DE19941091A1

DE19941091A1 - Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zweistoffzerstäuberdüse

Info

Publication number: DE19941091A1
Application number: DE1999141091
Authority: DE
Inventors: Frank Hegewald; Peter Hemmann; Helmut Heelemann
Original assignee: Software & Tech Glas GmbH
Current assignee: SOFTWARE & TECHNOLOGIE GLAS GMBH (STG), 03046 COTT
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heizölbrenner für Industrieöfen, der insbesondere geeignet ist zur NOx-Minderung und der durch einfache äußerliche Stellhandlung umstellbar ist wahlweise als Innenzerstäuber mit der Charakteristik eines idealen Freistrahlzerstäubers, als Zweifachheizölzerstäuber, wobei dessen erste Stufe dem Prinzip der idealen Freistrahlzerstäubung nahekommt und als Außenzerstäuber, wobei der Brenner in den Luftkopf integrierte Zerstäubergasschieber aufweist, die an die axiale Verstellung der Öldüse gekoppelt sind, so daß in der entsprechenden Öldüsenposition jeweils das Zerstäubergas auf den entsprechenden Gasweg des Zerstäubermediums entsprechend des Zerstäubertyps geschiebert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizölbrenner mit typumstellba rer Zweistoffzerstäuberdüse insbesondere für Industrieöfen mit Ofenraumtemperaturen oberhalb von 800°C bis etwa 1800°C. Der Brenner ist besonders dazu geeignet primär NOx zu min dern, die Flammengeometrie der Ofengeometrie besser als bis lang möglich anzupassen, oder die Flammenform herkömmlicher Brenner zu simulieren oder auch die vom Anwender erwünschte Flammenform und -lage im Ofenraum möglichst gut einzustel len. Wesentlich ist, daß durch die Verstellbarkeit des Bren ners aber auch das Zündverhalten der Flamme stark beeinflußt wird. Dieses Charakteristikum steht im engen Zusammenhang mit der NOx-Bildung und ist das eigentliche Hauptanliegen der Erfindung.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, je nach Ofentyp und technologischen Rahmenbedingungen durch möglichst starke Unterdrückung der Startreaktion (Zündung) als Folge eines sehr enges Tropfenspektrum des Heizöls, wesentliche Primär effekte bei der Minderung der Stickoxidemmission zu ermögli chen, ohne gleichzeitig unerwünscht lange Flammen hinnehmen zu müssen.

Die Erfindung in Form des Brenners oder im engeren Sinn in Form des typumstellbaren Zerstäuberkopfes ist besonders da durch gekennzeichnet, daß eine axial verstellbare Öldüse kombiniert ist mit 2 auf dem Düsenschaft angeordneten Schiebern für das Zerstäubergas und daß diese innerhalb eines umhüllenden Brennerluftkopfes so angeordnet sind, daß je nach Düsenposition durch axial offenen Gasweg eine Innenzerstäu bung, durch ein radial geöffnete Gaswegumgehung eine Außen zerstaübung oder durch Öffnung beider Gaswege eine Zweifach zerstäubung realisiert wird. Dabei ist insbesondere beim Innenzerstäuber die geometrische Anordnung als ideale Frei strahlpumpe figürlich festgelegt. Beim Zweifachzerstäuber weicht die Position der Öldüse von der idealen geometrischen Anordnung für den Freistrahl ab. Das ist erforderlich, da zum Innenzerstäuber eine axiale Differenz der Schieberstellung für die Zerstäuberwegumschieberung mechanisch an die Öldüsen position gekoppelt ist. Die Verfälschung des Freistrahls durch die anschließende Außenzerstäubung ermöglicht aber zu gleich eine Abweichung in diesem Stellungssinn, so daß auch für den Zweifachzerstäuber näherungsweise eine ideale innere Zerstäubung gesichert wird. Beim Außenzerstäuber ist der Einfallsort des Zerstäubergases nach der Öldüsenmündung als wesentlicher Zerstäubungsparameter stufenlos durch den axi alen Stellmechanismus der Öldüse stellbar. Lediglich der Ein fallswinkel des Zerstäubergases ist nicht stellbar, sondern mit den Bauteilen Gasumlenkungseinsatz und Brennerluftkopf konstruktiv festgelegt.

