Brenner zur Erzeugung heißer Flammen Die vorliegende Erfindung hat
zum Ziel, einen Brenner für Kohlenwasserstoffe mit sehr hoher Flammentemperatur
zu schaffen. Bei stöchiometrischem Betrieb'von Hochleistungsbrennern, insbesondere
von Rückführbrennern, werden Temperaturen erreicht, die der theoretischen Verbrennungstemperatur
nahekommen, wenn man bei der Ermittlung der Dissoziation der Verbrennungsprodukte
Rechnung frägt. Bei dimer Fahrweise sind jedoch die der Verbrennung zugewandten
Brennertei le und auch die Verbrennungskammer thermisch so hoch beansprucht, daß
eine weitere Steigerung der Temperatur der Verbrennung, z.B. durch einen höheren
Sauerstoff-Anteil der Luft oder durch deren weitgehende Vorwärmung, aus Materialgründen
nicht mehr möglich ist. Selbst hochlegierte Stahl legierungen würden schmelzen und
für die Brennkammerauskleidung müßten sehr aufwendige keramische Materialien verwendet
werden.Hot Flame Burners The present invention has
the aim is a burner for hydrocarbons with a very high flame temperature
to accomplish. In the case of stoichiometric operation of high-performance burners, in particular
of recirculation burners, temperatures are reached that correspond to the theoretical combustion temperature
come close when looking at determining the dissociation of the combustion products
Bill asks. In the case of the dimer operating mode, however, they are oriented towards combustion
Brennertei le and the combustion chamber are so thermally stressed that
a further increase in the temperature of the combustion, e.g. by a higher one
Oxygen content of the air or due to its extensive preheating, for reasons of material
is no longer possible. Even high-alloy steel alloys would melt and
very expensive ceramic materials would have to be used for the combustion chamber lining
will.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese Nachteile zu vermeiden
und höhere Verbrennungstemperaturen zu erzielen, indem im ersten Teil des Brenners
die Kohlenwasserstoffe unter erheblichem Sauerstoffmangel verbrannt werden, und
daß erst nach Durchführung dieser Vorverbrennung der zur vollswndigen Verbrennung
des Brennstoffs noch benötigte Sauerstoff in einer Weise zugeführt wird, die zu
höheren Verbrennungstemperaturen als der Sauerstoff der kalten Luft führt Dies kann
z,B, in der Weise erfolgen, daß wenigstens die zur vollstandigen Verbrennung noch
fehlende Brennluft stark vorgewärmt wird,oder daß der Sauerstoffgehalt des Sauerstoffträgers
über 21 % hinaus erhöht wird, oder daß der Sauerstoff in Form von Stickoxyden zugeführt
wird.The present invention makes it possible to avoid these disadvantages
and to achieve higher combustion temperatures by placing in the first part of the burner
the hydrocarbons are burned in a severe lack of oxygen, and
that only after this pre-combustion has been carried out the complete combustion
of the fuel still needed oxygen is supplied in a way that too
This can result in higher combustion temperatures than the oxygen in the cold air
z, B, take place in such a way that at least the for complete combustion still
missing combustion air is strongly preheated, or that the oxygen content of the oxygen carrier
is increased beyond 21%, or that the oxygen is supplied in the form of nitrogen oxides
will.
Die Erfindung sieht vor, den restlichen Sauerstoff für die vollständige
Verbrennung am Ende der Verbrennungskammer zuzuführen, in der die reduzierende Verbrennung
erfolgt Die weitere Verbrennung findet dann im anschließenden Flammenraum oder in
einer sich anschließenden weiteren Verbrennungskammer statt" Um eine gute Vermischung
der heißen Verbrennungsgase aus der reduzierenden Verbrennung mit dem
zur
vollständigen Verbrennung beigegebenen Sauerstoff zu erzielen, wird vorgeschlagen,
die Zugabe an oder hinter einer Einschnürung am Ende der ersten Verbrennungskammer
vorzunehmen. An diese EinschnUrung kann sich dann als Erweiterung der nächste Brennraum
für die vollständige Verbrennung anschließen, wenn die Verbrennung nicht in offener
Flamme erfolgt.The invention provides for the remaining oxygen for the complete
To supply combustion at the end of the combustion chamber in which the reducing combustion
The further combustion then takes place in the adjoining flame room or in
an adjoining further combustion chamber instead of "To ensure good mixing
the hot combustion gases from the reducing combustion with the
to the
To achieve complete combustion of the added oxygen, it is suggested that
the addition at or behind a constriction at the end of the first combustion chamber
to undertake. The next combustion chamber can then be attached to this constriction as an extension
Connect for complete combustion when combustion is not in open
Flame takes place.
