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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrstoff-Brenner sowie eine
Trockentrommel für eine
Asphaltanlage umfassend einen solchen Mehrstoff-Brenner gemäss den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Heizöl, Flüssiggas
und Erdgas sind bis heute die wichtigsten Energieträger für die Bereitstellung von
Heizenergie für
Trocknungsprozesse in der Industrie. Dabei ist der Energieaufwand
oftmals enorm.
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Der
in den vergangenen Jahren eingetretene drastische Preisanstieg der
zuvor erwähnten
Energieträger
leitete eine intensive Umschau nach alternativen kostengünstigeren
Energiequellen für
solche Trocknungsprozesse ein. Neben der verstärkten Ausnutzung von Abhitzequellen
bietet sich heute, die Verfügbarkeit
vorausgesetzt, der Einsatz kostengünstiger staubförmiger Brennstoffe,
wie z. B. Braun- oder Steinkohlenstaub, an, die mit speziell angepassten
Brennern anstelle der teueren flüssigen
und gasförmigen
Primärenergieträger in vorhandenen Feuerräumen eingesetzt
werden können.
Hierdurch lassen sich die die Energiekosten für diese Prozesse signifikant
senken.
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Ganz
ohne flüssige
oder gasförmige
Brennstoffe kommen die staubbefeuerten Anlagen jedoch nicht aus,
da für
das Anfahren und Aufheizen zusätzlich
Gas und/oder Öl
als Brennstoff benötigt
wird und auch bei nicht optimaler Qualität des verwendeten staubförmigen Brennstoffs
und im Teillastbetrieb eine öl-
oder gasbefeuerte Stützflamme
benötigt
wird, um einen stabilen Verbrennungsprozess und die Einhaltung der
vorgeschriebenen Abgaswerte zu garantieren.
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Während die
durch den Anfahrbetrieb entstehenden Zusatzenergiekosten gering
sind, da dieser Betrieb nur kurzzeitig und relativ selten auftritt, stellen
die Zusatzenergiekosten für
die Stützbefeuerung
jedoch einen nicht zu vernachlässigenden
Anteil an den Gesamtenergiekosten solcher Anlagen dar. Die heute
zur Befeuerung von Trocknungsanlagen eingesetzten Mehrstoff-Brenner
für staubförmige Brennstoffe
benötigen
im Betrieb typischerweise immer noch etwa 10%–15% ihrer Gesamtbrennerleistung
als öl-
oder gasbefeuerte Stützbefeuerung,
was im Lichte der weiter ansteigenden Preise für die Primärenergieträger Erdöl und Erdgas unbedingt verbesserungsbedürftig ist.
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Es
stellt sich daher die Aufgabe, einen Mehrstoff-Brenner zur Verfügung zu
stellen, welcher die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik nicht
aufweist oder zumindest teilweise vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird von dem Mehrstoff-Brenner gemäss Anspruch 1 gelöst.
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Demgemäss betrifft
die Erfindung einen Mehrstoff-Brenner, welcher mit zwei oder mehr
verschiedenen Brennstoffen betrieben werden kann, zur Erzeugung
von Wärmeenergie
für einen
industriellen Prozess, bevorzugterweise für eine Trockentrommel einer
Asphaltmischanlage. Einer der Brennstoffe, welcher mit dem Brenner
verfeuert werden kann, ist ein staubförmiger Brennstoff, bevorzugterweise Braun-
oder Steinkohlenstaub. Der Brenner weist je Brennstoff eine Austrittsöffnung oder
eine Anordnung von mehreren Austrittsöffnungen zur Zuführung des Brennstoffs
in die Verbrennungszone bzw. in den Feuerraum auf. Dabei sind die
Austrittsöffnungen oder
Austrittsöffnungsanordnungen
für die
verschiedenen Brennstoffe konzentrisch zueinander angeordnet. Die
Austrittsöffnung
oder die Austrittsöffnungsanordnung
für den
staubförmigen
Brennstoff ist konzentrisch von mindestens einer Aus trittsöffnung oder
einer Anordnung aus mehreren Austrittsöffnungen zur Zuführung von
Verbrennungsluft zur Verbrennungszone bzw. zum Feuerraum umgeben. Im
Bereich der mindestens einen Austrittsöffnung oder Austrittsöffnungsanordnung
für die
Verbrennungsluft sind Drallmittel vorhanden, welche der austretenden
Verbrennungsluft einen Drall aufzwingen, also eine rotatorische
Bewegung, welche die axiale Strömungsbewegung
der Verbrennungsluft überlagert.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt dass hierdurch ein stabiler Betrieb auch ohne Stützflamme bis
herab auf etwa 30% der Brenner-Nennleistung erzielt werden kann,
so dass für
den praktischen Betrieb in den meisten Fällen auf eine Stützflamme
vollständig
verzichtet werden kann. Dies führt
zu erheblichen Einsparungen bei den Energiekosten gegenüber den
heute bekannten Brennern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Mehrstoff-Brenners sind die Drallmittel derartig ausgebildet,
dass die austretende Verbrennungsluft eine spiralförmige Hüllströmung um
den aus seiner Austrittsöffnung
oder Austrittsöffnungsanordnung
austretenden Strom staubförmigen
Brennstoffs herum bildet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen,
dass die Austrittsöffnungen
für die
Verbrennungsluft durch eine Anordnung von Drallschaufeln oder schräg gestellten
Düsen gebildet
werden. Hierdurch lässt
sich die Verweildauer der Staubpartikel in der Verbrennungszone
verlängern,
so dass auch grössere Staubpartikel
vollständig
Ausgasen. Dies ist einer stabilen Verbrennung und einer guten Abgasqualität zuträglich.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Mehrstoff-Brenners sind zwischen der Austrittsöffnung bzw.
