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Die
Neuerung betrifft einer Brennervorrichtung zum Verbrennen unterschiedlicher
Brennstoffe aufweisend eine Brennkammer, einen Brennersitz und einen
Brenner, der in der Brennkammer angeordnet ist und eine vertikal
ausgerichtete Flamme ausbildet.
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TECHNISCHES GEBIET
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Bei
der Herstellung von Zementklinker wird gemahlenes Gesteinsmehl mit
hohem Kalksteinanteil entgegen dem Fluss eines Gasstroms unter Abgabe von
CO2 aus dem Carbonatanteil in der Gas/Feststoffphase
umgewandelt und anschließend
in der Feststoffphase zu Zementklinker gesintert. Dabei wird das
Gesteinsmehl zunächst
in einer Vorwärmstufe
durch die heißen
Abgase eines Drehrohrofens erwärmt,
dann in einem Calcinator erhitzt, um die Entsäuerungsreaktion vorzunehmen,
bei welcher der Kalkstein unter formalem Verlust von CO2 zu
gebranntem Kalk umgewandelt und dann in einen Drehrohrofen geleitet
wird, in welchem das Sintern mit silikathaltigem Gestein zu Zementklinker
vorgenommen wird. Damit innerhalb des Calcinators eine nahezu vollständige endotherm
stattfindende Entsäuerung
geschieht, wird dem Calcinator weitere Wärme durch einen Brenner zugeführt.
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Da
der Energiebedarf zum Entsäuern
recht hoch ist, wird häufig
auch auf niederwertige und daher kostengünstige Brennstoffe, wie getrockneter und
zerkleinerter Hausmüll,
granulierte Altreifen, Sondermüll
in Form von brennbaren Lösemittelabfällen, aber
auch zerkleinertes Biomaterial, wie Stroh oder Holzspäne zurückgegriffen.
Neben den niederwertigen Brennstoffen kommen auch andere Brennstoffe,
wie beispielsweise Petrolkoks oder Kohlestaub oder Mischungen von
Brennstoffen unterschiedlicher Qualität in Betracht. Die niederwertigen Brennstoffe
weisen häufig
nicht nur einen geringen kalorischen Brennwert auf, sondern sind
dazu auch noch inhomogen. Das bedeutet für die Nutzung dieser Brennstoffe,
dass die Qualität
der Flamme stets mit der Brennstoffqualität variiert.
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Um
die Qualität
der Verbrennung in Bezug auf NOx-Bildung
besser kontrollieren zu können,
wird in modernen oder modernisierten Anlagen zur Herstellung von
Zementklinker eine Brennkammer neben dem Calcinator angeordnet,
wobei die Flamme in der Brennkammer in vertikaler Richtung aus einem Brenner
austritt. Die heißen
Brennergase aus der Flamme werden sodann über einen Auslaufschacht in
den Calcinator zur Entsäuerung
des Kalksteins geleitet. Da die durch den Brenner umgesetzte Energie trotz
der niederwertigen Brennstoffe relativ hoch ist, ist es notwendig,
die Wände
der Brennkammer mit einer feuerfesten Beschichtung auszukleiden.
Zusätzlich
wird die Flamme des Brenners in der Brennkammer von einem Wirbel
aus ungebranntem Rohmehl umschlossen, der die Wandungen durch Wärmeabsorption
kühlt und
wobei das zur Kühlung
eingesetzte Rohmehl entsäuert.
Durch den Wirbel werden aber nur die seitlich der Flamme liegenden
Wandungen der Brennkammer vor der Strahlungshitze der Brennerflamme
geschützt.
Daher ist es notwendig, den oberhalb der Brennerflamme liegenden
Teil der Wandungen der Brennkammer durch entsprechend großen Abstand
vor zu großer
Strahlungshitze zu schützen,
damit diese nicht vorzeitig durch die Hitze altert und Schaden nimmt.
Wird im Betrieb einer Anlage, die von dem niederwertigen Brennstoff
Gebrauch macht, der Brennstoff gleich aus welchem Grund gewechselt,
so passiert es gelegentlich, dass die Anlage zwar zunächst problemlos
arbeitet, jedoch wird die feuerfeste Ausmauerung über der
Position des Brenners in der Brennkammer so stark beschädigt, dass
die Brennkammer nach bestimmter Zeit nicht mehr nutzbar ist.
