DE19923219A1 - Bodenbrenner mit geringer NOx-Emission und Heizverfahren - Google Patents

Abstract

Erhitzen eines Fluids in einer Kammer, die einen Boden oder eine Decke und eine sich nach oben oder nach unten erstreckende Wärmeaufnahmewand umfaßt, durch Anordnen eines Wirbelbrenners im wesentlichen an dem Kammerboden oder oberhalb desselben in der Nähe der Wärmeaufnahmewand, Zuführen von Brennstoff und Luft zu der Wirbeldüse und Verbrennen des Brennstoffs zur Erzeugung eines Verbrennungsproduktes, Ausbilden des Verbrennungsproduktes zu einem Wirbelstrom bei Ausrichten des Wirbelstroms entlang eines verlängerten Weges, Ausspritzen von Brennstoff an einer Stelle, die dem Wirbelbrenner benachbart angeordnet ist, und Verbrennen des Düsenbrennstoffs, wodurch Düsenstromverbrennungsprodukte gebildet werden, die sich mit den Wirbelverbrennungsprodukten vermischen, und Ausrichten der sich ergebenden heißen Mischung im allgemeinen vertikal in der Nähe der Wärmeaufnahmewand zum Übertragen von Wärme an diese.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner und insbesondere eine Heizkammer, die von einem Bodenbrenner mit geringer NOx-Emission Gebrauch macht, um eine verlängerte, sich nach oben erstreckende oder nach unten erstreckende Flamme von Brennern aus zu schaffen, die an dem Boden oder der Decke einer Kammer oder nahe derselben angeordnet sind, um eine benachbarte Anordnung einer Fluid-Behandlungseinrichtung zu erwärmen.

Bedeutende Umwelt- oben anderweitige Probleme sind infolge der Erzeugung von Abgasen aufgetreten, die hohe Gehalte an NOx enthalten, das dazu neigt, unter atmosphärischen Bedingungen zu reagieren, um in Hinblick auf die Umwelt unannehmbare Zustände bzw. Bedingungen, wie beispielsweise Stadtsmog und sauren Regen, zu schaffen. In USA und anderweitig sind Umweltvorschriften und -einschränkungen erlassen worden, und wird für die Zukunft der Erlaß weiterer Vorschriften und Einschränkungen erwartet, die den Gehalt von NOx in Abgasen streng begrenzen.

In dem Bemühen, die NOx-Emissionen zu reduzieren, sind während der letz­ ten Jahre zahlreiche Brenner vorgeschlagen worden. Beispielsweise sind besondere Wirbelbrenner in Ofenwänden bei der Reduzierung der NOx-Emis­ sionen erfolgreich gewesen.

US-Patent 4.239.481 von Morck, das zugunsten von Selas Corporation of America am 16. Dezember 1980 erteilt worden ist, offenbart einen an einer Wand angebrachten Wirbelbrenner, der zum Verbrennen einer Vielzahl von Gasen mit verschiedenen Wobbe-Indizes geeignet ist. Der Brenner des Patents 4.239.481 erzeugt ein Verwirbelungsgas, das sich mit Luft vermischt, und die Mischung zündet und wird seitlich nach außen an einer tassenförmi­ gen, an der Wand angebrachten Aussparung, die den Brenner umgibt, und dann zu der Oberfläche der Ofenwand hin gezogen.

US-Patent 4.416.620 von Morck, das zugunsten von Selas Corporation of America am 22. November 1983 erteilt worden ist, offenbart einen an einer Wand angebrachten Wirbelbrenner mit großer Kapazität, der zum Verbrennen von petrochemischen Gasen bestimmt ist. Er arbeitet auch in einer in einer Wand angebrachten Tasse.

US-Patent 5.697.776 von van Eerden, das zugunsten von Selas Corporation of America am 16. Dezember 1997 erteilt worden ist, offenbart einen Wirbel­ brenner, der in der Lage ist, entweder flüssiges Petrogas oder 100% Wasser­ stoff oder irgendeine Mischung der beiden Stoffe zu verbrennen oder Natur­ gas zu verbrennen.

Über die Offenbarungen dieser Patente hinaus ist ein bedeutendes Bedürfnis für einen Brenner mit geringer NOx-Emission aufgetreten, der an dem Boden oder der Decke eines Ofens oder einer anderen Heizkammer oder in der Nähe derselben angebracht werden kann und der nach oben oder nach unten gerichtet ist, um im wesentlichen vertikal angeordnete Bänke von Behand­ lungsrohre oder dergleichen zu erhitzen bzw. zu erwärmen.

Bei industriellen Fluid-Behandlungssystemen werden Behandlungsrohre bzw. -leitungen häufig im wesentlichen vertikal ausgerichtet oder gestapelt, um als Wärmeaufnahmewände zu fungieren.

Es besteht ein starkes Bedürfnis für einen Boden- oder Deckenbrenner, der eine im wesentlichen vertikal verlängerte Flamme abgeben kann, um für eine gleichmäßig verteilte Wärmeübertragung an eine im wesentlichen vertikal erstreckte Aufnahmewand oder zwischen Reihen von eng beabstandeten Wärmeaufnahmewänden zu sorgen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Boden- oder Deckenbrenner mit geringer NOx-Emission zur Verwendung bei einem nach oben oder nach unten gerichteten Heizsystem zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Brenner zu schaffen, der zur Verwendung in einer Wärmeaustauschkammer -zum Erhitzen eines Behand­ lungsfluids in einer oder mehreren Bänken einer vertikal erstreckten Wär­ meaustauscheinrichtung geeignet bzw. bestimmt ist.

Es ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erhitzen eines Behandlungsfluids in einer solchen Heizkammer zu schaffen.

