DE2101057A1

DE2101057A1 - Brenner fur Industriezwecke, ins besondere metallurgischer Brenner

Info

Publication number: DE2101057A1
Application number: DE19712101057
Authority: DE
Inventors: Robert D Miller Keith A Allentown Pa Jones (V St A )
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1970-01-12
Filing date: 1971-01-11
Publication date: 1971-07-22
Also published as: BE761476A; GB1298781A; US3612738A

Description

9 1 Π 1

RATENTANWÄLTE ^L ' ^U '

dr. W. Schalk · dipl-ing. p. Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEINHOLD · DR. D. GUDEL

6 FRANKFURT AM MAIN CR. ESCHENHEIMER «TRASSE 39

BA 1550 8.Januar 1971 PW/Ar

AIR PRODUCTS AND CHEMICAiS, IHO. 1339 Chestnut Street
Philadelphia, Pennsylvania, USA

Brenner für Industriezwecke, insbesondere metallurgischer Brenner

Die Erfindung bezieht sich auf Brenner für Industriezwecke in der Bauart, die bei Schmelzkesseln, öfen zur Erhitzung von Metall, Vorwärmöfen für Metall und ähnliche Zwecke in der metallurgischen Industrie verwendet werden. Man hat solch· Brenner zum Vorwärmen grosser Kessel verwendet, die zum Entgasen geschmolzenen Metalls unter Vakuum dienten. Brenner dieser Art werden im allgemeinen mit einem Gemisch von Luft und Brennstoff beheizt, wie zum Beispiel Erdgas, oder einem Gemisch aus Brennstoff und Luft, das mit gasförmigem Sauerstoff angereichert ist.

Brenner dieser hier genannten Bauart sind in den USA-Patentschriften 1 779 647 und 2 855 033 beschrieben. Das erstgenannte Patent bezieht sich auf einen Brennerblook, der mit A bezeiohnet ist und als Zündvorrichtung dient. Mit anderen Worten wird der Brenner mittels einer Zündflamm· angeheist, bis der Brennerblook heies genug geworden ist, um die Verbrennung iu unterhalten. Die Verwendung eines Brennerbiooki ist nicht erwünsoht, da sie da* Gewicht und di· Grosse eines Brenners vermehrt, der in einer feuerfesten Auskleidung ein·· Ofens gehalten und abgestütat werden nuss, und da er die maximale Arbeitetemperatur des Brenners begrenzt·

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_· Ρ ■»

Die zweite vorgenannte amerikanische Patentsclirift offenbart einen Brenner für Industriezwecke, bei dem eine Durchwirbelungsvorrichtung verwendet wird, die zum nachträglichen Mischen des Gemische von luft und Brennstoff dient. Diese Brennerbauart beruht auf der Erzeugung von '.,'irbel strömen in de» Brennstoff -Luftgemisch, um die Verbrennung zu unterhalten, und diese Bauart eignet sich nicht für ein Brennstoff-Luftgemisch, das mit Sauerstoff angereichert ist.

Keiner der vorbekannten Brenner ist mit einer Einrichtung zur Kühlung mittels Wasser oder eines sonstigen strömenden Kühlmittels versehen, durch die er bei erhöhter Temperatur betrieben werden könnte.

Die Erfindung bezieht Si)^h₃ajft£ einen Industriebrenner, der

dafür ausgelegt ist,/2,52 · 10 kcal/h bei Verwendung eines Gemisches aus Erdgas und Luft oder eines Gemisches aus Erdgas und mit Sauerstoff angereicherter Luft zu erzeugen. Der Brenner wird mittels eines geeigneten Kühlmediuas gekühlt und ist mit einer Zündvorrichtung, einer Quelle zur Speisung einer Zündflamme mit einem Gasgemisch und einem sogenannten Stator versehen, der dazu dient, zu gewährleisten, dass der Brenner in der Art eines Brenners mit nachträglicher Mischung des Gemische arbeitet und nicht zurückschlägt. Sin Brenner dieser Bauart ist leicht herstellbar, weil die Flügel (Blades) des Stators geradlinig verlaufen und leicht an der Brennstoffdüse des Brenners befestigt werden können.

Die Erfindung bezweckt daher, in erster Linie einen verbesserten Industriebrenner zu schaffen. In diesem Zusammenhang soll insbesondere erfindungsgemäes ein Industriebrenner geschaffen werden, der bei erhöhter Temperatur mit einem Sauerstoff- oder mit Saueretoff angereichertem Brennstoff-Gemisch oder mit einem Luft-Saueretoff-Brennstoff-Gemisch arbeiten kann.