der Austrittsöffnungsanordnung
für den
staubförmigen Brennstoff
und der diese konzentrisch umgebenden mindestens einen Austrittsöffnung oder
Austrittsöffnungsanordnung
für die
Verbrennungsluft keine weiteren Austrittsöffnungen oder Austrittsöffnungsanordnungen
für Brennstoff
oder Verbrennungsluft angeordnet. Die mit einem Drall aus der Austrittsöffnung oder
Austrittsöffnungsanordnung
austretende Verbrennungsluft kommt also direkt mit dem austretenden
staubförmigen
Brennstoff in Berührung
und intensiviert dadurch die Verbrennung der Staubpartikel.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Mehrstoff-Brenners
umgibt die Austrittsöffnung
bzw. Austrittsöffnungsanordnung
für den staubförmigen Brennstoff
die Austrittsöffnungen
bzw. Austrittsöffnungsanordnungen
für die übrigen Brennstoffe.
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Weiter
ist es bevorzugt, dass bei erfindungsgemässen Mehrstoff-Brennern, welche
zum Betrieb mit einem flüssigen
Brennstoff, bevorzugterweise Heizöl, vorgesehen sind, die Austrittsöffnung bzw. Austrittsöffnungsanordnung
für den
flüssigen
Brennstoff von den Austrittsöffnungen
bzw. Austrittsöffnungsanordnungen
der übrigen
Brennstoffe konzentrisch umgeben ist.
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Durch
die zuvor genannten Ausgestaltungen des Brenners ergibt sich eine
gute Zündfähigkeit
für den
Anfahrbetrieb und im Mischbetrieb, d. h. in einem Betriebszustand,
in welchem der Brennen mit einem staubförmigen Brennstoff und zusätzlich mit
einem weiteren, gasförmigen
oder flüssigen
Brennstoff betrieben wird, eine optimale Verbrennung sämtlicher Brennstoffe.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Mehrstoff-Brenner
sind die Austrittsöffnung
bzw. Austrittsöffnungsanordnung
für den staubförmigen Brennstoff
und die diese konzentrisch umgebende mindes tens eine Austrittsöffnung oder Austrittsöffnungsanordnung
für die
Verbrennungsluft im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet,
münden
also im Wesentlichen an der gleichen axialen Position bezogen auf
die Strömungsrichtung
in die Verbrennungszone bzw. den Feuerraum ein. Hierdurch lässt sich
die Vollständigkeit
und Stabilität
der Verbrennung weiter verbessern.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Mehrstoff-Brenners
sind die Austrittsöffnungen
bzw. Austrittsöffnungsanordnungen
sämtlicher
Brennstoffe und insbesondere ebenfalls die mindestens eine Austrittsöffnung oder
Austrittsöffnungsanordnung
für die
Verbrennungsluft im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Hierdurch ergibt sich neben den zuvor erwähnten vorteilhaften Wirkungen
weiter der Vorteil, dass ein äusserst
kompakter Mehrstoff-Brenner resultiert.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Mehrstoff-Brenners
sind mehrere zueinander konzentrische Austrittsöffnungen oder Austrittsöffnungsanordnungen
für Verbrennungsluft
vorhanden sind, welche insbesondere zumindest teilweise in verschiedenen
Ebenen angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, bestimmte Bauteile des Brenners
und/oder des Feuerraumes zu kühlen
und zudem in bestimmten Zonen gezielt einen Sauerstoffüberschuss
für die
Nachverbrennung etwaiger noch unverbrannter Staubpartikel zu schaffen.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Mehrstoff-Brenners
schliesst die mindestens eine Austrittsöffnung bzw. Austrittsöffnungsanordnung
für die
Verbrennungsluft im Bereich ihrer äusseren Begrenzung an einen
axial in Strömungsrichtung
von dieser abstehenden und sich dabei bevorzugterweise konisch erweiternden Kragen
an, welcher bevorzugterweise aus einem Metallblech, bevorzugterweise
aus warmfestem Stahl, gebildet ist. Dieser Kragen begrenzt die Verbrennungszone bzw.
