DE19955134A1

DE19955134A1 - Rekuperatorbrenner

Info

Publication number: DE19955134A1
Application number: DE19955134A
Authority: DE
Inventors: Ingo Schuster; Kirsten Fieger-Schlangen
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2001-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rekuperatorbrenner zur Beheizung von Öfen mit einem Gehäuse (1), das an seinem dem Ofen abgewandten Ende einen Einlaß (3) für Verbrennungsluft umfaßt sowie einen Einlaß für das Verbrennungsgas (4), wobei das Verbrennungsgas (4) mittels einer zentrierten Gaslanze (6) durch das Gehäuse (1) geführt wird, und wobei die Verbrennungsluft (3) durch ein sich längs des Gehäuses und radial zur Gaslanze erstreckendes Rekuperatorrohr (7) strömt, sowie mit einer Brennkammer (15) am ofenseitigen Ende des Gehäuses als gemeinsamer Mündungsbereich (16) von Gaslanze und Rekuperator, in dem das Brenngas (4) und die Verbrennungsluft (3) intensiv vermischt werden und eine Gasflamme in den Ofenraum austritt, und mit einer Abgasrücksaugeinrichtung (12, 13) zum Einsaugen heißer Abgase (10) aus dem Ofenraum in den Rekuparator (7) mit gegenläufiger Strömungsrichtung zu der Verbrennungsluft, um die Verbrennungsluft durch den Wärmeübergang im Rekuperator mittels der heißen Abgase vorzuwärmen. Um einen solchen Rekuperatorbrenner bereitzustellen, der trotz Verzicht auf ein Strahlrohr temperatur- sowie korrosionsbeständig ist, word vorgeschlagen, daß die metallischen Brennerbereiche, die einer Temperatur oberhalb von 900 DEG C im Betrieb ausgesetzt sind, mindestens bereichsweise mit einer keramischen Schutzschicht versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rekuperatorbrenner zur Beheizung von Öfen mit ei nem Gehäuse, das an seinem dem Ofen abgewandten Ende einen Einlaß für Ver brennungsluft umfaßt sowie einen Einlaß für das Verbrennungsgas, wobei das Verbrennungsgas mittels einer zentrierten Gaslanze durch das Gehäuse geführt wird und wobei die Verbrennungsluft durch ein sich längs des Gehäuses und radi al zur Gaslanze erstreckendes Rekuperatorrohr strömt, sowie mit einer Brenn kammer am ofenseitigen Ende des Gehäuses als gemeinsamer Mündungsbereich von Gaslanze und Rekuperator, in dem das Brenngas und die Verbrennungsluft intensiv vermischt werden und eine Gasflamme in den Ofenraum austritt, und mit einer Abgasrücksaugeinrichtung zum Einsaugen heißer Abgase aus dem Ofen raum in den Rekuperator mit gegenläufiger Strömungsrichtung zu der Verbren nungsluft, um die Verbrennungsluft durch den Wärmeübergang im Rekuperator mittels der heißen Abgase vorzuwärmen.

Rekuperatorbrenner ermöglichen durch die Anordnung des Rekuperators und folglich durch die gegenläufige Strömung von heißen Abgasen und der kälteren Verbrennungsluft eine hohe Vorwärmung der in die Brennkammer austretenden Verbrennungsluft, verbunden mit hohen Wirkungsgraden und einem geringen Ausstoß an NO_x.

Zum Schutz vor thermischer und korrosiver Belastung in der heißen Ofenatmo sphäre ist der Brenner üblicherweise mit einem Strahlrohr verlängert, das weit in den Ofen hineinreicht. Die am Mündungsbereich des Brenners entstehende Gas flamme tritt in das brennerseitige Ende des Strahlrohres ein, und die Wärme wird vor allem durch den Wärmeübergang des heißen Rohres an die Ofenatmosphäre abgegeben.

Der Einsatz solcher bekannten Brenner mit metallischen Strahlrohren ist aber in Öfen mit dauernd herrschenden hohen Temperaturen, d. h. Temperaturen ober halb von 900-1000°C, wie sie beispielsweise in Öfen zur Vorwärmung von Stahl auftreten, nicht möglich, weil das Strahlrohr für eine solche Belastung nicht aus gelegt werden kann. Um die Vorteile des Rekuperatorprinzips dennoch zu nutzen, werden derartige Brenner in der Hochtemperaturanwendung ohne Strahlrohr in einer offenen Bauform, d. h. freibrennend im Ofenraum, eingesetzt. Bei dieser of fenen Bauform wird insbesondere die Brennermündung ohne den Schutz des Strahlrohres sehr stark thermisch wie auch korrosiv belastet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, einen gattungsgemäßen Rekuperatorbrenner bereitzustellen, der selbst bei Verzicht auf ein Strahlrohr temperatur- sowie korrosionsbeständig ist.