Der Erfindungsgedanke sei an zwei Beispielen erläutert: Beispiel 1
Die theoretische Verbrennungstemperatur eines leichten Heizöles mit ca. 10000 kcal/kg
liegt(unter Vernachlässigung der Dissoziation) bei stöchiometrischer Fahrweise bei
ca. 2000 ° C. Eine Erhöhung der Verbrennungslufttemperatur auf z,B. 600 ° C würde
die Verbrennungstemperatur der vollstandigan Verbrennung auf ca. 2600 ° C steigern,
was jedoch nicht, mit RUcksicht auf die Metallteile des Brenners und das Brennkammermaterial,
möglich ist. Verbrennt man dagegen in der ersten Stufe des Brenners, gemäß dem vorliegenden
Vorschlag, unterstöchiometrisch mit Luft und einer Luftzahl von Xl = 0,7, so enthält
das heiße Abgas dieser ersten Verbrennungsstufe 17,5 Vol % CO + H2, die in der zweiten
Verbrennung bei weiterer Luftzufuhr verbrennen können. Diese unterstöchiometrische
Vorverbrennung gibt mit kalter Luft eine Verbrennungstemperatur von ca. 1620 ° C;
verwendet man nun heiße Luft von ca. 600 ° C, so erhöht sich die Verbrennungstemperatur
in der Vorkammer auf 2000 0 also denselben Wert, wie er sich bei stöchiometrischer
Verbrennung ergdbe und der fUr die Bauteile noch zulässig ist, Die Verbrennung der
Abgase der unterstöchiometrischen Verbrennung, die noch 55 % des Heizwertes des
Brennstoffs enthalten, mit restlicher Luft von 600 0 ^ ergibt eine Flammentemperatur
von ca, 26500 C. Trotz dieser hohen Flammentemperatur werden die Mischteile des
Brenners, seine Rückwände und auch die Wände der Vorkammer nicht höher belastet
als bei einstufiger Verbrennung mit kalter Luft.The idea of the invention will be explained using two examples: Example 1
The theoretical combustion temperature of a light heating oil with approx. 10000 kcal / kg
is included (neglecting the dissociation) with stoichiometric operation
approx. 2000 ° C. An increase in the combustion air temperature to e.g. 600 ° C
Increase the combustion temperature of the complete combustion to approx. 2600 ° C,
but what not, taking into account the metal parts of the burner and the combustion chamber material,
is possible. If, on the other hand, one burns in the first stage of the burner, according to the present one
Proposal, substoichiometric with air and an air number of Xl = 0.7, so contains
the hot exhaust gas of this first combustion stage 17.5 vol% CO + H2, the second
Combustion can burn if there is further air supply. This substoichiometric
Pre-combustion with cold air gives a combustion temperature of approx. 1620 ° C;
If you now use hot air of approx. 600 ° C, the combustion temperature increases
in the antechamber to 2000 0 so the same value as it is with stoichiometric
Combustion results and which is still permissible for the components, the combustion of the
Exhaust gases from substoichiometric combustion, which still have 55% of the calorific value of the
Containing fuel, with remaining air of 600 0 ^ results in a flame temperature
of approx. 26500 C. Despite this high flame temperature, the mixing parts of the
Brenners, its rear walls and the walls of the antechamber are not subjected to any higher loads
than with single-stage combustion with cold air.
Beispiel 2 Würde, wie es die Erfindung gleichfalls vorschlägt, anstelle
von heißer Luft kalter Sauerstoff verwendet, so könnte in der ersten Stufe das Öl
z,B, mit 1l = 0,425 verbrennen,
wobei im Abgas mit 85 Vol % CO +
H2 eine Temperatur von etwa 2000 ° C entsteht. Die Temperaturen der Brennerteile
entsprechen dabei etwa den Verhältnissen wie bei gewöhnlichen, einstufigen Hochleistungsbrennerns,
Auch-bei dieser ersten Verbrennung, die in erster Linie der Aufbereitung flüssiger
Brennstoffe dient, werden sehr hohe Verbrennungstemperaturen erreicht; in diesem
Fall etwa 3500 ° C.Example 2 would, as the invention also suggests, instead
Cold oxygen from hot air is used, so the oil could be used in the first stage
z, B, burn with 1l = 0.425,
with 85 vol% CO + in the exhaust gas
H2 a temperature of about 2000 ° C arises. The temperatures of the burner parts
correspond approximately to the conditions as with ordinary, single-stage high-performance burners,
Also-with this first combustion, which is primarily the processing of liquid
Fuels, very high combustion temperatures are reached; in this
Fall about 3500 ° C.