den Feuerraum in dem direkt an die Austrittsöffnungen für die Brennstoffe anschliessenden
Bereich.
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Dabei
ist es bei Ausführungsformen
des Mehrstoff-Brenners, bei welchen mehrere zueinander konzentrische
Austrittöffnungen
oder Austrittsöffnungsanordnungen
für Verbrennungsluft
vorhanden sind, welche zumindest teilweise in verschiedenen Ebenen
angeordnet sind, bevorzugt, dass der Kragen axial in Strömungsrichtung
in einen diesen konzentrisch mit einem Abstand umgebenden und sich axial
in Strömungsrichtung
insbesondere konisch, insbesondere mit einem Konuswinkel zwischen
20° und
30°, erweiternden
Brennermantel, insbesondere aus einem Metallblech, bevorzugterweise
aus warmfestem Stahl, eintritt, wobei zwischen dem Kragen und dem
Brennermantel eine weitere Austrittsöffnung bzw. Austrittsöffnungsanordnung
für Verbrennungsluft
gebildet wird. Dieser Brennermantel begrenzt die Verbrennungszone
bzw. den Feuerraum in dem an den Kragen anschliessenden Bereich
und wird durch die aus der weitere Austrittsöffnung bzw. Austrittsöffnungsanordnung
austretenden Verbrennungsluft gekühlt, welche dabei gleichzeitig
eine Mantelströmung mit
Sauerstoffüberschuss
um die Verbrennungszone herum bildet. Hierdurch lässt sich
die Lebensdauer des Brenners steigern und die Verbrennungsqualität weiter
verbessern.
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Weiter
ist es bei der zuvor erwähnten
Ausführungsform
des Mehrstoff-Brenners von Vorteil, dass der Brennermantel zumindest
im Bereich seines den Austrittsöffnungen
für die
Brennstoffe abgewandten Endes mit einem Abstand von einem bevorzugterweise
zylindrischen Hüllrohr
konzentrisch umgebenden ist, wobei zwischen dem Brenner mantel und
dem Hüllrohr
eine weitere Austrittsöffnung
bzw. Austrittsöffnungsanordnung
für Verbrennungsluft
gebildet wird, welche bevorzugterweise als umlaufender, mit Vorteil
kreisringförmiger
Spalt ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich die Kühlung des
Brennermantels und damit dessen Lebensdauer weiter verbessern und
es wird im Bereich des Austrittsendes des Brennermantels eine weitere
Mantelströmung
mit Sauerstoffüberschuss
um die Verbrennungszone herum gebildet, mit den bereits zuvor geschilderten
vorteilhaften Wirkungen.
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Dabei
ist es zudem bevorzugt, dass zwischen Brennermantel und Hüllrohr Luftleitbleche
angeordnet sind, zur Bewirkung eines im Wesentlichen axialen Zuströmens der
Verbrennungsluft zu der von diesen gebildeten weiteren Austrittsöffnung bzw. Austrittsöffnungsanordnung.
Hierdurch wird die Strömung
im Zulauf zu dieser Austrittsöffnung
bzw. Austrittsöffnungsanordnung
beruhigt, was eine gezielte Beeinflussung der austretenden Verbrennungsluftströmung über die
Geometrie der Austrittsöffnung bzw.
Austrittsöffnungsanordnung
ermöglicht.