Diese Aufgabe wird mittels eines Rekuperatorbrenners dadurch gelöst, daß metal lischen Brennerbereiche, die einer Temperatur oberhalb von 900°C im Betrieb ausgesetzt sind, mindestens bereichsweise mit einer keramischen Schutzschicht versehen sind. Diese keramische Schutzschicht bietet sowohl einen thermischen Schutz als auch Korrosionsschutz.

Insbesondere ist die Brennkammer mit der keramischen Schutzschicht versehen, vorzugsweise ist die Brennkammer nur teilweise an den besonders belasteten Be reichen, d. h. im Mündungsbereich und/oder am Brennkopf, beschichtet. Aufgrund dieser Schutzschicht, die insbesondere als Wärmedämmschicht ausgebildet ist, wird der Wärmeübergang der an der Brennermündung eingezogenen, noch sehr heißen Ofenabgase in das metallische Grundmaterial des Rekuperatorrohres re duziert. Insgesamt wird das Grundmaterial so abgeschirmt, daß ein Dauereinsatz bei hohen Temperaturen, d. h. Temperaturen über 900°C, insbesondere über 1100°C, in feststoffbelasteten Abgasatmosphären möglich ist.

Vorzugsweise weist die Schutzschicht eine Dicke von maximal 200 µm auf. Diese geringe Schichtdicke gewährleistet eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit der Schutzschicht. Insbesondere bei routinemäßig durchgeführten Wartungsar beiten werden die Brenner zyklisch aus- und eingebaut. Die dabei auftretenden Temperaturwechsel führen zu Spannungen in der Schutzschicht. Die geringe Schichtdicke wirkt einem Abplatzen der Schicht entgegen.

Aufgrund der keramischen Ausbildung der Schicht sind die beschichteten Berei che gleichzeitig vor einem mechanischen Metallabrieb durch die im Abgas befind lichen aggressiven Feststoffe wie Zunder und Staub geschützt. Da die Schicht sehr dicht ausgebildet ist, bietet sie einen Schutz gegenüber Eindringen bzw. Ein diffundieren von aggressiven Verbindungen.

Insgesamt wird durch die Schutzschicht eine fortschreitende Oxydation, wie sie bei reinen metallischen Materialien, auch bei hochzunderbeständigen Stählen, durch die hohe Belastung bei langer Betriebsdauer auftritt, verhindert.

Die gemäß Anspruch 6 bevorzugt vorgeschlagene Zusammensetzung der kerami schen Schutzschicht ist so gewählt, daß eine Bildung niedrigschmelzender Ver bindungen beim Kontakt mit den im Abgas befindlichen Feststoffen ausgeschlos sen ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert:

Die Figur zeigt den seitlichen Querschnitt eines Rekuperator-Gasbrenners. Der Rekuperatorbrenner umfaßt ein rohrförmiges Gehäuse 1, das in einer Öffnung der Ofenwand 2 angeordnet ist.

An seinem dem Ofen abgewandten Ende weist dieses Gehäuse 1 zum einen ei nen Einlaß 3 für die Verbrennungsluft auf sowie zum anderen einen Einlaß 4 für das Verbrennungsgas, beispielsweise Erdgas. Das Verbrennungsgas wird mittels einer Zuführleitung 5 und einer Gaslanze 6 durch das Zentrum des Rekuperators 7 geführt und tritt an dessen ofenseitigen Ende am Brennerkopf 8 in den Ofen aus. Eine am Beginn der Gaslanze 6 angeordnete Zündelektrode ist mit 19 bezeichnet.