Andere Aufgaben der Erfindung ergeben sich angesichts der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer die Erfindung verkörpernden Wärmeaus­ tauschvorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht der in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauschvorrich­ tung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Brennerbaugruppe gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht der in Fig. 3 dargestellten Brennerbau­ gruppe;

Fig. 5 eine Schnittansicht von vorn der in Fig. 3 dargestellten Brennerbau­ gruppe;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Wirbelbrenners gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Brennstoffrohres, das zur Verwendung bei der in Fig. 3 dargestellten Brennerbau­ gruppe ausgebildet ist;

Fig. 8 eine seitliche Schnittansicht eines Bauteils des in Fig. 7 dargestellten Brennstoffrohres;

Fig. 9 eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Brennerbaugruppe gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform eines Bauteils der in Fig. 9 dargestellten Brennerbaugruppe.

Die Erfindung betrifft einen Düsenmischbrenner mit einer geringen NOx-Emis­ sion, der insbesondere zur Verwendung in einer vertikal ausgerichteten Heiz­ kammer bestimmt ist. Er kann so angeordnet werden, daß er eine Flamme in einer aufwärts gerichteten Wirbelströmung austreten läßt, während die heißen Verbrennungsprodukte auf einem aufwärts ausgerichteten Weg ausgerichtet werden, während gleichzeitig eine besonders geringe NOx-Konzentration der Abgase erreicht wird.

Bei einer Form der Erfindung ist eine Düse in der Kammer, wie für die Dar­ stellung in den Zeichnungen ausgebildet, oberhalb eines Wirbelbrenners angeordnet, um eine separate Zuführung von unter Druck stehendem Brenn­ stoff oberhalb des Wirbelbrenners zu schaffen. Der Strahl ist nach oben und einwärts oberhalb des Wegs des Wirbelstroms ausgerichtet, der durch die Wirbeldüse geschaffen ist. Die Verbrennung des Wirbelbrenners bildet eine untere Flamme, die ihre eigenen Verbrennungsgase erzeugt, und die Düse bildet eine obere Flamme, die in Anwesenheit dieser Verbrennungsprodukte brennt und merklich den NOx-Gesamtwert der gesamten Verbrennungspro­ dukte reduziert.

Gemäß dem Verfahren erfährt der Brennstoff aus den Düsen eine moderierte Verbrennung mindestens teilweise in Anwesenheit der Verbrennungsgase, die von dem unteren Flammenbereich aus aufsteigen, wobei ein oberer Flam­ menbereich oberhalb des unteren Flammenbereichs gebildet wird, dies alles bei einer moderierten Verbrennung, die zu einem geringeren NOx-Wert in dem Abgas führt.

Zur Erleichterung des Verständnisses sind die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen auf ausgewählte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. Sie sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Auch sollen die Zeichnungen nicht maß­ stabsgerecht oder proportional sein.

Gemäß Fig. 1 ist eine Heizvorrichtung 10 in Anordnung an dem Boden einer Kammer oder in der Nähe derselben dargestellt, um Wärme den Bänken von aufwärts erstreckten Wärmetauschern 20a-20d zuzuführen, wie noch weiter zu ersehen sein wird.

Die Heizvorrichtung 10 besitzt einer Kammer 12 mit einem Boden 14 und eine Decke 16. Ein Kamin bzw. Schornstein 18 ist zum Abführen der Verbren­ nungsgase vorgesehen.

Innerhalb der Kammer 12 sind Wärmeaufnahmewände 20a-20d vertikal angeordnet, die Behandlungsrohre 22 umfassen, die ein Behandlungsfluid oder dergleichen enthalten. Reihen solche Rohre 22 bilden beabstandete Wärmeaufnahmewände.

Zwischen benachbarten Wärmeaufnahmewänden 20a-20d sind Brenner­ blöcke 24 angeordnet, die je eine Brennerbaugruppe 26 am Boden der Kam­ mer 12 oder in der Nähe desselben umgeben. Eine einzige Reihe von Bren­ nerbaugruppe 26 ist in Fig. 1 dargestellt: eine an der linken Seite zwischen den Wärmeaufnahmewänden 20a und 20b; eine in der Mitte zwischen den Wärmeaufnahmewänden 20b und 20c; und eine in Richtung zur rechten Seite zwischen den Wärmeaufnahmewänden 20c, 20d.

Jede Brennerbaugruppe 26 umfaßt einen Mischdüsen-Wirbelbrenner 28, der in Hinblick darauf ausgerichtet ist, Brennstoff und Luft in einem sich vertikal erstreckenden Spiralströmungsmuster zuzuführen, das sich nach oben in das Innere der Kammer 12 zwischen Paaren von Rohren 20a-20d erstreckt. Jede Brennerbaugruppe 26 umfaßt auch eine Vielzahl von vertikal verlängerten Brennstoffdüsen 30 (gelegentlich bezeichnet als "Lanzen" bzw. "Lanzetten"), die sich nach oben oberhalb der Oberseite des Brennerblocks 24 und des Kammerbodens 14 und in einen Innenbereich der Kammer 12 hinein erstrec­ ken. Die Düsen 30 besitzen Endbereiche, die zur Zuführung von rohem Brennstoff oder einer reichen Brennstoffmischung in die Kammer hinein zum separaten Verbrennen angeordnet sind.

Die Düsen 30 erstrecken sich wie dargestellt von einer Leitung bzw. Verroh­ rung aus, die, wie in Fig. 1 dargestellt ist, nach oben ausgerichtet ist. Wie dar­ gestellt führen sie Brennstoff auf zusammenlaufenden Wegen 39 in einem fackelartigen Flammenmuster zu. Der Wirbelbrenner 28 und die Düsen 30 arbeiten zusammen, um eine sich vertikal erstreckende und stabile Flamme 32 zu bilden. Die Flamme 32 kann in der Höhe mit der Höhe der Wärmeaus­ tauschwände 20a-20d übereinstimmen (und stimmt in bevorzugter Weise mit dieser überein).