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Weiter
ist es bei Ausführungsformen
des erfindungsgemässen
Mehrstoff-Brenners mit Brennermantel und Hüllrohr, bei welchen zwischen
dem Brennermantel und dem Hüllrohr
eine weitere Austrittsöffnung
bzw. Austrittsöffnungsanordnung
für Verbrennungsluft
gebildet wird, bevorzugt, dass sich der Strömungsquerschnitt zwischen dem
Brennermantel und dem Hüllrohr
in Strömungsrichtung
gesehen kurz vor der Austrittsöffnung
bzw. Austrittsöffnungsanordnung
sprunghaft verjüngt,
was bevorzugterweise dadurch bewirkt wird, dass ein umfangsmässig umlaufender
Vorsprung vom Brennermantel radial nach aussen absteht. Hierdurch
lässt sich
eine axiale Rückströmung entlang
der inneren Wand des Brennermantels erreichen, welche einer seits
die Flammenwurzeln auf Abstand von dieser Wand hält und andererseits nicht vollständig entgaste
Staubpartikel mitreisst, wodurch deren Verweildauer in der Brennkammer
verlängert
und eine vollständige
Verbrennung ermöglicht
wird. Entsprechend kann durch diese Massnahme die Lebensdauer des
Brenners und die Abgasqualität
noch weiter verbessert werden.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Trockentrommel für eine Asphaltanlage
umfassend einen Brenner gemäss
dem ersten Aspekt der Erfindung. In einer derartigen Trockentrommel
wird das Gesteinsgemenge zur Herstellung von Asphalt getrocknet
und erhitzt. Bei solchen Anwendungen kommen die Vorteile der Erfindung
besonders deutlich zum Tragen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie
aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
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1 einen
erfindungsgemässen 3-Stoff-Brenner
im Längsschnitt;
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2 den
Mündungsbereich
des Brenners aus 1 als Detail im Längsschnitt;
und
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3 eine
Seitenansicht einer Trockentrommel für eine Asphaltanlage mit dem
Brenner aus 1.
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Das
Grundprinzip der Erfindung ist aus den 1 und 2 erkennbar,
welche einen erfindungsgemässen
Mehrstoff-Brenner für
eine Trockentrommel 10 einer Asphaltanlage im Längsschnitt
zeigen, und zwar einmal gesamthaft aber stark schematisiert (1)
und einmal lediglich dessen Mündungsbereich
(2), jedoch detaillierter. Wie zu erkennen ist,
umfasst der Brenner 11 eine Brennerlanze 12, welche
Zuführungsöffnungen
für die
ver schiedenen Brennstoffe aufweist, mit denen der Brenner betrieben
werden kann. Im vorliegenden Fall sind dies Heizöl EL, Erdgas N und Braunkohlenstaub BKS.
Die Brennerlanze 12 ist in einem Brennerrohr 13 angeordnet,
welches diese konzentrisch mit einem Abstand umgibt und Zuführungsöffnungen
für Verbrennungsluft
L aufweist. Eintrittsseitig ist der auf diese Weise zwischen der
Brennerlanze 12 und dem Brennerrohr 13 gebildete
Kreisringspalt durch den Befestigungsflansch der Brennerlanze 12 verschlossen.
Am Austrittsende endet dieser Kreisringspalt in einem Drallkörper mit
einer Vielzahl von Drallflügeln 4,
welcher den Mündungsbereich
der Brennerlanze 12 konzentrisch umschliesst. Wie weiter
zu erkennen ist, werden die einzelnen Brennstoffe BKS, EL, N innerhalb
der Brennerlanze 12 in konzentrischen Kanälen zu deren
Mündungsbereich
geführt,
wo sie über
konzentrische kreisringförmige
Austrittsöffnungen 1a, 1b, 1c in
die Verbrennungszone 3 bzw. den Feuerraum 14 eintreten.
Der den Mündungsbereich der
Brennerlanze 12 umgebende Drallkörper bildet dabei mit seinen
Drallflügeln 4 eine
anspruchsgemässe
Anordnung 2a aus mehreren Austrittsöffnungen für die Verbrennungsluft L und
zwingt dieser beim Austreten einen Drall auf, derart, dass sie eine spiralförmige Hüllströmung um
die austretenden Brennstoffströme
BKS, EL, N bildet. Dabei befinden sich sämtliche Austrittsöffnungen 1a, 1b, 1c für die Brennstoffe
BKS, EL, N und die von den Drallflügeln 4 gebildete Anordnung 2a von
Austrittsöffnungen
für die
Verbrennungsluft L im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene.
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Wie
weiter zu erkennen ist, wird der Drallkörper axial in Strömungsrichtung
S gesehen von einem konischen Kragen 5 gefolgt, welcher
als axiale Verlängerung
der äusseren
Begrenzung der durch die Drallflügel 4 gebildeten
Austrittsöffnungsanordnung 2a ausgebildet
ist. Dieser Kragen 5 tritt wiederum axial in Strömungsrichtung
S gesehen in einen als konisches Rohr ausgebildeten Brennermantel 6 ein,
welcher den Kragen 5 konzentrisch mit einem Abstand umgibt.
