlicher Heißstellen und führt zu Betriebsbedingungen, bei denen die Messung der Domtemperatur des Speicherofens nicht dazu benutzt werden kann, örtliche Heißstellen festzustellen, da es eich dabei um eine Messung der durchschnittlichen Gastemperatur im Dom handelt.

Es ist eine Konstuktion entwickelt worden, um einige der funktionellen Schwierigkeiten zu beseitigen, wie sie erwähnt worden sind. Dabei handelt es sich um eine Variante eines Mehrdüsenbrenners. Diese Brennerkonstruktion ist jedoch sehr anfällig auf Luft- BrennstoffverhältniBse und weist im allgemeinen ein erheblicher Druckgefälle an der Brennerdüse auf.

Eine weitere bekannte Brennerkonstruktion , die entwickelt worden ist, um einige der aufgezählten Probleme zu beseitigen, sieht ein Mischen mit Hilfe paralleler Düsen vor, um den gwünschten Brennstoff- Luftaustausch zu verwirklichen, der entscheidend ist, um die erforderlichen Verbrennungsbedingungen herzustellen und aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines verbesserten Brenners zur Verwendung in Verbindung mit Gasen geringen Eeiz-

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wertes, der; über- eiipien relativ großen Geschwindigkeitsbereich arbeitet und der ei.nen geringsten Druckabfall während des Betriebs: bei verbesserten Misch- und lemperaturbetriebseigenschaftan bei den verbrannten Gasen erbringt.

Die Konstruktion eines Hochleistungsbrenners erfordert eine angemessene funktioneile Abstimmung der Eigenschaften eines Drosselstrombrenners mit einem peripheren Einlaßabschnitt, um für eine Wirbelversdschung des Brennstoffs und der Luft vor der Verbrennung des Gemisches zu sorgen. Mit einer Brennerkonstruktion dieser Art läßt sich die Abblasmenge auf ein Minimum reduzieren. Bei der hier vorgesehenen Brennertonstruktion ist ein Vorvermisehen des Brennstoffs und der Luft durch eine Verwirbelung und eine Erhöhung in der Verbrennungsintenaität durch Beschleunigung der Gase durch eine konvergierende Ausströmdüse bzw. überhaupt durch jede geeignete Düsenöffnung vorgesehen.

Allgemein bezweckt die Erfindung also die SchafSing eines verbesserten Brenners, der sich besonders im Verbrennen von Brennstoff mit niedrigem Heizwert eignet und der große Mengen dieses Brennstoffs in einer Brennkammer verbrennen kann, die ein kleineres Volumen hat, als man es normalerweise benötigt.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines verbesserten Brenners zur Verwendung in Verbindung mit Speicherofen.

Darüberhinaus soll gemäß der Erfindung ein verbesserter Brenner geschaffen werden, bei dem Brennstoff und Luft tangential in eine Mischkammer eingeleitet werden, um eine Wirbelvermischung des Brennstoffs und der Luft zu erbringen. Weiter soll gemäß

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der Erfindung ein verbesserter Hochleistungs brenner geschaffen werden, bei denen die Verwirbelungskomponent6m des Brennstoffs und der Luft die Betriebsgxenzen des Brenners erweitern. Zudem soll gemäß der Erfindung ein verbesserter Brenner geschaffen werden, bei dem die Gase durch eine Verwirbelung in der Mischkammer vermischt werden, wobei ein geringstes Diruckgefälle auftritt.

Weiter soll gemäß der Erfindung ein verbesserter Brenner geschaffen werden, der preiswert herzustellen ist, der von verbesserten Betriebsmethoden Gebrauch macht, mit dem man leicht arbeiten kann und der im Betrieb zuverlässig ist.

Schließlich sollen gemäß der Erfindung eine verbesserte Brennerkonstruktion und ein verbessertes Arbeitsverfahren geschaffen werden, wobei der Brenner mit der Brennkammer zu einer Einheit zusammengefaßt ist und konstruktionsgemäß dazu eingerichtet ist, daß man Keramik verwenden kann. Dabei soll die Anordnung von Einlaßöffnungen für einen Gegenstrom sorgen, wobei eine gründliche Brennstoff- Luftvermischung erfolgt und wobei das Fließen des Brennstoff- Luftgemisches durch eine Düse die SiöTCSiungsgeschwindigkeit des Gemisches erhöht um für eine schnelle Ausdehnung und Turbulenz zu sorgen und einen Plammrückschlag und Abblastendenzen zu verringern.