Die Verbrennungsluft wird durch eine entsprechende Leitung 9 in den Rekuperator 7 geführt und strömt zum Brennerkopf 8 (vgl. Pfeilrichtung). Um die im Verhältnis kalte Verbrennungsluft vorzuwärmen, wird Abgas 10 aus dem Ofen in eine äußere konzentrische Bahn 11 des Rekuperators eingesogen und entgegen der Strö mungsrichtung der kalten Verbrennungsluft durch das Rekuperatorrohr geführt. Die hierfür notwendige Saugwirkung wird mittels eines Unterdrucks in einer Ab gasrücksaugeinrichtung 12 aufgebracht. Das Abgas wird am außenseitigen Ende des Gehäuses durch eine entsprechende Leitung 13 aus dem Rekuperator abge zogen. Während die konzentrischen Strömungsbahnen 11, 14 der Abgase und der Verbrennungsluft voneinander getrennt sind und die beiden Gase unabhängig an einander vorbeifließen, kommt es zu einem Wärmeübergang im Rekuperator durch die metallischen Vorsprünge und Wände.

Ebenso wie die Gaslanze 6 endet der Rekuperator 7 in der Brennkammer 15. Brenngas und Luft werden im Mündungsbereich 16 in der Brennkammer 15 inten siv gemischt, wobei das Gas bei der gezeigten Ausführungsform über mehrere radial angeordnete Düsen 17, 18 in den hoch vorgewärmten Luftstrom eingedüst wird. Die Umsetzung des Brennstoffs in Wärme läuft zu einem großen Teil bereits in der Brennkammer 15 ab, so daß die heißen Flammengase mit hoher Ge schwindigkeit austreten.

Erfindungsgemäß sind die hoch belasteten Teil des Brenners, vorzugsweise die metallische Brennermündung 16, mit einer keramischen Schutzschicht überzogen. Auf diese Weise ist eine Verwendung bei hohen Temperaturen und hoher Le bensdauer möglich.

Der erfindungsgemäße Rekuperatorbrenner ist nicht auf die Verwendung in Öfen zur Erwärmung von Stahl begrenzt. Insgesamt ist jeglicher Einsatz in industriellen Wärmeprozessen, zum Beispiel in der Metall-, Chemie- oder Keramikindustrie, denkbar.

Claims

1. Rekuperatorbrenner zur Beheizung von Öfen mit einem Gehäuse (1),
das an seinem dem Ofen abgewandten Ende einen Einlaß (3) für Verbren nungsluft umfaßt sowie einen Einlaß für das Verbrennungsgas (4), wobei das Verbrennungsgas (4) mittels einer zentrierten Gaslanze (6) durch das Gehäuse (1) geführt wird, und wobei die Verbrennungsluft (3) durch ein sich längs des Gehäuses und radial zur Gaslanze erstreckendes Rekuperator rohr (7) strömt,
sowie mit einer Brennkammer (15) am ofenseitigen Ende des Gehäuses als gemeinsamer Mündungsbereich (16) von Gaslanze und Rekuperator, in dem das Brenngas (4) und die Verbrennungsluft (3) intensiv vermischt wer den und eine Gasflamme in den Ofenraum austritt, und
mit einer Abgasrücksaugeinrichtung (12, 13) zum Einsaugen heißer Abgase (10) aus dem Ofenraum in den Rekuperator (7) mit gegenläufiger Strö mungsrichtung zu der Verbrennungsluft, um die Verbrennungsluft durch den Wärmeübergang im Rekuperator mittels der heißen Abgase vorzuwär men,
dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Brennerkomponenten, die einer Temperatur oberhalb von 900°C im Betrieb ausgesetzt sind, mindestens bereichsweise mit einer keramischen Schutzschicht versehen sind.

2. Rekuperatorbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (15) mit der keramischen Schutzschicht versehen ist.

3. Rekuperatorbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsbereich (16) und/oder der Brennkopf (8) der Brennkam mer (15) mit einer keramischen Schutzschicht versehen sind.

4. Rekuperatorbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine Dicke von maximal 200 µm aufweist.

5. Rekuperatorbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine hohe Dichtigkeit aufweist.

6. Rekuperatorbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht folgende Komponenten umfaßt:
Aluminiumoxyd
Zirkoniumoxyd
Chromoxyd
Yttriumoxyd
Magnesiumoxyd.

7. Rekuperatorbrenner nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht ein- oder mehrlagig aufgebracht wird.

8. Verwendung des Rekuperatorbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Industrieöfen für die Wärmebehandlung von Stahl und Nichteisen- Metallen.

9. Verwendung des Rekuperatorbrenners nach Anspruch 8 in Vorwärmöfen für die Erwärmung von Stahl.