Im vorliegenden Fall beträgt
der Konuswinkel etwa 25°.
Auf diese Weise wird zwischen Kragen 5 und Brennermantel 6 eine
weitere, kreisringförmige Austrittsöffnung 2b für Verbrennungsluft
L gebildet.
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Der
Brennermantel 6 wiederum ist über seine gesamte axiale Erstreckung
von einem zylindrischen Hüllrohr 7 konzentrisch
mit einem Abstand umgeben, wodurch im Bereich seines erweiterten
Endes zwischen Brennermantel 6 und Hüllrohr 7 eine weitere
kreisringförmige
Austrittsöffnung 2c für Verbrennungsluft
L gebildet wird. Es sind also mehrere Austrittsöffnungen 2a, 2b, 2c für Verbrennungsluft
L vorhanden, welche in axialer Richtung in unterschiedlichen Ebenen
angeordnet sind und jeweils konzentrisch zueinander und zu den Austrittsöffnungen 1a, 1b, 1c für die Brennstoffe
BKS, EL, N sind. Zwischen Brennermantel 6 und Hüllrohr 7 sind
Luftleitbleche 8 angeordnet, welche die Luftströmung im
Zulauf zu der Austrittsöffnung 2c beruhigen
und axial ausrichten. Wie weiter zu erkennen ist, bildet der Brennermantel 6 an
seinem erweiterten Ende aussen einen radial nach aussen abstehenden
flanschartigen Vorsprung 9, wodurch der Strömungsquerschnitt
zwischen Brennermantel 6 und Hüllrohr 7 in Strömungsrichtung
gesehen kurz vor der kreisringförmigen
Austrittsöffnung 2c sprunghaft
verjüngt
wird. Hierdurch wird ein Luftwirbel erzeugt, der eine Rückströmung im
Bereich der Innenwand des Brennermantels 6 bewirkt.
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer Trockentrommel 10 für eine Asphaltanlage
mit dem Brenner 11 aus 1. Wie zu
erkennen ist, ist der eigentliche Trommelkörper 15, welcher im
Betrieb rotiert, leicht schräggestellt,
derart, dass er von der Aufgabeseite, auf welcher das kalte, feuchte
Gesteinsgemenge Tf zugeführt
wird, zur Entnahmeseite hin, auf welcher das getrocknete, heisse
Gesteinsgemenge Tt entnommen wird, leicht abfällt. Der Brenner 11 ist
auf der Entnahmeseite angeordnet. Entsprechend erfolgt die Trocknung
gemäss
dem Gegenstromprinzip.
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Während in
der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind,
ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese
beschränkt
ist und auch in anderer Weise innerhalb des Umfangs der nun folgenden
Ansprüche
ausgeführt
werden kann.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft
einen 3-Stoff-Brenner (11) für eine Trockentrommel (10)
einer Asphaltmischanlage, welcher mit Braunkohlenstaub (BKS), Heizöl (EL) und
Erdgas (N) betrieben werden kann. Der Brenner (11) weist
je Brennstoff (BKS, EL, N) eine Austrittsöffnung (1a, 1b, 1c)
zur Zuführung
des Brennstoffs (BKS, EL, N) zur Verbrennungszone (3) auf.
Die Austrittsöffnungen
(1a, 1b, 1c) für die verschiedenen Brennstoffe
(BKS, EL, N) sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die Austrittsöffnung (1a)
für den
Braunkohlenstaub (BKS) umgibt die Austrittsöffnungen (1b, 1c)
für die
anderen Brennstoffe (EL, N) konzentrisch und wird ihrerseits von
einem Drallkörper
mit Drallflügeln
(4) umgeben, welcher Verbrennungsluft (L) unter einem Drall
zur Verbrennungszone (3) zuführt, derart, dass eine spiralförmige Hüll strömung aus
Verbrennungsluft (L) um den Strom aus Braunkohlenstaub (BKS) herum
gebildet wird.
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Es
hat sich gezeigt, dass hierdurch ein stabiler Betrieb auch ohne
Stützflamme
bis herab auf etwa 30% der Brenner-Nennleistung erzielt werden kann, so
dass für
den praktischen Betrieb in den meisten Fällen auf eine Stützflamme
vollständig
verzichtet werden kann. Dies führt
zu erheblichen Einsparungen bei den Energiekosten gegenüber den
heute bekannten Brennern.