Die Erfindung ist im Nachfolgenden an Ausführungsueispielen in Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Pig. 1 ein Schema einer Speicherofenanlage zur Verwendung in Verbindung mit einem Hochofen,in der der Brenner gemäß der Erfindung Verwendung findet,

Pig. 2 eine Einzelheit im Schnitt durch eine Brennerkonstruk-

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tion mit Merkmalen der Erfindung,

Pig. 3 eine Einzelheit in Draufsicht auf den in Pig. 2 gezeigten Brenner an der Linie 3-3 der Fig. 2,

Pig. 4 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brenners gemäß der Erfindung, in der die konvergierende Düse in der Kammer und die Öffnungen gezeigt sind, durch die Brennstoff und Luft in die Kammer eingeleitet werden,

Pig. 5 eine Draufsicht auf den in Pig. 4 gezeigten Brenner und

Pig. 6 ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Brenners, bei dem Brennstoff und Luft tangential in die Kammer derart eingeleitet wurden, daß zwischen ihnen eine Gegenstromwirkung hervorgerufen wird, um für ein ordnungsgemäßes Mischen des Brennstoffs und der Luft vor der Verbrennung zu sorgen, jedoch innerhalb des Sicherungsbereichs der Kammer.

Die Verbrennung kann definiert werden als eine schnell vonstattengehende Oxidation bei hoher Temperatur, bei denen die Oxidationsreaktionen hauptsächlich in einem schmalen Bereich hoher chemischer Reaktionsfähigkeit in der Gasphase erfolgen. Im allgemeinen sind die hauptsächlichen Elemente aller üblichen organischen Brennstoffe Kohlenstoff und Wasserstoff. Demgemäß hängt der Vorgang c\ler Verbrennung im hohen Maße beispielsweise von der Elementeakt\onzentration, von den Imitialgastemperaturen und von der Art und ab, wie der Brennstoff und die Luft rermischt werden.

Die\ Brennerkonstruktion und das Arbeitsverfahren gemäß der Erfin-

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dung kombinieren die wünschenswerten Betriebscharakteristiken, die erforderlich sind, um eine Verbrennung zu begründen und aufrechtzuerhalten, insbesondere bei Brennstoffen, die einen geringen Heizwert haben, beispielsweise Hochofengas.

Der Brenner gemäß der Erfindung wird speziell zur Verwendung in Verbindung mit Hochofengas beschrieben, und zwar in einm Speicherofen, der einem Hochofen zugeordnet ist. Es versteht sich jedoch, daß das Prinzip des Brenners und das Arbeitsverfahren gemäß dar Erfindung allgemein bei ähnlichen Voraussetzungen anwndbar sind, die jedoch von dem speziell beschriebenen Anwendungsfall im einzelnen abweichen.

Ein Hochofen 10 ist z.T. in Fig. 1 geaägt. Zu dem Hodofen gehören ein Mantel 11, eine Gitterkamser 12, eine Brennkammer 13» ein Gasbrenner 14» eine Gasleitung 15» eine Brennluftleitung 16, eine Heißblasleitung 17, eine Kaltblaslaitung 18, ein Schornsteinfuchs 19 und ein Schornstein 20. Bei einem normalen Zwei- ·. gangofen werden während der Gasperiode Gas und Brennluft ver- .' brannt und die Verbrennungsprodukte wandern nach oben durch die Brennkanmer 13, nach unten durch das Hauerwerk der Gitterkammer 12 und aus dem Ofen heraus durch den Schornsteinfuchs 19, zu dem Abgasschornstein 20. Während der Blasperiode wird Kalt- / luft von einem Gebläse nach unten in die Gitterkamaer IL' ein- / gelitet, und mit ihrem Hochwandern durch die Kammer wird sie / durch das heiße Mauerwerk erhitzt. Nach dem Erhitzen wmnaert / sie nach unten durch die Brennkammer 13 und durch die Heißblas- /

leitung 17 sum Hochofen. Verschiedene Ventile, die für das Prinzip der Erfindung nicht von Bedeutung sind, dienen dazu, den/ Gasstrom, die Brennluft, die Kaltluft und die Heißluft zu regeln.