Diese Temperatur wUrde bei einstufiger Verbrennung Brennertei le und
Brennkammer zerstören0 Auch die Figuren 1 und 2 sollen die vorliegende Erfindung
noch näher erläutern.In the case of single-stage combustion, this temperature would be burner parts and
Destroy combustion chamber Figures 1 and 2 are also intended to describe the present invention
explain in more detail.
In Figur 1 ist ein Brenner fur gasförmige Kohlenwasserstoffe im Längsse;hnitt
schematisch dargestellt, Der bei 1 zugeführte gasförmige Kohlenwasserstoff, z,B.
Butan, mischt sich mit dem bei 2 zugeführten Sauerstoffträger, dessen Sauerstoffgehalt,
jedoch nur zur unvollständigen Verbrennung des Brennstoffes ausreicht, Gegenüber
dem in reiner kalter Luft liegt der Sauerstoff in einer Form vor, die höhere Verbrennungstemperaturen
ergibt, z,B, als erwärmte oder mit Sauerstoff mehr oder weniger angereicherte Luft,
Gas- und Sauerstoffträger werden in einem Mischrohr 3 gründlich gemischt und in
eine Verbrennungskammer 4 geführt. Die ZUndung erfolgt dort mittels Zündkerze 5.
In der keramisch ausgekleideten Brennkammer 4 findet eine Vorverbrennung mit verhältnismäßig
heißer Flamme statt, deren Abgase den noch unverbrannten Kohlenwasserstoff in Form
von Kohlenoxyd und Wasserstoff bilden. In einer Einschnürung 6 wird die zur vollständigen
Verbrennung des CO + H2 - Gemisches noch erforderliche Sauerstoffmenge durch Öffnungen
9 zugemischt, Diese erfindungsgemäß mit Sauerstoff oder Stickoxyden angereicherte
oder stark erwärmte Verbrennungsluft tritt bei 7 in den Brenner ein und fließt durch
einen Ringraum'8, der die Verbrennungskammer umgibt. Hierbei findet eine weitere
Erwärmung des Sauerstoffträgers statt, ehe er sich bei 9 den heißen Verbrennungsgasen
der Vorverbrennung zumischt. Die restliche Verbrennung erfolgt dann in der freien
Brennerflamme oder in einem - nicht gezeichneten - nachgeschalteten Teil der Verbrennungskammer,
die an die trichterförmige Erweiterung 10 hinter der Einschnürung anschließt. Die
Hinterwand des Brenners, das Mischrohr und die Glühkerze
werden
bei der unterstöchiometrischen Vorverbrennung in Brennkammer 4 trotz Sauerstoffanreicherung
oder Luftvorwärmung nicht stärker beansprucht, als bei stöchiometrischer Verbrennung
des Brennstoffes mit kalter Luft, In Figur 2 ist gleichfalls im schematischen Längsschnitt
ein Ölbrenner gezeigt, dem das Öl durch die Düse 11 zugeführt wird. Der Sauerstoffträger
der unterstöchiometrischen Verbrennung, z,B, stark erwärmte Luft, tritt bei 12 in
eine ringförmige Kammer ein und verläßt diese bei 13 durch einen Ringspalt, Infolge
der hohen Geschwindigkeit in diesem Ringspalt wird im Mischrohr 20 ein Unterdruck
erzeugt, der bewirkt, daß ein Teil der in der Brennkammer 4 gebildeten Abgase durch
einen Ringraum 14 zur Öldüse 11 zurückströmt. Die heißen Abgase mischen sich zunächst
mit dem verdUsten Brennstoff aus der Düse 11 und im weiteren Verlauf im Mischrohr
20 mit dem Sauerstoffträger und brennen hinter der Einmündung in die Brennkammer
4 mit großer Umsetzungsgeschwindigkeit, Würde man zur Steigerung der Flammentemperatur
bei 12 die gesamte Luftmenge mit erhöhter Temperatur einführen, so wären die Stirnseite
21 und die Innenwandung der Verbrennungskammer 4 thermisch so stark belastet, daß
sie zerstört wUrden. Trotz der Erwärmung der Luft oder der Sauerstoffanreicherung
wird jedoch keine höhere Temperatur in der Verbrennungskammer 4 erreicht, weil nur
ein Teil der zur vollständigen Verbrennung benötigten Sauerstoffmenge zugeführt
wird, Der Rest an Sauerstoff zur Verbrennung der unvollständigen Verbrennungsprodukte,
die aus der EinschnUrung 6 austreten, wird dem Brenner bei 17 zugeführt und den
Abgasen durch Öffnungen 19 bzw. 19' beigemischt, Die vollständige Verbrennung findet
dann im Anschluß an diese Sauerstoffzugabe in offener Flamme oder in einer Brennkammer
statt, Hierbei werden sehr hohe Temperaturen erzielt, ohne daß die Wandung 15 der
Brennkammer 4 bzw. die RUckwand 21 des Brenners höher belastet werden, als bei vollständiger
Verbrennung mit kalter Luft. In Figure 1 is a burner for gaseous hydrocarbons in longitudinal section
shown schematically, the supplied at 1 gaseous hydrocarbon, z, B.