Gemäß Darstellung in Fig. 1 erstreckt sich die Flamme 32a, 32b oberhalb der Achse der Brennerbaugruppe 26 nach oben. Der untere Flammenbereich 32a ist im wesentlichen dem Wirbelbrenner 28 benachbart und befindet sich ober­ halb desselben, und ein separater Flammenbereich 32b ist in einem Abstand oberhalb der Düsen 30 angeordnet.

Es ist erkannt worden, daß der Wirbelbrenner 28 und die Düsen 30 miteinan­ der und mit rezirkulierenden Ofengasen zusammenarbeiten, um eine beacht­ lich stabile Flamme 32 mit geringem NOx-Gehalt sogar dann zu bilden, wenn die Flamme eine erstreckte bzw. verlängerte Höhe besitzt. Die Flamme 32 ist im Profil von einer Seite zur anderen Seite sogar dann eng bzw. schmal, wenn sie sich dem oberen Bereich der Kammer nähert. Dieses vertikal erstreckte bzw. verlängerte und enge bzw. schmale Flammenprofil ist dadurch sehr vor­ teilhaft, daß es die Räume zwischen benachbarten Wärmeaufnahmewänden 20a-20d ausfüllt, während die tatsächliche Berührung der sichtbaren Flamme mit den Behandlungsfluidrohren 22 reduziert ist. Das hohe und enge bzw. schmale Profil der Flamme 32 erwärmt bzw. erhitzt eine wesentliche Höhe der Wärmeaufnahmerohre 20a-20d, um mehr Fluid in einem kleineren Kammer­ raum zu erwärmen bzw. zu erhitzen.

Alles dies wird von einer gleichzeitigen Reduzierung des NOx-Wertes in den gesamten Verbrennungsprodukten begleitet, von der angenommen wird, daß sie durch ein langsameres Verbrennen bei niedrigerer Temperatur des Düsenverbrennungsbrennstoffs in der Anwesenheit von Verbrennungspro­ dukten des Wirbelbrenners und der rezirkulierenden Ofengase bewirkt wird.

Fig. 2 gibt vergrößert eine der Brennerbaugruppen 26 wieder, um die Arbeits­ weise des Brenners weiter zu erläutern. Umgebungsluft (a) strömt durch den Brennerblock 24 hindurch nach oben und in Richtung zu dem Inneren der Kammer zur Verbrennung. Brennstoff (b) wird in die Wirbelrohre 68 eingeführt und auf einem spiralförmigen und verwirbelnden Weg (b') nach oben getragen bzw. geführt. Die Verbrennung der Luft (a) und des Brennstoffs (b) und (19) findet an dem Wirbelbrenner 28 und oberhalb desselben statt.

Wie noch weiter im Detail beschrieben wird, bewegt sich ein Teil des Brenn­ stoffs (b) nach außen über den Wirbelbrenner 28 hinaus und rund den Außen­ rand des Wirbelbrenners 28 und nach oben durch einen Raum 24' (Fig. 1) zwischen dem Wirbelbrenner 28 und der Bohrung des Brennerblocks 24 hin­ durch. Dieser Brennstoffweg ist mit "(b')" bezeichnet. Die Ausbildung des Brennstoffwegs (b') leistet einen Beitrag zu der Reduzierung des NOx, weil der Brennstoff bei (19) nur teilweise verbrannt wird und die Gesamtgeschwin­ digkeit bzw. Gesamtmenge und Temperatur der Verbrennung in der Verbren­ nungszone moderiert.

Erfindungsgemäß sind besondere Düsen 30 (Fig. 2) oberhalb des Wirbel­ brenners angeordnet, und liefern diese starke, unter Druck stehende Ströme von rohem oder reichem Brennstoff (d) nach oben in das obere Innere der Kammer. Diese Ströme sind einwärts in Richtung zu der Achse, vorzugsweise unter einem Winkel von 15-30°, abgewinkelt. Der Brennstoff, der entlang des Weges (d) strömt, verbrennt in Anwesenheit von Luft und der Verbrennungs­ gase, die von dem Wirbelbrenner her kommen, und sie strömen nach oben, um eine obere Verbrennungszone (e) zu bilden. Das Verwirbeln des Brenn­ stoffs und der Luft oberhalb der Verbrennungszone (e) findet in einer Zone (e) statt, wodurch die Stabilität der Flamme vergrößert wird und deren vertikale Höhe erstreckt bzw. verlängert wird.

Die Flammenstabilität ist durch die Hochdruck-Brennstoffstrahlen (d) stark intensiviert, was eine Flamme mit einem überraschend engen bzw. schmalen Profil und einer stark erstreckten bzw. verlängerten vertikalen Höhe schafft, die für die Verwendung in dem Raum zwischen den Reihen der Behandlungs­ rohre 22 hervorragend geeignet ist.

Gemäß Darstellung in Fig. 2 findet eine Rezirkulation (f) der Verbrennungs­ gase aus der oberen Verbrennungszone (e) statt. Diese Rezirkulation indu­ ziert eine Moderation der Verbrennungsreaktionen, die die Gesamtemissionen an NOx weiter reduzieren.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 3 ist ein Satz von Wirbelbrennern 28 in Kombination dargestellt. Einzelne Wirbelbrenner 10 sind auf einer Linie zwi­ schen benachbarten Wärmeaufnahmerohrwänden 20a-20d von einander beabstandet. Fig. 3 zeigt acht Druckdüsen 30, deren jede rohen Brennstoff nach oben, einwärts abgewinkelt in Richtung zu der Achse hin abgibt. Die Bezeichnungen (d) bezeichnen Stellen oberhalb der Wirbelbrenner 28, an denen eine separate zusätzliche Verbrennung von Brennstoff von diesen Düsen stattfindet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 ist bei einer Ausführungsform der Erfin­ dung ein Lufteinlaß 34 vorgesehen, um den Zug von Luft zu der Brennerbau­ gruppe hin zuzulassen. Eine Klappe 36 mit einem Handgriff 38 ist zum Ein­ stellen der Luftöffnung vorgesehen. Luft (a) bewegt sich durch den Lufteinlaß 34 hindurch und nach oben zu einem Durchtritt 40 in dem Brennerblock 24 hin.