Entsprechend dem bekannten Stand der Technik sind herkömm liche Industrieofenbrenner wenig flexibel hinsichtlich der Flammenlänge und des Zündverhaltens und sind daher häufig auf den Ofentyp und dessen technologische Rahmenbedingungen bau lich abgestimmt. Damit können problemlos Öfen befeuert wer den, deren Technologie dauerhaft gleichbleibend ist. Höhere und/oder neue technische Anforderungen an die Flamme, wie beispielsweise neue Erkenntnisse veränderter Flammengeometrie zur Prozeßintensivierung, Energieeinsparung, Laufzeitverlän gerung des Ofens, Qualitätsverbesserung oder zur Schadstoff minderung können damit aber nicht oder nur eingeschränkt an gewendet werden. Weiterhin sind Industrieofenbrenner für Heizöl bekannt geworden, die als Regelbrennerlanzen bezeich net werden. Deren neue Funktion ist durch die einfach und re produzierbar Einstellung der axialen Position der Ölinnendüse gekennzeichnet, wobei Vorläufertypen dieses Brenners für die sen Zweck noch einen Eingriff in den Brenner und eine Bren nerentnahme erforderten. Die Regelbrenner erfüllen die Aufga be, die Flammenlänge besser einstellbar zu machen. Der Grund gedanke beruht aber darauf, die axiale Position der Öldüse im Zerstäuberzylinder frei wählen zu wollen, ohne die Kenntnis einer optimalen Position der Düse im Zerstäuber. Im Gegensatz zu dieser Herangehensweise und dem darauf beruhenden Konzept gibt es aber diese optimale Position, so wie sie in Anspruch 6 fixiert ist.

Sie zeigt sich in besonders gleichmäßigen Tropfengrößen, also einem engen Tropfengrößenspektrum, weist den kleinsten Zerstäubergasbedarf auf und sichert zugleich die geringste Verschmutzung am Brenner. Das enge Tropfenspektrum und klei ner Zerstäubergasbedarf sind entscheidend für die NOx-Bil dung in der Flammenwurzel. Hingegen bestimmt die Tropfengröße und besonders die der größten Tropfen die Flammenlänge. Es ist also falsch mit der Düsenposition die Flammenlänge ein stellen zu wollen, da dadurch besonders das Spektrum ver schlechtert, verbreitert wird. Die Tropfengröße ist hingegen, so wie bislang üblich, effektiver bei optimalen NOx-Werten durch den Zerstäubergasdruck einstellbar, ohne das Tropfen spektrum durch Öldüsenpositionen abseits des Optimum zu ver schlechtern. Mit Einschränkungen gilt dies auch für Luftzer stäubung. Stellbarkeit an den bekanntgewordenen Regelölbren neren eröffnen somit lediglich den mit vielen Nachteilen ver bundenen Freiheitsgrad, von der optimalen axialen Öldüsenpo sition abzuweichen zu können oder eben auch diese selbst em pirisch anzuwählen, wenn man sie nicht kennt oder sie im Brenner nicht baulich fixiert ist. Stellhandlungen am Regelölbrenner sind damit Verstellhandlungen innerhalb einer Konfiguration und produzieren deshalb zumeist unnötig viel NOx, verlängern z. B. die Flamme durch wenige besonders große Öltropfen ohne den ansonsten damit verbundenen NOx-Minde rungseffekte zu erbringen und fördern schnelle Verschmutzung. Es gibt kein Erfordernis, allein die axiale Öldüsenposition zu verändern, wenn man die optimale Position des Typs kennt.

Um diese Nachteile aufzuheben wurde ein stellbarer Brenner entwickelt, der im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik den Brenner mit einem einfachen Verschiebemechanismus als Typ für Innenzerstäubung, Zweifachzerstäubung und Außenzerstäu bung umstellen kann und dies an die Öldüsenposition koppelt. Das Wesen der Erfindung besteht darin, innerhalb des Brenner kopfes den Zerstäubergasweg in Koppelung an die Öldüsenposi tion umzuschiebern. Bei den Brennertypen: Innenzerstäuber und Zweifachzerstäuber sind dabei die optimalen Öldüsenposi tionen in einem engen Umgebungsbereich stufenlos einstellbar. Dem Außenzerstäuber ist wegen der unaufgeklärten Position des Optimum ein wesentlich größerer Stellweg zugeordnet dadurch, daß auf dem überwiegenden Anteil des axialen Stellweges der Öldüse der Umgehungsgasweg geöffnet ist und der Axialgasweg verschlossen ist, so daß das Zerstäubergas auf den Weg zu einem für Außenzerstäuber typischen Ringspalt geleitet wird. Dadurch, daß die Schieber in den Brennerkopf integriert sind, ist es möglich, mittels kleiner Lekgasraten durch die an sich sperrend eingestellten Schieber dem Brennerluftkopf über den passiven Gasweg kleine Reinigungsgasströme zuzuführen.