Butane, mixes with the oxygen carrier supplied at 2, the oxygen content of which,
however only sufficient for incomplete combustion of the fuel, opposite
In pure cold air, the oxygen is in a form that allows higher combustion temperatures
results, for example, as heated air or air more or less enriched with oxygen,
Gas and oxygen carriers are mixed thoroughly in a mixing tube 3 and in
a combustion chamber 4 out. The ignition takes place there by means of a spark plug 5.
In the ceramic-lined combustion chamber 4 there is a pre-combustion with relatively
hot flame, whose exhaust gases form the still unburned hydrocarbon
form of carbon monoxide and hydrogen. In a constriction 6 is the complete
Combustion of the CO + H2 mixture still required amount of oxygen through openings
9 mixed in, this enriched according to the invention with oxygen or nitrogen oxides
or strongly heated combustion air enters the burner at 7 and flows through it
an annulus 8 surrounding the combustion chamber. Here is another
The oxygen carrier is heated before it settles in the hot combustion gases
the pre-combustion admixes. The rest of the combustion then takes place in the open
Burner flame or in a - not shown - downstream part of the combustion chamber,
which connects to the funnel-shaped enlargement 10 behind the constriction. the
Rear wall of the burner, the mixing tube and the glow plug
will
with the substoichiometric pre-combustion in combustion chamber 4 despite oxygen enrichment
or air preheating is not stressed more than with stoichiometric combustion
of the fuel with cold air, in Figure 2 is also a schematic longitudinal section
an oil burner is shown to which the oil is fed through the nozzle 11. The oxygen carrier
the substoichiometric combustion, e.g., strongly heated air, occurs at 12 in
an annular chamber and leaves this at 13 through an annular gap, as a result
Due to the high speed in this annular gap, a negative pressure is created in the mixing tube 20
generated, which causes a part of the exhaust gases formed in the combustion chamber 4 through
an annular space 14 flows back to the oil nozzle 11. The hot exhaust gases mix first
with the evaporated fuel from the nozzle 11 and in the further course in the mixing tube
20 with the oxygen carrier and burn behind the confluence in the combustion chamber
4 with great implementation speed, one would use to increase the flame temperature
at 12 introduce the entire amount of air at a higher temperature, so the face would be
21 and the inner wall of the combustion chamber 4 thermally so heavily loaded that
they have been destroyed. Despite the warming of the air or the oxygen enrichment
however, no higher temperature is reached in the combustion chamber 4 because only
part of the amount of oxygen required for complete combustion is supplied
will, the rest of oxygen to burn the incomplete combustion products,
which emerge from the constriction 6 is fed to the burner at 17 and the
Exhaust gases mixed in through openings 19 or 19 ', the complete combustion takes place
then following this addition of oxygen in an open flame or in a combustion chamber
instead, this very high temperatures are achieved without the wall 15 of the
Combustion chamber 4 or the rear wall 21 of the burner are more heavily loaded than in the case of complete
Combustion with cold air.
Der Brenner dient in erster Linie zur Erzeugung sehr heißer Flammen,
wie sie fUr viele Verwendungszwecke, z,B, beim Schmelzen von Metallen, gebraucht
werden, Der Brenner ist aber auch geeignet, die Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsvorganges
zu steigern, weil er eine weitgehende Lufterwärmung ermöglicht, die bei Hochleistungsbrennern
mit
flüssigen Brennstoffen bislang nicht möglich war. Der Brenner
kann auch dazu verwendet werden, Stickoxyde, die ihm als Sauerstoffträger zugeführt
werden, thermisch weitgehend abzubauen, - Patentansprüche -The burner is primarily used to generate very hot flames,
as it is used for many purposes, e.g. in the melting of metals
However, the burner is also suitable for the profitability of the combustion process
to increase, because it enables extensive air heating, which is the case with high-performance burners
with
liquid fuels was previously not possible. The burner
can also be used to remove nitrogen oxides, which it supplies as an oxygen carrier
are to be largely thermally degraded, - claims -