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Bei der Ausführung der Erfindung soll ein Industriebrenner in der mit iTachmischung des Gemische arbeitenden Bauart geschaffen werden, bei der die Gefahr eines Ruckschlagens wesentlich herabgesetzt wird, wenn der Brenner mit einem mit Sauerstoff angereicherten Gemisch betrieben wird.

".Ferner bezweckt die Erfindung, einen Industriebrenner zu schaffen, bei dem der Abstand des Stators von dem in den zu erhitzenden Kessel ragenden"Ende einstellbar ist, um die Leistung des Brenners auf ein Optimum zu bringen.

Vorzugsweise soll gemäss der Erfindung der Industriebrenner M so ausgestaltet sein, daS er in den zu erhitzenden Kessel hiaeinragend angebracht werden kann.

Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigen:

Pig. 1, teilweise im Schnitt, eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Brenners,

Pig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der Pig. 1,

Pig. 5 eine schaubildliche Barstellung des Stators des

Brenners nach Pig. 1, wobei eine Schaufel zum Teil M weggebrochen ist, um Einzelheiten des Stators zu zeigen, und

Pig. 4 eine abgebrochene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Teil des Brenners im Schnitt dargestellt ist.

Gemäss Pig. 1 besitzt ein erfindungsgemäßser Industriebrenner ein Gehäuse 10, das aus zwei Abschnitten 12 und 14 besteht, die mittels Flanschen 16 und 18 und mehreren über deren Umfang angebrachten Bolzen 20 in bekannter Weise miteinander verbunden

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sind. Die Abdichtung der Abschnitte 12 und 14 ist mittels zweckentsprechender O-Ringe oder anderer bekannter Dichtungsmittel hergestellt. Der Abschnitt 14 des Gehäuses ist mit einem es umgebenden Plansch 22 ausgerüstet, der dazu dient, den Brenner an einem Ofen oder einem sonstigen zu beheizenden Kessel anzubringen. Der Abschnitt 12 des Gehäuses 10 ist mit einer grossen Leitung 24 verbunden, durch die dem Brenner Luft oder angereicherte Luft zugeführt wird, die mit dem Brennstoff gemischt werden soll. Das Gehäuse 10 besitzt ferner einen Kühlmantel für ein strömendes Medium, der einen zylindrischen Einlasskanal 26 und einen Rückstromkanal 28 bildet und zur Kühlung mindestens eines wesentlichen Teils des Brenners dient. Wasser oder ein anderes strömendes Kühlmittel wird dem Brenner durch eine Leitung 30 zugeführt und durch eine Leitung 32 abgeführt. Eine derartige Kühlung mit einem umlaufenden Kühlmittel ist über dem ganzen Teil des Brenners notwendig, der in den Kessel hineinragt und auf hohe Temperatur erhitzt wird, damit er den Einflüssen seiner Umgebung standhält.

Das Gehäuse 10 besitzt ferner einen Deekel 34 an dem Ende, das demjenigen gegenüberliegt, an dem die Flamme erzeugt wird.

Innerhalb des Brennergehäuses 10 ist ein Brennstoffrohr 38 angebracht. Dieses Rohr besitzt eine Innenwandung 40 und eine Aussenwandung 42, so dass ein Brennstoffkanal 44 und eine Innenbohrung 46 gebildet werden. Der Brennstoffkanal 44 mündet in eine verengte kreisförmige Öffnung 48 an demjenigen Ende des Brennerrohres, das nahe dem offenen Ende 36 des Gehäuses angeordnet ist, wie es deutlicher in 3?ig. 2 gezeigt ist. Dem Brennstoffkanal 44 wird Brennstoff mittels eines Rohres 50 zugeführt, das am Abschnitt 12 des Gehäuses 10 befestigt ist. Um die Montage zu erleichtern, ist ein T-Stück 52 vorgesehen, an dem das Brennstoffrohr 38 und die Leitung 50 angeschlossen werden können.

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Das T-Stück 52 ragt durch den Deckel 34 hindurch und besitzt eine Sperrmutter 54, um eine Zündvorrichtung 56 an dem Brenner zu "befestigen.