Überraschend wurde gefunden, daß neben der Freihaltung des passiven Weges bei Reinigungsgasmengen um 5% vom Zerstäuber gas, sehr gute Reinigungs- und Dauerstandszeiten für den ganzen Brennerkopf zu erzielen sind, die bekannte Werte her kömmlicher Brenner weit übertreffen.

In einem Ausführungsbeispiel nach den Ansprüchen 4 und 6 ist ein Brenner für den Leistungsbereich 50-250 kg/h schweres Heizöl als Innenzerstäuber eingestellt, wobei Die Öldüsenmün dung von der Mündung des Zerstäuberzylinder um 15,3 mm zurück gesetzt eingestellt ist. Die Öldüsenbohrung beträgt 1,8 mm. Der Zerstäuberzylinder weist einen Durchmesser von 7 mm auf. Gemindert um den Durchmesser der Öldüse beträgt damit die Entfernung für die verfügbare freie Strahlausbreitung 5,2 mm. Bezogen auf die Mündungsdistanz Öldüse-Zerstäuberzylinder ist das kriterielle Verhältnis 0,34. Der Brenner entspricht so in der Einstellung dem Anspruch 6 der Erfindung. Für die Lekgage zur Reinhaltung des Brenners ist zwischen Schieberzylinder und Zerstäuberzylinder gemäß Anspruch 1 im Beispiel ein Toleranzspalt von 0,1 mm eingestellt. Der Brenner ist einge setzt an einer Glasschmelzwanne mit Ofenraumtemperaturen bis etwa 1600°C. Das schwere Heizöl wird heißer als 100°C vorge wärmt. Der Brennerbetrieb erfolgt ohne zyklische Reinigung. Als Zerstäubergas wird Pressluft in der Druckstufe von 3 Bar eingesetzt. Der Zerstäuberdruck liegt typisch um 1 Bar. In einem weiteren Anwendungsbeispiel liegt der Zerstäuberdruck der Luft unter 0,7 Bar. Die Zerstäuberluftbereitstellung er folgt dabei kostengünstig mittels Hochdruckgebläse.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Öldüse

2

Öldüsenschaft

3

Abstandssteg

4

ringförmiger Schieberkörper

5

Gasumlenkungseinsatz

6

radialer Gasdurchlaß

7

Brennerluftkopf

8

Zerstäuberzylinder

9

Schieberzylinder

10

kegelförmige Einengung

11

Zerstäubergasanschluß

12

Gewindeschubsegment

13

Gewindehülse

14

Ölrohranschluß

15

langes Stellgewinde

16

äußere Verlängerung

17

Faltenbalgdehnungsausgleicher

Claims

1. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zwei stoffzerstäuberdüse beruhend auf axial veränderlicher Öldü senposition innerhalb eines umhüllenden Brennerluftkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner im Innern einen Radialgasschieber mit mäßiger Reinigungsgaslekage aufweist, wobei seine axiale Position mit der Position der Öldüse (1) verbunden ist, dadurch daß achsgleich zum Öldüsenschaft (2) auf diesem und mit Abstandsstegen (3) positioniert, ein ring förmiger Schieberkörper (4) so angeordnet ist, daß im Inneren des Schieberkörpers axiale Gaswege offen sind und daß der Schieberkörper von einem, im Stellbereich zylindrischen Gas umlenkungseinsatz (5) umgeben ist, der dort mindestens einen radialen Gasdurchlaß (6)aufweist und daß der Gasumlenkungs einsatz von einem Brennerluftkopf (7) radial vollständig umhüllt ist.

2. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zwei stoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasumlenkungs einsatz in vorderer Position einen Zerstäuberzylinder (8) mit kleinerem Durchmesser und im Stellbereich des ringförmigen Schieberkörpers einen hinteren Schieberzylinder (9) mit grös serem Durchmesser aufweist und daß der Öldüsenschaft nahe der Öldüse einen Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner ist als der des Zerstäuberzylinders, so daß der Öldüsenschaft im Zerstäuberzylinder axial verschieblich ist und in vorderer Position einen Gasschieber mit mäßiger Reinigungsgaslekgage bildet.

3. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zwei stoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positionierung der Öldüse nahe und/oder außerhalb der vor deren Stirnfläche des Zerstäuberzylinders den Brenner konfi guriert als Düse vom an sich bekannten Typ des Zweistoff außenzerstäubers.

4. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zwei stoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zerstäu berzylinder und Schieberzylinder des Gasumlenkungseinsatzes achsgleich durch eine kegelförmige Einengung (10) zum Zerstäu berzylinder hin miteinander verbunden sind und durch die Po sitionierung der Öldüse außerhalb des Zerstäubungszylinders und innerhalb der kegelförmigen Einengung bei gleichzeitigem Verschluß des Radialgasschiebers, der Brenner konfiguriert ist als Innenzerstäuber insbesondere für die Zerstäubung nach dem Prinzip der Spritzerströmungszerstäubung.

5. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zwei stoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öldüse nahe der hinteren Stirnfläche des Zerstäuberzylinders posi tioniert ist und der Radialgasschieber nach Anspruch 1 sowie der Axialgasschieber nach Anspruch 2 gleichzeitig geöffnet sind und der Brenner damit als Typ konfiguriert ist, der als Zweifachheizölzerstäubers bekannt ist.

6. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zweistoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition, nach den Ansprüchen 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Zerstäuberzy linders, vermindert um den Durchmesser der Öldüse, zur Ent fernung zwischen Düse und freier Mündung des Zerstäuber zylinders annähernd 1/3 beträgt, vorzugsweise aber sehr nahe bei 0,344 liegt.

7. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zweistoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition, nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixposition des Brenners gebildet wird vom Zerstäuber gasanschluß (11) und die Positionsstelleinrichtung für die Positionierung der Öldüse in Brennerluftkopf und Gasumlen kungseinsatz gebildet wird von einem Gewindeschubsegment (12) und einer äußerlich angeordneten Gewindehülse (13).

8. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zweistoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition, nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixposition des Brenners gebildet wird vom Ölrohranschluß (14) und/oder Zerstäubergasanschluß und die Positionsverstellein richtung für die Positionierung der Öldüse in Brennerluftkopf und Gasumlenkungseinsatz gebildet wird von einem langen Stellgewinde (15) am Brennerluftkopf.

9. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zweistoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition, nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixposition des Brenners gemeinsam gebildet wird vom Ölrohranschluß und Zerstäubergasanschluß insbesondere in einer Konfiguration der Medienzuführung, die an sich bekannt ist als "Ölrohr in Gasrohr" und daß die Positionsstellein richtung für die Positionierung der Öldüse im Brennerluftkopf und Gasumlenkungseinsatz gebildet wird von einer Teleskopver längerung zwischen Zerstäubergasanschluß und Gasumlen kungseinsatz und daß eine rückwärtig äußere Verlängerung (16) des Brennerkluftkopfes der nach Anspruch 8, ein langes Stell gewinde aufweist, ein einfaches heckseitiges Handling bildet.

10. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zweistoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teleskop verlängerung ersetzt ist durch einen an sich bekannten Fal tenbalgdehnungsausgleicher (17).

11. Heizölbrenner für Industrieöfen mit typumstellbarer Zweistoffzerstäuberdüse und veränderlicher Öldüsenposition, nach Anspruch 9 und 10 und insbesondere geeignet für Druck luft als Zerstäubergas, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile Teleskopverlähgerung nach Anspruch 9 und der Fal tenbalgdehnungsausgleicher nach Anspruch 10 im ansonsten gleichen Brenner nicht eingebaut sind und das lange Stellge winde für hohe Gaslekrate ausgeführt ist und/oder mindestens einen Kühlluftdurchbruch aufweist.