Sin Ausführungebeiepiel für einen Brenner 14, der in dem Ofen 10 verwendet werden kann und der nach dem Prinzip der

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Erfindung aufgebaut ist, ist in Fig. 2 gezeigt.

Der äußere Hantel 11 des Ofens 10 ist mit Öffnungen versehen, um öine Fortsetzung der Gasleitung 15 und der Luftleitung 16 aufzunehmen, um das Verbrennungsgemisch in die Mischkammer 23 des Brenners 14 einzuleiten. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 und 3 erstrecken sich der Luftweg 24 und der Gasweg 25 tangential in die Mischkammer 25 des Brenners, derart, daß innerhalb der Kammer ein Gegenstrom hervorgerufen wird, um ein optimales Vermischen des Gases und der Luft vor Verbrennung· des Gemisches hervorzurufen. In dem in Fig.' 2 und 3· gesLgten besonderen Ausführungsbeispiel wird das Gas in einem unteren Teil der Kammer eingeleitet, beginnt eine Wirbelbewegung in der Kammer (nach links in Fig. 3) auszuführen, und bewegt sich in Richtung auf die konvergierende Düse 26 des Brenners. Dabei kann die konvergierende Düse 26 in der Form einer einfachen Öffnung mit einer bestimmten Größe vorgesehen sein, ohne daß vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. Über den Gasstrom zur Kammer wird Luft in die Kammer 23 eingeleitet, die in der Kammer eine Wirbelbewegung nach rechts ausführt, also entgegengesetzt zur StrgmungsTfichtung des Gases. Der kreisende Gegenstrom von Luft und Gas sorgt für eine gründliche Vermischung dieser Stoffe innerhalb der Kammer mit dem Wandern des Gemisches durch die Düse 26. Der Kammer 23 werden Luft und Gas kontinuierlich zugeleitet, um das zuvor eingeleitete Gemisch zur Düse 26 und durch sie hindurch zu schieben. Mit dem Wandern des Gemisches durch die Düse muß es eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als Folge der verringerten Düsenquerschnittsfläche annehmen. Das Gemisch wird an der Hinterstromseite der Düse entzündet, und die Verbrennung setzt sich spontan an der Flamm^front fort, die an dem Brenner an einer Stelle liegt, die von der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches abhängt. Die konvergierende Düse 26 am Brennerausgang dient dazu, die Gase zu beschleunigen und damit die Verbrennungsintensität zu erhöhen.

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Sie Düse 26 ist ferner wichtig, um stabile Brenneigenschaften zu entwickeln und eine schwingende Verbrennung zu vermeiden.

Der Effekt des Einleitens von Brennstoff und Luft in die Kammer derart, daß in der Kammer ein Vermischen unter Verwirbelung erfolgt, besteht darin, daß die Betriebsgrenzen des Brenners

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mi t einem geringsten Druckabfall im Brenner erweitert werden, verglichen mit einem offenflieSenden System. Die Flammhalteeigenschaften des Brenners verbessern sich mit der Wirbelvermischung des Brenners, um einen Flammrückschlag und ein Abblasen auf ein Minimum zu. .reduzieren.

Das Vermischen des Brennstoffs und der Luft im Brenner selbst führt zu Bedingungen, die eine stabiliere Verbrennungszone erbringen. DaVei muß man beachten, daß ein Vorvermischen von Brennstoffen und Luft (die vor der Einleitung in den Brenner vermischt worden sind) zu einer Explosionsgefahr führen kann, wenn keine ordnungsgemäßen Flammhalteeinrichtungen verwendet werden.

Eine andere Brennerkonstruktion, die von demVerwirbelungsprinzip Gebrauch aach^ ist in Fig.4 und 5 gezigt. Der Brenner weist ein· äußere Wand 76 auf» die die Mischkammer 80 umschließt. Die Kammer 60 ist alt einer konvergierenden Düse 82 an eine» Ende versehen, die eine Einrichtung bildet, um den aus der Kanter 80 heraustretenden Gasetro« zu- beschleunigen.