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Dies
ist darauf zurückzuführen, dass
der Flammabstand in der Brennkammer vom Brennerkopf zur Flammfront
in Abhängigkeit
vom gewählten Brennstoff
variiert. Bei manchen Brennstoffen, beispielsweise Petrolkoks, ist
der Flammabstand zum Brennerkopf recht kurz und Petrolkoks brennt
mit sehr heißer
Flamme. Bei anderen Brennstoffen, die nicht gut zünden, ist
beobachtbar, dass der Flammabstand von Flammfront zu Brennerkopf
mitunter recht groß sein
kann. Ein Brenner, der fest in eine Brennkammer eingebaut ist, bildet
also seine Flamme an unterschiedlichen Orten in der Brennkammer der
Brennkammer in Abhängigkeit
vom gewählten Brennstoff. Üblicherweise
wird der Brenner auf einen einmal gewählten Brennstoff eingestellt.
Wird nun ein anderer Brennstoff mit kürzerem Flammabstand zum Brennerkopf
eingesetzt, führt
dies dazu, dass der obere Raum über
dem Brenner, dessen Flamme nach unten gerichtet ist, durch die Strahlungshitze Schaden
nimmt und zwar dann, wenn der Flammanstand eher kurz ist. Zwar werden
die inneren Wände der
Brennkammer üblicherweise
durch den oben genannten Rohmehlschleier gekühlt. Diese Kühlung funktioniert
jedoch nicht im Raum der Brennkammer unterhalb des Brenners, aber
dennoch oberhalb des Rohmehlschleiers.
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Wünschenswert
wäre es,
wenn man den Flammabstand einstellen könnte, damit der Raum unterhalb
des Brenners, aber oberhalb des Rohmehlschleiers vor Strahlungshitze
geschützt
ist.
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Obwohl
der Flammabstand von der Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes
und von der Geschwindigkeit der sich ausbreitenden Flammfront abhängt und
durch Einstellung der Injektionsgeschwindigkeit eine Flammposition
relativ zum Brennerkopf einstellbar wäre, ist diese Lösung wenig praktikabel.
Zu viele Betriebsparameter müssten kontrolliert
werden, damit ein stabiler Betrieb des Brenners möglich ist.
Des weiteren bildet die in die Verbrennungsluft injizierte Brennstofffront
einen abnehmenden Geschwindigkeitsgradienten aus, wobei sich die
Position der Flammfront an der Stelle ausbildet, an der die sich
Flammausbreitungsgeschwindigkeit des Brennstoffes im Gleichgewicht
mit dem durch die Verbrennungsluft gebremsten Brennstoff befindet.
Bei Brennstoffen mit geringer Flammausbreitungsgeschwindigkeit,
beispielsweise wegen eines hohen Flammpunktes, bildet sich die Flamme erst
weit von der Injektionsstelle entfernt, bei Brennstoffen mit höherer Flammausbreitungsgeschwindigkeit
hingegen bildet sich die Flammfront nahe an der Injektionsstelle,
also in der Nähe
des Brennerkopfes.
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Aufgabe
der Neuerung ist es daher, eine Brennervorrichtung zur Verfügung zu
stellen, die eine Möglichkeit
zur Einstellung der Flammposition innerhalb der Brennkammer in Abhängigkeit
vom gewählten
Brennstoff zu Verfügung
stellt.
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OFFENBARUNG DER NEUERUNG
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Die
neuerungsgemäße Aufgabe
wird dadurch gelöst,
dass der Brennersitz eine Verstellmöglichkeit für eine unterschiedliche Brennerposition
des Brenners in der Brennkammer aufweist. Weitere Ausgestaltungen
der Neuerung werden in den Unteransprüchen gegeben.
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Durch
eine verstellbare Position eines Brenners, also durch die Möglichkeit
des Ein- und wieder Ausfahrens eines Brenners in die oder aus der Brennkammer,
kann die Flammposition für
einen einmal gewählten
Brennstoff eingestellt werden. Für
gut zündende
Brennstoffe mit sich schnell ausbreitender Flammfront und Position
der Flammwurzel nahe am Brenner wird zum Schutz der oberen Brennkammerwandung
der Brenner tief in den konisch geformten Kopf der Brennkammer eingetaucht
und für
schlecht zündende
Brennstoffe mit sich langsam ausbreitender Flammfront und Position
der Flammwurzel entfernt vom Brenner wird der Brenner aus dem konisch geformten
Kopf der Brennkammer herausgezogen. Durch diese Maßnahme kann
der Abstand der heißen
Flamme von der Wandung im konisch geformten Kopf der Brennkammer über dem
Brenner eingestellt und so eine übermäßige Strahlungshitze,
welche die Wandung der Brennkammer langsam zerstört, verhindert werden.