Es wird bevorzugt, mehr Brennstoff durch die Düsen 30 als durch den Wirbel­ brenner 28 hindurch und mit einem höheren Druck zuzuführen. Dies macht eine schlanke und sich vertikal erstreckende, verlängerte Flamme möglich, die sich eng und kongruent nach oben in die Kammer hinein erstreckt. Diese Düsen 30 führen vorzugsweise etwa 80% des Brennstoffs oder sogar mehr zu, während der Wirbelbrenner 28 vorzugsweise so wenig wie etwa 20% des Brennstoffs oder weniger zuführt. Die relativen Mengen können unter Ver­ wendung von Öffnungen oder anderen Steuereinrichtungen gesteuert werden. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform beschränkt die Öffnung 54 die Menge des Brennstoffs, der dem Wirbelbrenner 28 zugeführt wird. Die Tatsache, daß die Düsen kollektiv den größten Teil des Brennstoffs zuführen, dies im Vergleich mit dem Wirbelbrenner, verbunden mit dem Brennstoffdruck und dem einwärts gerichteten Winkel der Düsen führt die Verbrennungspro­ dukte in enge und verlängerte, nach oben gerichtete Spiralen bzw. Schrau­ ben. Das durch zusammenlaufenden Wege bzw. Bahnen des Brennstoffs be­ wirkte aufwärts gerichtete Moment führt die Flamme nach oben und zu dem oberen Teil bzw. Ende des Behandlungswärmetauschers. Der Winkel der Ausrichtung der Düsen in Richtung zu der Achse kann verändert werden, um die Stabilität der Flamme und des engen, verlängerten Profils derselben zu verstärken.

Der Druck des Brennstoffs, der mittels der Düsen zugeführt wird, sollte bedeutend höher sein als der Druck des Brennstoffs, der mittels des Wirbel­ brenners zugeführt wird. Vorzugsweise liegt der Druck des Brennstoffs, der mittels des Wirbelbrenners zugeführt wird, bei etwa 2 psi bis etwa 5 psi, wäh­ rend der Düsendruck bei etwa 30 psi oder sogar höher liegt. Das Verhältnis des Düsendrucks zum Wirbelbrennerdruck liegt vorzugsweise bei etwa 6 : 1 und kann auch so hoch wie etwa 15 : 1 oder größer sein.

Das Verhältnis des Drucks zwischen Düse und Brenner und das Verhältnis der Brennstoffzuführung zwischen Düse und Brenner leistet nicht nur einen Beitrag zu einer in hohem Maße stabilen, sich vertikal erstreckenden Flamme mit einem verlängerten, engen bzw. schmalen Profil; sie leisten auch erheb­ lich einen Beitrag zu der Reduzierung der NOx-Emissionen. Der Druck und die Menge des Brennstoffs, der mittels des Wirbelbrenners 28 zugeführt wird, führt zu einer Verbrennungszone (d), die arm an Brennstoff ist und die einen gewissen Luftüberschuß enthält, der fortfährt, sich nach oben in Richtung zu der Verbrennungszone (e) zu bewegen. Die Menge und der Druck des Brenn­ stoffs, der mittels der Düse 30 zugeführt wird, bewirken, daß die obere Ver­ brennungszone (e) reich an Brennstoff ist. Der Überschußbrennstoff in der Verbrennungszone (e) verbrennt in Berührung mit Verbrennungsgasen der Verbrennungszone (c) und zurückströmenden Ofenverbrennungsgasen (f). Die Kombination dieser Faktoren verlangsamt die Verbrennungsgeschwindig­ keit, setzt die Flammentemperatur an den Düsen und oberhalb derselben herab und reduziert die Gesamterzeugung an NOx.

Gemäß weiterer Bezugnahme jetzt auf Fig. 6 der Zeichnungen besitzt der Wirbelbrenner 28 einen Wirbelring 60, der im wesentlichen tassenförmig mit einer großen Öffnung in seinem Zentrum für den Durchtritt von Luft gestaltet ist. Der Wirbelring 60 besitzt eine Ringwand 62, die sich nach oben um den Umfang des Wirbelrings 60 herum von einer Ringfläche 64 aus erstreckt, die sich einwärts zu dem offenen Zentrum des Wirbelrings 60 hin erstreckt. An der Ringwand 62 ist eine Vielzahl von Anschlägen 66 ausgebildet, und zwar bei der Ausführungsform drei Anschläge in gleichen Abständen, die ein Mittel zum Zentrieren des Wirbelrings 60 innerhalb der Bohrung 40 bilden, die in dem Brennerblock 24 ausgebildet ist. Die Zentrierungsanschläge tragen auch dazu bei, einen gleichmäßigen Ringspalt zwischen der äußeren Fläche des Wirbelrings 62 und der inneren Fläche der Bohrung 40 auszubilden. Dieser Ringraum gestattet den Hindurchtritt eines Brennstoffstroms entlang des Weges (b'), wie zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben worden ist.

Ein Paar Brennstoffrohre 68, 68, die Brennstoff führen, erstrecken sich von dem Brennstoffrohr 46 aus, das zuvor beschrieben worden ist, und ist zu den Wirbeldüsen 72 hin in an sich bekannter Weise radial abgebogen. Die Wirbel­ düsen 72 führen Brennstoff auf einem spiralförmigen Weg zu, und der ein­ treffende Luftzug bewirkt eine Spiralströmung in der Verbrennungszone (c), wie hinlänglich bekannt ist.