Die Gate zur Verbrennung werden der Earner 80 la einer Weise zugeleitet, die dazu führt ,daß eines oder mehrere der eingeleiteten Gaae eine Wirbelbewegung innerhalb der Kammer aufführen, ua ein Teraisehen der Gase zu erleichtern. Is der in Fig. 4 und geaigten speziellen Brennerkonetruktion kann Brennetoff in eines

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axialen Fließschema vor dem Lufteintritt der Kammer 80 zugeleitet werden. Der Hauptbrennstoffstrom erstreckt sich dann vor dem Lufteintritt in Richtung auf die Düse 82, und zwar in der durch den Pfeil 84 angegebenen allgemeinen Richtung. Einungestörter üblicher Strom dieser Art führt nicht zu den erwünschten Verbrennungscharakteristiken des Brenners gemäß der Erfindung.

Luft für das Verbrennungsgemisch wird durch die Öffnung 86 in einen offenen Kanal 68 in der Brennerwand eingeleitet. Eine Anzahl von unter einem Winkel angeordnete Öffnungen 90 erstrecken sich vom Kanal 86 zur Kammer 80 an einer Stelle in der Kammer längs des axialen Fließwegs des Brennstoffs vor der Düse 62. Sie in Fig. 4 und 5 gezeigte Brennerkonstruktion ist schematisch in Fig. 6 dargestellt und die Arbeitsweise geht ohne weiteres durch Bezugnahme auf diese Darstellung hervor.

Sie Wirbelbewegung bzw. die Gegenstronbewegung, die erforderlich ist, um die Vermischungsverhältnisse von Kraftstoff und Luft hervorzurufen, wie sie hier erläutert worden sind, wird durch den Gegenstron von Luft zur Kammer 80 erbracht. Sas Gas tritt in die lantr 80 Tor den Luftlffnungen 90 eil und fließt in Richtung auf die Düse 82 in der durch den Pfeil 84 angegebenen allgemeinen Bichtunf. Sie öffnungen 90 su beiden Seiten de? Mittelachse A-A des Öffnung 86 eind to orientiert, dafi die Luft in einer Wirbelbewegung an fegeneüber lief enden VSnden der lasser eingeleitet wftrd. BIe L»ft fliefit in entgegengesetzter Richtung Blchtung In die Earner ein, um für einen Segenetros und für einziehen de· Brennstoff· «nd der Luft innerhall) der Kauter 80 zu sorgen, so dafl das Mischen vor der Süse 82 erfolgt.

Unter Terwendnag des Brenaerfriasiy» ysMtl der Irfindmng ist festgestellt «erden, daJ ein Ters£;«&@s fet Brennstoffs und -

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der Luft in den Brenner verwirklicht und verbessert werden kann, indem die Verwirbelungskomponenten in dessen Kammer eingeführt werden, und zwar indem entweder der Brennstoff und die Luft ( oder beide) in die Kammer unter einem Winkel zu einer bestimmten Radialen der Kammer einegeleitet wird. Die Verwirbelungskomponenten der Gase in der Kammer dienen dazu, ein schnelles Vermischen des Brennstoffs und der Luft zu verstärken, während ein eventuell erfolgender Druckabfall auf ein Minimum reduziert wird, der die Verbrennungscharakteristiken des Brenners beeinflussen würde.

Eines der wichtigen Merkmale der Erfindung besteht in dem Gegenstrom der Gase in der Kammer, so daß die in der Kammer kreisenden Gase eine schnelle Diffusion hervorrufen. Beispielsweise ist der in Fig. 4» 5 und 6. gezeigte Brenner eine Ausführung, bei der nur einer der Gasströme in die Kammer in anderer Richtung eingeleitet wird, als längs der Mittelachse der Kammer. In diesem Brenner ist die Luft in entgegengesetzte Richtungen in die Kammer gerichtet, um eine kontrollierte Turbulenz hervorzurufen und um die schnelle DlTusion der Brennerkonstruktion zu begünstigen, bei der die Luft sich schnell mit dem axialen Hauptstrom des Brennstoffs vermischt.