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Die
Neuerung wird anhand der folgenden Figur näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
Skizze eines neuerungsgemäßen Brenners
mit variablem Brennersitz
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In 1 ist
eine neuerungsgemäße Brennervorrichtung 1 zur
Verbrennung verschiedener Brennstoffe 2 dargestellt. Die
Brennervorrichtung 1 weist einen Brenner 3 in
einem Brennersitz 4 innerhalb dessen der Brenner 3 in
seiner Eintauchtiefe in eine Brennkammer 5 verstellbar
ist. Zur Kühlung
der Wandungen 6 der Brennkammer 5 wird Rohmehl 7 als
Wirbel 8 in die Brennkammer 5 tangential zum Umfang
der Brennkammer 5 durch die Einlassöffnung 7a eingedüst, wobei
der Wirbel 8 eine aus dem Brenner 3 austretende
Flamme 9 umschließt
und Strahlungshitze von der Flamme 9 absorbiert. Bei der Absorption
der Strahlungshitze wird das zur Kühlung eingedüste Rohmehl 7 zumindest
teilweise entsäuert,
wobei die endotherme Entsäuerungsreaktion
einen erheblichen Wärmeanteil
der Absorption ausmacht. Die heißen Gase der Flamme 9 verlassen
gemeinsam mit dem Rohmehl 7 die Brennkammer 5 durch
einen Auslaufschacht 10 in einen Calcinator zur Entsäuerung des
größten Teils
des im Prozess umzuwandelnden Rohmehls. Neuerungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Brenner 3 in seinem Brennersitz 4 in
der Höhe
verstellbar ist, wie durch den Doppelpfeil in der Skizze auf dem
Brenner 3 angedeutet ist. Durch die Höhenverstellung des Brenners 3 wird zwangsläufig die
Position der Flamme 9 mit verändert, so dass die Flammfront 11 mit
der Position des Brenners 3 variiert. Dabei wird der Abstand
der Flamme 9 von den oberen Wandungen 12 der Brennkammer 5 verändert und
kann für
Brennstoffe 2 mit sich unterschiedlich schnell ausbreitenden
Flammfronten 11 so eingestellt werden, dass der oben genannte Abstand
zwischen Flamme 9 und oberen Wandungen 12 möglichst
groß ist,
um die Strahlungshitze der Flamme 9, die auf die oberen
Wandungen 12 der Brennkammer 5 einwirkt, gering
zu halten. Je nach Position der Einlassöffnung 7a für das zur
Kühlung eingesetzte
Rohmehl 7 kann auch der Bereich der Wandung 13 der
Brennkammer 5, der zwischen der Einlassöffnung 7a und dem
Kopf des Brenners 3 angeordnet ist, vor zu intensiver Strahlungshitze
geschützt
werden.
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Die
Brennkammer 5 kann zylinder- oder konusförmig sein
und wahlweise konisch zulaufende oder zylindrische ausgeformte Dach-
und Bodenteile aufweisen. Die Bauform ist individuell frei wählbar und
an die jeweiligen Verhältnisse
der Anlage anzupassen. Neben dem Brennersitz 4 kann wahlweise auch
die Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes 2 in das
Brennergehäuse 5 einstellbar
sein, wodurch eine noch größere Variabilität in Bezug
auf die Position der Flamme 9 in Betrieb erreichbar ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Neuerung kann auch der Aufweitungswinkel
einstellbar sein unter dem der Brennstoff 2 durch den Brenner 3 in
die Brennkammer 5 injiziert wird. Wird der Brennstoff 2 ohne
Aufweitungswinkel in die Brennkammer 5 injiziert, so bildet
sich die Flammfront 11 weit vom Kopf des Brenners 3 entfernt.
Wird jedoch der Brennstoff 2 unter einem Aufweitungswinkel
von einigen Grad in die Brennkammer 5 injiziert, so ragt
die Flammfront 11 nahe an den Kopf des Brenners 3 heran.
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- 1
- Brennervorrichtung
- 2
- Brennstoff
- 3
- Brenner
- 4
- Brennersitz
- 5
- Brennkammer
- 6
- Wandung
- 7
- Rohmehl
- 7a
- Einlassöffnung
- 8
- Wirbel
- 9
- Flamme
- 10
- Auslaufschacht
- 11
- Flammfront
- 12
- Wandung
- 13
- Wandung