In dem Wirbelring 60 sind Deflektoren 74 fest angebracht. Sie lenken den Brennstoffstrom radial einwärts ab, um die Spirale enger auszubilden. Jeder Deflektor 74 besitzt eine abgebogene, winklige Fläche 78, die sich von dem Umfang aus unter einem Winkel radial einwärts erstreckt. Jeder Deflektor 74 erstreckt sich vorzugsweise nach oben in einer Höhe oberhalb des oberen Randes der Ringwand 62. Jedoch ist die Höhe des Deflektors 74 nicht kri­ tisch.

Fig. 7 und 8 zeigen Details der Düse 30. Jede Düse 30, wie dargestellt, besitzt eine Länge L₁, die sich von der zentralen Achse eines abgebogenen Bereichs aus zu der Spitze der Lanze erstreckt. Die Länge L₁ kann in Abhängigkeit von der Konfiguration der Brennerbaugruppe oder anderen Erfordernissen einer besonderen Anwendung ausgewählt werden. Der in Fig. 7 dargestellte Bereich der Düse 30 ist aus zwei Bestandteilen gebildet: aus einer Düsen­ spitze 80, die sich nach oben in die Heizkammer hinein erstreckt, und aus einem Düsenkorpus 82, der die Düsenspitze 80 mit der Brennstoffzuführung verbindet. Bei dieser Ausführungsform besitzen die beiden Bestandteile 80 und 82 einen Durchmesser D₂.

Die Düsenspitze 80 besitzt einer Länge L₂ und ist vorzugsweise an dem Kor­ pus 82 im Wege einer Verschweißung bei 84 angebracht. Die Düse 30 ist erwünschtermaßen, jedoch nicht notwendigermaßen aus zwei Bestandteilen, wie beispielsweise der Lanzenspitze 80 und dem Lanzenkorpus 82, ausgebil­ det. Ein hitzebeständiges Material, wie beispielsweise HK40, kann verwendet werden, wenn sich die Düse in die Verbrennungszone hinein erstrecken soll. Der Korpusbereich 82, der keinen so hohen Temperaturen ausgesetzt ist, kann aus einem weniger teuren Material hergestellt sein.

Des weiteren macht die Ausbildung der Düse 30 aus zwei separaten Bestandteilen es zweckmäßig, den Durchtritt in Richtung zu der Achse der Brennerblockbohrung abzubiegen, ohne die Düse abzubiegen. Unter beson­ derer Bezugnahme auf Fig. 8 besitzt der Spitzenbereich 80 ein unteres Ende 86, das zur Befestigung an einem oberen Ende des Düsenkorpus 82 geeignet und bestimmt ist, und ein oberes Ende, das zur Erstreckung nach oben in die Heizkammer geeignet und bestimmt ist. Die Düsenspitze 80 kann aus einer festen Stange ausgebildet sein, die von dem unteren Ende 86 aus angebohrt ist. Eine Endöffnung 90 kann in zweckmäßig der Weise in das obere Ende 88 von dem gegenüberliegenden Ende aus eingebohrt sein zur Verbindung zwi­ schen der Bohrung und der Außenfläche der Düse. Der Winkel α, unter dem die Endöffnung 90 im Vergleich zu der Achse der Düsenspitze 90 ausgerichtet ist, ist vorzugsweise kleiner als etwa 30° und weiter bevorzugt etwa 15°. Die Düse ist so ausgerichtet, daß die abgewinkelte Endöffnung nach innen gewandt ist. Die Endfläche des oberen Ende 88 kann, wie in Fig. 8 angege­ ben ist, abgewinkelt sein, um eine flache Fläche zu schaffen, in die die End­ öffnung 90 eingebohrt werden kann, dies zum Zwecke der Herstellung.

Wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 wird Brennstoff der Brenner­ baugruppe 96 mittels eines Brennstoffverteilers 42 zugeführt. Mit dem Brenn­ stoffverteiler 42 ist eine Vielzahl von Brennstoffrohren 44 verbunden, die Brennstoff den Düsen 30 zuführen.

Ein Brennstoffrohr 46 ist mit dem Wirbelbrenner 28 verbunden. Es ist mit dem Brennstoffverteiler 42 über ein Achssperrventil 48 mit einem Ventilgriff 50 ver­ bunden. Ein separates Brennstoffrohr 52 ist mittels eines T-Stücks 56 mit dem Brennstoffrohr 46 verbunden. Das Rohr 52 besitzt eine Strömungsöffnung 54 in der Nähe des T-Stücks 56. Wenn sich der Ventilgriff 50 in der in Fig. 4 mit­ tels einer ausgezogenen Linie dargestellten Position befindet, befindet sich das Achssperrventil 48 in der Schließstellung, wodurch die Strömung von rohem Brennstoff direkt von dem Verteiler 42 aus in das Brennstoffrohr 46 verhindert ist. In dieser Schließstellung strömt Brennstoff von dem Verteiler 42 aus durch das Hilfs-Brennstoffrohr 42, die Öffnung 54 und das T-Stücks 56 hindurch. Die Öffnung 54 verringert die Strömung von Brennstoff, die dem Wirbelbrenner 28 zugeführt wird. Dies macht es möglich, unterschiedliche Mengen von Brennstoff dem Wirbelbrenner 28 und den Düsen 30 zuzuführen. Wenn der Ventilgriff 50 nach unten gedreht wird, öffnet sich das Ventil 48, so daß roher Brennstoff direkt in das Brennstoffrohr 46 einströmt und ein größe­ res Brennstoffverhältnis durch den Wirbelbrenner 28 hindurch zugeführt wird. Es ist festgestellt worden, daß ein solcher vergrößerter Brennstoffstrom wäh­ rend des Brennerstartens besonders günstig ist. Das Ventil 48 kann geschlos­ sen werden, um proportionale Ströme einzustellen und die NOx-Emissionen während des Betriebs zu reduzieren.

Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform einer Brennerbaugruppe 126 unter Bezugnahme auf Fig. 9 und 10 beschrieben. Diese Ausführungsform ist gleich der einen in Fig. 4 dargestellten, besitzt jedoch weiter ein Abstützrohr 162, das sich mittels einer Kupplung von den Wirbelrohren 128 für die Zufüh­ rung von Brennstoff nach oben zu einem Brennstoffverteilerkonus 174 erstreckt, dessen Einzelheiten im Fig. 10 dargestellt sind. Der Konus 164 leitet einen gewissem Strom des Brennstoffs von der nach oben gerichteten Axial­ richtung zu einer radial äußeren Richtung um. Insbesondere besitzt gemäß Darstellung in Fig. 10 der Verteilungskonus 164 Außengewindegänge 166, die derart angeordnet sind, daß sie mit Innengewindegängen in dem Abstützrohr 162 im Eingriff stehen. Der Konus 164 besitzt auch eine Vielzahl von longitu­ dinalen Durchtritten 168, 170, die durch ihre Außenfläche begrenzt sind. Wenn der Verteilungskonus 164 in das Abstützrohr 162 eingeschraubt wird, bilden die longitudinalen Durchtritte 168 eine Vielzahl von sich radial erstrec­ kenden Auslässen 170. Es ist festgestellt worden, daß das Hinzufügen eines Mittels zum Ablenken eines Bereichs des primären Brennstoffs radial nach außen die gute Mischung von Brennstoff und Luft in dem Bereich der Ver­ brennungszone (c) begünstigt.

Die für die Darstellung in den Zeichnungen ausgewählten Ausführungsformen zeigen bevorzugte Merkmale ausgewählter Abwandlungen der Erfindung. Diese Ausführungsformen können in vielfacher Weise modifiziert werden, zahlreiche Bestandteile können weggelassen oder ersetzt werden, ohne den Umfang und den Geist der Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist für zur Verwendung bei einem Wärmeaustauschverfahren geeignet und bestimmt, bei dem sich eine zusammengesetzte Flamme mit geringem NOx-Gehalt entweder nach oben von der Bodenfläche aus oder nach unten von der Deckenfläche aus erstreckt und eine im wesentlichen ver­ tikal ausgerichtete Behandlungseinrichtung oder Wärmebehandlungswand irgendeiner ausgewählten Art und Gestaltung erwärmt bzw. erhitzt.

Die Brennerbaugruppe dieser Erfindung kann innerhalb eines Brennerblocks angeordnet sein, der in einem Kammerboden oder einer Kammerdecke ange­ ordnet ist, oder anderweitig angebracht sein. Sie kann in der Nähe eines Kammerbodens oder einer Kammerdecke, jedoch oberhalb eines Kammerbo­ dens oder unterhalb einer Kammerdecke in Abhängigkeit von Gestaltungser­ wägungen angeordnet sein.

Die Düsen 30 können verschiedene Konfigurationen aufweisen, solange sie in der Lage sind, im allgemeinen nach oben oder nach unten in die Heizkammer vorzustehen. Der Korpus der Düsen kann vertikal oder anderweitig oberhalb des Wirbelbrenners ausgerichtet sein. Es ist zu beachten, daß, obwohl acht Düsen 30 Brennstoff den Wirbelbrennern 28 benachbart gemäß Darstellung zuführen, die Zahl der Düsen und Brenner wie gewünscht geändert werden kann. Das Anordnen der Düsen in einer im allgemeinen quadratischen oder rechteckigen Konfigurationen rund um den Wirbelbrenner sorgt für eine recht­ eckige Erstreckung der Flamme, die einen größeren Flächenbereich als ein Zylinder gleicher Höhe aufweist. In Hinblick auf die Übertragung von Strah­ lungswärme (die primäre Art der Wärmeübertragung an Rohren) bedeutet ein größerer Flächenbereich eine größere und wirksamere Wärmeübertragung. Einer der Vorteile der Wärmeübertragung unseres Flammensystems betrifft bezieht sich direkt auf Erwägungen des Flächenbereichs.

Viele alternative Konfigurationen für die Düse 30 werden in Betracht gezogen. Sie kann aus einem einzigen Stück mit einer Bohrung ausgebildet sein, das sich vertikal in die Heizkammer hinein erstreckt. Eine schwache Abbiegung, vorzugsweise kleiner als etwa 30°, kann an einem Endbereich vorgesehen sein, um die Bohrung in Richtung zu der zentralen Achse des Brennerblocks 24 abzubiegen.

Der Radius R der Endöffnung 90 wird in Hinblick darauf ausgewählt, für ein gewünschtes Verhältnis zwischen der Menge des Brennstoffs, der zugeführt wird, im Vergleich zu den Brennstoff, der mittels des Wirbelbrenners oder der Wirbelbrenner zugeführt wird, zu sorgen.

Der den Düsen und dem Wirbelbrenner zugeführte Brennstoff kann gasförmig oder flüssig sein, von den gleichen oder unterschiedlichen Quellen stammen oder sogar von dem gleichen Verteiler stammen. Eine große Vielzahl von Kraftstoffen wird in Betracht gezogen, beispielsweise Naturgas oder 100% Wasserstoff oder flüssiges Petroleumgas, das Propan oder Butan oder Mischungen derselben mit irgendeinem Prozentsatz enthält, oder irgendeine Mischung von flüssigem Petroleumgas mit Wasserstoff oder Naturgas, wie dies gewünscht wird.

Die Kammer 12 besitzt vorzugsweise mindestens eine Seitenwand, die min­ destens teilweise einen Innenraum umschließen kann. Die Zahl der Wär­ meaufnahmewände kann in Abhängigkeit von gegenständlichen Gestaltung variieren.