Das Entscheidende bei der verbesserten Brennerkonstruktion und bei dem verbesserten Arbeitsverfahren gefäß der Erfindung liegt in einer Kombination von Merkmalen und in dem Arbeitsverfahren, das in. bekannten Brennerkonstruktionen zur Verwendung in Verbindung mit Speicherofen keine Anwendung findet. Eines dieser Merkmale beruht darin, daß die Brennerkonstruktion mit Verbrennungskammer des Ofens kombiniert ist. Dieses Merkmal ist wünschenswert, da es den Flammrüeksefelag bzw. Abgastendenzen aufein Minimum reduziert, die andernfalls gelegentlich konstruk-

tronsbedingt bei anderen "Brennern auftreten. Ferner ist, falls

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ein Flaminrückschlag auftritt, die Gefahr auf ein Minimum reduziert, wenn sich die Brennerkonstruktion vollkommen innerhalb der Brennkammer des Aufheizofens befindet. Es liegt ohne weiteres auf der Hand, daß bei einem außerhalb des Ofens befindlichen Brenners ein Flammrückschlag zu einer Gefahr werden kann.

Ein weiterer Vorteil, den Brenner innerhalb der Brennkammer vorzusehen, beruht auf der Tatsache, daß der Brenner aus Keramik gemacht werden kann, was relativ preiswert im Vergleich zu dem Stahlmantel ist, der ansonsten bei außenliegenden Brennerkonstruktionen verwendet wird.

Sie innerhalb dee Brenners angeordnete Düsenanordnung sorgt für eine Erhöhung in der Gasströmungsgeschwindigkeit, die über der Flammgeschwindigkeit liegt, um die Möglichkeiten eines Flammrückschlages weitgehend zu minimalisieren. Entsprechend ist für eine sichere Brennerkonstruktion gesorgt. Außerdem sorgt die Anordnung von Öffnungen, die der Brennerkonstruktion zugeordnet sind, für eine gleichmäßige Verteilung von Gas und Luft innerhalb des Brenners, um einen verwirbelnden Gegenstrom der Stoffe zu bewirken und für ein besseres Verbrennungsgemisch zu sorgen.

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Fat entansp ruche

   ( 1,1 Brenner zur optimalen Ausnutzung von Gas geringen Heiz-V_^/ werts in Öfen, wobei Brennstoff und Luft in der Brennerkammer gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerkammer (14) sich bis zu einer Brennerdüse (26) erstreckt, die in Strömungsrichtung am hinteren Ende dieser Kammer angeordnet ist, und daß ein erster Strömungsweg (24) und ein zweiter Strömungsweg (25) in die Kammer (14) führen, wobei mindestens einer der Strömungswege (24» 25) einen Fließweg in die Brennerkammer (14) bildet, derart, daß ein durch ihn hindurchfließendes Gas auf eine eine Wirbelbewegung hervorrufende Einrichtung zum Gegenströmen des Brennstoffes und der Luft zu deren wirkungsvollem Vermischen gerichtet ist, wobei durch die Brennerdüse (26) dem Strom eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit verliehen wird, derart, daß die Verbrennung in Strömungsrichtung hinter der Düse (26) vonstatten geht.

   2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d«J ex vollkommen innerhalb de« Ofens untergebracht ist und eich nicht über die Außenwand des Ofen« hinauserstreckt.

   3. Brenner nach Anepruoh 1, daduroh gekenn«eiohnet, daf 4er Brennstoff und die Luft in die Brennerkuwer {M) unter festgelegtem Winkel einleifear sind, derajrt, daß eine gründliche Mischung de· Brennetoffe mad der Luft το» derrTer-Breanuf erfolgt.

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   4· Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff und die Luft in die Brennerkammer (14) in entgegengesetzten Richtungen einleitbar sind, defart, daß der Brennstoff und die Luft vor der Verbrennung turbulenzvermischtar sind.

   5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch durch die Düse (26) zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches und zum Stabilisieren des Verbrennungsbedingungen des Gemisches fließt.

   6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Brennerkammer (14) und die Düse (26) aus einer Keramik gebildet sind und daß die Anordnung von Einlaßöffnungen für einen Gegenetrom τοη Brennstoff und Gas und für ein gründliches Vermischen sorgt.

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