Die Zündvorrichtung 56 besteht aus einem Leitungsdraht 58, der am Ende der Zündvorrichtung 56 angebracht ist, die nach aussen aus dem Brenner vorragt und mit diesem mittels eines Isolators 60 befestigt ist. Der Leitungsdraht 58 ragt durch die Zündvorrichtung 56 durch und geht bis zum Düsenende 62 des Brennstoffrohres; er dient dazu, einen Funken oder Lichtbogen zur Zündung des die Zündflamme speisenden Gemischs am Düsenende des Brennstoffrohres zu erzeugen. Die Zündvorrichtung 56 besitzt ferner ein Aussenrohr 64, das eine Verlängerung der Innenwandung 40 des Brennstoffröhres bildet. An der Aussenseite des Gehäuses ist am Rohr 64 ein T-Stück 66 angebracht, das eine Einlassleitung 68 zur Zuführung des die Zündflamme speisenden Gemische zum Düsenende 62 des Brennstoffrohres 38 besitzt, um den Zündflammenbrenner zu entzünden. Das die ZündJBLamme speisende Gemisch ist im allgemeinen ein Brennstoff, wie z.B. mit Luft gemischtes Erdgas. Der Draht 58 wird mit einer elektrischen Stromquelle, (die in der Zeichnung nicht dargestellt ist) verbunden, um am Düsenende des Brennstoffrohres einen Zündfunken und die Entzündung des Zündflammengemischa hervorzurufen.

Um das Düsenende des Brennstoffrohres 38 herum ist ein vor- und nachstehend als Stator bezeichneter Leitschaufelkrana angebracht, der als Ganzes mit 70 bezeichnet ist. Der Stator weist eine Vielzahl von Leitsohaufeln 72 (siehe Pig. 3) auf. Diese Sohaufeln bestehen vorzugsweise aus einer hoch-temperaturfeaten Eisenlegierung, und zwar in Form von flachen Stücken, die an dem Düsenende des Brennstoffrohrea 38 durch Schwfiasen längs einer Sohweissnaht 74 befestigt sind. Die Schaufeln 72 Bind in einem Winkel zur Längsachse des Brennstoffrohres angebracht, so dass jeweils die voreilende Kante 76 des folgenden Stückee die nacheilende Kante 78 der benachbarten Schaufel überlappt.

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Auf diese Weise wird erreicht, dass die in den Brenner durch die leitung 24 eingeführte Luft auf die Statorschaufeln 72 auftrifft und eine schraubenförmig gewundene luftströmung erzeugt wird. Diese V/irbel strömung verursacht ihrerseits eine innige Mischung der Luft mit dem Brennstoffgas und gewährleistet, dass eine Nachmischung des zugeführten G-emischs eintritt. Die Nachmischung wird hergestellt, um die Zündung des Luft-Brennstoffgemischs erst hinter der Stirnfläche der Düse 62 zu bewirken.· Die Schaufeln des Stators oder JJeitschaufelkranzes gewährleisten, dass die Luft keine geradlinigen Durchtrittskanäle vorfindet,/n*JtX jedem Luftteilchen sowohl eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente als auch eine longitudinale G-eschwindigkeitskomponente erteilt wird. Die geradlinig verlaufenden Schaufeln sind leichter als gekrümmte Schaufeln herstellbar und können aus handelsüblich verfügbarem Werkstoff gefertigt werden. Der Stator gewährleistet Betriebssicherheit, weil er ein Bückschlagen verhindert, wenn Sauerstoff verwendet wird, um die Luft anzureichern.

Das Arbeiten des Brenners wird durch das Verhältnis des Abstandes der Düsenstirnfläche 62 vom offenen Ende 36 des Brenners zum Durchmesser des Stators 72 bestimmt. Dieses Verhältnis (L/D) soll im Bereich von 0,67 bis 1,5 liegen. Ist das Verhältnis kleiner als 0,67, so neigt die Flamme dazu, auszulöschen und ist das Verhältnis L/D grosser als 1,51 so wird eine beträchtliche Erhöhung der Wasserkühlung des Brenners erforderlich, ohne dass sich die Leistung des Brenners wesentlich erhöht.