Die Behandlungsrohre 22 werden typischerweise dazu verwendet, ein Behandlungsfluid für einen Wärmeaustausch durch die Kammer 12 hindurch zu führen. Sie können in jeder gewünschten Weise ausgerichtet sein. Die Behandlungsrohre nehmen typischerweise eine gemeinsame Ebene ein. Die Behandlungsrohre können serpentinenartig angeschlossen sein, so daß sie horizontale Längenbereiche aufweisen. Sie können auch vertikale Bereiche oder abgewinkelte Längenstücke, die diagonal zum Kammerboden 14 oder unter irgendeinem anderen Winkel verlaufen, aufweisen.

Die Bohrung des Brennerblocks 24 ist eine Form eines Einschnürungsmittels, das zur Führung der sich spiralförmig nach oben erstreckenden Verbren­ nungszone geeignet ist. Andere Einschnürungsmittel, beispielsweise ein Rohr oder eine Leitung oder eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Fläche, die sich teilweise oder vollständig rund um den Wirbelbrenner herum erstreckt, werden in Betracht gezogen. Geeignete Einschnürungsmittel können auch in den Wirbelbrenner selbst eingebaut sein.

Es wird in Betracht gezogen, daß ein Brennerblock 24 eine zweckmäßige Zahl von Wirbelbrennern 28 umfassen kann. Die Wirbelbrenner 28 müssen in Hin­ blick aufeinander nicht auf einer Linie angeordnet sein, sondern können, sofern gewünscht, auf einem Dreieck oder in einer anderweitigen Ausrichtung ausgerichtet sein.

Als eine Alternative zu der Verschweißung der Deflektoren 74 an dem Wirbel­ ring 60 kann der Ring selbst durch einwärts gerichtetes Abbiegen von Berei­ chen der Ringwand 62 modifiziert sein, indem Flächen der Ringfläche 74 nach oben oder nach unten oder seitlich deformiert werden, oder durch anderwei­ tige Mittel, die in der Lage sind, eine winklig angeordnete Fläche zu bilden, die geeignet ist, den Brennstoffstrom und den Luftstrom in einem engeren Spiral­ muster abzulenken. Der Abstand D₁ zwischen der Düse 72 und dem Deflektor 74 ist für die Erfindung nicht kritisch. Viele andere Abänderungen können durchgeführt werden, ohne den Geist und den Rahmen der Erfindung gemäß Definition in den beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines Behandlungsfluids in einer Kammer mit den oder einer Decke, umfassend:
einen Wirbelbrenner (28), der zum Austreten lassen einer Wirbelflamme stromabwärts auf einem verlängerten Weg angeordnet ist, der oberhalb des Bodens (14) oder von der Decke (14) der Kammer (12) aus nach unten er­ streckt;
ein Zuführungsmittel zum Zuführen von Brennstoff und Luft in den Brenner (28);
ein Führungsmittel, das auf dem verlängerten Weg in der Nähe des Brenners (28) angeordnet ist, zum Führen des Wirbelstroms entlang eines aufwärts oder abwärts gerichteten Weges;
eine separate Brennerdüse (30), die in einem Abstand von dem Brenner (28) angeordnet ist;
ein Mittel zum Zuführen von Brennstoff zu der Düse (30) zum Ausstoßen von Brennstoff entlang des verlängerten Weges stromabwärts des Brenners (28), wobei die Düse (30) dazu bestimmt ist, den Brennstoff in den Weg des Wir­ belstroms von- dem Brenner (28) aus freizugeben, um den Brennstoff an einer Stelle stromabwärts der Wirbeldüse zu verbrennen;
wobei die Verbrennung in dem Wirbelstrommuster eine Flamme (32a) einer näher gelegenen Stufe, die Verbrennungsgase erzeugt, die sich stromabwärts von dem Brenner (28) aus erstrecken, erzeugt und wobei die Düse (30) eine weitere Verbrennung in einer Flamme (32b) einer entfernter gelegenen Stufe erzeugt, die in einem Abstand weiter stromabwärts der Flamme (32a) der nä­ her gelegenen Stufe angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Einschnürungsmittel, das eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Fläche umfaßt, in der Nähe des Bren­ ners (28) angeordnet ist, um einen Weg für den Wirbelstrom des Brennstoffs und der Luft von dem Brenner (28) aus zu schaffen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Deflektor (74) auf dem Strö­ mungsweg in einem Abstand von dem Wirbelbrenner angeordnet ist, wobei der Deflektor (74) eine Fläche aufweist, die radial einwärts abgewinkelt ist, um den Wirbelstrom radial zu richten bzw. zu führen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, der eine Brennstoff- und eine Luftregelung für den Brenner (28) und die Düse (30) aufweist, so daß ein Teil der Flamme (32a) arm an Brennstoff ist und ein anderer Teil der Flamme (32b) reich an Brennstoff ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düse (30) eine Düsenachse be­ sitzt, die unter einem Winkel zur Vertikalen ausgerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düse (30) eine Kapazität zur Zuführung des Hauptteils des gesamten Brennstoffstroms in die Kammer (12) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Düse (30) eine Kapazität zur Zuführung von etwa 80% oder mehr des gesamten Brennstoffstroms in die Kammer (12) aufweist und wobei der Brenner (28) eine Kapazität zur Zufüh­ rung von etwa 20% oder weniger der Gesamtstrommenge aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter ein Einstellmittel zur Vergrößerung des Stroms des Brennstoffs umfassend, der mittels des Brenners während des Startens der Heizkammer (12) zugeführt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Mittel vorgesehen sind, um den Brennstoffdruck in der Düse (30) auf einen Wert höher als der Brennstoffdruck in dem Brenner (12) zu regeln.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei Regelungsmittel vorgesehen sind, um das Verhältnis zwischen dem Brennstoffdruck in der Düse (30) und dem Brennstoffdruck in dem Brenner (28) auf etwa 6 : 1 bis etwa 15 : 1 zu regeln.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Wirbelbrenner mit einem By­ passmittel ausgestattet ist, das bewirkt, daß sich ein Bereich der Flamme unter der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Fläche ausbreitet und radial auswärts an der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Fläche vorbei strömt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter einen Gasverteiler (42) umfassend, der axial in einem Abstand von dem Wirbelbrenner (28) angeordnet und angeschlossen ist, zur Zuführung von Brennstoff radial nach außen, um das Vermischen von Brennstoff und Luft in der Brennerflamme (32) zu begünsti­ gen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Düsen (30) rund um den Wirbelbrenner (28) herum verteilt ist und wobei die Düsen (30) mit unter Druck stehendem Brennstoff und Luft versorgt sind.