In Pig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Verhältnis L/D für einen gegebenen Brennerdurchmesser dadurch verändert werden kann, dass das Brennstoffrohr 38' und dadurch der (nicht gezeichnete), an dem Brennerrohr befestigte Stator in Richtung der Längsachse des Brenners verschiebbar gemacht ist. Zu diesem Zweck ist das Brennerrohr 38' in dem Deckel 34»

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mittels einer Stopfbüchse verschiebbar gelagert, wie sie im ganzen bei 80 gezeigt ist. Die Stopfbüchse weist eine mit einem Plansch versehene Büchse 82 auf, die sowohl eine Abdichtung des Brennstoffrohres 38 schafft als auch dessen Bewegung gestattet, und die ein Glied 84 zur Aufnahme von Abdichtungsmaterial 86 zwischen diesem Aufnahmeglied und dem Rohr besitzt. Der einstellbare Stator erhöht das Verhältnis zwischen Maximum und Minimum der Befeuerung des Brenners und erhöht somit die Möglichkeit, den Brenner kleinzustellen.

Ein Brenner der beschriebenen Bauart kann, abgesehen von dem Stator und von der Zündflammeneinrichtung aus Stahl hergestellt sein, damit er. leicht gefertigt werden kann. Die Zündeinrichtung wird als gesonderte Einheit hergestellt und besitzt an ihrem Zündende eine vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehende Spitze. Wie beschrieben, wird der Stator aus einer hoch-temperaturfesten Legierung^fertigt, wie z.B. rostfreiem Stahl des Typs 309.

Die Wasserkühlung des Brenners macht es möglich, dass der Brenner.mit einem Gemisch von Erdgas und Luft oder Erdgas und Luft betrieben wird_r die mit Sauerstoff angereichert ist. Bei einem Gemisch aus Erdgas und Luft betragt die Plammentemperatur etwa 1550 bis 165O⁰C. Wird der Luft Sauerstoff sugeeetzt, so erhöht sich die Hammengeschwindigkeit solange, bis bei einem Gemisch von Brennstoff und 30 $> Sauerstoff in der Luft die Flammentemperatur etwa 2200⁰O beträgt. Die Wasserkühlung macht es möglich, dass der Brenner einer^olchen heiesen Umg e bung s tandhält.

Beim Betrieb wird der Brenner mit den Quellen für die Zufuhr von Wasser, Energie, Zündflammenbrennstoff und Brenner-Brennstoff (Erdgas) verbunden. Zunächst wird die Zündflaame gezündet, dann Luft in den Brenner eingeführt und sohliesslioh . der Brennstoff in den Brenner eingeführt. Wird Anreicherung mit Sauerstoff benötigt, so wird der Sauerstoff voraugsweise

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zugeführt, nachdem der Hauptbrenner gezündet wurue.

Ein Lörenner dieser bauart kann auch mit einem Ultra^ioiett-KLanmenwächter versehen v/erden, eier ici Leckel 54 an.j_:eoracLt ist und der beite des ^cators 7ü zure/ic^rz int, < ie von aer-„enigen Stelle erii^ernt lier;t, an eier Cie .:ia'::'2e erzeugt vxrä. Verzüge eines kleinen, in eine ^:;er LCMr.u-eln (2 eii:_;.eooii:_-ueu locues kann äann ö.e·.-.· ü'c;.r.":io.i.e7>'.".c..i.er r.!_s Jeteiitor j. Ir nie

erxai'^T der I3eaienun^spe:.-;.^::oi] sv. cjz-.ei.ner,, o;. die ,7;.ndrj.a. - x jrennt,unci ο ο aie rauptbrenner^larn^e cremrt, unu '.dieser Detettor oder Wächter gestattet auch, eine selustu'lui^e ijxa::;:..f.;jsicherheitsvorrichtung anauv;enden. Jo.LCx^e j-'Icraueriw^Oiater sind ix, der Industrie ^β>ε.χ:η·-, . ιΛ können xcici-t a:: den hier '..er-:c^rie _ c^e trenner an;;eoa ^: '; v.ex-.cn.

Patent-bzv/. Schutzansprüche:

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Claims

Patent- bzw. Schutζansprüehe

Brenner für Industriezwecke mit einem an einem Ende offenen, im wesentlichen zylindrischen Gehäuse, das mit Zuführorganen für ein erstes Gas zum Innern des Gehäuses, einem Kühlmantel für ein strömendes Kühlmittel mit einem Einlass und einem Auslass, der so angebracht ist, dass er bei arbeitendem Brenner eine fortlaufende Kühlung eines grösseren Teils des Gehäuses liefert, einem das eine Ende des Gehäuses verschliessenden Deckel und einer innerhalb des Gehäuses angeordneten und sich durch dessen Deckel nach aussen ragenden Brennstoffleitung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitung (38) an ihrem einen Ende eine innerhalb des Gehäuses (10) angeordnete Düse (48) aufweist und das Düsenende (62) der Brennstoffleitung in Abstand von dem offenen Ende (36) des Gehäuses nach innen zurückgesetzt angeordnet ist, dass ferner eine Zündvorrichtung (56) so innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, dass sie den Brennstoff ausserhalb der Düse (48, 62) zündet, und dass ein Stator oder Leitschaufelkranz (70) um die Düse herum angeordnet ist und Leitflächen oder Schaufeln (72) aufweist, die so angeordnet und ausgebildet sind, dass das dem Gehäuse zugeführte erste Gas einen Drall bzw. einen schraubenlinienförmigen Strömungsverlauf erhält und eine innige Mischung des ersten Gases und des Brennstoffes innerhalb des Gehäuses gewährleistet wird.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (72) des Leitschaufelkranzes (70) sich zwischen der Brennstoffleitung (38) und der inneren Oberfläche des Gehäuses (10) erstrecken und um die Düse (48, 62) herum senkrecht zu dieser und in einem Winkel zur Längsachse der Düse derart angeordnet sind, daes jede der Schaufeln

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einen Teil der nachfolgenden Schaufel überlappt und die Schaufeln eine in Anströmrichtung des ersten Gases praktisch geschlossene Prallfläche und Leitflächen bilden, die diesem Gas eine schraubenlinienartige Drallströmungskomponente erteilen.
3. Brenner nach A_nSp_rUch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes (L) der Düse (48) bzw. der Düsenstirnfläche (62) vom offenen Ende des Gehäuses (10) zum Durchmesser (D) des Stators zwischen 0,6 bis 1,5 beträgt.
4· Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzündvorrichtung (56) innerhalb des Brennetoffrohres (38) angeordnet ist und mit einer Quelle für vorgemischtes Zündflammengas verbunden ist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (26, 28) ein y/assermantel ist, der innerhalb des Gehäuses (10) einen wesentlichen Teil der Länge des Gehäuses einnimmt, die sich von seinem offenen Ende bis zu seinem Deckel (34) erstreckt.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) aus mindestens zwei Abschnitten (12, 14) hergestellt ist, die abnehmbar aneinander befestigt sind, um leichten Zugang zum Gehäuseinnern zu schaffen.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daes am Deckel (34) des Gehäuses ein Flammenwächter angebracht ist, der als Detektor für das Zünden der Zündflamme und der Brennerflamme ausgebildet ist.

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8. Brenner für Indus triezv/e eke nach Anspruch 1, dadurch ..ekennzeichnet, dass der Einlass (50) und der Auslass (52) für den Kühlmantel (26, 28) in dem grösseren, vorzugsweise mittleren Teil des Gehäuses (10) angebracht sind, und dass der Deckel (34) des Gehäuses eine Öffnung zur Aufnahme der Brennstoffleitung (38') besitzt, die ■lurch eine nachgiebige Dichtung oder x-ackung (in 86, 84) gegen das Brennstoffrohr .so abgedichtet ist, dass dieses in der öffnung gleitend verschiebbar gelagert werden kann, und dass das Düsenende (62) der Brennstoffleitung (3ö') in Ausströmrichtung gegen das offene jsnde des Gehäuses nach hinten zurückgesetzt ist und ein die Düse (48) umgebender Kranz von Leitflächen oder Leitschaufeln vorgesehen ist, der eiern dem Gehäuse zugeführten ersten las eine schraubenlinienar.ig verlaufende Drall-Strömungskomponente erteilt, durch die eine innige Mischung dieses Gases und des Brennstoffs innerhalb des Gehäuses erzeugt wird.

9· Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (72) des Leitschaufelkranzes (70) sich zwischen der Brennstoffleitung (38·) und der inneren Oberfläche des Gehäuses (10) erstrecken, um die Düse (48, 62) herum senkrecht zu dieser und in einem Neigungswinkel zu deren Längsachse derart angeordnet sind, dass jede Schaufel einen Teil der nächstfolgenden Schaufel überlappt und die Schaufeln zusammen eine in der Brennerlängsrichtung im wesentlichen geschlossene Prallfläche für das auftreffende Gas bilden, dem die Drallkomponente erteilt wird, wobei vorzugsweise das Brennerrohr zusammen mit dem Leitschaufelkranz in Längsrichtung verschiebbar ,und einstellbar ist.

Patentanwälte
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