14. Düsenmischbrenner mit geringem NOx-Ausstoß als Verbindung für eine Brennstoffzuführung und eine Luftzuführung zur Einführung einer zusammen­ gesetzten verlängerten Flamme in der stromabwärtigen Richtung in die Heiz­ kammer hinein, wobei der Brenner umfaßt:
eine Wirbeldüse (72), die in Hinblick auf die Zuführung von Brennstoff in den Brenner (28) angeordnet ist, wobei der Brenner (28) in Hinblick darauf gestaltet ist, den Brennstoff und die Luft zu einem Wirbelstrom auszubilden, was bewirkt, daß er sich nach unten entlang der Achse des Brenners (28) bewegt;
wobei der Brenner (28) eine Ablenkungsfläche (74) aufweist, die in der Nähe der Wirbeldüse (72) angeordnet ist und zur Ausrichtung des Wirbelstroms einwärts in Richtung zu dem Weg und entlang desselben entlang der Bren­ nerachse bestimmt ist;
eine Düse, die stromabwärts der Wirbeldüse (72) angeordnet ist, zur Zufüh­ rung von Brennstoff an einer Stelle, die in einem Abstand axial stromabwärts von der Wirbeldüse (72) angeordnet ist, wobei die Düse im wesentlichen in derselben Richtung wie der Weg des Wirbelstroms von dem Wirbelbrenner (28) aus ausgerichtet ist;
wobei die Verbrennung in dem sich axial erstreckenden Wirbelstrommuster einen proximalen Flammenbereich (32a) ausbildet, dessen Verbrennungs­ gase sich axial stromabwärts von dem Wirbelbrenner (28) aus erstrecken, und wobei der Düsenbrennstoff eine Verbrennung in Anwesenheit der Verbren­ nungsgase an einem distalen Flammenbereich (32b) erfährt, der axial strom­ abwärts von dem proximalen Flammenbereich (32a) aus beabstandet ist.

15. Düsenmischheizkammer mit geringem NOx-Ausstoß, umfassend:
ein Wärmeaufnahmemittel (20a-20d), das sich in der Kammer (12) nach oben erstreckt;
einen Düsenmischbrenner (28), der in der Kammer (12) angeordnet ist, zum Abgeben einer Flamme (32) nach oben oberhalb des Bodens (14) der Kam­ mer (12);
eine Luftzuführung, die mit dem Brenner (28) verbunden ist;
eine Wirbeldüse (72), die zur Zuführung von Brennstoff in den Brenner (28) zur Verbrennung mit der Luft angeschlossen ist, wobei die Düse (72) in Hin­ blick darauf gestaltet ist, den Brennstoff und die Luft zu einen aufwärts gerichteten Wirbelstrom auszubilden;
ein Einschnürungsmittel in der Nähe der Wirbeldüse (72) zur Ausrichtung des Wirbelstroms entlang eines nach oben ausgerichteten Weges;
ein Düsenmittel, das in der Kammer (12) stromabwärts des Brenners (28) angeordnet ist, zur Zuführung einer separaten Brennstoffversorgung in die Kammer (12) stromabwärts des Brenners (28), wobei das Düsenmittel nach oben oberhalb des Brenners (28) auf im wesentlichen dem Weg des Wirbel­ stroms ausgerichtet ist;
wobei die Verbrennung in dem nach oben gerichteten Wirbelstrom einen unte­ ren Flammenbereich (32a) in dem Einschnürungsmittel oberhalb der Wirbel­ düse (72) ausbildet und wobei der Düsenmittelbrennstoff eine separate Ver­ brennung in einem oberen Flammenbereich (32b) erfährt, der dort in einem Abstand oberhalb des unteren Flammenbereichs (32a) angeordnet ist;
wobei sich der obere und der untere Flammenbereich (32a, 32b) nach oben in Wärmeübertragungsnähe zu dem Wärmeaufnahmemittel (20a-20d) erstrec­ ken.

16. Verfahren zum Erhitzen eines Fluids in einer Kammer, die einen Boden An eine sich nach oben erstreckende Wärmeaufnahmewand umfaßt und eine zu erhitzende Substanz enthält, das die Schritte umfaßt:

• (a) das Anordnen eines Wirbelbrenners (28) im wesentlichen an dem Kam­ merboden (14) oder oberhalb desselben in der Nähe zu der Wärmeaufnah­ mewand (20a-20d), wobei die Wirbeldüse nach oben gewandt ist;
• (b) das Zuführen von Brennstoff und Luft zu der Wirbeldüse und das Verbren­ nen des Brennstoffs zur Erzeugung eines Verbrennungsproduktes;
• (c) das Ausbilden eines Wirbelstroms des Verbrennungsproduktes bei Aus­ richten des Wirbelstroms entlang eines nach oben ausgerichteten Weges;
• (d) das Ausspritzen von Brennstoff entlang des Weges an einer Stelle, die oberhalb des Brenners (28) angeordnet ist, und das Verbrennen des Brenn­ stoffs, wodurch Düsenstromverbrennungsprodukte gebildet werden; und
• (e) das Ausrichten der sich ergebenden Flammen nach oben in der Nähe der Wärmeaufnahmewand (20a-20d) zum Übertragen von Wärme-an diese.